（信号与信息处理专业论文）嵌入式ecos横机控制系统设计.pdf

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接口传入到大 容量的n a n df l a s h 中，解析程序对其进行相应的解析后，将控制指令传给 f p g a ，通过f p g a 来执行具体的指令，无论在传输速度或者在容量上都比以往 的软盘花型输入有很大的提高。 编织模块实现对机头的各执行对象和机头主伺服、摇床移动、罗拉开闭的 控制，是通过调用f p g a 控制和c a n 控制两部分来实现具体动作的，l p c 2 2 9 4 控制机头上的导纱器、选针器、度目马达，沉降片的动作，让它们按照编织工 艺要求进行动作。采用f p g a 作为协处理器，有效地实现i o 扩展、步进电机、 摇床伺服电机及主伺服电机脉冲的输出、指令传送等功能，减轻了主处理器的 负担。整个系统采用模块化开发，将各个模块按功能进行划分，更符合软件开 发的要求，使开发时间缩短及代码结构清晰。 关键词：电脑横机；嵌入式e c o s ；f p g a 恐s tr a c t a bs t r a c t f i a tk n i t t i n gm a c h i n ei sa ni m p o r t a n tm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t 南rp r o d u c t i n g o fk n i t t e ds w e a t e r i tc 锄l ( n i ty a mw h i c hm a d eo fw o o l ，l 访e 玛c o 钍o n ，s i l k ，a n d c h e m i c a lf i b e r a sl a b o rc o s t si n c r e a s e da n dc o n s u m e rd e m a n di 1 1 c r e a s e d t h e c o n v e n t i o n a lh a n d c r a f t e dh m c h i n ea tt h i st i m eh a sb e c o m ei n e 行i c i e m ，a n dt h e q u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o ni sn o tw e l l a u t o m a t i cc o m p u t e rf i a tl m i t t i n gm a c h i n ec a n o 唱卸i c a i l yn e g r a t et h em o d e mc o m p u t e rc o m m l ，m e c h a n i c a ld e s i g n ，e l e c t r o n i c - t e c l l n i c s 锄d o n s i m u l t 锄e o u s l y a u t o m a t i cc o m p u t e r i z c df l a ti ( n i t t i n gm a c h i n e r c a i 泣e st h ea u t o m a t i o ni i lw e a v i n gp r o d u c t i o n ，a n di m p r 0 v e sw o v e n ，t u c ka n do t h e r f l o r a lp r o d u c t se 虢i e n t l y i t so n l yat i n l eq u e s t i o nt h a th a n d c r a r e dm a c h i n ew i l lb e r e p l a c e db ya u t o m a t i cc o m p u t e r k dn a tl ( n i t t m gm a c h i l l es o o n e r0 r l a t e r t h i sp a p e ri so 唱a n i z e d 懿向l l o w i n g ：f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n t 锄dt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t c so fc o m p u t e r i z e dn a tk n i t t i n gm a c h i n ei si n t r o d u c e d t h e n i t d e s c r i b e dt h em a c h i n e d ，s t r u c t u