專利名稱：基于cpu和fpga結構的高速工業縫紉機控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及工業縫紉機的控制領域，具體指一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉 機控制系統。
背景技術：
隨著工業生產的技術的提高，生產型企業的利潤和其設備的生產速度有著密切的聯系。 各個行業都在不斷地改善設備的運行速度，以提高生產速率從而獲得更多的利潤，在皮革加 工行業同樣是這種情況。現行中的工業縫紉機的控制系統要么速度很慢，要么價格非常貴， 又或是縫制的線條或者圖案效果不理想。而利用CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系 統不僅價格便宜，而且速度很快，通過對軟件的優化，能夠準確的縫制各種復雜的線條和圖 案，使生產效率大幅度提高。
目前在國內外有很多關于工業縫紉機控制系統的文獻和產品。公開號為CN101012604的 中國專利文獻，公開了一種名稱為《工業縫紉機電腦控制系統》發明專利，該發明采用模塊 單元化結構，各單元內部相對獨立、自成體系，集成化程度高，可以根據工業縫紉機主機的 不同，靈活配置相應的部件構成系統。該發明專利申請的不足之處在于采用單個的CPU控制， CPU的工作量大，速度不夠快，而且成本也很高。
發明內容
為了解決工業縫紉機控制系統的速度慢以及價格昂貴的問題、縫制的效果不理想等問 題，本發明提供了一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統。
一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，包括由主控CPU (1)、大規 模集成電路FPGA (2)、車頭輸入輸出控制板(10)和液晶花樣打版器(11)組成本發明的 控制單元，存儲器(4)用于存放系統軟件，以及系統運行中生成的各種數據文件，位置傳感 器(4)對機針進行定位，由主軸伺服電機(5)、多路步進電機(6)組成本發明的運動單元， 由控制面板(12)組成本發明的的操作顯示單元，由開關電源(13)構成本發明的供電單元， 開關量輸入輸出(8)和踏板(9)為系統的輔助動作單元。
主控CPU (1)分別與大規模集成電路FPGA (2)、存儲器(3)、液晶花樣打版器(11)、控制面板(12)互連，大規模集成電路FPGA (2)分別與主控CPU (1)、主軸伺服電機(5)、 開關量輸入開關量輸出(8)、車頭輸入輸出控制板(10)互連，位置傳感器(4)和踏板(9) 分別連接至大規模集成電路FPGA (2)上，大規模集成電路FPGA (2)和變壓器分別連至多 路步進電機(6)上。
存儲器(4)可以是焊接到主控CPU (1)上的內存，也可以是連接到主控CPU (1)的 SD存儲卡；大規模集成電路FPGA (2)通過數據總線DB15、 DB25與車頭輸入輸出控制板
(11)互連；開關電源(14)為主控CPU (1)、大規模集成電路FPGA (2)提供電源；多路 步進電機(6)由變壓器(7)提供供電電源。
主控CPU (1)的軟件部分主要是控制大規模集成電路FPGA (2)以及與大規模集成電 路(2)連接的設備包括位置傳感器(4)、主軸伺服傳感器(5)、多路步進電機(6)、開關量 輸入開關量輸出(8)、踏板(9)、車頭輸入輸出控制板(10)的控制和通信，以及對存儲器
(3)的讀寫。其軟件的工作流程是對主控CPU (1)上電后開始初始化，系統初始化完成 后對上次操作的數據進行恢復并開始裝配新的數據，裝配的內容主要是與主控CPU (1)相 連的設備的數據。配置完成后，系統進入工作狀態，如果需要進行打版器通信則進行通信指 令的執行，包括有數據的讀寫、數據的修改以及參數的設定，打版器主要是針對花樣打版的 一些數據、參數設定以及與I/O 口通信；如果不需要進行打版器通信則進行操作板的通信指 令執行，操作板的通信指令主要包括標準界面操作、展開目錄視窗、顯示資料設定的輸入界 面、顯示移動鍵的輸入界面和顯示資料輸入的目錄等，操作板主要針對打版器的設定參數進 行花樣縫制；如果不需要進行操作板通信則啟動自動運行操作進行花樣的自動運行；如果不 啟動自動運行，開始讀取時鐘、溫度、電壓等的狀態開始下一次的工作狀態的運行，即又回 到打版器通信部分進行操作。
