電腦繡花機是隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、機械加工技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展而不斷發(fā)展起來的光、機、電一體化設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及研究風(fēng)頭正勁，其在數(shù)字機床、智能控制等方面的應(yīng)用正逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。電腦繡花機是當(dāng)代最先進(jìn)的繡花機械，它能使傳統(tǒng)的手工繡花得到高速度、高效率的實現(xiàn)，并且還能實現(xiàn)手工繡花無法達(dá)到的”多層次、多功能、統(tǒng)一性和完美性”的要求。它是一種體現(xiàn)多種高新科技的機電產(chǎn)品。繡花機控制電路部分更相當(dāng)于人的大腦及神經(jīng)，繡花機的諸多功能很大程度上都是由電路部分決定。國產(chǎn)繡花機在自動化程度、操作人性化程度、存儲容量、顯示技術(shù)、運行效率和故障發(fā)生率方面與國外相比存在著較大差距。本文中所介紹的電腦繡花機控制系統(tǒng)在以上幾個方面進(jìn)行了改進(jìn)，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。

    目前國內(nèi)比較先進(jìn)的繡花機控制系統(tǒng)如：以dsp(digital signal processing)為主控制器結(jié)合外圍電路組成控制、采用已開發(fā)好的工控主板、采用基于雙16位單片機系統(tǒng)等。且都能滿足繡花機的功能要求，但是隨著用戶需求進(jìn)一步的提高，如要求提高繡花速度，存儲大容量花樣文件，采用大屏幕真色彩實時顯示，在縫紉過程中顯示各個縫紉狀態(tài)，防止由于主軸電機與繡框電機之間的互相協(xié)調(diào)能力不足造成的繡針輕微拉布等時，此時系統(tǒng)采用單個控制器已很難滿足設(shè)備多功能的要求。所以本文擬采用risc體系結(jié)構(gòu)的arm處理器擴展fpga及存儲器等作為硬件平臺；采用結(jié)構(gòu)簡單，功能強大的嵌入式實時操作系統(tǒng)wince作為系統(tǒng)軟件平臺便于有效管理內(nèi)存、實現(xiàn)多任務(wù)編程。

    電腦繡花機基本工作原理

    電腦繡花機的工作原理是按照傳統(tǒng)繡花流程，使用成熟的計算機嵌入式系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。首先通過pc機上的打版軟件將刺繡花樣打成花樣文件，然后將花樣文件存貯于u盤。工作時，首先通過u盤接口電路讀出編程打版好的花樣文件，再通過觸摸屏上顯示的人機界面設(shè)置好主軸電機轉(zhuǎn)速、換色方式等一系列功能，主控器就會通過讀取存貯與u盤上的花樣數(shù)據(jù)，并通過一定的規(guī)律進(jìn)行解碼來控制x及y方向的兩個步進(jìn)電機帶動工作臺作平面運動，同時監(jiān)測使針進(jìn)行上下運動的電機（主軸電機）的回轉(zhuǎn)，從而對x-y工作臺及針的擺動完成間斷運動的配合、協(xié)調(diào)控制，控制過程中通過光電編碼器，cpu能隨時得知主軸狀態(tài)，以此來控制針的抬起或是落下及主軸電機的起停。針桿帶者針和線上下運動做刺繡動作，被刺繡品隨著繡花框沿x，y方向運動而得到繡花圖案。需要注意的是只有當(dāng)主軸角度在某兩個角度之間時，即繡針離開布料到插入布料之間的時隙，x, y軸步進(jìn)電機才可以運動，否則，繡針將劃傷布面或是繡針被損壞。在此基本原理上，電腦繡花機還加入了斷線檢測、數(shù)據(jù)存儲等功能模塊，使其工作穩(wěn)定便捷。

    控制對象模塊及功能劃分

    根據(jù)對繡花機的功能分析，將繡花機整體控制系統(tǒng)的功能模塊劃分為以下幾個模塊：

    ·主控器模塊。利用cpu實現(xiàn)對總體繡花過程的控制，完成與各個模塊之間的數(shù)據(jù)通信，調(diào)度各個模塊之間的關(guān)系，將要完成的任務(wù)交給具體模塊實現(xiàn)；
    ·主軸電機控制模塊。對主控器模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成對主軸電機的控制；
    ·繡框電機控制模塊。對主控器模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成對繡框電機的控制；
    ·人機交互模塊。該模塊包括lcd顯示和鍵盤輸入，完成工作人員與主控制器的交互任務(wù)；
    ·自動換色模塊。該模塊通過控制換色電機實現(xiàn)自動換色功能, 換色要求精確定位；
    ·自動剪線模塊。該模塊完成自動剪線的功能，使得機器工作效率更高；
    ·斷線檢測模塊。該模塊用來及時發(fā)現(xiàn)斷線等故障并且具有報警功能, 通過譯碼接口電路可以判斷出哪個針位出現(xiàn)斷線；
    ·軟區(qū)接口模塊。cpu通過該模塊可以從軟盤上讀取數(shù)據(jù)實現(xiàn)內(nèi)存和外存數(shù)據(jù)交換；
    ·usb接口模塊。cpu通過該模塊可以從u盤上讀取數(shù)據(jù)；
    ·針位檢測、拉桿檢測、限位檢測。它們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)提供這幾個機械部件的位置，并可以及時發(fā)現(xiàn)機器工作中出現(xiàn)的錯誤，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

