（通信与信息系统专业论文）基于图形信息的分布式步进电机控制系统设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前，虽然我国地毯出口量大，但很多是低附加值的产品，即使有高档产品 出口，其制造设备簇绒机大多是从国外进口，价格昂贵而且维修代价高，国内大 多公司也只是靠人力成本优势赚取利润。上海世博会地毯需求量大，上海一家公 司希望借此契机开发推广自主高端产品，在这种情况下该公司委托进行了该课题 的研发。 前期，我们对该公司委托东华大学开发的机器进行了研究。我们从衡量地毯 档次主要指标多绒高和宽幅出发提出新的解决方案。提出基于图形信息的分 布式步进电机控制系统方案，用1 6 色花型位图信息决定电机速度，突破了“离合 器 式只有两种绒高限制，增加了产品美观度。系统多达2 8 8 针宽，相比以往机 器的9 6 针增加了幅度。放弃了r s - 4 8 5 总线，采用了更容易维护、可靠的c a n 总线的分布式控制系统，方便了系统向更宽幅、更多绒高升级扩展。 本文论证了系统总体方案的确定以及系统功能分工，制定了总线应用层通 信协议。因为c a n 与p c 接口适配卡的独立性以及对系统性能重要性，实际开 发首先参照市场现有的适配卡产品自主开发了一款p c i c a n 的适配卡，相比增 加了一种接收方式。详细介绍了驱动板、采集板、适配卡硬件设计，包括微控 制器的选择以及最小系统设计、c a n 通信电路以及其他外围电路。图形信息到 步进电机速度转化是软件设计重要内容，文中对其转化过程进行了说明。驱动 板和采集板软件采用了传统的前后台方式设计，对主程序以及中断服务程序都 进行了详细解释。上位机软件作为系统监控中心，面向的是车间生产人员，在 实现功能的基础上力求简单易用。系统调试是系统投入使用的必经阶段，文章 介绍了开发中三个阶段的系统调试以及问题。为了支撑系统商业化使用，后期 为系统开发的两款辅助软件也进行了简单介绍。本课题为高端簇绒机设计做了 前期的研究开发工作，为智能化、网络化发展提供了基础，在本文最后也进行 了展望。 实践是检验设计的最好方式，系统投入使用五个月以来出现的问题在顺利 解决后已经趋于稳定，能够连续长时间运行。本人在系统设计中做了绝大部分 工作，负责总体方案确定以及协议制定，完成了系统所有软件设计，部分硬件 原理图的绘制，最后进行了现场调试以及软件问题的修改。 关键词：图形信息，簇绒机，c a n 总线 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，c h i n e s e h a v e e x p o r t e d al o to fc a r p e t ，b u tm a n yo ft h e ma r e l o w a d d i t i o n a l v a l u e p r o d u c t s e v e n i fs o m ef a c t o r i e sc a np r o d u c e h i 【g l l c l a s s c a r p e t ，t h e ym u s tc o s tal o tt oi m p o r tm a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e st h a ta r ee x p e n s i v ea n d d i f f i c u l tt om a i n t a i n t h e s ef a c t o r i e sc a no n l yg a i nal i t t l eo fp r o f i td e p e n d e do nl o w h u m a nr e s o u r c ec o s t m a n yc a r p e t sa r ed e m a n d e di ns h a n g h a ie x p o ，ac o m p a n yw i l l t a k et h i so p p o r t u n i t yt od e v e l o pa n dp r o m o t es e l f - d e v e l o p m e n to fh i g h e n dp r o d u c t s i nt h i sc a s e ，t h ec o m p a n yc o m m i s s i o n e dt or e s e a r c ho nt h es u b j e c t w eh a v er e s e a r c h e dt h em a c h i n ed e v e l o p e db yd o n g h u au n i v e r s i t yf i r s t l y w e h a v ep r o p o s e dn e ws o l u t i o nb a s e do nt h ek e yi n d e x e sw h i c ha r em u t i - l e v e ll o o pa n d w i d e e x t e n t i nt h ed i s t r i b u t e