（机械电子工程专业论文）基于arm+cortexm3织带机控制系统的研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 采用单片机作为主控芯片的国产织带机、商标机控制系统已渐渐不能满足高速高效织 带生产的要求。因此，本文提出一种基于a r mc o n e x m 3 系列微处理器l p c i 7 6 5 的嵌入 式设计方案，并完成了硬件电路和软件的设计。 论文在分析电子提花织带机及其控制系统的工作原理和研究现状的基础上，经过对几 种开发方案进行对比分析，提出了自己的设计方案。采用l p c i 7 6 5 微控制器，根据织带机 的功能要求，扩展了以下几个功能模块： ( 1 ) u s b 接口模块：设计了u s b 接口，用优盘输入花型文件，方便了大花型文件的存 储和传输，提高了传输速度； ( 2 ) 实时信息存储模块：连接一片具有断电保护的铁电存储器，实现了系统的意外掉 电保护功能，提高了系统运行的可靠性； ( 3 ) 花型信息存储模块：扩展了一片f l a s h 存储器用于存储花型文件； ( 4 ) 花型数据传输接口模块：采用差分驱动方式串行传输花型信息； ( 5 ) 人机界面模块：包括键盘和液晶显示两部分。 软件设计是在k e i lpv i s i o n 4 集成开发环境下利用k e i la r m 开发工具完成的，包括控 制系统主程序、文件管理系统以及各个功能模块的程序设计，软硬件相配合实现了织造参 数的设置、花样信息的处理、系统测试等一系列功能。经现场调试和测试，在该控制器的 控制下提花织带机动作简洁、准确，该控制系统达到了设计目标，具有较好的工作性能。 关键词：织带机；提花机；a r mc o r t e x m 3 ；嵌入式系统 浙江理工大学硕士学位论文 t h ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i cw e b b i n gl o o mb a s e do n a r mc o r t e x m 3 a b s t r a c t m c uh a sb e i n gu s e dt oc o n 仃o lt h ee l e c t r 0 i l i cj a c q u a r df o rl a b sa n d 凰l l i o n 曲b o n si nm a n y d o m e s t i cf k t o r i e s ，埘t 1 1m ei n c r e 嬲i n gp l 锄t s d e m a i l d i n gf o rg r e a 伧rs p e e da n de a e c t i v e n e s s ，t l l e c o n n 0 ls y s t e mb a s e do nm c uh 硒h a r d l ym e tt h er e q u i r e m e n t s o ，觚e m b e d d e dd e s i g nb 硒e do n l p cl7 6 5b e l o n g i n gt 0t h ea r mc o r t e x - m 3 r i e sh 嬲b e e np m p o s e di nt h i sp a p e rw l l i c h i i l c l u d e st h ed e s i 龃o f h a r d w a r ec 疵u i ta n ds o n w a r e b a s e do na i l a l y z i n gt h e 、o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n ts t a _ t u so fe l e c t r o l l i cw e b b i n g 1 0 0 m 锄di t sc o 加 o ls y s t e m ，t i l i sp a p e rp r o p o s e san e wd e s i g i lb ya i l a l y z i n ga n dc o m p a r i n g s e v e r a ls y s t e md e s i g ns c h e m e s a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so f 、v e b b i n gl o o ms e v e r a jf i u n c t i o n m o d u l e s h 嬲b e e nd e s i g n e du s i n gl p cl7 6 5a sf o l l o 、 得： ( 1 ) u s bi n t e m 赡er n o d u l e ：t h en a s hd i s kt 0i n p u tt l l ep a _ t t e md e s i g ni sr e a l i z e db yd e s i g l l i n g u s b i n t e a c e ，w 1 1 i c hi m p r o v e sm ei n p u ts p e e d ，p r 0 v i d e sc o n v e n i e n c et os t o r e 锄dt m s m i tb i g p a t t e mf