大規模集成電路(2)功能主要對與其連接的位置傳感器(4)、主軸伺服傳感器(5)、多 路步進電機(6)、開關量輸入開關量輸出(8)、踏板(9)、車頭輸入輸出控制板(10)的控 制和通信，以及接收主控CPU (1)的指令。其工作流程是對大規模集成電路(2)上電后 開始初始化操作，系統初始化后進入中斷系統，此時要對伺服編碼器進行檢測，如果不需要 中斷或者伺服編碼器檢測完畢則進行與主控CPU的通信，如果沒辦法通信回到中斷系統重新 對伺服編碼器進行檢測，如果可以通信則掃描步進電機的每一路的運行、以及各路運行比例 情況和主控CPU讀取伺服編碼器的操作，之后回到中斷系統進行循環動作。
本發明主要在控制單元采用了 CPU和FPGA結構，與控制面板、存儲器的通信由主控 CPU (1)完成，將要求反應速度快、計算工作量多的部分如與主軸伺服電機(5)、多路步進 電機(6)、開關量輸入開關量輸出(8)以及車頭輸入輸出控制板(10)的通信和控制交由大規模集成電路FPGA (2)完成，主控CPU (1)通過對大規模集成電路FPGA (2)的控制來 控制整個系統，這樣大大減輕了主控CPU (1)的負荷，提高了工業縫紉機的運行速度，并 且單片機的價格十分便宜，從而也降低了整個控制系統的成本。
圖1是本發明基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統的總體結構框圖； 圖2是本發明基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統的主控CPU (1)的軟 件流程圖3是本發明基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統的大規模集成電路 FPGA (2)的軟件流程圖。
圖中，l.主控CPU 2.大規模集成電路FPGA 3.存儲器4.位置傳感器5.主軸伺服電 機6.多路步進電機7.變壓器8.開關量輸入輸出9.踏板IO.車頭輸入輸出控制板11. 液晶花樣打版器12.控制面板13.開關電源
具體實施例方式
下面通過具體的實施例，結合附圖，對本發明多CPU結構的高速工業縫紉機控制系統進 行進一步的描述。
本發明一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，包括 主控CPU (1)、大規模集成電路FPGA (2)、車頭輸入輸出控制板(10)和液晶花樣打 版器(11)組成本發明的控制單元。控制單元為本系統的核心，主控CPU (1)采用了32位 微控制器，該CPU內核含有Flash存儲器、RAM存儲器以及內部總線加速器架構等，從硬件 上實現了主控CPU (1)要求的快速運算的目的。大規模集成電路FPGA (2)采用Flash架 構，具有高安全性、上電就可以運行、固件免疫能力等特點。主軸伺服電機(5)、多路步進 電機(6)組成本發明的運動單元，是整個系統的動作執行單元。存儲器(3)用于存放系統 軟件，以及系統運行中生成的各種數據文件；位置傳感器(4)對機針進行定位，傳感器我們 采用霍爾傳感器；控制面板(12)組成本發明的的操作顯示單元，我們采用了液晶顯示屏， 由采用S-250-24型開關電源(13)構成本發明的供電單元，由光耦隔離式開關量輸入輸出(8) 和踏板(9)為系統的輔助動作單元。
本發明的一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統的總體結構框圖如圖1 所示。位置傳感器(4)連接到大規模集成電路FPGA (2)，對工業縫紉機的機針進行定位控 制；主軸伺服電機(5)分別與大規模集成電路FPGA (2)互連，為工業縫紉機帶來高針速和大力矩；大規模集成電路FPGA (2)和變壓器(7)分別連接到多路步進電機(6)上，前 者控制其動作，后來為其提供電源，多路步進電機(6)的運轉帶動工業縫紉機往其運轉的方 向運動；開關量輸入開關量輸出(8)與大規模集成電路FPGA (2)互連，踏板(9)連接到 大規模集成電路FPGA (2)，提供本系統的輔助動作單元；大規模集成電路FPGA (2)通過 數據總線DB15、 DB25與車頭輸入輸出控制板(10)互連；液晶花樣打版器(11)和操作顯 示單元的控制面板(12)分別與主控CPU (1)互連；開關電源(13)連接至整個主控制器， 分別為主控CPU (1)、大規模集成電路FPGA (2)供電；主控CPU (1)和大規模集成電路 FPGA (2)通過SPI協議進行通信，主控CPU (1)通過控制大規模集成電路FPGA (2)而 對整個系統進行動作，由速度運算快的大規模集成電路FPGA (2)替代部分主控CPU (1) 的工作，大大減輕了主控CPU (1)的負荷，使整個系統的運行速度加快。