r e 彻dl ( n i n i n ga c t i o nt h e o 巧a b o u ta u t o m a t i c c o m p u t c r i z e dn a tk n i t t i n gm a c h i n e a n do nt h eb a o f t h ea n a l y s i so ft h ep r i c i p l e s ， w ed e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i i c u i to ff l a tl n i t t i n gm a c h i n ei nm o d u i a r i nt h e i m p l e m e n t a t i o no fs o r w a r e ，an e wk i n do fa u t o m a t i cc o m p u t e r 协df l a tl ( n i t t i n g m a c h i n ei sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nm o d e mp o p u i a rp r o p o s e de c o so p e r a l i n g s y s t e mo na r m a n df p g a w i t ht h et h e o 叫o fm o d u l a rd e s i g n ，t h ec o n t r o ls y s t e mi s d i v i d e di n t of o u rp a r t s ，w h i c hc o 呷o s e do fm 锄- m a c h i n ei n t e r 亿c em o d u l e ，f i l e m a n a g e m e n tm o d u l e ，w e a v i n gm o d u l ea n dc a n b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i nt i l i sp a p e r t h es y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ea n ds 0 胁a r ep a n s t h ec o 代 c o n t ls y s t e mo f h 捌w a r ei su s c db y3 2 - b i ta r mp r o c e s s o re d b 9 315 ，w h i c h i n t e g r a t e dl c dc o n t r o l l e r ，t o u c h i n gs c r e e nc o n t r o l l e r ，u a i u i n t e r 白c e s ，u s b c o n t m i i e r ，a n dn a n df l a s hc o n t r o l l e r p a n 锄f i l ei ss t o r e do nud i s kt h r o u g h t h cu s bi 1 1 t e r 亿c e p 蕊s i n gi m ot h el a r g ec a p a c i t yo fn a n df l a s h r e s o l v e r s 陀s 0 l v ei ta n dp 弱st h ec o m m li n s t r u c t i o n st 0f p g 八a n dt h e nt h ef p g ae x c u t e s s p c c i f i cc o m m a n d s t h e 咖s m i s s 0 ns p e e d 锄dt h ec a p a c i t ya r ei m p r 0 v e dm o 佗 船tr a c t t h a nt h ef l o p p y w e a v i n gm o d u i ec o n t m lt h ea c t u a t o r sw h i c hl i eo nt h eh e a do ff l a tl m i t t i n g m a c h i n ea n dt h cm a ms e r v e rf o rt h eh e a d ，t h es h a k e rm o v e m e n t ，t h eo p e n i n ga n d c l o s i n gf o rt h er o i l e rb yc a l i i n gt h ef p g aa n dc a nm o d u l et 0a c h i e v e w 