一种罗拉车控制系统通用平台的设计与实现

陈禹伶，王体泮

（绵阳市维博电子有限责任公司 四川 绵阳 621000）

在服装行业的细分市场——皮革制品和装饰工业中的锁式线缝需求，占总需求的30%左右。尤其是近几年来，随着人们对品质、款式的追求，对线缝质量的要求越来越高，靠以前传统的线缝工艺和控制方法，已经无法满足这日益扩大的需求，不少企业已经在寻求同类的高档设备和配套的控制系统，以更加高效地完成高质量的锁式线缝加工。高档的锁式线缝设备及系统成为市场新的争夺点，谁先取得突破技术难并降低成本，谁就先获益，谁也就获益最大。

对于目前国内市场上，完成皮革制品和装饰工业中的锁式线缝的设备，基本上是进口的，其中比较有名的一家就是PFAFF的1571、1591和1574 3种型号。但由于其它多种原因，这3种型号的控制系统后期的维护和发展仍停留在最初的阶段，且操作使用不是方便，又无中文界面，不能很好地满足使用需要。

仅管是3种不同的型号，但控制系统却基本一样的，这无疑上扩大了控制系统的使用范围，开发很有意义。

1 系统总体设计

本系统硬件平台采用嵌入式工业控制机+高性能运动控制卡架构；软件平台为WINCE实时操作系统。这种开放的、模块化的软硬件平台可作为罗拉车系统的通用平台，方便满足不同用户的需求，使已有成果得到充分应用，降低了开发成本，缩短产品的开发周期，提高了产品对市场变化的迅速反应能力。

1.1 罗拉车工作原理

罗拉车 MAS1571、1591和1574是一种高速的、具有向前和向后送料的送料轮、滚轮压脚的以及针送料的缝纫机。MAS 1571、1591是单柱，1574是双柱[1]。在工作原理上是相同的。

罗拉车的工作原理比较简单：当把料放在送料轮上，上滚轮放下，踩脚踏板，机器开始工作。在缝纫过程中，当针上位时，摆针与滚轮反向运动，继续送料；而在针下位时，摆针与滚轮反向运动，送料继续。也就是说每一针步过程中，摆针轴有一个反向的过程，而在连续缝纫过程中，滚轮轴只在起缝时和缝纫结束时有加减速，而在中间则保持匀速，主轴速度波动对针轨迹影响较大。

在缝纫过程中，机针除了上、下运动外，还需要同步摆动；但一个完整针步的形成，只在上针位区间内就完成：即一个针步，滚轮轴与摆针由同一点开始反向运动，各自完成一半针距，从而合成一个完整的针距；而在下针位时，滚轮轴与摆针同向运动，又回到起点，开始下一针距的缝纫。

1.2 系统总体结构

通过对罗拉车缝纫原理的分析，本文提出了采用ARM主板和智能运动控制卡的双CPU构架方式。系统控制软件分为上位机和下位机两部分[2]。上位机系统与下位机系统之间通过高速串行总线RS232来完成。上位机采用嵌入式ARM主板，外接液晶触摸屏，USB接口。下位机是智能运动控制卡，包括DSP，FPGA和主轴伺服控制器，3个轴的步进驱动器，I/O接口，系统电源等。系统供电单元为系统提供5 V，32 V，70 V电源。系统总体控制方案如图1所示。

图1 系统总体控制方案Fig.1 Whole control system scheme

2 硬件设计

系统的硬件架构采用ARM主板+DSP+FPGA的双CPU构架方式[3]。这种主从式系统，用ARM作为应用处理器进行多样化的应用开发和用户界面和接口，利用DSP+FPGA进行算法加速，既能够保持算法的灵活性，又能提供强大的处理能力。缝纫过程控制思路是采用跟随控制模式，以解决主轴速度波动对针轨迹带来的影响。上、下滚轮轴、摆针轴的运动均以主轴脉冲作为插补脉冲源，在整个缝纫过程中，此三个轴的运动始终与主轴的转速保持速率同步，而运动方向则与主轴的转速无关。在针距数据分割方面，根据缝纫的过程，每一针需要分成两步且合并完成：上针位时前半针，摆针轴与滚轮轴反向送料；下针位时后半针，摆针轴与滚轮轴同向送料。在一针的运动过程中，摆针轴需要作一次反向运动。

2.1 开发式ARM平台设计

嵌入式ARM主板采用SAMSUNG公司的S3C2440A为核心板。外接液晶触摸屏，控制显示。同时具有RS232通讯接口和USB接口。上位机子系统对外接口示意图如图2所示。

图2 上位机子系统对外接口示意图Fig.2 Host machine system interface

2.2 基于DSP+FPGA架构的多轴智能运动控制单元设计

从机控制卡采用DSP＋FPGA架构，DSP芯片采用 TI公司的TMS320LF2407A[4]，FPGA芯片采用Actel公司的A3P400 PQ208。下位机子系统对外的接口主要有：RS232通讯接口，电气接口和轴驱动控制接口。如图3所示。

图3 下位机子系统外部接口示意图Fig.3 Slave machine system interface

DSP+FPGA[5]系统最大的优点是结构灵活，具有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率。具有开发周期短，系统容易维护和扩展，特别适用于实时信号处理。