i l e s ( 2 ) r e a l t i m ei n f o m a t i o ns t o r a g em o d u l e ：n l ef h n c t i o no fp o w e r - o 行p r o t e c t i o ni sa c h i e v e d w i t ht h ea d d e df e r r o e l e c t r i cn o n v o l a t i l er a mw h i c hc 锄i m p r o v et h er e l i a b i l 时o ft h ec o n t r o l s y s t e m ( 3 ) p a t t e mi n f o 册a t i o ns t o r a g em o d u l e ：ap i e c eo fn a s hm e m o 巧i sa d d e dt os t o r ep a n e m ( 4 ) p a t t e md a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f l a c e ：s e r i a ld a t at r a n s m i s s i o nm o d ei sa d o p t e d ( 5 ) h u m 觚一m a c l l i n ei n t e r f a c e ：i n c l u d i n gk e y b o a r d 锄dl c dd i s p l a y n l ep g r 锄0 ft m ss y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db yk e i la i 己mi nt h ei m e 铲a t e dd e v e l o p m e m e i l v i r o i u n e n to fk e i l 肛s i o n 4 ，i n c l u d i n gm a i np r o 彤u no fc o n t r o ls y s t e m ，p r o g r a l nd e s i 印o ff i l e s m 趾a g e m e ms y s t e ma n df 妇c t i o nm o d u l e s t h r o u 曲s o 腑a r ed e s i g na n dh a r d w 盯ec i r c u i ta s 嘶e so f 如n c t i o n sh a v eb e e na c h i e v e di n c l u d i n gp a r 锄e t e r ss e tu p ，p a t t e mi n f 0 n i l a t i o n s p r o c e s s i n g ，s y s t e mt e s ta n ds 0o n a sa r e s u l to ft l l ef i e l dd e b u g g i n g 锄dt e s t ，t l l em o v e m e mo f l et e x t i l ej a c q 岫r di sb r i e fa n da c c u r a t eb yu s i n gt h ec o n t r o ls y s t e m ，、) v ! h i c hi so fb e n e r c h 孤a c t e r i s t i c si l lw o r k j n g 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：w 曲b i n gl o o m ；j a c q u a r d ；删c o n e x _ m 3 ；e m b e d d e ds y s t e m i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 电子提花织带机概述 第一章绪论 织带机是以各种纱线为原料制成带状或管状织物的设备【l l 。生产生活中的带织物有缎 带、花边、弹性带、松紧带、袜带、罗纹带、绷带、电器绝缘带、汽车飞机安全带、传送 带、鞋带，甚至人造血管等，其应用范围十分广泛【2 】。 带织物的织造方式通常有机织法、针织法和编织法三种。目前，织带机主要有以下几 种类型：有梭织带机，高速无梭织带机、电子提花织带机、针织织带机、编织机、电脑商 标机等。其中，采用机织法的有高速无梭织带机和有梭织带机；采用针织法的有针织织带 机；电子提花织带机和电脑商标机既有机织法又有针织法【3 ，4 1 。 电子提花织带机揉合了现代电子技术和电磁原理，配合简单的机械结构实现了高速无 纹版提花，与以前使用纹版提花相比具有以下特点【5 1 ： ( 1 ) 解决了由于制作纹版需要花费相当多的时间，而造成生产出来的产品滞后于市场 的问题； ( 2 ) 解决了花型纹版本身成本高、寿命短、体积大，运输、使用、更换、保管都极不 方便的问题； ( 3 ) 解决了由于制作纹版成本非常高，在做试样时，对花型进行修改极其麻烦的问题。 电子提花织带机的无纹版提花织造系统是一种由电子计算机控制的自动提花织造系 统，该系统能够大幅度提高提花织带机织造工程的生产速度，它用自动读图装置作成的色 花信号带，作为信号输入方式。