PSoC在针织机械设备电气控制系统中的应用

0 引言

    针织机械包括手套机、袜机、横机、围巾机、提花机、圆纬机等。随着生活水平的逐步提高，人们对针织产品的需求也有着相应提高，针织产品款式和工艺的发展日新月异，针织企业对针织机械的需求呈现快速增长的趋势。目前我国的针织企业中，手动或半自动针织机械仍占有相当比例，这部分设备因不能满足针织品日益复杂化、精细化的趋势，将逐步被淘汰，取而代之的是功能强大、操作简单、可靠性高的全自动计算机控制针织机械。而对于全自动针织机生产，国内企业大多局限于机械部分的设计与制造，核心控制系统主要依赖进口。因此，自行研制具有自主知识产权的针织机械电气控制系统一方面可以大大减少生产成本，另一方面也可以方便针织机械设备的使用和维护。另外，针织机械作为具有独特结构特点的一类专用机械具有很多相同的工作特性，针对这些共同之处进行系统性研究，构建相应的的通用平台具有重要的理论价值和现实意义。

1 针织机械电气控制系统共性分析

    针织机械的电气控制系统与其它工业控制系统相比，具有如下显著特点：

    1)开关量多

    针织机械的机械结构部分与电气控制系统之间控制信号的执行通常由电磁铁完成。控制系统输出开关量信号控制电磁铁的开合，从而进一步控制机械系统的动作。针织机的机械系统与针板、纱线、剪刀等部件的机械运动直接关联，结构相对复杂。因此针织机械控制系统中，用于控制各机械部件的电磁铁数量通常都比较庞大。例如，全自动电脑手套机需要将近20路输出电磁铁，而全自动电脑横机的输出电磁铁数量则在100路以上。通用微控制器如单片机、DSP等引脚功能相对固定，并且数量上也不足以控制数目如此巨大的输出电磁铁。为此，可以考虑使用多个微控制器组成控制阵列，从而提供足够多的输出／输入引脚，但这种方案会增加成本，并且多个CPU之间的协调比较困难。

    2)逻辑性强

    一般来说，针织机电气控制系统的输出信号中很大部分都是开关量。这些开关量输出用来控制电磁铁。针织机的自动运作主要就是根据设计好的时序控制电磁铁的吸合与断开来操纵各个机械部件。任意一个电磁铁的所有时序配合都不允许发生差错，要做到与系统运行节拍严格一致，否则都将导致整个产品生产失败，甚至损坏机器。在针织机械设备中，对于各个电磁铁动作逻辑的精确度要求也非常高，有些电磁铁要求在基准脉冲波形上升沿或下降沿动作的误差也不允许过大，这样才能保证编织速度的提高。所以，在针织机工作过程中，每个电磁铁动作都要保证与运行节拍严格吻合，和其它电磁铁之间的时序配合也不允许发生任何差错。

    3)电磁铁干扰严重

    针织机中电磁铁动作时触点的吸合与断开会通过多种途径对电气控制系统的电源以及信号造成瞬时干扰。对于控制时序和数据流信号，受干扰后会造成控制逻辑混乱、运算数据发生错误或引起微型计算机死机。当系统直流电源受到干扰时，容易影响芯片工作状态、导致存储器中数据混乱或丢失，严重时甚至会烧毁芯片。电磁铁触点动作时产生的噪声是一个瞬时的振荡干扰，虽然持续时问很短，但也足以影响到系统的正常工作。

    由于针织机械控制系统具有上述特点，因此其控制核心可以考虑采用能够提供大量IO端口的嵌入式控制芯片。嵌入式控制芯片与通用型控制芯片最大不同是嵌入式控制芯片一般适用于为特定用户群设计的系统中，它们通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由外围芯片或板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使得嵌入式系统设计更趋于集成化。

    由于嵌入式控制系统中的绝大多数控制硬件均集成在一片控制芯片中，所以其抗干扰性远远优于通用控制系统。若芯片具有资源动态配置功能，那么同样一片控制芯片在不同场合还能够实现不同功能。

