CN106647461A

CN106647461A - 一种基于arm‑fpga的自动绕线机控制系统

Info

Publication number: CN106647461A
Application number: CN201611046748.0A
Authority: CN
Inventors: 文全刚; 梁艳春; 吴春国; 李昱; 董鑫正; 尹贺; 朱晓琳
Original assignee: Jilin University; Zhuhai College of Jilin University
Current assignee: Jilin University; Zhuhai College of Jilin University
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2017-05-10

Abstract

本发明公开了一种基于ARM‑FPGA的自动绕线机控制系统，包括：上层控制模块，其包括ARM芯片，人机交互模块以及SD卡插槽，所述人机交互模块和SD卡插槽分别与ARM芯片连接；下层控制模块，其包括FPGA芯片和I/O控制模块，所述I/O控制模块与FPGA芯片连接；所述ARM芯片与FPGA芯片通过FSMC总线进行通信。本发明能够提高绕线机控制系统的存储原件数量，并提高控制精度和反应速度。降低绕线机的操作难度，提高产品质量和机器平均无故障时间，具有良好的现实意义。

Description

一种基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，特别涉及一种基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统。

背景技术

绕线机是一种绕制线圈的自动化设备，常用的电子产品如电动机线圈、变压器、电磁阀、点火线圈、RFID等都是通过绕线机生产的。绕线机由基座、剪/夹线机构、运动控制系统、丝杆及排线装置等部件构成。绕线的基本动作包括进料、缠头、绕线、缠尾、剪线、退料等。绕线机目前均已实现自动控制，既预先编写好绕线动作，以G代码文件形式存储于运动控制卡的存储器中。加工时，选择目标型号产品的绕线代码执行加工。

目前关于全自动绕线机的专利，CN201520212963.8全自动绕线机控制系统，提到使用CAN总线，CAN总线的通信复用效率没有FSMC总线高。CN201420086600.X通用型绕线机控制器，提到以单片机为核心，其结构精度差，反应慢，难以满足工业应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有绕线机控制系统采用单核心、控制精度低的缺陷，通过双芯片设置提高绕线机控制系统的存储原件数量，并提高了控制精度和反应速度。

本发明提供的技术方案为：

一种基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，包括：

上层控制模块，其包括ARM芯片，人机交互模块以及SD卡插槽，所述人机交互模块和SD卡插槽分别与ARM芯片连接；人机交互模块上设置RS232串行通信接口；

下层控制模块，其包括FPGA芯片和I/O控制模块，所述I/O控制模块与FPGA芯片连接；

所述ARM芯片与FPGA芯片通过FSMC总线进行通信；

所述人机交互模块的RS232串行通信接口9个针脚分别依次连接NC，PA9，PA10，NC，GND，NC，NC，NC，NC；

所述ARM芯片与SD卡插槽的管脚连接关系为：

ARM芯片PC10脚与SD卡插槽DAT2脚连接，ARM芯片PC11脚与SD卡插槽DAT3脚连接，ARM芯片PD2脚与SD卡插槽CMD脚连接，ARM芯片VDD脚与SD卡插槽3V3脚连接，ARM芯片PC12脚与SD卡插槽CLK脚连接，ARM芯片VSS脚与SD卡插槽GND脚连接，ARM芯片PC8脚与SD卡插槽DAT0脚连接，ARM芯片PC9脚与SD卡插槽DAT1脚连接，ARM芯片PG8脚与SD卡插槽CD脚连接，ARM芯片GND脚与SD卡插槽GND脚连接。

优选的是，所述ARM芯片，人机交互模块、SD卡插槽、FPGA芯片和I/O控制模块均设置在电路基板上。

优选的是，所述电路基板上还设置有电源模块。

优选的是，所述电源模块能够提供5V直流电。

优选的是，所述人机交互模块与触摸屏连接。

本发明的有益效果是：本发明能够提高绕线机控制系统的存储原件数量，并提高控制精度和反应速度。降低绕线机的操作难度，提高产品质量和机器平均无故障时间，具有良好的现实意义。

