专利名称：基于cpu和fpga结构的高速工业缝纫机控制系统的制作方法随着工业生产的技术的提高，生产型企业的利润和其设备的生产速度有着密切的联系。 各个行业都在不断地改善设备的运行速度，以提高生产速率从而获得更多的利润，在皮革加 工行业同样是这种情况。现行中的工业缝纫机的控制系统要么速度很慢，要么价格非常贵， 又或是缝制的线条或者图案效果不理想。而利用CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系 统不仅价格便宜，而且速度很快，通过对软件的优化，能够准确的缝制各种复杂的线条和图 案，使生产效率大幅度提高。目前在国内外有很多关于工业缝纫机控制系统的文献和产品。公开号为CN101012604的 中国专利文献，公开了一种名称为《工业缝纫机电脑控制系统》发明专利，该发明采用模块 单元化结构，各单元内部相对独立、自成体系，集成化程度高，可以根据工业缝纫机主机的 不同，灵活配置相应的部件构成系统。该发明专利申请的不足之处在于采用单个的CPU控制， CPU的工作量大，速度不够快，而且成本也很高。
为了解决工业缝纫机控制系统的速度慢以及价格昂贵的问题、缝制的效果不理想等问 题，本发明提供了一种基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统。一种基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统，包括由主控CPU (1)、大规 模集成电路FPGA (2)、车头输入输出控制板(10)和液晶花样打版器(11)组成本发明的 控制单元，存储器(4)用于存放系统软件，以及系统运行中生成的各种数据文件，位置传感 器(4)对机针进行定位，由主轴伺服电机(5)、多路步进电机(6)组成本发明的运动单元， 由控制面板(12)组成本发明的的操作显示单元，由开关电源(13)构成本发明的供电单元， 开关量输入输出(8)和踏板(9)为系统的辅助动作单元。主控CPU (1)分别与大规模集成电路FPGA (2)、存储器(3)、液晶花样打版器(11)、控制面板(12)互连，大规模集成电路FPGA (2)分别与主控CPU (1)、主轴伺服电机(5)、 开关量输入开关量输出(8)、车头输入输出控制板(10)互连，位置传感器(4)和踏板(9) 分别连接至大规模集成电路FPGA (2)上，大规模集成电路FPGA (2)和变压器分别连至多 路步进电机(6)上。存储器(4)可以是焊接到主控CPU (1)上的内存，也可以是连接到主控CPU (1)的 SD存储卡；大规模集成电路FPGA (2)通过数据总线DB15、 DB25与车头输入输出控制板(11)互连；开关电源(14)为主控CPU (1)、大规模集成电路FPGA (2)提供电源；多路 步进电机(6)由变压器(7)提供供电电源。
主控CPU (1)的软件部分主要是控制大规模集成电路FPGA (2)以及与大规模集成电 路(2)连接的设备包括位置传感器(4)、主轴伺服传感器(5)、多路步进电机(6)、开关量 输入开关量输出(8)、踏板(9)、车头输入输出控制板(10)的控制和通信，以及对存储器
(3)的读写。其软件的工作流程是对主控CPU (1)上电后开始初始化，系统初始化完成 后对上次操作的数据进行恢复并开始装配新的数据，装配的内容主要是与主控CPU (1)相 连的设备的数据。配置完成后，系统进入工作状态，如果需要进行打版器通信则进行通信指 令的执行，包括有数据的读写、数据的修改以及参数的设定，打版器主要是针对花样打版的 一些数据、参数设定以及与I/O 口通信；如果不需要进行打版器通信则进行操作板的通信指 令执行，操作板的通信指令主要包括标准界面操作、展开目录视窗、显示资料设定的输入界 面、显示移动键的输入界面和显示资料输入的目录等，操作板主要针对打版器的设定参数进 行花样缝制；如果不需要进行操作板通信则启动自动运行操作进行花样的自动运行；如果不 启动自动运行，开始读取时钟、温度、电压等的状态开始下一次的工作状态的运行，即又回 到打版器通信部分进行操作。