d s t e p m o t o rc o n t r o l s y s t e m b a s e do n g r a p h i c i n f o r m a t i o n ，t h es p e e do fs t e pm o t o ri sd e t e r m i n e db y1 6c o l o rb m pp l a c ep i c t u r e ，t h a t h a sb r o k e nt h r o u g ht h el i m i to fo n l yt w o l o o p st h a tb e e ni m p l e m t e db yc l u t c h s y s t e m h a v ea d d e du pt o2 8 8k i n d so fl o o pf r o m9 6 w eh a v eg i v e nu pc o m m u n i c a t i o nt h a t u s e dr s 4 8 5b u s ，a n da d o p tc a nf i e d - b u s t h ed i t r i b u t e ds y s t e mi se a s i e rt om a i t i a n a n dm o r er e l i a b l e ，e x p a n dm o r el o o p sa n dw i d e re x t e n tf o rs y s t e m t h i st h e s i sh a v ed e m o n s t r a t e dt h eg e n e r a lp l a na n dd i v i s i o no fw o r k , e s t a b i l i s h e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 b e c a u s eo ft h ea d a p t e r si n d e p e n d e n c ea n di m p o r t a n c e ， t h ep c i - c a na d a p t e rw a sd e v e l o p e df i r s t l y , t h a th a v ei n c r e a s e dm e a n st or e c e i v e c o m p a r e dt ow h a ti sp r o v i d e db yo t h e r sc o m p a n y t h et h e s i sh a v ei n t r o d u c e dt h e h a r d w a r e d e s i g n o fd r i v e r b o a r o , a c q u i s i t i o nb o a r d ，a d a p t e r , i n c l u d i n g t h e m i c r o c o m p u t e r m i n i m u ms y s t e m ，c a ni n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n d m i c r o c o m p u t e r sp e r i p h e r a lc i r c u i t t h e a r t i c l ew i l l i n t e r p r e t t r a n s f o r m a t i o no f g r a p h i ci n f o r m a t i o n t os e t pm o t o rs p e e d ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f s o f t w a r e s o f t w a r eo fd r i v e rb o a r da n da c q u i s i t i o nb o a r da d o p tt h et r a d i t i o n a l f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e m t h em a i np r o g r a ma n di n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e e x p l a i n e dd e t a i l e d l y t h eh o s tc o m p u t e ri sm o n i t o rc e n t e ra n du s e db yw o r k e rw h o d o n th a v ep r o f e s s i o n a lk n o w l e d g e ，s oi tm u s tb ee a s yt ou s e d t h em a i np r o b l e m sa n d s o l u t i o n so fs y s t e md e b u g g i n ga