基于ARM和FPGA构架的电脑横机控制系统的设计与实现

论文摘要

随着社会经济的飞速向前发展,人们的生活水平日益提高,与之相伴的是人们对针织服装的追求已经从单纯的保暖走向了时尚化、舒适化、个性化、多样化。往日针织行业技术装备、技术水平极为落后,而且已经跟不上时代前进的步伐,智能化、全自动的电子机械装备研发已成为一种趋势。电脑横机是针织行业中技术含量较高、研发难度较大、智能化程度较高的重要机种之一。鉴于我国工业控制智能化水平低下,劳动力资源成本越来越高,对电脑横控制系统的市场需求较为庞大,因此,开发新型电脑横机控制系统是本课题研究的内容。本文首先介绍了电脑横机控制系统国内外研究现状及发展趋势,接着对电脑横机机械结构和工作原理进行了阐述,然后,对比分析了国内现有比较成熟的控制方案,结合嵌入式技术,提出了一种基于ARM和FPGA构架的电脑横机控制系统。同时给出了整个电脑横机控制系统的框架,将系统分为电脑横机编织数据解析单元、CPLD现场操作单元、机头执行单元和人机交互控制操作单元四个部分。本文阐述的电脑横机控制系统采用AT91SAM9261S为主处理器,CAN总线通信技术对电脑横机中的2个交流伺服电机,10个步进电机和128个电磁铁等进行高速协调控制,机头移动速度可达1.2m/s,选针时间小于1毫秒,最大选针数量达1248针,并用10.4寸触摸显示屏进行操作控制。正文部分详细介绍了电脑横机控制系统的硬件设计,包括电脑横机主板设计、机头主板设计、步进电机驱动板设计和电磁铁驱动板设计,并对部分电路原理进行了详细分析说明。然后给出了一种基于FPGA构架的视频帧率加速方案,实现10.4寸800*600分辨率TFT LCD流畅显示,大大缓解了ARM处理器的显示处理任务。接着阐述了CPLD逻辑设计,包括机身主板CPLD逻辑设计和机头CPLD逻辑设计,给出了核心设计思想和部分关键技术的解决方法。该电脑横机控制系统在工业现场环境下通过一年的调试验证,系统稳定性和可靠性不断地改善,系统运行设置不断地优化,界面操作的人性化程度不断地提高。在绍兴新昌某乡镇横机厂经过了3个月的实际运行,运行结果证明该系统运行稳定可靠。该构架的电脑横机与原有DSP构架的电脑横机控制系统相比具有很高的性价比。如果该电脑横机控制系统得以大范围推广,将产生可观的社会效益,为我国针织行业做出贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电脑横机概述
• 1.2 电脑横机控制系统研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 电脑横机控制系统研究
• 1.2.4 电脑横机控制系统发展趋势
• 1.3 课题背景及研究意义
• 1.4 论文结构安排
• 1.5 研究内容及完成的工作
• 第2章 电脑横机控制系统分析
• 2.1 电脑横机一般结构
• 2.2 电脑横机控制系统原理分析
• 2.2.1 电脑横机出针和选针原理
• 2.2.2 电脑横机控制系统整体构架设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 电脑横机控制系统硬件设计
• 3.1 电脑横机主板设计
• 3.1.1 嵌入式ARM平台选型
• 3.1.2 主控板电源设计
• 3.1.3 CAN总线通讯模块电路设计
• 3.1.4 交流伺服电机驱动电路设计
• 3.1.5 撞针传感器电路设计
• 3.1.6 SD卡接口设计
• 3.1.7 UPS报警检测电路设计
• 3.1.8 16路传感器信号检测电路设计
• 3.1.9 USB接口电路设计
• 3.2 机头主控板设计
• 3.2.1 机头主控板整体构架
• 3.2.2 机头主控制电路设计
• 3.3 步进电机驱动板设计
• 3.3.1 步进电机驱动板整体构架
• 3.3.2 步进电机驱动板电路设计
• 3.4 电磁铁驱动板设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 LCD驱动及视频加速
• 4.1 AT91SAM9261S液晶控制器
• 4.2 LCD显示屏介绍
• 4.3 FPGA视频帧率加速模块
• 4.3.1 方案设定
• 4.3.2 原理及结构
• 4.3.3 TCON视频捕获模块
• 4.3.4 SDRAM视频缓冲控制器
• 4.3.5 高帧率视频输出模块
• 4.3.6 视频信号转换模块电路设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 CPLD逻辑设计
• 5.1 EPM1270T144C5简介
• 5.2 机身主板CPLD逻辑设计
• 5.2.1 机身主板CPLD控制任务分析
• 5.2.2 针位置反馈算法实现
• 5.3 机头主板CPLD逻辑设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 电脑横机系统调试及运行
• 6.1 实验条件
• 6.1.1 横机机械
• 6.1.2 横机系统硬件平台
• 6.1.3 横机传动系统
• 6.2 横机测试与运行
• 6.2.1 独立模块调试
• 6.2.2 针位置反馈调试
• 6.2.3 横机系统联机调试
• 6.3 横机厂试运行
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录-1