CN107022835A - 一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，包括FPGA控制芯片，所述FPGA控制芯片分别与LVDS接口模块、EEPROM模块、SDRAM模块、步进电机驱动模块、伺服电机驱动模块、选针器模块、电磁铁模块和传感器模块相连，所述FPGA控制芯片采用SoPC系统进行软件模块设计，以软核的方式对各个硬件模块进行控制。本发明还涉及一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制方法。本发明能够提高多任务控制系统的实时性，从而提高电脑横机机头的工作速度。
Description
技术领域
本发明涉及纺织机电技术领域，特别是涉及一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统及方法。
背景技术
电脑横机是种是一种高度机电一体化的针织机械，其结构非常复杂，尤其是机头部分，需要控制的执行元件和传感器的数量繁多，因此横机机头执行控制系统是一个多任务的控制系统。在横机编织过程中，机头控制系统需要精确到对每根复合针的控制，需要很高的实时性。而传统的控制芯片都是串行处理，对需要进行处理的多个任务分配时间，这就影响了多任务控制系统的实时性，从而限制了机头的工作速度。为了提高控制的实时性，往往选择频率较高、计算能力较强的芯片，而这些芯片价格较高、功能又多，其中部分功能是用不到的，造成了一定的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统及方法，提高多任务控制系统的实时性，从而提高电脑横机机头的工作速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，包括FPGA控制芯片，所述FPGA控制芯片分别与LVDS接口模块、EEPROM模块、SDRAM模块、步进电机驱动模块、伺服电机驱动模块、选针器模块、电磁铁模块和传感器模块相连，所述LVDS接口模块与电脑横机的中央控制系统相连接，用于接收差分信号形式的花型控制指令；所述EEPROM模块用于存储电脑横机的基本信息；所述SDRAM模块用于存储FPGA运行所需要的程序和数据；所述步进电机驱动模块用于驱动步进电机；所述伺服电机驱动模块用于驱动伺服电机；所述选针器模块用于控制选针器；所述电磁铁模块用于控制电磁铁；所述传感器模块与传感器相连；所述FPGA控制芯片采用SoPC系统进行软件模块设计，以软核的方式对各个硬件模块进行控制。
所述FPGA控制芯片包括软核处理器、LVDS接收模块、异步FIFO模块、SDRAM控制器、I2C通讯模块、传感器信号处理模块、步进电机控制模块、伺服电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块；所述软核处理器分别与异步FIFO模块、SDRAM控制器、I2C通讯模块、传感器信号处理模块、步进电机控制模块、伺服电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块相连；所述LVDS接收模块与LVDS接口模块相连，用于将差分信号形式的花型控制指令进行识别，并将花型控制指令发送给所述异步FIFO模块进行存储；所述SDRAM控制器与SDRAM模块相连，使得所述软核处理器能够对SDRAM模块进行读写操作；所述I2C通讯模块与EEPROM模块相连，使得所述软核处理器能够对EEPROM模块进行读写操作；所述传感器信号处理模块与传感器模块相连；所述步进电机控制模块与步进电机驱动模块相连；所述伺服电机控制模块与伺服电机控制模块相连；所述电磁铁控制模块与电磁铁模块相连；所述选针器控制模块与选针器模块相连；所述软核处理器通过读取存储在异步FIFO模块中的花型控制指令，并对花型控制指令进行分析识别，然后根据花型控制指令分配控制信号给FPGA控制芯片内部的各个控制模块。
所述异步FIFO模块采用两个存储空间分别存储相邻的两行花型控制指令，读写在不同的存储空间，没有读空和写满标志位。
所述步进电机控制模块还与传感器模块相连，用于接收传感器模块的传感器信号，并根据传感器信号和软核处理器发送的控制命令生成控制信号给步进电机驱动模块对步进电机进行开环控制。
所述伺服电机控制模块还与传感器模块相连，用于接收传感器模块的传感器信号，并根据软核处理器发送的控制命令产生控制信号给伺服电机驱动模块对伺服电机的位置和速度进行控制。
所述电磁铁控制模块和选针器控制模块能够生成持续一定时间的控制信号。