r ei n t r o d u e d t os u p p o r tc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n ，t w o a s s i s t a n ts o f l w a r e a r ed e v e l o p e d t h es u b j e c ti sp r o p h a s er e s e a r c ha n dd e v e l o pw o r ko f 武汉理工大学硕士学位论文 h i g h - e n dr a f t i n gm a c h i n ew h i c hi si n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k t h es y s t e ma l r e a d yw a st e s t e db yp r o d u c i n gf o rf i v em o n t h e s ，a n dc o u l db e r u r m e ds t a b l y i nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs y s t e m t h ea u t h o rf i n i s h e dt h em o s t 0 ft h e d e s i g n ，i n c l u d i n g w h o l es c h e m e ，p r o t o c o l ，a l ls o f t w a r e a p p l i c a t i o n s ，s o m e s c h e m a t i cd i a g r a mo fh a r d w a r e ，f i e l dd e b u g g i n g k e yw o r d s ：g r a p h i ci n f o r m a t i o n ，t u f t i n gm a c h i n e ，c a nb u s m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：匙喜毒二e l 期：单立丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：庄始l 导i j i l i ( 签名) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 从上世纪初期，随着机制地毯技术的发展，尤其是近十几年电子技术的引入， 使得地毯在全世界范围内正在被广泛使用。据欧美地毯协会的统计，今后北美 地毯市场仍以每年2 3 的速率增长，但在亚洲的增长速度将达两位数。 北京2 0 0 8 年奥运会和上海2 0 1 0 年世博会等项目对我国经济的拉动，各大城 市不断增加各种政府建筑公共设施项目，加上新建大量商务中心和酒店，无疑 都对高档地毯发展起到巨大的促进作用。随着居民生活水平的提高，文化素养 和审美情趣的提升，高档地毯将有高档别墅逐渐走入百姓家庭。预计未来5 年， 中国每年新增住宅面积1 0 3 3 亿平方米，装修面积( 含二次装修) 为1 5 9 9 亿平 方米。据此计算，地毯作为重要的铺地材料，家用市场将是我国地毯行业新的 经济增长点。必须承认家用地毯在中国的发展，会有一个相当长的阶段。但随 着经济的进一步发展，居民收入的不断提高，以及生活方式和观念的逐步改变， 多功能的家用地毯将会被越来越广泛地使用。相信在未来的中国一定是世界上 消费地毯最大的国家。各地毯生产厂家也将以家用市场为重点，围绕家用市场 开发新型产品i 。 1 1 2 课题提出的目的以及意义 随着经济全球化的发展，地毯产业也将朝着一体化方向发展，产业竞争将会 越来越激烈。目前先进的簇绒地毯技术我国还没有掌握，先进生产设备依然依 赖国外进口，这对严重阻碍了我国地毯产业的发展。国内许多企业己经开始意 识到问题的严重性，越来越多的要求国产化，许多企业投入大量人力、物力来 研究国外地毯簇绒技术，从而形成自己知识体系。 改革开放3 0 年以来，我国工业现代化水平的快速发展，国内的机械制造水 平也有了很大的提高，通过技术改造一些适合生产要求的设备部件也能被许多 企业制造。但是，电子技术、计算机技术等一些先进的技术并不像机械技术那 武汉理工大学硕士学位论文 样在这些企业中那么普及，特别单片机、a r m 、p l c 等嵌入式技术这些企业还 相当欠缺。因此，在机械设备基础上设计出能够和国外相竞争的电子控制系统， 成为这些企业首先要解决的难题，这些问题解决不好也直接影响了生产的簇绒 就的技术水平。由于国内簇绒技术发展晚，技术积累浅，资金投入少的问题， 一些企业一直停留在研究一些小型机上，大型的宽幅地毯簇绒机基本还是依赖 进口。 为了生产高档次的簇绒地毯，国内的地毯生产厂家都还是花高价从国外引进 先进的簇绒生产设备。但是，大型宽幅簇绒机每台都需要几十万元，有的甚至 达到几百万，最困难的是后期维修需要外国的专业人士，维修代价昂贵，这严 重的加大了地毯生产厂家的生产成本，降低了国内产品的国际竞争力。簇绒机 的自主生产不仅可以降低设备成本，后期维护起来更加方便，而且为以后的规 模化生产打下良好的基础。