附图说明

图1为本发明所述的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，包括电路基板110，在电路基板110上设置有电源模块120，用于为整个控制系统供电。

在电路基板110上设置有上层控制模块和下层控制模块。其中，上层控制模块包括ARM芯片130、人机交互模块140、SD卡插槽150；下层控制模块包括FPGA芯片160、I/O控制模块170以及电机伺服器的I/O。所述电路基板110上还设置有FSMC总线160，使ARM芯片130与FPGA芯片160通过FSMC总线180实现通信。

ARM芯片130为MCU内核：STM32F103ZET6，安装RT-Thread操作系统。

所述人机交互模块140采用Rs-232串行通信方式的扩展接口，可与触摸式控制屏连接，采用MODBUS通信协议。

FSMC总线160为“静态存储器控制器”，是内置于大容量STM32F的外部存储器控制器，本系统使用其中的PSRAM控制器，与FPGA实现通信，增加了系统的实时性，确保了电机运动的可靠性和加工动作的准确性。

SD卡插槽150与ARM芯片130采用对应管脚直连的方式，使用FATfs文件系统。

本发明使用ARM与FPGA双核心结构，SD卡取代了通常的U盘+FLASH文件存储、拷贝模式，ARM与FPGA两个芯片通过FSMC总线实现通信。绕线机控制动作G代码文件存储于可插拔SD卡中，更改或拷贝G代码文件，只需把SD卡拔出，通过读卡器插入电脑中，使用电脑直接操作文件。操作系统接到指令，选择读取SD卡中的某一个G代码文件，按照G文件内容，逐行解释位置坐标和对应接口开关信息，赋值给对应封装函数，再通过FSMC总线对FPGA对应地址读取或赋值，实现对电机的控制。本发明能够翻译G代码文件，并与FPGA通信，执行文件信息。

其中，ARM芯片130与人机交互模块140之间的之间管脚关系为：

ARM芯片130与SD卡插槽150之间管脚关系为：

编号	引脚连接	编号	引脚链接
				1	PC10–DAT2	2	PC11–DAT3
3	PD2–CMD	4	VDD–3V3
				5	PC12–CLK	6	VSS–GND
7	PC8–DAT0	8	PC9–DAT1
				9	PG8–CD	10	GND–GND

ARM芯片130与FPGA芯片160之间管脚关系：

本发明提供的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统使用时，首先通过触摸屏与系统进行通信，ARM中安装RT_thread操作系统，建立MODbus协议网络通信线程“thread_entry_ModbusSlaverPoll”，驱动串口USART1，触摸屏通过串口与系统建立连接，文件名称和数量可以显示在触摸屏幕中，通过点击文件，可以执行该文件。

文件系统的挂载：绕线机运动的动作指令以文件形式保存在SD卡中，操作系统挂载SD卡“dfs_mount("sd0","/","elm",0,0)”，挂载成功后，系统可以“elm文件系统”读取SD卡中的文件，用户通过触摸屏选择读取存储在SD卡中的某一个绕线程序文件，执行该文件内容。

G代码编译器的使用：运动指令文件让系统获取具体的动作信息，必须使用G代码解析器，编译器由1个解释器核心和4个调用接口构成。解释器核心包含115个核心函数，调用接口分别包含11个控制函数、9个信息反馈函数、53个规范化加工函数和22个外部信息反馈函数。系统单独为其建立一个“Gcode”文件夹，存放编译器的两个核心文件canon_pre.c和rs274ngc_pre.c以及一个外部文件driver.c。

RS274_NGC编译器的程序运行可分为读取和执行两个步骤。读取时，外部驱动函数调用rs274ngc_read解释器函数,从文件中读取一行G代码,首先做词法和语法检查,将代码所包含的指令信息存入包含该信息的数据结构参数中；执行时外部驱动函数调用rs274ngc_execute函数。