所述传感器信号处理模块还能根据接收的机头位置的传感器信号识别安全位置，当识别的位置不安全时发送异常信息给软核处理器，使其进行急停操作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制方法，采用上述的用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，所述FPGA控制芯片的软核处理器接收到电脑横机的中央控制系统的控制信号，开始读取所述异步FIFO模块中首个存储空间内的花型控制指令以及所述EEPROM模块中的横机基本信息；然后对花型控制指令进行识别，并和横机基本信息一同分析得到所有执行元件的初步控制信息，以此对控制模块进行初始化；读取到花型控制指令中的开始命令时，发送开始命令给各个控制模块，机头开始移动，电脑横机开始编织，同时将之后分析的取花型控制指令进行缓存，并发送命令给电脑横机的中央控制系统请求发送下一行花型控制指令，所述异步FIFO模块开始接收下一行花型控制指令；当机头运动到了零位时，软核处理器开始读取缓存中分析后的的花型控制指令；机头移动一个针距，软核处理器对缓存进行一次读取，将花型控制指令中的控制信息分配给步进电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块，从而对机头中的运动元件进行控制，实现编织；最后读取到花型控制指令的换行指令后，对切换异步FIFO模块中的读写地址，准备读取下一行花型控制指令，并对所有控制模块进行反方向运动初始化，准备下一行的编织运动。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用SoPC系统将横机机头各个控制元件所需的控制模块以软核的方式实现，与软核处理器Nios II相连接并集成到控制芯片FPGA中，通过软核处理器对花型控制指令进行简单处理，直接控制自定义软核模块，间接对控制元件进行控制，无需软核处理器生成控制信号，极大地减少软核处理器的任务量，提高控制系统的实时性，从而提高横机的编织速度和精度，保证生产的质量的同时，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为FPGA控制芯片的内部示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，提供了一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，包括FPGA控制芯片1、LVDS接口模块2、EEPROM模块3、SDRAM模块4、步进电机驱动模块5、伺服电机模块6、选针器模块7、电磁铁模块8、传感器模块9。
所述FPGA控制芯片1分别与LVDS接口模块2、EEPROM模块3、SDRAM模块4、步进电机驱动模块5、伺服电机驱动模块6、选针器模块7、电磁铁模块8和传感器模块9相连，所述LVDS接口模块2与电脑横机的中央控制系统相连接，用于接收差分信号形式的花型控制指令；所述EEPROM模块3用于存储电脑横机的基本信息；所述SDRAM模块4用于存储FPGA运行所需要的程序和数据；所述步进电机驱动模块5用于驱动步进电机；所述伺服电机驱动模块6用于驱动伺服电机；所述选针器模块7用于控制选针器；所述电磁铁模块8用于控制电磁铁；所述传感器模块9与传感器相连；所述FPGA控制芯片1采用SoPC系统进行软件模块设计，以软核的方式对各个模块进行控制。
其中，LVDS接口模块2布线上的差分线采用蛇形等长差分线，具有较高的抗干扰能力，通讯的频率至少能够达到200MHz。EEPROM模块3中的EEPROM的存储容量为4Kb，通讯方式采用I2C通讯方式进行存储数据的读写。SDRAM模块4中的SDRAM芯片的存储容量为256Mb，用于存储软核处理器需要的数据和程序。步进电机驱动模块是以THB6128作为步进电机驱动芯片，采用混合式衰减模式一端与FPGA控制芯片中的步进电机控制模块相连，另一端与步进电机相连。电磁铁模块和选针器模块基本相同，都是通过光电耦合器将控制信号与驱动信号进行隔离，并采用MOSFET来对电磁铁和选针器进行通电或断电，不同指出在于限流电阻的阻值不同。传感器模块的一端与FPGA控制芯片中的步进电机控制模块以及传感器信号处理模块相连，另一端与传感器相连。传感器主要有金属接近开关、轻触开关和光电编码器等。
如图2所示，所述的FPGA控制芯片1的内部包括软核处理器15、LVDS接收模块16、异步FIFO模块17、SDRAM控制器18、I2C通讯模块19、传感器信号处理模块20、步进电机控制模块21、伺服电机控制模块22、电磁铁控制模块23和选针器控制模块24。