正是出于这种目的考虑，上海一家地毯生产公司委 托自主开发电子控制系统，通过该系统的设计，国内地毯生产企业所面临的生 产成本代价高的紧迫问题将得到解决，同时提升我国的簇绒地毯装备技术。 为了迎接2 0 1 0 上海世博会，上海一家地毯设计公司准备基于已有的技术以 及设备生产出一种高质量的地毯，在上海世博会上崭露头角，开拓更广阔的海 外市场。本论文就是基于对织机控制系统的研究以及设计的项目之上。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外簇绒地毯技术研究现状 国外的簇绒地毯机技术主要掌握在美国的t u f l c o 公司、美国的c m c 公司、 英国的c o b b l e 公司、日本的山口产业株式会社手中，而在技术上又各有所长【御。 t u f i c o 公司是美国地毯技术的主要提供商，从上世纪6 0 年代就不断地推出 新的簇绒地毯生产技术。t u f l c o 公司的分列排列辊提花附件，这样可以允许簇绒 机操作人员在地上就可以操作每一只辊，它的全幅宽控制喂纱提花附件的每一 根纱线都可由一个独立的附件控制，可以实现数层绒头高度、伺服控制以及图 案的不重复。该公司的簇绒机的高速驱动机构通过动平衡试验，使用良好的供 油润滑系统，保证机器在高速运转过程中能充分滑润。在控制上，t u f l c o 公司采 用基于w i n d o w s 9 5 操作系统的地毯控制及设计软件，现场的故障进行检测可以 通过网络实现。 2 武汉理工大学硕士学位论文 c m c 公司发展多种提花技术，是美国仅次于t u f t c o 的簇绒机生产企业。簇 绒机主机的主轴和驱动之间采用同步带传送，机架采用的是和t u f t c o 公司相同 的整体铸造方法。该公司拥有独有的专利技术s m a r t s t c p 伺服针床移动技术，该 技术使得针床结构非常紧凑。在控制上，该公司为了增加了该公司的簇绒机竞 争力，采用了荷兰耐德格拉菲克的设计软件，该软件适合于各种图案的设计。 c o b b l e 公司产品比较齐全，是英国的传统簇绒机制造商。c o b b l e 公司的采 用电子凸轮移动技术，它是一种程序化的电子伺服系统，较复杂的图案也可以 使用其生产。c o b b l e 公司所特有的成圈- i c i 平割平圈附件，能够单独控制 每一个钩子。该公司的簇绒机均以s t 9 1 为基础，具有高速、稳定、灵活的特点， 整体铸造技术在机架设计中得到采用。c o b b l e 公司拥有专利c o l o n e c h 技术， 这是一种独特的控制技术，以已有的割绒机为基础，可以织出少于6 种颜色的 地毯图案。在控制上，c o b b l e 公司采用比利时t e c o s 公司的m i r a 软件，客户 可以按照自己的具体要求进行相应的设计。 日本山口产业株式会社虽然起步晚，但是发展速度非常快，是亚洲新发展起 来的簇绒机制造企业。该公司拥有独特的平割平圈技术，全幅宽任意变化的圈 绒割绒相结合的图案也可以使用仅带平割平圈附件的机器织出。在控制上，山 口产业株式会社采用基于w i n d o w s 操作系统的纺织设计及控制软件系统“h i t c x c y b c rp a i n t ，能适合不同类型的机器。 这些大型的国际巨头正引领着国际地毯簇绒技术的发展，越来越先进的技术 正在被他们发明使用。他们不断的追求更快速、更精确、更美观的精神正使簇 绒地毯技术向着生产速度快、控制精度高、图案花样多样化的方向发展。 1 2 2 国内簇绒地毯技术研究现状 簇绒地毯在美国实现商业化生产是在2 0 世纪4 0 年代，而在我国真正实现规 模化生产也是在2 0 世纪8 0 年代初才开始，但随着我国的改革开放和人民生活水 平的不断提高，人们对居住的条件和环境的要求越来越高。地毯作为室内铺装 的重要组成部分，逐渐走进人们的生活。尽管簇绒地毯在我国有很大的市场， 但我国还没有形成自己的簇绒地毯技术，世界地毯设备制造的主导簇绒地毯技 术仍然被国际少数的一些公司掌握剖引。 国内早期的簇绒机大多数是从国外引进的，这些设备主要是一些国外先进的 地毯生产厂商淘汰的设备，而且主要的技术以及生产线都被国外公司掌握，对 3 武汉理工大学硕士学位论文 我国地毯簇绒技术发展没有起到重要作用。在引进国外设备同时，许多地毯厂 家结合自己的情况对簇绒机进行了许多改造，促进了簇绒地毯技术在我国的发 展。郑州华德地毯厂在旧机器上开发出许多新功能，创造了较好的经济效益， 同时也使自己不断壮大起来。 随着我国工业技术和生产水平的快速发展，国内出现了一些专门的簇绒机生 产厂商，当前，比较著名的几家国内公司有梦都美地毯有限公司、天龙地毯机 械有限公司和特思特机械有限公司。一些大学根据地毯生产商的要求也参与到 了高档地毯生产设备研制中，例如东华大学研制的d h t - 2 0 0 。由于我国这方面的 技术积累少，起步比较晚、投入资金有限，要想形成大规模的生产在我国还需 要一定时间发展，当前，这些公司几乎都还停留在小型机的生产商，大型的宽 幅簇绒机大部分上还是依赖国外进口。所以以目前的状况来看，我国的地毯簇 绒机制作技术水平还是比较落后的，其中控制系统的设计是大多数生产厂商面 临的技术问题。 