在织造过程中，由电子计算机读取这个信号的所需量变换 成织花信号( 开、关信号) ，然后把这些信号直接输送到提花机上进行织造【6 。 电子提花织带机的无纹版自动提花制造系统包括以下几个部分：自动阅读装置，花样 信号处理装置，执行元件和提花织机。组成框图如下图1 1 所示。 旧h 篇 甄- | 篡簧曩茎h 执行元件叫型! h 算? 带 - 图1 1 无纹版自动提花织造系统 电子提花织带机是通过电脑绘花打版控制系统，能织造汉字、字母、数字以及小型图 案等较为复杂的弹性或非弹性提花带子，并且能方便地获得所需的图样及组织，使其织物 花型变化多样，生产效率随之大大提高嗍。 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 电子提花织带机研究现状 国内外在电子织带提花技术方面主要的技术路线有两种：一是研究直接提花的电子笼 头；二是研究间接提花的电子花版。直接提花的电子笼头摈弃了传统的由提花花版控制的 机械提花装置，从整体上安排电气控制、电磁选针机构、穿吊及提综装置，其特点是能适 应高速提花织机的要求，但对选针机构以及提综运动装置的材质要求高，加工技术难度大。 国外的电子提花技术主要是采用直接提花的电子笼头，提花机构一般采用选针和提针机构 相互分离，这样可以产生更好的提花效果。间接提花的电子花版利用了传统织机机械笼头 中基于横针、竖针的提花机构，由花型信息控制电子花版纹针孔的开闭决定是否推动横针 横移，并控制竖针是否由提刀提起【9 1 1 1 。国内多采用间接提花的电子花版，它与直接提花 的电子笼头相比，具有成本低、能耗低且适合我国传统提花织机等特点。 1 2 1 国外研究现状 国外织带机种类繁多，发展迅速。在二十世纪八十年代，英国、瑞士、德国、意大利 纷纷推出具有自身特色的电子提花织带机。并且，在这一时期，英国b o n a s 公司先后推 出了世界上第一台机织商标用电脑提花机和阔幅电脑提花机。目前，世界上比较大的织带 机生产商主要有：瑞士约科布缪勒( j a k b 0m u l l e r ) 公司，德国华宝( v u p e l ) 公司，瑞 士史陶比尔( s t 硼b l i ) 公司，英国( b o n a s ) 公司等。 瑞士约科布缪勒( j a k b om u l l e r ) 公司致力于窄幅织物机械的研究、开发、制造已有 一百多年的历史，始终领导着当今窄幅织物机械的潮流，是世界上最大的窄幅织机生产厂 家f 1 2 】。1 9 9 7 年缪勒公司在中国纺织基地之一苏州设厂，目前中国苏州工厂主要生产万利达 织带机和钩编机系列产品。它的产品着重于电子化的研究和自动化水平的提高。万利达织 带机机器设计紧凑、运行平稳、操作简便、停机次数少、运行速度快、零件损耗少、耗电 量低。生产的拉链带，质量稳定，生产成本低旧。 h 、a 系列高速缪勒无梭织带机具有 以下特点： ( 1 ) 结构精密，传动精准； ( 2 ) 机件均采用高品质的原件、高精度的加工，为机器的高速运转提供了保障； ( 3 ) 所有机件互容互换性高； ( 4 ) 电子定时循环润滑系统，供油给关刀、底线凸轮无需人工注油，为保持机器高速 运转、延长寿命提供有力的保障； ( 5 ) 高科技电子计数器，可计算不同带子的长度，可计算累计产量，可预定产量，完 2 浙江理 大学硕十学位论文 成后自动停机，并可监视机台转速等等； ( 6 ) 同宽度的机型可互换织造条数，可加装多种织造装置，满足各种不同织物要求； ( 7 ) 主轴安装电磁制动，灵敏可靠，停机无废带； ( 8 ) 特殊底线装置易调整，锁边质量更好1 4 】。 其技术参数如下表1 1 所示，h x n a 8 3 0 型号高速缪勒无梭织带机实物如下图1 2 所示。 表1 1h ) ( n a 系列高速缪勒无梭织带机技术参数 沌，瞥多， 。 事= 筝- p 。 嘲譬。j j ： 锎睹“i7 。乙，一 浙江理工大学硕士学位论文 得进步，在商标热切割织造技术方面不断趋于完善，在业内取得了卓越的成绩，同时为商 标织造业建立了新的标准。它拥有世界上最先进的机种系列，其可织造宽度范围在8 m m 到8 0 0 m m 之间的织物，并可进行8 色、1 2 色甚至1 6 色电子选纬。1 9 9 6 年，德国华宝推 出了型号为e w m 9 0 的喷气商标织机新产品，其投纬速度高达1 l o o 纬m i n 。其技术参数如 下表1 2 所示。 表1 2 华宝e 删9 0 型商标机技术参数 经纱 整经只需l 小时，盘头有电子送经纱系统，自动调i 了张力；每一经纱都有停经 片，以便在断头时立刻停机，并由颜色灯显示 可供8 1 2 色纬纱，其花色由电脑控制箱控制：为使织物平整一致，纬纱要经 纬纱过储纬器而获得均匀张力：纬纱折断时立即停车，并由颜色灯指示：配置自动 寻找装置，机器无需人工操作便可自动回复，停在断纬的梭口，取出纬纱，重 新再织。 切边成带形自动切边成带形，可任意调整宽度；能织各种行数，专利热切刀由发热丝制成， 垂直切成带形 商标宽度转换商标尺寸非常容易，不用更换经纱，只需要换纬纱 热定型该机由两组可调校装置控制自动定形，出品商标光洁、平滑、坚挺、并不起极光 其他配置采用1 3 4 4 针高效电子提花机，配有防震装置，适应高速运转，噪音和振动极 低，可保持健康良好的i ：作环境 瑞士史陶比尔( s t a u b l i ) 公司与英国博纳斯( b o n a s ) 和德国格罗斯( g m s s ) 是目 前世界上顶级的三家电子提花机公司。