所述软核处理器15分别与异步FIFO模块17、SDRAM控制器18、I2C通讯模块19、传感器信号处理模块20、步进电机控制模块21、伺服电机控制模块22、电磁铁控制模块23和选针器控制模块24相连；所述LVDS接收模块16与LVDS接口模块2相连，用于将差分信号形式的花型控制指令进行识别，并将花型控制指令发送给所述异步FIFO模块17进行存储；所述SDRAM控制器18与SDRAM模块4相连，使得所述软核处理器15能够对SDRAM模块4进行读写操作；所述I2C通讯模块19与EEPROM模块3相连，使得所述软核处理器能够对EEPROM模块3进行读写操作；所述传感器信号处理模块20与传感器模块9相连；所述步进电机控制模块21与步进电机驱动模块5相连；所述伺服电机控制模块22与伺服电机控制模块6相连；所述电磁铁控制模块23与电磁铁模块8相连；所述选针器控制模块24与选针器模块7相连；所述软核处理器15通过读取存储在异步FIFO模块17中的花型控制指令，并对花型控制指令进行分析识别，然后根据花型控制指令分配控制信号给FPGA控制芯片1中的各个控制模块。
其中，所述的软核处理器15为Nios II快速版本，属于32位处理器，具有32个中断请求。
所述的LVDS接收模块16由软核来实现，其输入引脚与FPGA外部的LVDS接口模块2电路线连接，输出引脚与异步FIFO模块17连接，能够读取识别低压差分信号，并将数据传送给异步FIFO模块17。
所述的异步FIFO模块17的与软核处理器15以及LVDS接收模块16相连接，由双口RAM和地址控制器构成。双口RAM的空间大小为2048*16bit，而地址控制器将其存储空间分成两块，如此通过两个存储空间分别存储相邻的两行花型控制指令，存储空间切换信号线以及数据读取线都是通过IO接口与软核处理器15相连接。
所述的SDRAM控制器18由软核实现，通过Avalon总线与软核处理器相连接，同时引脚与FPGA外部的SDRAM模块4连接，使软核处理器15具有SDRAM读写的功能。
所述的I2C通讯模块19采用自定义软核来实现，也是通过Avalon总线与软核处理器相连接，其数据线SDA和时钟线SCL与EEPROM模块3连接，使软核处理器15具有EEPROM读写的功能。
所述的传感器信号处理模块20、步进电机控制模块21、伺服电机控制模块22、电磁铁控制模块23和选针器控制模块24都是采用自定义软核来实现。这些模块都是根据横机机头中的控制元件进行专门的设计，都是通过Avalon总线与软核处理器相连接，通过引脚与相应的控制模块电路连接，让软核处理器能够对控制元件进行控制。
本发明的FPGA控制芯片进行工作时的具体流程如下：首先，软核处理器15会接收到中央控制系统的控制信号，开始读取异步FIFO模块17中首个存储空间内的花型控制指令以及EEPROM中的横机基本信息。然后对花型控制指令进行识别，并和横机基本信息一同分析得到机头零位，伺服电机的速度(机头横移速度)和方向，步进电机运动速度，初始位置等所有执行元件的初步控制信息，以此对控制模块进行初始化。读取到花型控制指令中的开始命令时，发送开始命令给各个控制模块，机头开始移动，电脑横机开始编织。同时将之后分析的取花型控制指令进行缓存，并发送命令给中央控制系统请求发送下一行花型控制指令，异步FIFO模块17开始接收下一行花型控制指令。当机头运动到了零位时(与到达实际编织起始位置时提前了特定时间)，软核处理器15开始读取缓存中分析后的的花型控制指令(包含机头控制部分)。机头移动一个针距，软核处理器15对缓存进行一次读取，将花型控制指令中的控制信息分配给步进电机控制模块21、电磁铁控制模块23和选针器控制模块24，从而对机头中的运动元件进行控制，实现编织。最后读取到花型控制指令的换行指令后，对切换异步FIFO模块17中的读写地址，准备读取下一行花型控制指令，并对所有控制模块进行反方向运动初始化，准备下一行的编织运动。
不难发现，采用上述设计，根据SoPC系统开发流程，将电脑横机机头所需要的控制模块以软核的方式实现，并于与软核处理器Nios II一同集成到控制芯片FPGA中。控制信号可以由各个相应的自定义软核控制模块单独生成，因此软核处理器只要对花型控制指令进行简单处理，发送简单的控制信息给控制模块，就能间接对控制元件进行控制。由于不需要软核处理器生成控制信号，减少了任务量，相应增加了软核处理器进行控制的时间，提高控制系统的实时性，从而提高横机的编织速度和精度，保证生产的质量的同时，提高了生产效率。
Claims (8)