1 3 本文研究内容 本课题在接到某公司的设备需求后，对机械部分和现有设备进行了研究，然 后按照要求设计多绒高簇绒机控制系统，本文正是基于该系统设计，主要内容 有： 1 ) 第二章将对机械部分进行简单介绍，为系统选择通信总线，明确总体功 能要求，提出系统总体设计方案，制定总线应用层通信协议； 2 ) 第三章将介绍系统中各板卡硬件设计，包括驱动板、采集板以及适配卡 的各部分电路设计。 3 ) 第四章首先对图形信息与步进电机速度转化过程进行说明，然后详细介 绍各部分软件设计，包括驱动板、采集板软件工作流程，p c i a 蝌适配 卡的w d m 驱动、s d k 以及测试程序设计，详细介绍上位机监控软件的 开发。 4 ) 第五章对系统调试情况以及调试中出现的问题进行说明，并对支撑系统 商业化使用而开发的两款辅助软件进行简单介绍。 5 ) 第六章对系统开发的成果进行总结，提出下一步需要做的工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章步进电机控制系统总体设计 本章在研究系统机械部分和明确功能需求基础上提出系统总体方案设计，明 确系统各部分功能分工以及各部分信息交互过程，制定系统总线应用层通信协 议，为后续软硬件设计提供依据。 2 1 织机工作原理概述 本课题的研究对象是一台已经安装机械部分的宽幅簇绒机，主要任务是设计 控制部分，并不需要对机械部分进行详细的研究，但是为了明确控制系统的功 能需求还是要对机械部分的做一定的掌握，特别需要明确的是一次动作的过程 以及引起的其他动作和辅助动作【4 】。本系统机械部分原理如图2 - 1 所示。 图2 1 簇绒机工作原理图 1 针床2 压脚3 勾刀4 底布5 托板6 拉线轴7 送线轴8 输纱管 整个机器的动力源是一个大型的三相电机，它带动主轴运转，而机床其他部 分的动力都是从主轴上取得。主轴每运转一圈，针床1 会扎下取回完成一针的 编织。压脚2 是不需要从主轴驱动力的，他由底布4 带动，底布每针会被向右 运行一定的距离。一般每台机床有两个拉线轴6 ，奇偶数针列各一个，他负责把 5 武汉理工大学硕士学位论文 奇数列或偶数列的所有纱线从输纱管拉过来，具体的速度由步进电机控制，虽 然很多不同速度的纱线都从拉线轴6 上通过，由于他经过特殊的设计，他以比 通过它的纱线还快的速度运行，纱线如果送的不够快就会在齿轮间滑行，他只 是起到拉线的作用，当然他的速度也不能比通过它的纱线太大，这样还是会把 纱线拉断。送线轴7 从纱线圈上拉线，他的速度由步进电机控制，他送的纱线 长短决定了这一针的绒高，当针床带着纱线扎到底布一下，勾刀3 会把纱线勾 住，当针床取回时带动纱线，当力度到一定时纱线就从勾刀上拉起脱离勾刀， 这样就形成了绒高，所以绒高直接由送线轴所送的纱线长短决定。 通过对机械部分的了解，首先要抓住控制的对象是送线轴7 ，它由步进电机 提供动力，还有拉纱轴6 ，他的速度也由功率更大的步进电机控制。主轴每运转 一圈做一次动作，这些控制对象也需要按照一定要求完成一次动作，其他的到 底勾刀3 怎么把纱线勾住然后脱开，以及底布的运行不是所我们关心的。 2 2 通信总线方案选择 目前，在我国工业现场应用的总线中，r s - 4 8 5 异步通信总线仍然广泛被应 用，该公司机器以往都采用的是这种总线结构的控制方式。r s 4 8 5 的理论最长 传输距离是1 2 0 0 米，但在实际应用中不可能到达，具体能传多远要看环境的恶 劣程度，不过传输过程中可以最多增加八个中继。由于r s - 4 8 5 总线上只能有一 个主机，所以他只应用在集中控制单元与分散控制单元之间。r s 4 8 5 总线数据 通信方式采用命令式，从节点必须收到主节点的命令才能响应，所以一些重要 的信息不能及时上传，从而导致系统得灵活性差、实时性差。而且r s 4 8 5 的总 线的效率低下、通讯的可靠性差、后期维护成本代价高、网络工程调试复杂。 所以我们需要寻求一种更好的、更彻底的解决方案，而c a n 总线有着r s - 4 8 5 总线无与伦比的优点。 c a n 通信采用事件触发式，c a n h 只有高电平或者悬浮两种状态，c a n l 只有低电平和悬浮两种状态。这就保证在系统出错时，多节点同时发送数据， 总线出现短路，从而损坏某些节点。而且c a n 节点在出现严重错误时能够自动 关闭输出，从而保重其他节点不受影响，这样保证了当网络中个别节点出现问 题不会导致总线处于“死锁状态。并且，c a n 总线具备完善的通信协议，可 由专门的c a n 控制器芯片和接口芯片来实现，已有多家公司开发生产了符合 c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的8 2 5 2 7 、m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 6 武汉理工大学硕士学位论文 以及p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等，这样大大缩短了开发周期， 同时也降低了开发 难度，这也是只有电器协议的r s 4 8 5 总线不能具备的。c a n 总线能在恶劣的环 境下，具备瞬间抗干扰的能力，有较强的检错能力。