曲t h e c o n t m io fl p c 2 2 9 4 ，t h es o l e n o i d s ，e l s e c t r o n i cs e l e c t o r s ，s t e p p e rm a t o r s i n k e ra c t f o l l o wt h e 心q u e s to f l m i n i n gt e c h n i c s u s i n gf p g a a sac o p c e s s o r u s e df o rs y s t e m e ) ( t e n d i n gw h i c hi n c l u d ei oe ) ( t e n d i n g ，a d d r e s sc o d i n g ，g e n e m t i n gi m p u l s ef o rs c r 、，o m o t t o ，s t e p p e rm o t o r ，i n s t r u c t i o nt r a n s m i s s i o n 锄d o n t h i si su s e dt 0r e d u c i n gt h e b u r d e no nt h em a i np r o c e s s o r t h ew h o l es y s t e mu dt h em o d u l a rd e v e l o p m e n t ，锄d a c c o r d i n gt ot h e 如n c t i o n s ，i ti sd i v i d e di n t oe a c hm o d u l ew h i c hi sm o r e 双i t i s n e dt h e r e q u i r e m e n t so fs o r w a r ed e v e l o p m e n t ，i tc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m e 锄d m a d eac l e a rc o d es t n 】c n l r e k e yw b r d s ：c o m p u t e r 协df l a tl ( n i t t i n gm a c h i n e ；e m b e d d e de c o s ；f p g a i n 目录 目录 摘要i 戌玛1 r f 断i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 国内外目前的研究现状2 1 3 嵌入式技术5 1 3 1 嵌入式系统的概念5 1 3 2 嵌入式系统的组成部分6 1 4 本文的工作及组织结构6 1 5 本章小结8 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析9 2 1 全自动电脑横机9 2 1 1 横机简介9 2 1 2 横机的工作原理1 1 2 1 3 横机控制对象1 2 2 2 嵌入式横机控制系统开发流程1 3 2 3 嵌入式横机控制系统结构分析1 6 2 3 1 系统执行流程1 6 2 3 2 嵌入式横机控制系统总体架构1 6 2 4 本章小结1 9 第3 章横机控制系统硬件设计2 0 3 1 核心系统部分电路2 0 3 1 1 电源2 0 3 1 2 晶体振荡电路2 1 3 1 3 复位电路2 1 3 1 5 存储器接口电路2 3 目录 3 1 6l s b 接口电路2 5 3 1 7 以太网接口电路2 6 3 1 8u 呵通用异步串行接口2 7 3 2 各子系统模块硬件设计2 8 3 2 1 导纱器与三角控制子系统2 8 3 2 2 度目控制子系统2 9 3 2 3 选针器控制子系统3 0 3 2 4 伺服同步信号子系统控制3 1 3 3o 制总线3 1 3 3 1o 制总线简介3 1 3 3 2o 剁总线的实现3 2 3 4f f 强协处理器3 3 3 4 1f 瞅电源电路3 3 3 4 2f 麟j g 接口电路3 4 3 4 3f 瞅伺服隔离电路3 4 3 5 硬件调试3 5 3 5 1 单板检查3 5 3 5 2 利用j w g 进行调试3 6 3 6 本章小结3 6 第4 章嵌入式横机控制系统软件设计与调试3 7 4 1 开发平台的建立与准备工作3 7 4 1 1 氏岱嵌入式操作系统简介。3 8 4 1 2 基于日。