2 PSoC主要技术特点

2.1 PSoC的结构与特点

    随着电子技术及半导体工艺的迅猛发展，片上系统(SoC，System Oil Chip)逐渐成为数字系统设计的发展方向。美国Cypress Semiconductor公司的可编程片上系统(PSoC，Programmable System on Chip)是一种基于通用IP模块，资源可配置的微控制器。芯片由基本的处理器内核、存储器以及用户可自由选择配置的模拟模块和数字模块组成，其中处理内核M8C为是基于4百万级8位构架的微处理器。根据不同的应用环境和供电要求，用户可以通过固件编程来选择M8C的处理器时钟频率，其范围在93.7kHz-24MHz之间。M8C拥有一套丰富的指令集，支持汇编语言。M8C内部包括5个寄存器：A(累加器)、X(索引寄存器)、PC(程序计数器)、SP(堆栈指针)、F(标志寄存器)，其中PC为16位寄存器，其他寄存器均为8位。不同型号PSoC内部具有4~32kB程序FLASH存储器、256~2kB数据存储器。

    PSoC除了具有处理器内核和存储器之外，还包括了丰富的模拟、数字模块。其中模拟模块包括各种模数转换器(ADCs)、数模转换器(DACs)、增益可配置放大器(gain stages)、滤波器(filter)等，数字模块包括各种定时器(timer)、可配置计数器(counter)、串行通信(UART／SPI)模块以及数字式脉宽调制(PWM)模块、电可擦除存储器(EEPROM)模块等。与传统单片机相比，使用PSoC芯片一方面可以省去用户设计电路时所需的外围器件，另一方面给予用户极大的自由度，使用户可以根据不同系统选择自己所需模块。模块之间的连接、模块与引脚的连接以及引脚的功能和状态均可自由配置。所有PSoC器件的配置均具有动态特性，设计人员可在不同的时间段配置同一模块给不同管脚，以提高芯片的利用率。

    由于一片PSoC芯片应用在不同系统中，内部硬件资源配置以及外部引脚的功能可以完全不同，因此从硬件角度来说，产品硬件系统很难被仿制，从而起到自主知识产权的保护作用。另一方面，PSoC程序编译、链接形成目标代码时，可以选择部分或全部不可读，相当于“软件加密”，从软件角度有效地保护了控制程序。

2.2 PSoC与传统微控制器系统的比较

    PSoC的开发基于成熟而又丰富的用户模块，极大地减少甚至免除了设计者在成千上万种外围元器件中选择的烦恼，节省了模拟量处理电路调试及修改的精力和时间，提高了系统设计的成功率、灵活性和可靠性。软件设计方面，由于开发系统可以根据硬件电路的构造自动生成高质量的可调用API函数，编程者无须像以前那样在底层驱动程序上劳神费力，而可将精力更多的放在应用层程序的编制上，因而大大提高了开发效率。

    由于PSoC采用了一种新的硬件架构，用户通过可配置的数字及模拟模块灵活地构造出所需要使用的最小系统，这是传统的或是走传统路线的单片机所不具备的。另外，PSoC可以动态配置所需功能模块的种类和数量，动态地完成片上资源的重新分配，实现新的外围元器件功能，保证了系统资源的最大化、最合理化和最经济化。从而实现了系统单片化的目标，减少了印制电路板的面积，提高了性价比。

图1 PSoC系统与传统微处理器系统的比较

    如图1所示为典型控制系统采用传统微控制器设计方案和PSoC控制器设计方案的比较。内部小虚线框中是传统通用型微处理器所具备的功能，而外部大虚线框中是PSoC微控制器所具备的功能，PSoC除了核心控制功能外，同时具备了模拟信号和数字信号的可配置特性。由此可以发现，PSoC完全不同于以往的传统型微处理器。PSoC开发者不需要自己构建ADCs、DACs和其他外围设备，可通过PSoC的可配置性进行资源调配，而且PSoC微控制器成功引入了动态可重新配置功能，可以真正实现在线可编程。可见，一片PSoC微控制器可以代替一个单片机最小系统和部分外围电路。

3 典型应用分析

    手套机是针织机械的典型代表之一，下面就以手套机为例，讨论PSoC芯片在手套机电气控制系统中的配置和设计方案。

    目前，PSoC芯片共有四个系列二十余种，不同型号PSoC芯片的主要区别在于：1)可配置模块的数量不同，总数从6个至28个不等；2)引脚(包括可用I／O引脚)数目不同，一般从8脚至100脚不等；3)存储空间不同，空间最小的芯片有4k字节FLASH存储器、256字节SRAM存储器，而空间最大的芯片则拥有32k字节FLASH存储器和2k字节SRAM存储器。PSoC芯片型号的多样性使其可以满足不同复杂程度的系统、不同设计的要求。手套机控制系统需要40个以上的I／O引脚，约30kB程序存储空间。根据这些特点和需求，可选用CY8C29666芯片。该型号芯片共有48个引脚(其中可用I／O引脚44个)，32k字节FLASH程序存储器空间，2k字节SRAM存储空间，可同时配置12个模拟模块和16个数字模块。