c a n 总线不要求改变所有 的节点以及应用层的软硬件就可以接入节点。c a n 总线与一般的的工业总线相 比，具备突出的实时、可靠的性能。c a n 总线主要用于各种过程监测及控制， 其的物理特性和网络协议特性更强调工业自动化的底层监控【7 9 1 。 c a n 总线在实时性、易用性、可靠性、通信能力、灵活性、传输距离、成 本等方面与r s 4 8 5 以及其他现场总线有着明显的优势，已成为当前最有前途的 现场总线之一，所以我们选择了c a n 作为本系统的通信总线。 2 3 系统总体功能要求 本课题实际应用是控制簇绒机机床上一系列步进电机，运行环境是对电信号 干扰严重地毯生产车间，系统设计不仅要满足到达提高产品质量，还要保证系 统可靠安全运行，能够长时间运行。另外由于系统的操作基本有没有专业经验 的工人完成，所以要求系统的操作要简便易用。系统设计要求如下： 1 ) 该系统要实现对簇绒机床所有步进电机进行有效运动控制。系统设计要 考虑系统的可扩展性，可以根据实际的需要进行步进电机数的增减，可以增加 系统绒高数量，而不影响整个系统的稳定性。 2 ) 系统应满足高度的实时性和可靠性要求，所有控制命令以及系统运行状 态信息必须及时、准确、完整的在各执行单元间交互传递。当上位机发送控制 命令后，下位机必须正确运行并返回；步进电机以及主轴运行的状态信息也要 及时正确地反馈给上位机。 3 ) 要设计合理的硬件结构，设计重点是所有c a n 通信节点。硬件设计要考 虑工厂环境下使用的强干扰。系统需要控制的步进电机多，合理的设计硬件减 少硬件板卡数量，降低硬件成本。 4 ) 在软件设计上，要使用高效的编程语言，采用模块化、面向对象、分层 设计的思想i l o l 。对系统上的c a n 节点以及c a n 适配卡进行程序编写。充分利 用软件工程的方法对c a n 总线通信所涉及的功能模块和步迸电机控制模块进行 程序设计，使程序结构清晰、简洁，形成固有的软件模块，方便以后软件移植 及应用。其中，必须要充分考虑所采用的芯片的编程要求以及编程环境，符合 相关的规范。 7 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 制定c a n 总线应用层协议。c a n 通信协议只制定了物理层和数据链路 层，需要根据具体的需求制定应用层协议才能可靠完成数据传输。必须在考虑 需求基础上充分利用c a n 总线以及控制芯片的资源制定，到达控制命令以及状 态信息的及时、准确、完整的传送。 6 ) 系统设计充分考虑以后升级需要，硬件上系统升级后可以重复使用，软 件上尽量设计灵活，能够进行简单的地毯花形编辑以及根据机械构造的不同可 以随意调整参数。 2 4 系统总体方案设计 绒高数量和宽幅是衡量地毯簇绒机档次的主要指标，为了突破以往采用离合 器提纱簇绒机绒高数量的限制，采用步进电机提纱，而步进电机速度控制完全 由地毯花型图形信息决定，而以往是用“o 和“1 代表离合器的开合，绒高 只有两种，上位机只用一个数据表来控制，不存在绒高的编辑。由于系统的控 制电机数量多，下位机数量也不是以往的只有一个，需要控制多达2 8 8 路步进 电机，而且他们速度彼此不同，同时下位机还需要实时采集主轴运行信息，用 只有一个微控制器是不可能完成的，所以下位机将需要多块驱动板控制步进电 机和一块采集板采集主轴信息。分布式控制系统的高可靠性、开放性、灵活性、 协调性特点完全满足了系统总体功能要求，所以我们设计了基于图形信息的分 布式步进电机控制系统来完成簇绒机系统控制。系统总体结构图如图2 2 所示： i 上位机i 旋转编码器l l 垫垄茎叁i 。】 。1 f一广 p c i - c a n 适配卡 采集板 1 j 【 儿 一一cn盛镜 一 ) 步进电机驱动板 i 1 步进电机驱动板 扯曳豇i 1 o o o，io步臣 图2 - 2 系统总体结构图 8 武汉理工大学硕士学位论文 根据上面总体介绍可以确定系统构成：工控机作为控制中心、一个编码器获 取主轴基速度、一个接近开关用来控制速度的调换、步进电机驱动。所有这些 模块都需要挂接在c a n 总线上，工控机和c a n 总线间需要一个总线适配卡。 2 4 1 上位机功能 上位机作为系统监控中心，主要功能体现在系统启动阶段的控制和运行期间 的监视上。在系统运行前可以导入需要的花型图形并能进行图形信息编辑，花 型图形信息是控制步进电机运行重要参数，在启动阶段需要正确下载到相应驱 动板。操作人员可以通过上位机软件在任何情况下复位系统，在系统运行阶段， 上位机要求能够监视系统运行情况。上位机是运行在w i n d o w s 下的工控机，软 件设计可以充分利用其丰富的资源完成一些辅助功能，从而方便生产。例如， 可以完成产量信息统计、日志信息记录等。 2 4 2 下位机功能 1 ) 步进电机驱动板 为了充分利用硬件资源，减少硬件成本，每个步进电机驱动板卡驱动8 路步 进电机。负责电机速度参数的存储以及电机驱动脉冲信号输出。 步进电机驱动板卡存储1 6 种颜色每种颜色对应的速度，存储位图上对应每 个电机速度的列，每当主轴运转一圈也就是红外开关发送一个信号时，用下一 个颜色值对应的速度驱动步进电机。