操作系统的横机开发平台设计3 9 4 2 横机控制系统各模块软件的设计4 3 4 2 1o 制通信模块4 3 4 2 2f f 礅模块钙 4 2 3 文件管理模块：5 1 4 2 4 加密模块5 2 4 2 5r t in i 刨人机界面模块一5 2 v 目录 4 3 横机编织控制程序的设计5 4 4 4 软件调试6 6 4 4 1 开发平台的建立 4 4 2 源程序的调试6 7 4 5 本章小结鹄 第五章总结与展望6 9 5 1 总结6 9 5 2 展望6 9 致谢7 1 参考文献7 2 攻读学位期间的研究成果7 4 第l 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着亚洲纺织业开始复苏，纺织机械需求也开始出现回暖，国际纺机业的 绝大多数发货量都流向了亚洲地区，据2 0 0 9 年的统计数字显示，纺机进口前五 位的国家和地区都集中在亚洲，占到全球纺机进口总额的5 6 6 2 。纺机市场出 现了一些新的需求，中国棉纺织企业对高端设备的需求在不断地增长，纺织机 械逐步进向智能化、高端化、绿色环保这一概念也广泛被用在各个环节【1 1 。 今年以来，电脑横机企业销售形势一片大好，因全自动电脑横机产品自身 具有很高性价比的特性，倍受青睐，根据2 0 1 0 年上海中国国际纺织机械展览会 暨i t m a 亚洲展览会上了解到，电脑横机企业收获了不少订单【2 1 。随着中国针 织产业的迅速发展，针织服装企业为了在竞争激烈的市场中分得一杯羹，其必 须通过提高装备水平、研发能力强化。人们物质生活水平的提高，对毛衫的需 求逐步外衣化、个性化、高档化，这种需求对原有的制造工艺也提出了挑战， 传统的手动横机已达不到编织的要求，这些过时的产物会逐渐淡出历史的舞台， 取而代之的是全自动电脑横机。 纺织行业正进入高新技术产品行列，纺织自动化正向一个新型自动化方向 发展。当前在这行业中，电脑横机发挥着重要的作用。它是一种由电脑控制的 自动化程度很高的横编针织机械，主要用于羊毛衫及羊绒制品的编织制造。目 前新型全自动电脑横机能够纺织出整件针织服装，由于采用计算机设计和编程， 可以从纱线直接制成成品，而且花色款式变化多端、样式繁多。事实胜于雄辩， 电脑针织横机的生产效率非常高，一般是手动横机的4 5 倍，编织速度快、生 产周期短，能够进行多品种、小批量的生产，且能满足快速应对市场变化的需 要，电脑横机的这些特性满足了多变的服装市场对于服装生产企业的要求。 市面上目前电脑横机生产厂商不少，虽然国产电脑横机的产品价格具有一 定的竞争力，但是产品质量与国际品牌尚有一定的差距。据不完全统计【3 1 ，国 内毛衫生产企业有5 万余家，手摇及半自动横机1 0 0 多万台，而电脑横机不超 过1 0 万台，平均每家毛衫厂只有不到两台的电脑横机。随着出口退税下降、横 第1 章绪论 机工人难招、羊毛衫企业经营成本节节攀升等一系列问题，手摇横机及半自动 横机早就无法满足复杂工艺编织的要求，所以开发电脑横机、提高毛制品生产 效率成为纺织企业发展壮大的必然趋势。 虽然电子技术广泛地应用到电脑横机领域，国内电脑横机的性能及价格都 有所改善，但与国际先进水平存在差距巨大。为了尽快适应我国毛针织行业对 电脑自动横机的需求，缩短在电脑自动横机上与国外的差距，国内一些资金较为 雄厚的企业纷纷向电脑横机的研发迈出步子【4 】。自动化水平是提高了，但价格 一直居高不下，令众多中小企业望而却步。 我国是个纺织大国，每年用于进口高档织机上的外汇就达十几亿美元，国 内针织行业的迅速发展急需大量的电脑横机，国外横机功能虽齐全但价格昂贵 ( 约8 1 0 万美元一台) ，大部分中小型毛针织企业难以承受【5 】，市场急需技术水 平、质量与进口产品相当而价格相对优惠的国产电脑横机。 国此，发展低成本全自动横机是全面提升我国纺织水平的必经之路，符合 中小型针织纺织企业的发展需求【o 】。所以，开发高性低成本电脑横机十分必要， 横机的控制系统作为横机的最重要部分，是横机的主要控制机构，从最初的纯 机械控制到现在的以电气控制为主，加上机械机构巧妙设计的组合，优化了产 品的设计，使整机机构紧凑、功能齐全、控制精度高、动作可靠性强，大大适 应了现代针织工业的发展【7 】。 要开发高性能低成本电脑横机，必须开发高性能低成本的横机控制系统。 本文的研究旨在推进电脑横机国产化，进而提高横机的自动化水平。本文的研 究成果对电脑横机的国产化，降低横机成本，提高纺织生产效率具有现实意义。 1 2 国内外目前的研究现状 目前国内外大多控制系统在实现上采用主从控制方式，但其实现方式却不 尽相同，所以在控制系统的性能及稳定性方面有很大的差异。比较典型的实现 方式有： ( 1 ) a r m 7 + 单片机方案 删7 作为主处理器，单片机作为从处理器。这种设计方案优缺点明显： 优点是开发成本低，廉价的背后是：由于删7 是基于a 刚t 1 d m l 内核的， 最高主频只有6 0 m h z ，且不带m m u 功能，系统工作频率低，相应处理能力较 2 第1 章绪论 弱，不能支持w i n c e 、l i n u x 等主流嵌入式操作系统，通常只能使用u c 0 s 嵌 入式操作系统。这类操作系统软件资源不够丰富，所以在功能方面不够强大， 用户界面友好程度也不够。