1.一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，包括FPGA控制芯片，其特征在于，所述FPGA控制芯片分别与LVDS接口模块、EEPROM模块、SDRAM模块、步进电机驱动模块、伺服电机驱动模块、选针器模块、电磁铁模块和传感器模块相连，所述LVDS接口模块与电脑横机的中央控制系统相连接，用于接收差分信号形式的花型控制指令；所述EEPROM模块用于存储电脑横机的基本信息；所述SDRAM模块用于存储FPGA运行所需要的程序和数据；所述步进电机驱动模块用于驱动步进电机；所述伺服电机驱动模块用于驱动伺服电机；所述选针器模块用于控制选针器；所述电磁铁模块用于控制电磁铁；所述传感器模块与传感器相连；所述FPGA控制芯片采用SoPC系统进行软件模块设计，以软核的方式对各个硬件模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述FPGA控制芯片包括软核处理器、LVDS接收模块、异步FIFO模块、SDRAM控制器、I2C通讯模块、传感器信号处理模块、步进电机控制模块、伺服电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块；所述软核处理器分别与异步FIFO模块、SDRAM控制器、I2C通讯模块、传感器信号处理模块、步进电机控制模块、伺服电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块相连；所述LVDS接收模块与LVDS接口模块相连，用于将差分信号形式的花型控制指令进行识别，并将花型控制指令发送给所述异步FIFO模块进行存储；所述SDRAM控制器与SDRAM模块相连，使得所述软核处理器能够对SDRAM模块进行读写操作；所述I2C通讯模块与EEPROM模块相连，使得所述软核处理器能够对EEPROM模块进行读写操作；所述传感器信号处理模块与传感器模块相连；所述步进电机控制模块与步进电机驱动模块相连；所述伺服电机控制模块与伺服电机控制模块相连；所述电磁铁控制模块与电磁铁模块相连；所述选针器控制模块与选针器模块相连；所述软核处理器通过读取存储在异步FIFO模块中的花型控制指令，并对花型控制指令进行分析识别，然后根据花型控制指令分配控制信号给FPGA控制芯片内部的各个控制模块。
3.根据权利要求2所述的控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述异步FIFO模块采用两个存储空间分别存储相邻的两行花型控制指令，读写在不同的存储空间，没有读空和写满标志位。
4.根据权利要求2所述的控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述步进电机控制模块还与传感器模块相连，用于接收传感器模块的传感器信号，并根据传感器信号和软核处理器发送的控制命令生成控制信号给步进电机驱动模块对步进电机进行开环控制。
5.根据权利要求2所述的控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述伺服电机控制模块还与传感器模块相连，用于接收传感器模块的传感器信号，并根据软核处理器发送的控制命令产生控制信号给伺服电机驱动模块对伺服电机的位置和速度进行控制。
6.根据权利要求2所述的控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述电磁铁控制模块和选针器控制模块能够生成持续一定时间的控制信号。
7.根据权利要求2所述的控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，其特征在于，所述传感器信号处理模块还能根据接收的机头位置的传感器信号识别安全位置，当识别的位置不安全时发送异常信息给软核处理器，使其进行急停操作。
8.一种用于控制电脑横机机头的多任务实时控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的用于控制电脑横机机头的多任务实时控制系统，所述FPGA控制芯片的软核处理器接收到电脑横机的中央控制系统的控制信号，开始读取所述异步FIFO模块中首个存储空间内的花型控制指令以及所述EEPROM模块中的横机基本信息；然后对花型控制指令进行识别，并和横机基本信息一同分析得到所有执行元件的初步控制信息，以此对控制模块进行初始化；读取到花型控制指令中的开始命令时，发送开始命令给各个控制模块，机头开始移动，电脑横机开始编织，同时将之后分析的取花型控制指令进行缓存，并发送命令给电脑横机的中央控制系统请求发送下一行花型控制指令，所述异步FIFO模块开始接收下一行花型控制指令；当机头运动到了零位时，软核处理器开始读取缓存中分析后的的花型控制指令；机头移动一个针距，软核处理器对缓存进行一次读取，将花型控制指令中的控制信息分配给步进电机控制模块、电磁铁控制模块和选针器控制模块，从而对机头中的运动元件进行控制，实现编织；最后读取到花型控制指令的换行指令后，对切换异步FIFO模块中的读写地址，准备读取下一行花型控制指令，并对所有控制模块进行反方向运动初始化，准备下一行的编织运动。
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