针对每一种动作，建立对应的运动函数，将文件中动作的参数传给FPGA，，speed、pulse分别为速度和脉冲的数量。

ARM与FPGA通信：FSMC的全称是“静态存储器控制器”，是内置于大容量STM32F的外部存储器控制器。它包括4个模块：AHB接口、NOR闪存和PSRAM控制器、NAND闪存、PC卡控制器和外部设备接口。FSMC总线的PSRAM控制器可以作为FPGA的控制区间，把FSMC提供的FSMC_A[25:0]作为地址线，而把FSMC提供的FSMC_D[15:0]作为数据总线实现ARM与这些模块的通信与控制。

通信建立后，建立FPGA各个存储空间的赋值函数，与ARM中的运动函数对应。

FPGA控制伺服电机运动方式：FPGA主要负责插补算法，位置控制，速度控制，脉冲信号，方向信号产生，编码信号的译码和扩展通用I/O的处理。包括二个基本的逻辑模块:组合逻辑模块、时序逻辑模块和译码逻辑模块。利用这二种模块实现译码、倍频、计数、脉冲分配、定时、串口扩展等功能。

脉冲发生器作为运动控制器脉冲输出的重要组成部分。采用现场可编程门阵列FPGA实现脉冲发生器，便十调试，灵活性大。该模块用十将插补计算出来的脉冲数，以一定的周期和脉冲数发送给伺服电机。模块有两个16位的寄存器，分别是脉冲周期寄存器(Counter-me)和插补周期寄存器。另外，模块的方向信号通过GPIO直接实现，控制伺服电机转动方向。系统复位后各个寄存器清零，进入闲置状态。当定时中断信号发生以后，FPGA装载脉冲周期寄存器、插补周期寄存器和设置方向信号，进入脉冲发生状态。处十脉冲发生状态时，脉冲周期计数器会以输入的值为模从零开始循环累加，如果计数器值计满溢出时，计数器溢出标志电平置高(初始脉冲为低电平)，溢出的后一个时钟周期，计数器溢出标志电平又重新置低。在脉冲周期计数器之后连接一个D触发器(dfft)，实现脉冲周期计数器的溢出标志从0到1跳变一次，脉冲输出电平相应变化一次。脉冲周期计数器每次置计数值时前复位计数器。插补周期计算器与脉冲周期计算器原理相同，只是置入的值为插补周期对应的值。当训一算器从计算值减至0时，该寄存器会输出一个从低到高的电平锁住脉冲周期计数器，使其停止计数。同样，插补周期计算器也在置计数值时复位。

为了对伺服电机进行闭环控制，必须把伺服电机的运动信息反馈给微处理器，因此FPGA分别添加了主轴电机和各轴伺服电机编码计数模块。在本系统中，使用的伺服电机采用增量式光电编码器。从光电编码器反馈输出的A,B两相脉冲，其在一个周期都有4种状态，即00,01,10,11，这样在每次状态变化时都对电动机的反馈脉冲进行计数，在一个周期内就有4次计数，从而实现了电动机计数的四倍频:在电动机正转时，A,B两相脉冲变化有以下4种:00->10,10->11,11->01,01->00:电动机反转时，A,B两相脉冲也有4种变化:00->01,0l->11,11->10,10->00。根据A,B两相脉冲状态变化的关系就可以得到电动机的转向。当电动机不动时，A,B两相脉冲没有变化。这种情况下，不需要对光电编码器的反馈脉冲进行四倍频，方向也保持不变。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，其特征在于，包括：

所述ARM芯片与FPGA芯片通过FSMC总线进行通信；

所述ARM芯片与SD卡插槽的管脚连接关系为：

2.根据权利要求1所述的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，其特征在于，所述ARM芯片，人机交互模块、SD卡插槽、FPGA芯片和I/O控制模块均设置在电路基板上。

3.根据权利要求2所述的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，其特征在于，所述电路基板上还设置有电源模块。

4.根据权利根据权利要求3所述的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，其特征在于，所述电源模块能够提供5V直流电。

5.根据权利根据权利要求3所述的基于ARM-FPGA的自动绕线机控制系统，其特征在于，所述人机交互模块与触摸屏连接。