另外，删7 片内通常是不带启动f l a s h 和r a m 的，在硬件设计时还必须考虑到f l a s h 和l 认m 的扩展设计。因为导纱继电器 的瞬间通电电流达5 a ，对通电时间有所限制，由于单片机与删7 控制的同 步性不好，容易造成通电时间过长或者太短，而导致继电器被烧坏，且不能及 时响应同步信号，会造成丢针、停机位置控制不精确。其结构框图如图1 1 所 示。 罗拉 电机 同步 传感 键盘 存储 l 介质 单片机 导纱度日选针三角 摇床 电机 伺服 电机 图1 1 删7 + 单片机实现方案图 ( 2 ) p c 1 0 4 工控机+ i s a 总线扩展模块方案 在这种方案中p c 1 0 4 工控机作为主机，其它的控制子模块作为扩展模块， 各个子模块开发完后只要通过插槽接入即可。其开发过程简单毋庸置疑，虽然 3 第1 章绪论 p c 1 0 4 工控机作为嵌入式主板能很好满足了电脑横机控制系统的要求，开发起 来也很方便，但其成本昂贵。然而以工控机为主控制系统，主要的核心技术就 只有控制部分跟驱动部分，这种技术容易让人抄袭，而且接口方式单一，不能 使用其它接口的模块。随着3 2 位删微处理器的强势发展，并在嵌入式系统 中的应用日益广泛和成熟。从开发成本和自主研发两个方面考虑，基于p c 1 0 4 工控机+ p c 1 0 4 总线扩展方案在性价比方面没有优势可言。其实现结构图如图 1 2 所示。 摇床电机 导纱器 选针器 三角 工控机 度目电机 罗拉电机 鲻 躜 浍 机头伺服 h 刖i 与b 1 口ih 嘧 同步信号 图1 2 工控机+ i s a 总线实现方案结构图 ( 3 ) a r m 9 斗a r m 7 + f p g a 方案 本系统所采用的就是这一方案，它用删9 替代a r m 7 ，解决了主处理速 度不足的问题，并用a r 厦7 来替代单片机可以很好地控制导纱继电器、三角继 电器而不至于继电器反应不够灵敏，避免了继电器通电时间过长，而烧毁的问 题。而用f p g a 作为协处理器，不但可以控制伺服电机与步进电机，还能为系 统的同步信号的控制提供i o 接口。这一方案将控制对象分类控制，在硬件的 4 第1 章绪论 实现上，可以避免因某个子系统出现故障而影响了其它子系统的功能，可以大 幅度节约系统的维护成本。通过制定a l 洲9 与a r m 7 之间的c a n 通信协议， 可以很方便地通过删7 来控制导纱、三角、选针继电器和度目电机。在器件 的成本上又比工控机便宜不少，是个性价比较高的方案。其实现结构框图如图 1 3 所示。 选针 导纱 l c d 键盘 机头伺服 摇床伺服 1 3 嵌入式技术 a r m 7 趸 u a r m 9 赛 蹈 o f p g a 三角 度目 报警 u s b 罗拉电机 同步信号 图1 3 删9 + a r h d 7 + f p g a 方案结构框图 1 3 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统本身是个模糊的定义。根据电气和电子工程师协会( 1 e e e ) 的 第l 章绪论 定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”1 8 】。 由于我们可以看出嵌入式系统是软硬件的结合体，甚至还可涵盖机械等附属装 置。在国内被普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬 件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统【8 】。嵌入式系统的特性决定了它是面向用户、面向产品、面向实际 应用的，其生命力与优势必须在具体应用中才能体现出来。由此可以将嵌入式 理解为：与具体应用紧密结合，专用性强，必须根据实际系统需要进行合理的 裁减配置。 1 3 2 嵌入式系统的组成部分 嵌入式系统的组成一般可以分成三个部分：硬件层、中间层、和软件层( 应 用软件及系统软件) 。 硬件层中包含【8 】： 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式数字信号处理 器等( e d s p ) 嵌入式片上系统( s o c ) ： 用于存放和执行代码的存储器，一般是c a c h e 、主存、辅助存储器； 通用设备接和i o 接口，常见的通用设备接口有加、d a ，l o 接口有 r s 2 3 2 接口、e t h e m e t 、u s b 、音频接口、v g a 视频输出接口、1 2 c ( 现场总线) 、 s p i ( 串行外转设备接口) 和l r d a ( 红外线接口) ： 机电一体化设备、微机电系统等机械装置。 硬件层与软件层之间的叫中间层，亦称硬件抽象层或者板级支持包，它将 底层硬件与系统上层软件分开，使系统的底层驱动程序与硬件无关。