    根据手套机功能需求，可在CY8C29666芯片内配置一个EEPROM模块，两个串行通信模块和一个8位计数器模块。其中，EEPROM模块是在PSoC的FLASH存储器中，运用软件机制来模拟硬件EEPROM电路，并且每个EEPROM模块空间为64个字节，系统选取EEPROM模块可用于断电后保存用户设定的编织参数以及当前的工作状态。系统选用的两个串行通信模块中，一个用来与变频器通信，通过变频器控制电动机的转速；另一个用来与其它手套机进行多机通信，构成网络体系。8位计数器用来实现编织过程中的定时与计数功能。系统中模块与引脚的配置以及各模块之间的连接界面如图2所示，图中左上角的Counter8_1为计数器，EEPROM_I为电可擦除存储器，UART_1和UART_2为RS-232C串行接口。

图2 手套机控制系统中PsoC芯片内部配置

    当芯片内部配置完毕后，需进行外围电路设计。由于系统主要控制功能均可由PSoC处理器内核和片内配置的模块实现，所以片外电路比较简洁。只需要包括键盘矩阵、液晶显示器、电源模块以及输入输出接口电路即可。

    PSoC提供的可用引脚均为没有定义固定功能的标准IO引脚，很适合手套机等针织机械IO控制信号多的特点。虽然针织机械需要的标准IO引脚信号多，但在控制电路中也难免需要一些常用控制引脚，例如LCD的读／写控制信号、外接存储器寻址用地址线和数据线等。这些控制引脚均需要用户自行配置，而且由于其不提供固定输出时序，因此用户需要通过软件程序来确定其工作控制时序。这种过程虽然烦琐，但使用户获得了极大的支配权。手套机系统中没有用到片外存储器，所以不需要数据线、地址线和控制总线，用户可以赋予引脚其它的功能，这也大大提高了芯片硬件资源的利用率。若本系统采用单片机(如MCS-51系列8032单片机)为控制核心，则实现手套机电气控制系统功能还需增加程序存储器、数据存储器、8255并口扩展电路、地址锁存器以及相关的门电路等。可见，与传统的单片机控制系统相比，以PSoC为核心构建控制系统可以使电路结构得到简化，有效降低了产品成本。

    针织机械的电磁铁控制信号对时序逻辑要求非常严格，对于大型针织机械系统如横机、大圆机等需要的控制信号数量更是远远超过手套机。对于这些控制系统，除了采用多任务型控制软件以外，PSoC提供的引脚数目已不能满足需求， 可以在PSoC系统中外接一片现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)。这两种芯片与PSoC一样，可由用户自行配置片内资源与片外引脚，且内部硬件资源和外部引脚数目均超过PSoC。用户可以用文本输入或图形输入的方法对FPGA/CPLD内部的门电路和逻辑单元(LE)进行配置，从而将其设计成在特定系统中使用的具有特定功能的专用集成电路芯片。由于涉及完成之后，芯片由已固化完毕的硬件实现软件相应的功能，所以不会受到外界的干扰。因此，FPGA／CPLD芯片通常被认为是提高系统集成度、可靠性和技术保密性的最佳选择之一。FPGA与CPLD内部不包括任何确定的功能模块如处理器核、计数器、串行接口等，所有功能均用户编程或设计电路图实现，给予用户最大的设计自由度。但另一方面，由于现阶段编程实现高效实用的处理器核的技术仍不够成熟。因此FPGA／CPLD更多用作协处理器，与主控芯片共同完成控制任务。因此FPGA／CPLD与PSoC结合组成控制系统可以满足更多种类的针织机械控制系统的需要。

4 结束语

    本文提出的PSoC芯片具有的内部硬件资源可配置功能可以大大提高系统的集成度，简化了硬件电路；同时其高集成度也可以显著提高系统的抗干扰性能及可靠性。此外，PSoC芯片和FPGA／CPLD芯片引脚由用户自定义的特点也大大加强了系统的保密性，可以有效地保护自主知识产权。这种设计思路，值得在针织机械电气控制系统中推广应用。