    硬件系統(tǒng)的構(gòu)架

    按照繡花機需要實現(xiàn)的功能將整個系統(tǒng)分成了若干功能模塊。本設(shè)計中選用的fpga芯片為altera公司的cyclone2系列芯片ep1c6。采用arm + fpga的雙核結(jié)構(gòu)將集成arm處理器和fpga的優(yōu)點，這樣既滿足了對系統(tǒng)部件集成的需要，又使系統(tǒng)具有了運算速度快、控制能力強、內(nèi)存空間大、數(shù)據(jù)交換速度快等優(yōu)點。 其主要設(shè)計思想是以arm為主處理器，fpga為協(xié)處理器。利用s3c2410a強大的功能和豐富的外部接口來簡化外圍接口電路的復(fù)雜度，減少器件的數(shù)量，同時利用fpga可并行操作和內(nèi)部硬件資源豐富的特點，實現(xiàn)真正的并行處理，另外還可將外圍邏輯電路用fpga實現(xiàn)，這樣可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)繡花機功能的要求，硬件電路需要提供各個功能實現(xiàn)的硬件平臺，其具體硬件框圖見圖1。

圖1 繡花機硬件框圖

    其中，sdram、軟區(qū)接口、串口接口、lcd接口和usb接口直接由s3c2410處理器提供，這樣可以減少一些外圍電路。斷線檢測、鍵盤和開關(guān)量的接口通過外圍電路接入處理器的通用i/o口。fpga通過并口與處理器通訊，并按照控制要求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制流分別對主軸電機、繡框電機和換色電機進(jìn)行控制。設(shè)計時采用topdown的設(shè)計方法，首先將fpga需要實現(xiàn)的功能劃分成相對獨立的模塊，然后定義各個模塊的接口和功能。

    基于wince軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

    windows ce(wince)是微軟公司開發(fā)的一種嵌入式操作系統(tǒng)(eos)，它包括以下主要模塊：內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊、允文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊和通信模塊等。wince支持多種外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸模屏、串行口、以太網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、usb設(shè)備和存儲設(shè)備。wince支持超過1000個常用的microsoft win32api和一些附加的編程接口，可用于開發(fā)應(yīng)用程序。此外wince支持用于管理時間關(guān)鍵任務(wù)響應(yīng)的實時處理；各種串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，包括支持usb；與其它操作系統(tǒng)比較，wince具有下列優(yōu)越性：
   
    ·32位多線程、多任務(wù)、完全搶占式的操作系統(tǒng)；
    ·強大的圖形顯示功能支持，用戶能定制完全自己風(fēng)格的操作界面；
    ·支持大部分win32 api，基于其他windows的應(yīng)用程序能方便地移植到wince上。

    所以采用實時操作系統(tǒng)作為軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是一種縮短開發(fā)周期、簡化開發(fā)難度的有效解決方法。經(jīng)過比較，本設(shè)計采用wince嵌入式實時操作系統(tǒng)。具體的軟件模塊劃分如圖2。

圖2 繡花機軟件模塊的劃分

    本控制系統(tǒng)中的軟件分為驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)wince和應(yīng)用程序三個層次。驅(qū)動程序?qū)⒂布庋b起來，對操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供常用的接口支持，使得硬件對于應(yīng)用程序是透明的。這樣即使在更換了硬件平臺之后，也可以方便的將開發(fā)好的應(yīng)用程序移植到不同的平臺上。另外，操作系統(tǒng)還提供了許多有用的函數(shù)接口，使得應(yīng)用程序開發(fā)更方便。應(yīng)用程序運行在操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的中斷、同步和定時等機制，實現(xiàn)繡花機的各個功能，如電機控制、數(shù)據(jù)分析、界面顯示、斷線報警等等。

    結(jié)語

    本文采用先進(jìn)的基于“arm +wince + fpga”平臺的電腦繡花機控制系統(tǒng)，并移植功能強大的嵌入式實時操作系統(tǒng)windows ce構(gòu)成開發(fā)平臺，提出了一種新的思路，做出了大膽的嘗試，并進(jìn)行了底層驅(qū)動的測試及簡單多任務(wù)程序的測試。不論從功能上還是從應(yīng)用前景上來看，都比目前流行的基于單處理器采用主軸勻速控制模式的平臺系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。相信隨著工作的進(jìn)一步深化、進(jìn)展，定能取得令人滿意的控制效果！為國產(chǎn)繡花機電控系統(tǒng)的性能的提高提供良好的解決方案。