主要功能 是完成嵌入式系统硬件初始化及硬件相关的设备驱动程序。 软件层包括系统软件和应用软件，系统软件由实时多任务操作系统、文件 系统、图形用户接口、网络系统组成。 1 4 本文的工作及组织结构 全自动电脑横机在结构上由机头主伺服机构、送纱机构、牵拉机构、度目 调节机构、摇床伺服机构、传感器检测装置、选针器控制机构、整机控制系统 6 第1 章绪论 等部分组成，毫无疑问，基于嵌入式系统的横机控制系统是整个横机的核心， 它能根据操作人员输入的编织工艺参数来执行纺织所需的各个特定动作。 本文在分析了电脑横机的机械结构与编织原理的基础上，结合横机机械结 构，提出了一种基于e c o s 实时操作系统的嵌入式横机控制系统，嵌入式横机 控制系统主要实现如下的功能： ( 1 ) 基于m i n i g u i 的人机互动界面： ( 2 ) e d b 9 3 1 5 核心实现对整个系统的控制； ( 3 ) l p c 2 2 9 4 实现对导纱器、清针三角、度目的控制以及c a n 通信协议 的实现； ( 4 ) f p g a 执行花型文件解析出来的指令动作及提供多种l o 接口； ( 5 ) c p l d 实现对前后床3 2 个选针继电器的控制： ( 6 ) 可靠实时监测横机各部件的工作状态，实现多种花型的编织。 本文开发一种新型嵌入式全自动电脑横机控制系统。它不仅克服了生产效 率低下、还无需传统手摇横机的人工操作参与，而且能够实现更复杂花型编织： 包括集圈组织、提花组织及各种移圈组织、还能编织出成型产品等等。 目前横机控制系统中的所有控制任务都由位于机身内的控制模块完成，机 头上有众多的信号连线控制导纱器、度目三角、选针器、沉降片等部件，鉴于 目前横机的机械结构，根据控制关系我们将横机控制系统的功能分为主控制系 统和机头控制、选针控制、伺服与同步信号控制。 基于全自动电脑横机控制系统的工作特点，本文提出了一种新型的 a r m 9 + a r m 7 + f p g a 实现方案，将各个控制对象的硬件电路按类别分开设计， 避免了某个硬件出现故障需要更换整套控制系统的硬件，在其基础上制定了 e d b 9 3 1 5 与l p c 2 2 9 4 之间的c a n 通信协议。本论文将组织成以下几个部分： 第一章，简述了电脑横机控制系统的发展历史及目前的发展状况，阐明了 本课题研究的意义与应用前景。 第二章，将阐述电脑横机的机械结构跟工作原理，并在此基础上提出横机 控制系统的设计方案，以及对所选用芯片的功能介绍。 第三章，根据横机的特点设计了嵌入式横机控制系统的核心硬件及各个子 控制系统电路并对相应电路进行调试等。 第四章，在硬件实现的基础上，设计了一种基于e c o s 嵌入式操作系统的 横机系统，详细分析软件的设计以及调试过程。 7 第1 章绪论 第五章，对本课题的工作做出总结，以及对日后本系统的发展做了展望。 本系统由硬件部分与软件部分组成，硬件平台包括a r m 9 2 0 t 的e d b 9 3 1 5 微 处理器构成主控制器的核心板、基于f p g a 的横机伺服控制电路、基于e p m 5 7 0 t 的选针电路、基于l p c 2 2 9 4 的继电器控制和c a n 通信电路构成本系统的硬件 平台；软件平台按照所使用的芯片的不同可分为两部分：基于a r m 的控制软 件和基于f p g a 、c p l d 的逻辑控制软件。在本课题中，主要是对a 刚微处理 器部分的软件设计，对于f p g a 、c p l d 只做些功能性的分析。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景、国内外目前的研究现状、嵌入式技术的 概念与组成，并且对本课题的工作及组织结构作了简要分析。 8 分析 本章首先是介绍全自动电脑横机机械的总体结构与功能，在了解横机机械 部件的前提下，我们才能合理地搭建软硬件平台，一个良好的系统设计结构对 于整个系统的开发有极大的益处，系统功能分析清晰，便于硬件与软件开发的 模块化处理，也便于日后系统升级与维护，所以我们要对电脑横机的机械结构 进行深入的理解。 2 1 全自动电脑横机 横机作为日常生活织物编织的一种平型纬编针织机，它是一种由多种控制 部件组成的机电一体化设备，涉及到的技术也比较多，包括当代计算机技术、 机械、电子技术、自动控制技术等多个学科。 2 1 1 横机简介 横机主要是由机架、针床、导轨、机头、天线台、控制器等主要部件组成。 其实物图如图2 1 。 图2 1 横机实物图 横机一个完整的编织过程是通过机头选针器控制、三角控制、导纱器控制、 9 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 摇床控制、度目控制、罗拉控制、机头主伺服控制、同步信号控制等多个子系 统相互配合才得以完成的，机械部件的协调程度与生产出来的产品质量及系统 的稳定性息息相关。