在2 0 l o 年6 月上海国际纺机展上展示的新产品 c x l 8 2 、l x 3 2 和l x 6 0 电子提花机，主要用于织造带子和商标这样的窄幅织物，不管是商 标、装饰带、工业用带、丝带或者女式内衣用的弹性带，都能取得非常好的织造效果i l 引。 c x l 8 2 的规格是1 9 2 针，l x 3 2 是4 4 8 针，l x 6 0 是“0 或8 9 6 针。c x l 8 2 的组件是m 6 或 m 5 vl x 3 2 是m 6 ，l x 6 0 是m 5 或m 5 v 。 这三种型号机器的特殊优势在于：安装方便，应用范围广；机身位置低，孔板位置佳； 调节安全，调节位置可直接接近；提针机构平衡且精确；通丝的钩挂和更换快速：编程和 控制简便。c x l 8 2 l x 3 2 l x 6 0 的主要特性如下表1 3 所示。 4 浙江理工大学硕士学位论文 表1 3c ) 【18 2 几x 3 2 l x 6 0 的主要特性 主要特性 应用范围 可纺织的织物类型 运行原理 电子控制 针织带机 各类窄幅织物 复动式全开口提花机，曲柄驱动 梭口倾斜度和开口量可以精确调节 独立式史陶比尔j c 6 n 控制箱，与织机同步 1 2 2 国内研究现状 在我国，带织物的生产有史已久，以前主要是以有梭织机为主生产简单的带织物，现 在不少企业通过引进外国的先进技术，消化吸收，改变了我国带织物生产的落后面貌。浙 江、广东、山东、江苏和福建等地区是我国纺织工业发达区，同时也是带织物生产企业的 主要分布地【1 9 2 0 1 。 二十世纪七八十年代以来，我国的织带机制造业不论从技术还是从生产规模都有了迅 速的发展。其中，最具代表性的是上海美瑞机械制造有限公司和杭州奇汇电子提花机有限 公司。 上海美瑞机械制造有限公司生产的s g f 2 0 0 1 型系列高速无梭织带机通过技术攻关，目 l j 已具备国际先进水平，甚至可以与进口设备相媲美。杭州奇汇电子提花机有限公司采用 国产提花龙头，是国内较早研究开发成功电子提花织带机的企业，填补了国产电子提花机 的空白1 2 l l 。 杭州奇汇电子提花织带机具有以下特点【2 2 2 3 】： ( 1 ) 采用独特的电子选针装置，由电磁控制机械提针，其中控制电路板采用插入式， 分组控制，可根据不同织物的工艺要求任意组合电磁阀板与直针的排列，具有机械精度高、 运用灵活等特点； ( 2 ) 采用单动式中开口形式，上下梭口具有提前开口和延时闭口的功能； ( 3 ) 提花机主轴上的伞齿轮通过万向节与主轴联接，实现动力传递，保证了织机的整 体稳定； ( 4 ) 传动部件中的关节部位均采用轴承联接，具有摩擦小，耗能低，灵活性可靠性高 等优点。 除此之外，使用该机型只需将由c a d 等纹织软件设计的图样输入到控制系统中，即 可自动将织造工艺显示在人机界面上，操作简便，调用快捷。 浙江理工大学硕士学位论文 奇汇电子提花织带机有3 6 0 、6 4 0 、1 2 0 0 、1 5 0 0 、2 4 0 0 、3 0 0 0 针6 种规格，可与各种 类型织机相配套，适用性广，其主要技术参数如表1 4 所示。 表1 4 奇汇电子提花织带机主要技术参数 项目技术参数 运行速度( 纬m i n ) 开口高度( m m ) 有效开口角度 工作电压( v ) 提花纹针 选针形式 开口形式 控制形式 存储纬数 1 5 0 2 0 0 5 5 1 2 0 ，可选择调= 了 2 2 2 。，梭口有较长的停顿时间 直流2 4 可任意组合 采用独特的电磁阀选针 全清晰中开口 电子自动控制 1 4 0 0 0 0 0 0 纬( 】4 m b ) 1 3 电子提花织带机控制器研究现状 电子提花织带机控制器即是用来实现织物经纱提升控制的装置。它能根据织物花型数 字化处理的文件使相关的经纱提升或不提升，从而使经纱或纬纱浮在织物表面而形成要求 织造的图梨2 4 1 。 电子提花织带机控制系统的发展是伴随着嵌入式技术的发展而不断发展的。先出现了 单片机控制系统，设计相对简单，成本也比较低，但随着企业要求的不断提高，在性能、 界面等各方面问题上，基于单片机的控制系统己经不能满足大多数用户的需求，后来出现 p c i 0 4 实现的控制系统，p c i 0 4 成本较高，接口控制不方便，而且很多模块因为用不到而 被浪费，所以注定p c i 0 4 也只能是过渡产品。随着嵌入式的发展，现代嵌入式系统以其强 大的控制功能、小巧的体积、卓越的性价比在工业控制领域占有非常大的比重，同时嵌入 式芯片具有的丰富的外围电路和软件资源，大幅度缩短了产品的开发周期。采用嵌入式系 统控制方案还有一个显著的优点是整个系统的可移植性非常好、系统的弹性非常大，方便 后期提花系统升级与改进2 5 2 6 1 。应该说嵌入式系统控制方案是今后电子提花机控制系统发 展的一个主要方向。 1 4 本课题主要研究内容及研究意义 本课题的主要目的是设计一款功能完整，成本低，可靠性好的电子提花织带机控制系 统。在分析目前电子提花织带机及其控制系统研究现状的基础上，对常见的几种控制方案 进行对比分析，最终确立了基于删c o r t e x m 3 微处理器的嵌入式设计方案。