运动控制板可以控制3个步进电机驱动的进给轴，分别是轴X：上送料滚轮，轴Y：下送料滚轮，轴3：摆针轴，1个交流伺服电机驱动的主轴。具有10个光电隔离的输入，10个光电隔离的输出，5个电流闭环的电磁铁输出，1个PWM调节的LED灯驱动输出。

FPGA作为DSP的一个通过存储器扩展的外设，DSP访问之与访问一般的存储器相似。

3 软件设计

系统软件主要实现人机界面交互，功能设置，对主轴和3个步进轴实时运动的控制以及系统自诊断功能。主要分为上位机（ARM主板）和下位机（智能运动控制卡）两部分软件。

上位机子系统ARM主板硬件载体，运行于WCE操作系统下，完成本数控系统所有的人机交互功能，且驻留在主板载存储器上。软件运行于WCE操作系统下，源代码以EVC为开发环境，CC++编程[6-7]，并形成最终的EXE文件作为上位机控制程序。在WCE操作系统启动后，自动运行该应用程序。上位机子系统的主要功能包括：触摸屏、软键盘功能；参数管理功能；花样文件管理功能；手动缝纫功能；编程缝纫功能；状态、信息显示功能和花样编辑功能。

下位机子系统以DSP TMS320F2407A为载体 （专用的FPGA为DSP存储器外设），没有专门的操作系统，完成缝纫过程的具体运动控制，并随时响应上位机下发的各种命令。下位机系统软件的源代码以 CCS3.1或CCS3.3（Code Composer Studio 3.3）为开发环境，采用C语言和DSP汇编语言编程，形成最终的目标代码.out或.hex形式的文件直接固化在DSP的片上FLASH中，上电后则可自行启动运行。

下位机子系统软件则是驻留在DSP中FLASH中的目标代码和驻留在板卡FRAM中重要参数内容。下位机子系统的主要功能包括：报警、运行状态采集功能；参数应用控制；速度、位置控制；自动缝纫过程控制；手动缝纫过程控制；辅助功能（电机试运行、A/D采样显示、试机运行等）。

系统主流程图如图4所示。

图4 系统主流程框图Fig.4 System block diagram

罗拉车在缝制过程中，分为手动缝纫和编程缝纫两种方式。手动缝纫中，需要生成专用于手动缝纫下的针迹工艺控制数据文件，只有一个线缝段，包含所有的缝纫控制信息，但没有针迹数控制要求。编程线缝流程与手动线缝类似，区别就在于正常针轨迹的缝纫过程，而起始套结与终点套结的缝纫过程是一样的。在正常针轨迹的缝纫过程中，当前段缝纫完成后，需要继续取下一段的线缝数据，从而开始下一段的缝纫过程。手动线缝流程框图如图5所示。

4 人机界面设计

目前市面上的罗拉车系统都采用按键屏的方式，操作不便。在本文中，采用640x480的液晶触摸屏。界面设计沿用了按键屏的图标，减少用户的认知负担，保持界面的一致性，满足了非专业用户的需求。

通过操作系统界面，可以实现手动缝纫，编程缝纫模式切换。不同用户可以根据自身的需求进行参数设置，然后发送指令给下位机进行缝纫。同时该操作系统具有自诊断功能，通过报警页面的显示，使用者能快速有效的找到报警原因。部分界面如图7～9所示。

5 结束语

目前，该系统已与百福工业机械（太仓）有限公司进行配套。经过试用，该系统功能与技术指标与原有系统相当，个别指标已经超过了原有系统，但在价格上与其相比具有很大的优势，它已经成为了极具市场竞争力的产品。

图5 手动线缝流程图Fig.5 Manual sewing flow chart

图6 系统界面流程图Fig.6 System interface flow chart

图7 手动缝纫界面Fig.7 Manual sewing interface

图8 编程缝纫界面Fig.8 Program sewing interface

图9 参数设置界面Fig.9 System parameters setting interface

[1]Mauser Spezial.MAS1571，1574，1591 instruction manual[M].Pfaff Industrial（Taicang） Co.，Ltd，2013.

[2]赵毅忠.嵌入式平头锁眼机控制系统的设计[J].自动化与仪表，2014（4）:47-49.ZHAO Yi-zhong.Application of embedded technology to lockstitch buttonholing machine control system[J].Automation&Instrumentation，2014（4）:47-49.

[3]绵阳市维博电子有限责任公司．电脑花样缝纫机运动控制方法[R]．中国发明专利，ZL200810147963.9，2013-01-09

[4]刘向东.DSP技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社，2007.

[5]董海涛.基于ARM+DSP+FPGA的可重构CNC系统[J].华中科技大学学报:自然科学版，2012（8）:52-55.DONG Hai-tao.Design of reconfigurable CNCsystems based on ARM+DSP+FPGA[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology:Natural Science Edition，2012 （8）:52-55.

[6]汪兵.EVC高级编程及其应用开发（Embedded Visual C++嵌入式编程）[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[7]赵俊生.嵌入式Linux系统图形界面显示方法的实现[J].工业仪表与自动化装置，2014（2）：53-55.ZHAO Jun-sheng.Implementation of embedded Linux system graphical interface display method[J]. Industrial Instrumentation&Automation， 2014（2）：53-55.