本课题所研究的嵌入式横机控制系统是针对福建红旗马制 造的纬编方式的1 2 木5 2 规格的国产横机进行设计，1 2 、5 2 分别指的是每英寸有 1 2 枚织针、针床上带有针槽的横向总距为5 2 英寸，总的织针数为6 2 4 枚，该 横机机械结构为单系统，无起底板装置的全自动电脑编织横机，采用现代电子 技术实现横机的翻针、吊目、挑孔、提花、明收针及其它规则的花型编织功能。 从编织过程中受控的部件我们可知道，机头控制是横机编织的核心，它集前后 床左右系统3 2 个选针器、8 个三角继电器、6 个导纱继电器、4 个度目电机于 一身。其结构示意图如图2 2 所示。 图2 2 单系统横机机头示意图 下面简述横机机头主要部件的功能： 1 选针器 选针器的结构图如图2 3 所示： 1 0 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 图2 3 选针器的结构图 由图2 3 可知道每一枚针都是通过对选针器的相应的刀片进行控制的。选 针继电器导通或断开，控制着刀片的摆动，可用来选中或者释放织针。 2 导纱器 导纱器主要是作用在纱线上，对纱线进行牵引，单系统的机头上方一般有 6 8 个导纱继电器控制着导纱器的选择与释放，我们所选用的横机机械上有6 个导纱器，在编织过程中，被选中的纱嘴根据编织动作会随机头从左至右或者 从右至左一起移动，针床上相应的织针在机头上选针器和三角的配合下对纱线 进行编织。 3 三角 编织过程中，织针的动作需要机头上的三角控制，通过三角继电器的吸合 与脱离来控制三角处于弹出或者下陷，这些三角的不同组成了织针运动的导轨， 不同的编织参数对应着不同的导轨，正是靠这些三角的作用才能编织出多样化 的花型。推针三角将控制被选针器选中针片的动作，翻针三角则控制被选中织 针的走针路线。 4 度目电机 本系统中有四个作为度目的步进电机，在编织中控制着纺织品的密度，它 是靠控制成圈后织针的高度，来调整编织过程中线圈的大小，从而达到对纺织 品的密度。 2 1 2 横机的工作原理 要实现对出针的准确位置，不能光靠机头上的部件来协调，还必须依靠一 些用于产生同步信号的传感器，让控制系统通过传感器的信息来判断当前的位 置。根据同步信号的功能，可分为两种，一种是标志特别位置( 如零位、左右限 1 1 二 n烛”n音。n炜协i寺。n炜沁u音i砸峥f昔套炜u昔。n鼯亿督n妁i节，r、plnbuu苛。 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 位等) ，另一种是霍尔传感器，用于控制织针脉冲信号的。横机是左右移动的， 我们必须限制住它的移动范围，避免机头移动超出，所以，机头的运行导轨上 都有三个指示位置的信号：位于导轨左端的零位传感器，起始零位指示着机头 的起始位置；还有两个就是位于针床左右两个边界的左右限位传感器，在两个 限位位传感器之内的区域为编织区，当机头超出编织区域时，伺服控制板上的 传感器信号会通过基板上的模拟i o 接口发送到主控制器，发出报警声，编织 停止，并在主控制器的l c d 上显示出相应的错误信息。当超过限位时，如果控 制机头的主伺服仍未停止，机头会撞到左右安全门旁的撞击传感器，传感器会 通过f p g a 将该信号传给主控制器让其关闭机头伺服电机，此时机头主伺服电 源就会关闭。 机器启动时，要先进行当前行编织数据的读取与各个控制系统命令的发送， 在这个阶段，主控制系统要发送选针控制信号、导纱继电器控制信号、三角继 电器控制信号、度目马达控制信号、机头主伺服控制信号、罗拉步进电机控制 信号。当机头进入编织区域后，控制系统要发出的信号则不尽相同，这个阶段 要发送三角继电器动作信号、导纱继电器动作信号、机头主伺服加减速度控制 信号、摇床移动动作信号。机头上的霍尔传感器根据针床上计数尺条的齿痕算 出当前机头的位置，并根据自身计数脉冲的相位差来判断机头的移动方向。 在编织过程中，机头左右反复移动，根据上位机花型文件解析出来的指令 控制选针与三角，使织针能够完成各种编织动作。 2 1 3 横机控制对象 虽然纬编织横机编织的基本原理相同，但因为控制系统是针对特定的机械 部件来实现，所以在实现控制上还是有差异的。本课题所实现的横机有如下的 一些部件： 1 7 套电机( 2 套伺服电机，5 套步进电机) ： ( 1 ) 控制机头移动的伺服电机l 套，主要是根据编织要求控制机头的移 动、停止、方向及加减速； ( 2 ) 控制摇床横移的伺服电机l 套， 动、停止、方向等； ( 3 ) 控制罗拉运动的步进电机l 套， 闭与运动方向的控制； 主要是根据编织工艺控制摇床的移 根据编织要求来实现对罗拉电机开 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 ( 4 ) 度目电机4 套，按照编织的要求来实现对纺织品编织密度的调节。 