本课题的主 要研究内容有以下几点： 6 浙江理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 分析电子提花织带机工作原理及其控制系统的控制原理，明确控制系统要实现的 几个功能模块，主要包括：人机界面模块，花型数据存储模块，实时信息存储模块以及和 数据传输模块等； ( 2 ) 根据控制要求拟定设计方案； ( 3 ) 根据设计方案选定各个功能模块需要的芯片，完成控制系统硬件电路原理图的设 计及p c b 制板： ( 4 ) 在硬件平台的基础上进行软件设计，开发实现相应的应用程序； ( 5 ) 软硬件都完成后是调试，分初步的硬件电路板测试、软件仿真、软硬件结合初调 试和上机调试等； ( 6 ) 完成了对系统的调试分析，最后提出系统进一步完善和改进的方向。 本课题为企业委托设计开发项目。通过对国内外电子提花织带机的研究分析，采用模 块化的设计方法，应用嵌入式计算机技术和数字化控制技术，开发出既适合我国国情，又 具备功能完整、性能可靠，性价比高的高速电子提花织带机控制系统。并在织机上做了系 统测试，满足了高速提花织带的各项控制要求。为更好地满足我国带织物的产业化要求提 供了条件。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章电子提花织带机嵌入式控制系统方案 2 1 电子提花织带机控制系统的原理 提花带子的图案，主要是由经纱的提升与不提升的不同组合而获得的【2 7 l 。而经纱的提 升控制则是通过对选针机构的控制来实现的。电子提花织带机的选针机构的主要是由电磁 阀、提针部件( 由运动钩和通丝组成) 和提刀组成。高速电子织带机利用电磁力选针、机械 力提升经纱，即由电和电磁力共同来完成开口过程。开口的定义是在织机上按照织物组织 的要求，把经纱上下分开，形成梭口的运动，称为开口运动，简称开口。完成开口动作的 结构称为开口机构。开口机构的作用【2 8 】： ( 1 ) 使经纱上下分开，形成梭口。 ( 2 ) 根据织物组织的要求，控制经纱的升降次序。 电子提花织带机开口原理如图2 1 所示，织带机控制系统传送提花数据，通过信号驱 动接口，有选择地驱动线圈使相应的电磁阀5 带电或不带电从而产生吸力或没有吸力柬控 制经纱提升或不提升【2 9 1 。 )伪)c )西伍) 伊 图2 1 电子提花织带机开口原理 1 一壳体2 一电子板3 弹簧4 一固定钩5 一电磁阀6 运动钩7 连接件8 通丝 9 一首线1 0 一固定点1 1 滑轮1 2 、1 3 一提刀 开口的具体步骤如下： 位置a ：初始时，运动钩6 分别停在提刀1 2 、1 3 上，此时挂在提刀1 2 上的运动钩6 g 鼎糙w川渊啊8， 曲隅闻时啊 晶p抽州羁n、 浙江理工大学硕士学位论文 在最高位置，且将固定钩4 下端向外，上部靠向电磁阀5 ，弹簧3 被压缩，此时电磁阀5 给电，复式滑轮1 1 处于低位，经纱处于下层经纱位置； 位置b ：第一次开口开始，运动钩6 随提刀1 2 和1 3 作向上、向下运动，因为此时电 磁阀5 给电，固定钩4 下端不挂住运动钩6 ，复式滑轮1 1 保持低位，经纱仍在下层经纱 位置； 位置c ：当提刀1 3 提升到满歼位置时，运动钩6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹簧 3 被压缩，若此时电磁阀5 不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，竖钩6 被挂在固定钩4 上， 经纱仍在下层经纱位置； 位置d ：第二次开口开始，提刀1 2 、1 3 作向上、向下运动，复式滑轮1 1 以固定钩4 的爪为支点上升，经纱被向上提升。 位置e ：提刀1 2 升到满开位置，运动钩6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹簧3 被压 缩，电磁阀5 仍不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，运动钩6 被挂在固定钩上，复式滑轮1 l 处于高位，经纱位于上层经纱位置。至此，第一次开口动作结束。 位置f ：第三次开口开始，提刀1 3 、1 2 作向上、向下运动，若此时电磁阀不给电，左 右运动钩6 均被挂住，复式滑轮1l 保持在高位，经纱则仍在上层经纱位置；而若此时电磁 阀给电，则复式滑轮由于运动钩6 从固定钩4 上松开而下沉，使经纱下降。 这样控制系统输出的信号经过提综机构的转换，提升相应的经纱而形成要求的梭口。 提综的动力来源于提刀的运动，提刀的运动是由提综机构来实现的。 由以上分析可知：电磁阀吸，则经纱不提升；电磁阀不吸，则经纱提升。电磁阀吸与 不吸，何时吸等是由控制系统来完成的。控制器发送信号“l ”，则电磁阀吸，则经纱不提升。 控制器发送信号“o ”，则电磁阀不吸，则经纱提升。控制器何时发送“0 ”、“1 ”由花型文件来 决定。所以，花型文件决定了最后的图案。 花型文件中的数据与图案的关系如下表2 1 所示，表中只列出花型文件中前8 纬和前 1 l 针的数据，该表清楚的显示了花型文件与最后花型的对照关系。 9 浙江理工大学硕士学位论文 表2 1 花型数据与提花织物图案之间的对照关系 纬 纱 经纱号 织物图案 号 1 2 3 456 7 8 91 01 l 8 0o0 0 o o10 o 0 0 7 ooo 0 0 l 0 0 0 0 0 幸 6 0o 0l11llo 0 0 奎 5 0 0l lo l ol l0 0 幸幸t 4 o 0 llo 0 o l l0 0 幸 3 o0ll000ll 0o 幸幸 2 o 0 ol o0ol 0 0 0 l0 0 o o 1 llo o o o 2 1 嵌入式系统简介 从上个世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器 的大规模应用，嵌入式系统已经有近3 0 年的发展历史。 