当步进电机把一列图片的颜色值对应的速 度运行完毕后，又从第一行开始运行，重复运行。每个系统存在一到两个特殊 步进电机，其作用是拉奇数或者偶数所有纱线，速度取奇数或者偶数步进电机 最大速度的1 2 倍，所以上位机需要在特殊位置步进电机驱动控制板卡图片下载 时做特殊处理，他的速度在图片上没有单独的一列对应，下载时找出最大速度 然后1 2 倍再下载到特殊位置驱动控制卡。 2 ) 采集板 采集板接收旋转编码器脉冲信号和接近开关信号，从而获得主轴运转的信 息。系统运行期间系统步进电机完全根据主轴运行情况而运行。 基速度由旋转编码器测主轴而得，编码器测定的基速度实际为脉冲数，此基 速度实时更新，更新采样时间间隔尽可能短，要求小于0 1 s 。获得主轴速度并 实时的向c a n 总线上发送，上位机需要此速度显示当前主轴运行情况，而步进 9 武汉理工大学硕士学位论文 电机驱动板需要用此速度值与速度比例信息得到步进电机速度。红外开关在主 轴每运行一圈时发送一个中断信号给采集板，采集板然后发送一个步进电机更 换速度的命令到c a n 总线。 2 5 系统通信方案设计 2 5 1 系统信息交互 系统包括上下位机，而下位机又有驱动板和采集板组成，根据三部分功能设 计，系统一次运行他们之间的信息传递如图2 3 所裂体1 5 1 。 图2 3 系统信息交互图 上位机发送自检命令检测驱动板，同时复位系统，在任何时候都可以发送命 令到达复位系统目的，通过驱动板的返回可以确定系统是否存在故障以及出现 故障的板号。上位机把1 6 种绒高转换为步进电机的角位移后下载到驱动板。在 下载图片之前需要把图片高度下载到每个驱动板，电机用此作为运行循环的长 度。由于每个电机对应的图片信息比较多，为了防止丢帧情况而影响系统运行 没下载完一列图片驱动板给一个返回，如果不成功需要会重复下载一次。所有 数据下载完成，主轴可以开启，而采集板把主轴运行情况的两个数据发送到c a n 总线，驱动板根据主轴运行情况驱动步进电机运行，而上位机接收主轴运行信 息监视系统运行情况。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 2 通信协议设计 在c a n 2 0 a b 规范中只定义了o s i 模型的物理层和数据链路层，并没有规 定应用层，所以要组建一个具有实际意义的c a n 总线的通信网络时，必须自己 定义具体的应用层协议1 1 6 - 2 0 i 。 在制定协议前需要对系统实际需求进行分析，从而到达制定实际有效的应用 层协议。为了考虑系统后续扩展需要，系统采用p e l i c a n 模式扩展帧个c a n 节 点间传输数据。p e l i c a n 模式标识符由i d o i d 2 8 组成。系统主要的信息传输单 元在上章信息交互图很容易得到：上位机、步进电机驱动板、采集板，系统主 要的c a n 节点是步进电机驱动板。用l d 8 i d 2 8 表示这些c a n 节点间的信息 传递方向，其中采集板向外发出的主轴速度以及接近开关信息亦由m 8 i d 2 8 ， 而i d o i d 7 表示步进电机驱动板的i d ，在系统中会为每一个步进电机驱动板分 配一个d 地址。具体的信息格式如下： 1 ) 上位机发送上电自检命令检查所有驱动板的故障情况，系统开始工作之 前工作人员使用此命令可以检查系统是否出现故障，甚至直接通过返回情况找 出出现故障的板卡，上电自检命令格式如表2 1 所示。 表2 - 1 上电自检命令协议 i d 数据0 7 0 x 1 5 0 1 0 1 0 0p o w e r 0 o0 驱动板收到自检命令向上位机发送一个返回信息，上位机根据是否收到返回 确定系统是否正常，自检返回命令格式如表2 2 所示。 表2 - 2 自检返回命令协议 i d 数据0 7 o x l 5 0 1 0 1 x x返回信息oooooo0 x x 表示板卡i d 返回信息：a a ? 代表成功；b b 代表失败 2 ) 自检成功后可以进行数据下载了，首先现在的是1 6 种绒高转换为步进电 机角位移的值，1 6 个绒高对应的是图片的1 6 基色，运行时通过图片的像素颜色 值选择改点的绒高值，上位机向驱动板发送绒高数据协议如表2 3 所示。 表2 - 3 绒高数据下载协议 i dd a t a 0d a t a 1d a t a 2 d a t a 5d a t a 6d a t a 7 0 x 0 5 0 6 0 6 0 0 总帧数当前帧速度信息 0 o 1 1 武汉理： 大学硕士学位论文 一个绒高值转换为步进电机角位移后用四字节表示，代表主轴转一圈步进电 机转的圈数，该值是一个浮点数，在上位机端用一个联合数据结构 s p e e d _ d a t a _ i n f o 把浮点型数据转换为四字节整数填入该帧的2 5 字节，驱 动板再用该联合数据结构把四字节整数转换为浮点型速度值。 s p e e dd a t ai n f o 联合结构定义： t y p e d e fu n i o n _ s p e e d _ d a t a _ i n f o f l o a tf c i r c l e n u m ； b y t e b y c i r c l e n u m 4 ； s p e e dd a t a _ i n f o , * p s p e e d _ d a t a _ i n f o ： 系统启动时要求必须进行自检，所以当自检通过后，由于采用了可靠的c a n 总线作为通信总线，对于小数据量的信息发送没有设计返回协议，所以绒高信 息的下载没有返回。 