主控CPU (1)的軟件部分主要是針對與其連接的設備包括液晶花樣打版器(11)、控制 面板(12)的控制，對大規模集成電路FPGA (2)以及大規模集成電路FPGA (2)所控制的 位置傳感器(4)、主軸伺服電機(5)、多路步進電機(6)、開關量輸入開關量輸出(8)、踏 板(9)的控制，以及對存儲器(4)的讀寫。如圖2所示為主控CPU (1)的軟件流程圖。 對主控CPU (1)上電后開始初始化，系統初始化完成后對上次操作的數據進行恢復并開始 裝配新的數據，裝配的內容主要是與主控CPU (1)相連的設備的數據。配置完成后，系統 進入工作狀態，如果需要進行打版器通信則進行通信指令的執行，包括有數據的讀寫、數據 的修改以及參數的設定，打版器主要是針對花樣打版的一些數據、參數設定以及與I/O 口通 信；如果不需要進行打版器通信則進行操作板的通信指令執行，操作板的通信指令主要包括 標準界面操作、展開目錄視窗、顯示資料設定的輸入界面、顯示移動鍵的輸入界面和顯示資 料輸入的目錄等，操作板主要針對打版器的設定參數進行花樣縫制；如果不需要進行操作板 通信則啟動自動運行操作，自動運行操作包括讀入花樣數據、檢測電機位置信息、設置各軸 電機基本數據、設置各軸電機運行數據、設置開關量輸入輸出、檢測踏板信號，上述各部分 都達到預定結果，則啟動花樣運行，進行主軸、多軸步進運轉，完成后開始讀取時鐘、溫度、 電壓等的狀態開始下一次的工作狀態的運行，即又回到打版器通信部分進行操作，如果上述 各部分即花樣數據、電機位置信息、電機基本數據、電機運行數據、開關量輸入輸出、踏板 信號不復合要求，則同樣開始讀取時鐘、溫度、電壓等的狀態開始下一次的工作狀態的運行， 回到打版器通信部分進行操作。
大規模集成電路FPGA (2)的軟件部分主要對位置傳感器(4)、主軸伺服電機(5)、多 路步進電機(6)、開關量輸入開關量輸出(8)、踏板(9)所進行的操作和控制，以及接收主 控CPU (1)的指令。如圖3所示為大規模集成電路FPGA (2)的軟件流程圖。對大規模集成電路FPGA (2)上電后開始初始化操作，系統初始化后進入中斷系統，此時要對伺服編碼 器進行檢測，如果不需要中斷或者伺服編碼器檢測完畢則進行與主控CPU的通信，如果沒辦 法通信回到中斷系統重新對伺服編碼器進行檢測，如果可以通信則進行各個步進電機的運行 以及主控CPU讀取伺服編碼器的操作，之后回到中斷系統進行循環動作。
權利要求
1.一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，包括主控CPU、大規模集成電路FPGA、存儲器、位置傳感器、主軸伺服電機、多路步進電機、變壓器、開關量輸入開關量輸出、踏板、車頭輸入輸出控制板、液晶花樣打版器、控制面板、開關電源，其特征在于該控制系統基于CPU和大規模集成電路FPGA結構；其中，主控CPU分別與大規模集成電路FPGA、液晶花樣打版器、控制面板、存儲器互連，大規模集成電路FPGA分別與主控CPU、主軸伺服電機、開關量輸入開關量輸出、車頭輸入輸出控制板互連，位置傳感器和踏板連接至大規模集成電路FPGA，大規模集成電路FPGA和變壓器分別連接到多路步進電機上。
2. 根據權利要求1所述的基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，其特征 在于所述大規模集成電路FPGA是通過數據總線DB15、 DB25與車頭輸入輸出控制板互連。
3. 根據權利要求1所述的基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，其特征 在于主控CPU與大規模集成電路FPGA的通信是通過對SPI協議的讀寫來實現的。
4. 根據權利要求1所述的基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，其特征 在于所述的開關電源為主控CPU、大規模集成電路FPGA提供電源，變壓器為多路步進電 機供電。
全文摘要
一種基于CPU和FPGA結構的高速工業縫紉機控制系統，包括由主控CPU、FPGA、車頭輸入輸出控制板和液晶花樣打版器組成本發明的控制單元，存儲器用于存儲系統軟件以及系統運行中生成的數據文件，位置傳感器對機針進行定位，由主軸伺服電機、多路步進電機組成本發明的運動單元，由控制面板組成本發明的操作顯示單元，由開關電源構成本發明的供電單元，開關量輸入輸出和踏板為系統的輔助動作單元。本發明主要在控制單元采用了CPU和FPGA結構，與各個單元的通信、數據存取及主軸伺服電機的控制由主控CPU完成，將要求反應速度快、計算工作量多的部分交由FPGA完成，減輕了主控CPU的負荷，提高了工業縫紉機的運行速度。
文檔編號D05B69/00GK101603246SQ20091004094
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月8日 優先權日2009年7月8日
發明者歐陽清江, 陳浩文, 韋炳林, 飛 麥 申請人:廣州市麥氏電子科技有限公司