而对于“嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ”的定义人们一直未能达成共识，目前国内一个 普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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【3 0 1 。与通用计算机系 统相比，嵌入式系统最显著的特点是面向用户、面向产品、面向应用，如果独立于应用自 行发展，则会失去市场。嵌入式系统的特征具体表现在【3 l 】： ( 1 ) 完成单一或一组紧密相关的特定功能； ( 2 ) 具有高性能和实时的要求，并且这些要求在不断增加； ( 3 ) 系统作为设备的一部分，其运行一般不需要人工干预； ( 4 ) 系统电源的可靠性和安全性，通常是影响设计的重要因素； ( 5 ) 处理器的选择是嵌入式系统设计的关键步骤，系统的硬件尺寸、电源以及开发费 用，如设计费用和开发环境的费用等与处理器紧密相关。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备和嵌入式操作系统及应用软件 系统等组成。简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统，软件设计只包含一些控制流程， 但是当功能较为复杂如图形用户界面和网络支持等，就必须考虑使用嵌入式操作系统做系 统软件( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 。e o s 一般有以下特点：小的系统内核、较强的 实时性、多任务功能、能够提供各种设备驱动程序、提供图形界面、提供t c p i p 等协议 支持。目前流行且使用最多的e o s 产品有：w i n d o w s c e ，w i n d o w sn te m b e d d e d4 0 ， v x w o r k s ，n e c u l e u s ，p o w e r l vo s ，p a l mo s 等商业化的嵌入式操作系统，另外还有非商 l o 浙江理工大学硕士学位论文 业化的嵌入式操作系统如嵌入式l i n u ) ( 操作系统【3 2 1 。 2 3 控制系统开发方案比较 早期的电子提花织带机控制系统大都是采用单片机来控制，实现了基本的控制功能， 但其性能因本身的c p u 限制变得非常有限，随着时代的发展，这种技术已经慢慢被淘汰。 现在厂家主要采用p c i 0 4 和基于删核的嵌入式芯片来控制。 p c i 0 4 控制方案是一种比较普遍的控制方式，性能较单片机控制有了很大的提高。目 前，国内比较成熟的系统的控制方案是采用p c i 0 4 加上操作系统的方式。操作系统方面， 采用d o s 操作系统的居多，高档次机器采用q n x 、w i n c e 等嵌入式操作系统。由于p c i 0 4 本身成本比较高，扩展性又不够好，开发的弹性有限，增添新的功能比较困难。而且目前 电子技术发展迅速，也不能保证指定的一块p c i 0 4 能够长期供货。d 0 s 操作系统本身功能 就有限制，只能实现最基本的提花功能。在花型存储、图形界面、网络等方面不能有质的 飞跃。采用这种方案的很多提花机的花型传输还得靠软盘这种古老的方式来实现。图形界 面单调。要实现网络、u s b 等功能也是非常困难的。 随着芯片技术的快速发展，嵌入式系统控制方案越来越广泛地得到应用。芯片的集成 度越来越高，包含的功能模块、接口等越来越全，一块芯片的功能可以跟过去的一块板子 相比。给电路设计带来很大便利，并且采用这种方案的可选择性非常大，单核心的c p u 芯 片就有上千种。 基于以上分析本课题选用嵌入式控制方案。目前，3 2 位r j s c 处理器发展很快，其中 以a r m 最为迅猛，a i 洲已经占据了3 2 位嵌入式市场的7 5 的市场份额，而且生产a r m 芯片的厂家全球有上百家，价格也比较低廉。本课题选用的a l w 芯片是恩智浦半导体公 司生产的基于第二代a i wc o r t e x m 3 内核的微控制器l p c i 7 6 5 ，它解决了p c i 0 4 和单片 机的缺点，功能强大，成本低。 2 4 控制系统整体设计 该控制系统由主控c p u 模块、数据存储模块、数据传输模块等六大模块组成，整个系 统的硬件结构如图2 2 所示。 浙江理工大学硕士学位论文 图2 2 织带机控制系统组成结构图 ( 1 ) 主控c p u 模块 主控c p u 模块主要由c p u 、晶振等组成，是整个控制系统的核心，按照预先编好的 控制程序，协调并控制其他各个模块正常工作。从控制要求及设计的先进性考虑，我们采 用基于第二代a r mc o r t e x m 3 内核的微控制器l p c i 7 6 5 ，是专门为嵌入式系统应用而设 计的高性能、低功耗的3 2 位微处理器，非常适合用于嵌入式控制场合。 ( 2 ) 花型数据存储模块 花型数据存储模块包括可移动花型数据存储模块和控制系统中花型数据存储模块。