大规模集成电路(2)功能主要对与其连接的位置传感器(4)、主轴伺服传感器(5)、多 路步进电机(6)、开关量输入开关量输出(8)、踏板(9)、车头输入输出控制板(10)的控 制和通信，以及接收主控CPU (1)的指令。其工作流程是对大规模集成电路(2)上电后 开始初始化操作，系统初始化后进入中断系统，此时要对伺服编码器进行检测，如果不需要 中断或者伺服编码器检测完毕则进行与主控CPU的通信，如果没办法通信回到中断系统重新 对伺服编码器进行检测，如果可以通信则扫描步进电机的每一路的运行、以及各路运行比例 情况和主控CPU读取伺服编码器的操作，之后回到中断系统进行循环动作。
本发明主要在控制单元采用了 CPU和FPGA结构，与控制面板、存储器的通信由主控 CPU (1)完成，将要求反应速度快、计算工作量多的部分如与主轴伺服电机(5)、多路步进 电机(6)、开关量输入开关量输出(8)以及车头输入输出控制板(10)的通信和控制交由大规模集成电路FPGA (2)完成，主控CPU (1)通过对大规模集成电路FPGA (2)的控制来 控制整个系统，这样大大减轻了主控CPU (1)的负荷，提高了工业缝纫机的运行速度，并 且单片机的价格十分便宜，从而也降低了整个控制系统的成本。


图1是本发明基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统的总体结构框图； 图2是本发明基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统的主控CPU (1)的软 件流程图3是本发明基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统的大规模集成电路 FPGA (2)的软件流程图。
图中，l.主控CPU 2.大规模集成电路FPGA 3.存储器4.位置传感器5.主轴伺服电 机6.多路步进电机7.变压器8.开关量输入输出9.踏板IO.车头输入输出控制板11. 液晶花样打版器12.控制面板13.开关电源

下面通过具体的实施例，结合附图，对本发明多CPU结构的高速工业缝纫机控制系统进 行进一步的描述。
本发明一种基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统，包括 主控CPU (1)、大规模集成电路FPGA (2)、车头输入输出控制板(10)和液晶花样打 版器(11)组成本发明的控制单元。控制单元为本系统的核心，主控CPU (1)采用了32位 微控制器，该CPU内核含有Flash存储器、RAM存储器以及内部总线加速器架构等，从硬件 上实现了主控CPU (1)要求的快速运算的目的。大规模集成电路FPGA (2)采用Flash架 构，具有高安全性、上电就可以运行、固件免疫能力等特点。主轴伺服电机(5)、多路步进 电机(6)组成本发明的运动单元，是整个系统的动作执行单元。存储器(3)用于存放系统 软件，以及系统运行中生成的各种数据文件；位置传感器(4)对机针进行定位，传感器我们 采用霍尔传感器；控制面板(12)组成本发明的的操作显示单元，我们采用了液晶显示屏， 由采用S-250-24型开关电源(13)构成本发明的供电单元，由光耦隔离式开关量输入输出(8) 和踏板(9)为系统的辅助动作单元。