3 ) 在下载位图数据之前，根据上节系统间信息交互的介绍，上位机需要先 把位图高度下载到驱动板。位图高度下载协议如表2 - 4 所示。图片高度一般在 5 0 5 0 0 之间，两个字节表示，高位在前。 表2 4 位图高度下载 i dd a t a 0 d a t a 1 d a t a 2 d a t a 7 0 x 0 5 0 0 d 0 0 0位图高度5 0 5 0 00 4 ) 地毯花型信息数据量大，如果下载过程出现丢失或者错误会对整个系统 运行造成重大影响，虽然采用了可靠的c a n 总线传输，但是为了使丢失或者错 误概率降低最低，成功发送一列数据驱动板给上位机一个返回。发送位图数据 信息帧格式如表2 5 所示： 表2 5 位图信息下载协议 i d0 1234567 o x l 0 0 b o b x x 位置信息 xx x xxx xxxx xx x x - 步进电机 b i t l 5 b i t l 2 ：电机号x ：一个点的位图颜色值 驱动卡db i t l l b i t 6 ：总帧数 b 的b i t 0 ：当前帧数 上表中每帧可以发送1 2 个点的位图颜色值，总帧数是一列需要多少帧发送 完毕，步进电机驱动卡计算接收到的总帧数是否等于发送的总帧数，从而判断 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 数据是否丢失，然后向上位机发送一个返回信息，上位机每发送完一个电机的 位图信息就会等待返回。步进电机驱动卡返回信息帧格式如表2 - 6 所示： 表2 - 6 位图信息下载返回协议 i d 数据0 7 o x l 0 8 b o b x x电机号返回信息0oo00o x x 表示板卡i d返回信息：删代表成功；b b 代表失败 5 ) 主轴速度是采集板通过采集旋转编码器脉冲得到，间隔一定时间向总线 发送一次主轴速度信息，发送主轴速度帧格式如表2 7 所示： 表2 7 主轴速度发送协议 l dd a t a 0 d a t a 3d a t a 4 d a t a 7 0 x 0 5 0 1 0 1 0 0速度信息o 速度信息也是一个浮点型数据，在发送时用四字节表示，发送和接收端亦用 联合数据结构s p e e d _ d a t a _ i n f o ，进行转换。 6 ) 接近开关信息在主轴旋转一圈时由采集板获取外部中断并向总线发送， 采集板发送接近开关信息帧格式如表2 8 所示： 表2 8 接近开关信息发送协议 i dd a t a 0 d a t a 7 0 x o a 0 8 0 8 0 00 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 本章工作主要围绕控制系统硬件设计展开，重点阐述了驱动板、采集板以及 p c i c a n 适配卡各硬件电路设计。根据各板卡的功能分工完成各个部分的硬件 设计，主要介绍了三个模块的控制器电路、电源电路、c a n 通信电路以及其他 的功能电路设计，其中三个板卡的部分电路相同，比如驱动板和采集板的c a n 通信接口电路，相同部分当然不再重复介绍。 3 1 驱动板硬件设计 驱动板在系统总体设计阶段的功能分工中要求它完成的功能有：在系统启动 前接收上位机发送的步进电机速度控制信息，主要是地毯花型信息以及绒高信 息，并存储这些信息以备在系统运行期间使用，在系统运行期间接收采集模块 的主轴速度信息和速度调换信息。硬件设计在能够完成要求情况下力求最简化， 能够用软件实现的就尽量用软件实现。 驱动板以微控制器为核心，实现控制信息的接收处理和输出，驱动板主要由 微控制器、c a n 通信电路、电源电路、时钟电路以及其他的外围电路组成。驱 动板硬件电路结构框图如图3 - 1 所示： 图3 - 1 驱动模块硬件结构图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 1 微控制器电路 本系统中驱动板和采集板的微控制器电路采用相同的m c 9 s 0 8 d z 6 0 单片机 最小系统【1 9 埘l ，最小系统包括时钟电路、复位电路、调试电路、电源电路和工 作指示电路。具体的电路原理图可以参见附录a 。 1 ) 微控制器选择 飞思卡尔公司的m c 9 s 0 8 d z 6 0 单片机内部集成了c a n 的微控制器，并将其 与内部集成的片上仿真调试模块和e p r o m 组合在一起，形成了丰富灵活的功 能，设计人员可以方便的转向设计流程的开发，缩短了开发周期。 m c 9 s 0 8 d z 6 0 片内带6 0 k b 整个工作电压和温度范围内可读取编秘擦除 的f l a s h 存储器；最大2 k 的e e p r o m 在线可编程内存：支持8 字节单页或4 字 节双页擦除分区；执行f l a s h 程序的同时可进行编程和擦除操作；支持擦除取 消操作；最大4 k 的随机存取内存( r a m ) 。丰富的片内存储在不必扩展