可 移动花型数据存储模块用来传递前端c a d 工作室设计的花型文件，目前使用的方案有软 盘传输、u s b 设备传输，i c 存储卡传输或者是网络传输。本设计采用的是u s b 传输，在 w i n d o w s 操作系统中将所需的花型文件拷入优盘中；控制系统中花型数据的存储，由一片 非易失性f 1 a s h 存储器来完成。将存入优盘的花型文件拷入控制系统中的存储器即f l a s h 存储器，以供提花织带机织造时使用。将经常要加工的或者是所需加工任务数较多的花型 文件存入f l a s h 存储器，开机后可不需要经过优盘而直接从控制器系统调出加工，方便生 产。 ( 3 ) 人机界面模块 在工业控制领域，经常需要工作人员根据不同的状态采用相应的措施。因此，人机界 面是必不可少的，它可以显示不同的工作状态，如织造，花样操作，系统测试等，还可以 设置参数等。人机界面模块包括显示模块和输入模块。该设计人机界面模块的显示模块由 指示灯和液晶显示两部分组成。指示灯用发光二极管来显示工作状态，如电源、选针器、 故障状态等等。液晶显示采用2 4 0 6 4 点阵的单色l c d 模块，用来显示织带机的工作状态 和工艺参数，如：花型文件名、织机车速、织造循环次数、纬数等等。输入模块采用一块 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 4 5 的键盘。 ( 4 ) 数据传输模块 数据传输模块包括花型数据输出和同步信号检测两部分，花型数据输出是提花织带机 控制功能的核心，提花织带机根据输出的花型信息来控制选针器提针的升降从而织出不同 的花型；同步信号检测模块通过传感器检测编码盘的位置信息从而得知织机状态，发出控 制信号。这里采用差分串行r s 4 8 5 通信接口技术来实现主控制c p u 模块与选针驱动模块 之间的通讯。r s 4 8 5 是一种半双工的电气协议，传输介质通常采用双绞线。这种通信方法 具有硬件电路设计简单、控制方便、成本低廉等优点。 ( 5 ) 1 2 c 总线模块 在加工过程中，需要将一些重要参数如当前织造的花型文件名、装造信息、当前循环 位置、产量等实时信息存入非易失性掉电保护存储器中，目的是使系统具有掉电保护功能。 这里采用铁电存储器f m 2 4 c l 0 4 通过1 2 c 总线与主c p ul p c i 7 6 5 进行信息交换从而实现 系统的意外掉电保护功能。 浙江理工大学硕士学位论文 第三章电子提花织带机控制器硬件电路设计 3 1 控制器关键元器件的选择 3 1 1 微处理芯片的选择 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。目前市场上的嵌入式处理器架构类型主要有 a r m 、p o w e r p c 、m i p s 、x s c a l e 、s u p e r h 等等。a i u 架构的芯片凭借其优越的性能、丰 富的产品、较多的可用外围接口资源等优点广泛应用于工业控制、无线通讯、消费类电子 产品等领域。例如，a i 蝴凭借其低功耗的美誉在手机世界里实现了9 5 的市场占有率；在 3 2 位嵌入式领域，删占据高达7 5 的市场份额【3 3 ，3 4 】。所以本课题的控制系统微处理器 采用a i 蝴架构的芯片。 目前，a r m 系列产品有a i t m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a 砌1 1 、a r mc o n e x 、 s e c u r c o r e 、o p t i m o d ed a t ae n g i n e s 以及x c a l e 【3 5 1 。出于对功耗、成本和性能等因素的综 合考虑，本课题选用a r mc o n e x m 3 系列的芯片作为提花织带机控制系统的微处理器。 a r mc o n e x m 3 系列芯片符合该设计要求的特点如下【3 8 1 ： ( 1 ) 主要应用于要求功耗低、成本低、系统整体性能较高的嵌入式应用领域，例如工 业控制系统、汽车车身系统和微控制器等； ( 2 ) c o r c e x m 3 系列微处理器快速和简易的软件开发可以缩短上市时间、降低丌发成 本； ( 3 ) c o r c e x m 3 虽然是基于a r m v 7 m 架构开发成功的微处理器系列芯片，但是与 r a m 7 相比，却有很多优越性能，例如，中心内核效率更高，根据d h r ) r s t o n eb e n c a r k 的测评结果，采用新的t l l 啪b 2 指令集架构的c o r t e x m 3 处理器，与执行t h u m b 指令 的a r m 7 t d m i s 处理器相比，每兆赫的效率提高了7 0 ，与执行a 刚指令的 a i t m 7 t d m i s 处理器相比，效率提高了3 5 ；编程模型更简单，因为c o r t e x m 3 本身就 是针对快速和简单的编程而设计的；另外，与r a m 7 相比，它还具有出色的确定中断能力。 经过对比分析，我们选择了恩智浦半导体( n x p ) 公司推出的基于第二代a r m c o r t e x m 3 内核的3 2 位微控制器l p c i 7 6 5 作为该控制系统的c p u ，分析过程如下【3 9 。