2 继电器4 6 套： ( 1 ) 导纱继电器6 套，用来控制编织过程中纱嘴选中与否； ( 2 ) 三角继电器8 套，用于实现对织针运行轨迹与翻针的控制； ( 3 ) 选针继电器3 2 套，在编织过程中根据编织参数控制选针。 另外还有机头左右限位信号、拉杆快动信号、拉杆停止信号、拉杆慢动信 号、摇床零位信号、摇床限位信号、天线台纱织信号、左收线信号、右收线信 号、卷布不良信号、撞击使能信号、落布不良信号、机头针零位信号、转接板 保险信号、红黄绿三色灯指示信号、u p s 检测信号、主电源掉电信号等同步信 号。 由上可知，全自动电脑横机控制系控制的对象繁多，要实现的任务复杂， 必须制定相应的开发方案才能完成整个设计，本系统是按照一般嵌入式系统的 开发流程来设计的，我们将在下一节中介绍嵌入式横机系统的开发流程。 2 2 嵌入式横机控制系统开发流程 与一般的软硬件开发模式不同，嵌入式横机控制系统的开发过程涵盖多学 科，同时涉猎机械结构与纺织技术、硬件设计、软件设计等多领域知识。在嵌 入式横机系统的设计过程中必须综合多方面进行考虑，才能达到预期的设计目 标。本系统在开发过程中经过以下几个阶段【2 9 】：系统需求分析( 要求有严格规 范的技术要求) 、体系结构设计、机械系统及软硬件设计、系统集成、系统测试， 最终得到终端产品。其流程图如图2 4 所示： 1 3 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 麟 上 l 设计体系结构 i 系统集成 上 i 系统测试 i 占 l 终端产品 l 图2 4 嵌入式横机控制系统开发流程 下面针对本系统开发过程中的各个阶段进行一些说明。 ( 1 ) 需求分析阶段 确定横机控制系统设计任务和设计目标，并提炼出系统设计概要说明书， 作为详细设计的指导和项目验收的参考标准。根据系统需求的分类一般可分为 功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能包括：横机 功能测试、花型文件编辑、编织参数设置等等；非功能需求包括：系统稳定性、 系统的可扩展性、系统的可维护性、设计成本、功耗、体积、重量等因素。 ( 2 )设计系统的体系结构： 描述嵌入式横机控制系统如何实现全自动电脑横机所必须具备的功能和非 功能需求。包括对硬件、软件和机械装置的功能划分，以及系统的软件、硬件 选型等。一个好的体系结构是项目开发设计成功与否的关键。 ( 3 ) 硬件软件协同设计： 基于嵌入式横机体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短 产品开发周期，在设计过程中实行软硬件并行设计。嵌入式横机控制系统设计 的工作大部分都集中在软件设计上，嵌入式编程技术、模块化设计是现代软件 1 4 第2 章横机机械结构分析与控制系统架构分析 工程经常采用的方法。 嵌入式横机控制系统在选择处理器时主要考虑了以下几个因素【3 0 】： 处理器的性能：一个嵌入式处理器的性能是由多方面的因素决定的，如 时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等等。 对于本系统来说，并不要挑选速度最快的处理器，而是选取能够完成 横机控制系统任务和提供i o 子系统的处理器，只要有足够的性能执行 任务和支持产品生命周期。若是面向高性能的应用设计，倒是可以考 虑某些新的处理器，毕竟其价格相对低廉。 技术指标。目前的嵌入式处理器都具有外围设备扩展的功能，可以减少 硬件电路设计时芯片的数量，降低了整个系统的开发成本。开发人员 在选型时要考虑的是，系统所要求的一些硬件能否不必借助组合逻辑 就可以直接连到处理器上，即该处理器是否支持一些芯片，如d m a 控 制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、实时时钟等配套。 功耗。为了响应工信部在“十二五”期间提倡的单位工业增加值能耗比 “十一五”末降低l8 的节能减排要求【3 l 】，我们在芯片选型时是要求高 性能，低功耗。 软件支持工具。仅有一个好的处理器，没有相应的软件开发工具的支持 也是不够的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到事半 功倍的作用，如d o w n l o a d e x e 下载工具、t 邱下载工具、交叉编译器等。 是否内置调试工具。处理器如果内置了调试工具可以大大缩小调试周 期，降低调试的难度，从而缩短开发周期与开发成本。 供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论 是否正确，决策是否得当。 在本系统的设计中，结合以上几个方面的因素，并考虑到横机工作环境比 较恶劣，主系统选用了c i 舢s l o g i c