本发明的一种基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统的总体结构框图如图1 所示。位置传感器(4)连接到大规模集成电路FPGA (2)，对工业缝纫机的机针进行定位控 制；主轴伺服电机(5)分别与大规模集成电路FPGA (2)互连，为工业缝纫机带来高针速和大力矩；大规模集成电路FPGA (2)和变压器(7)分别连接到多路步进电机(6)上，前 者控制其动作，后来为其提供电源，多路步进电机(6)的运转带动工业缝纫机往其运转的方 向运动；开关量输入开关量输出(8)与大规模集成电路FPGA (2)互连，踏板(9)连接到 大规模集成电路FPGA (2)，提供本系统的辅助动作单元；大规模集成电路FPGA (2)通过 数据总线DB15、 DB25与车头输入输出控制板(10)互连；液晶花样打版器(11)和操作显 示单元的控制面板(12)分别与主控CPU (1)互连；开关电源(13)连接至整个主控制器， 分别为主控CPU (1)、大规模集成电路FPGA (2)供电；主控CPU (1)和大规模集成电路 FPGA (2)通过SPI协议进行通信，主控CPU (1)通过控制大规模集成电路FPGA (2)而 对整个系统进行动作，由速度运算快的大规模集成电路FPGA (2)替代部分主控CPU (1) 的工作，大大减轻了主控CPU (1)的负荷，使整个系统的运行速度加快。
主控CPU (1)的软件部分主要是针对与其连接的设备包括液晶花样打版器(11)、控制 面板(12)的控制，对大规模集成电路FPGA (2)以及大规模集成电路FPGA (2)所控制的 位置传感器(4)、主轴伺服电机(5)、多路步进电机(6)、开关量输入开关量输出(8)、踏 板(9)的控制，以及对存储器(4)的读写。如图2所示为主控CPU (1)的软件流程图。 对主控CPU (1)上电后开始初始化，系统初始化完成后对上次操作的数据进行恢复并开始 装配新的数据，装配的内容主要是与主控CPU (1)相连的设备的数据。配置完成后，系统 进入工作状态，如果需要进行打版器通信则进行通信指令的执行，包括有数据的读写、数据 的修改以及参数的设定，打版器主要是针对花样打版的一些数据、参数设定以及与I/O 口通 信；如果不需要进行打版器通信则进行操作板的通信指令执行，操作板的通信指令主要包括 标准界面操作、展开目录视窗、显示资料设定的输入界面、显示移动键的输入界面和显示资 料输入的目录等，操作板主要针对打版器的设定参数进行花样缝制；如果不需要进行操作板 通信则启动自动运行操作，自动运行操作包括读入花样数据、检测电机位置信息、设置各轴 电机基本数据、设置各轴电机运行数据、设置开关量输入输出、检测踏板信号，上述各部分 都达到预定结果，则启动花样运行，进行主轴、多轴步进运转，完成后开始读取时钟、温度、 电压等的状态开始下一次的工作状态的运行，即又回到打版器通信部分进行操作，如果上述 各部分即花样数据、电机位置信息、电机基本数据、电机运行数据、开关量输入输出、踏板 信号不复合要求，则同样开始读取时钟、温度、电压等的状态开始下一次的工作状态的运行， 回到打版器通信部分进行操作。
大规模集成电路FPGA (2)的软件部分主要对位置传感器(4)、主轴伺服电机(5)、多 路步进电机(6)、开关量输入开关量输出(8)、踏板(9)所进行的操作和控制，以及接收主 控CPU (1)的指令。如图3所示为大规模集成电路FPGA (2)的软件流程图。对大规模集成电路FPGA (2)上电后开始初始化操作，系统初始化后进入中断系统，此时要对伺服编码 器进行检测，如果不需要中断或者伺服编码器检测完毕则进行与主控CPU的通信，如果没办 法通信回到中断系统重新对伺服编码器进行检测，如果可以通信则进行各个步进电机的运行 以及主控CPU读取伺服编码器的操作，之后回到中断系统进行循环动作。


一种基于CPU和FPGA结构的高速工业缝纫机控制系统，包括由主控CPU、FPGA、车头输入输出控制板和液晶花样打版器组成本发明的控制单元，存储器用于存储系统软件以及系统运行中生成的数据文件，位置传感器对机针进行定位，由主轴伺服电机、多路步进电机组成本发明的运动单元，由控制面板组成本发明的操作显示单元，由开关电源构成本发明的供电单元，开关量输入输出和踏板为系统的辅助动作单元。本发明主要在控制单元采用了CPU和FPGA结构，与各个单元的通信、数据存取及主轴伺服电机的控制由主控CPU完成，将要求反应速度快、计算工作量多的部分交由FPGA完成，减轻了主控CPU的负荷，提高了工业缝纫机的运行速度。