4 1 】： ( 1 ) 从功耗方面考虑，l p c i 7 6 5 是基于c o n e x m 3r 2 修订版内核，增加了高度集成的 功率控制，包含一个独特的唤醒中断控制器( w i c ：w 酞e - u pi n t e m l p tc o n 仃o l l e r ) ，使进出低 功耗休眠状态的操作变得顺畅且有效率，它还具睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电4 个低 功率模式，为实现控制系统低功耗的目标提供了条件，而且，该芯片每个外设都自带时钟 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 分频器，可以进一步节省功耗； ( 2 ) 其丰富的外设组件，为控制系统硬件电路的设计提供了方便。例如，集成了7 0 个 通用i o 管脚( 芯片是1 0 0 个管脚封装) ，为花型信号传输和人机界面部分电路的设计提 供了足够的i o 管脚；集成标准j t a g 测试调试接口以及串行线调试和串行线跟踪端口选 项，为控制系统的调试接口设计提供了便利：s p i 接口、1 2 c 接口、s s p 接口等为控制系统 芯片的扩展提供了条件；u s b2 0 全速主机从机o t g 接口为控制系统实现用优盘传输花 型文件的设计提供了便利；以太网m a c 为扩展网络功能提供了条件； ( 3 ) l p c i 7 6 5 的5 1 2 k b 片上f l a s h 存储器和6 4 k b 片上s r a m 足够用于存储电子提花 织带机的程序( 目前大小是1 2 6k b ) 和数据； ( 4 ) 使织带机控制系统具有意外掉电保护功能是我们设计的重点之一，而l p c i 7 6 5 带 掉电检测功能，可对掉电中断和强制复位分别设置阀值，并且，当处于掉电模式时，可通 过中断( 包括外部中断、r t c 中断、u s b 活动中断、以太网唤醒中断、c a n 总线活动中 断、p o r t o 2 管脚中断和n m i ) 将处理器从掉电模式中唤醒，非常适合该控制系统的设计 需求； ( 5 ) 因采用三级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的低 性能的第三条总线，使得其代码执行速度高达1 2 5 m i p s m h z ，并包含1 个支持随机跳转 的内部预取指单元； ( 6 ) 其运行速度达1 0 0 m h z ，比目前市场上提供的其他c o n e x m 3 微控制器产品运行速 度快2 8 6 4 ； ( 7 ) l p c i 7 6 5 还增加了一个专用的f l a l s h 存储器加速模块，使得在f l a s h 中运行代码能 够达到较理想的性能。 l p c i 7 6 5 内部结构如下图3 1 所示。 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 图3 1l p c l 7 6 5 内部结构图 浙江理工大学硕士学位论文 3 1 2 花型数据存储芯片的选择 以前的电子提花机多采用传统的硬盘作为花型数据的存储介质，比如i d e 硬盘或s c s i 硬盘。尽管这种硬盘的存储容量大，但是这种硬盘的抗震性能和抗电磁干扰能力差，而且 体积和重量都比较大，对使用和安装的环境有一定的要求。 电子式f 1 a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储 器。芯片的体积和重量都比硬盘小，而且具有较强的抗震能力和抗电磁干扰能力，尤其能 够在恶劣的环境下正常工作。随着f l a s h 存储器容量不断增大，选择f l a s h 作为嵌入式数据 存储已成为一种趋势。 本设计选择恒忆( n u m o n ) r ) 【) 公司的n o rf l a s h 产品m 2 5 p 1 6 作为花型数据存储介质， m 2 5 p 1 6 具有1 6 m b 的存储空间【4 2 1 ，一个花样的纬循环数一般是从几十到几万纬，对于6 4 0 针的电子提花织带机而言，如果一个花型的纬循环数是1 0 0 0 0 ，那么该文件所占的存储空 间是：6 4 0 x 1 0 0 0 0 8 = 8 0 0 k b = o 8 m b ，可见该f l a s h 存储器足够用于花型文件的存储需要。 存取速度方面，m 2 5 p 1 6 支持速度高达7 5 m h z 的s p i 总线的存取操作，具有先进的写保护 机制。由以上分析可知，该f l a s h 存储器从存储容量到存取速度都完全能够满足提花织带 机的要求。 3 1 3 实时信息存储芯片的选择 该控制器还需要扩展一片存储器用于存储当前织造的花型文件名、装造信息、当前循 环位置、产量等实时信息，目的是使系统具有意外掉电保护功能。意外掉电保护功能即系 统在意外失去供电的情况下，可以保证其运行状态的确定性和记录数据的完整性，当系统 供电恢复后，现场数据可以及时恢复，接着掉电前的工作往下进行，避免加工过程产生混 乱，提高生产效率。在发送过程中，每发出一纬数据就需要将当前完成的信息刷新并存入 存储器。所以，系统对存储器的擦写是很频繁的。f l a s h 存储器与铁电存储器相比虽然价格 便宜但写速度太慢，不能满足系统频繁擦写的要求。本设计采用的铁电存储器f m 2 4 c l 0 4 是利用先进的铁电技术制造的非易失性存储器，它以总线速度进行写操作，无须延时。数 据成功发到f m 2 4 c l 0 4 器件后能在周期内被写到存储器阵列，下一个总线周期可以立即开