（通信与信息系统专业论文）电子提花机控制系统嵌入式设计.pdf

海大学坝l 学位论文 摘要 电子提花机是纺织设备的一种，它采用最新的电子、通讯和计算机技术实现对提花 龙头( 磁铁执行机构) 的控制，和传统的采用纹板控制的机械式提花机相比具有操作方 便、可靠性高、生产成本低的特点，在国内外均是热门的研究和发展方向。 本课题是与国内某公司合作进行，研发高速智能电子提花机的项目的组成部分。本 项目已用工控机在w i n d o w s 操作系统下初步开发成功，并己实际运行。但离产业化的 要求还有一段距离。原因有：一是成本过高；二是w i n d o w s 操作系统不适合实时工业 控制，而且经常会出现非正常关机引起的问题，因此本文提出了基于嵌入式的电子提花 机控制系统设计方案。 本文主要介绍了课题相关的设计研究和实际开发工作，主要内容包括以下几个方 面： 1 分析了目前国内外电子提花机的现状和发展趋势，比较了目前应用较普遍的电 子提花机的特点及性能，提出了课题的最终目标是设计基于嵌入式的电子提花机控制系 统。 2 比较详细的论述了基于工控机的电子提花机控制系统设计方案的程序设计，介 绍了相关硬件设计。 3 提出了基于嵌入式的电子提花机控制系统设计方案，主要论述了系统应用程序 从w i n d o w s 系统下到嵌入式系统下的移植以及相关驱动程序的设计。 4 给出了两种设计方案的一些运行和调试的结果。 关键词：电子提花机控制系统，嵌入式系统，a r m $ 3 c 2 4 1 0 处理器，嵌入式l i n u x v 海人学f i ! if ：学位论史 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cj a c q u a r dl o o mi so n ek i n do f t e x t i l ee q u i p m e n t ，i tu s e st h en e w e s te l e c t r o n ， c o m m u n i c a t i o na n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ef a u c e t ( m a g n e ti m p l e m e n t i n g a g e n c y ) i th a st h ea d v a n t a g eo f m o r ec o n v e n i e n t l yo p e r a t i o n ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dl o w e rc o s t w h e nc o m p a r e dw i t ht h ec a r dc o n t r o lm e c h a n i c a lj a c q u a r d i ti st h ep o p u l a rr e s e a r c ha n dt h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nd o m e s t i ca n df o r e i g n i nt h ep r e v i o u st i m e ，w eh a v ec o m p l e t e dt h e j a c q u a r dd e s i g no nt h ep l a t f o r mo f i n d u s t r i a l p ca n dw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m b u ti tc a n n o tb ei n d u s t r i a l i z e df o r2r e a s o n s ：1 5 t h ec o s t i ss oh i g hw h i c hi sn o te s s e n t i a l ；2 ”w i n d o w sk e m e lw h i c hi sc o n c e a l e d ，i sn o ts u i t a b l ef o r t h er e a l - t i m ei n d u s t r yc o n t r o la n da l s ol e a dt os h u t d o w na b n o r m a l l ys o m e t i m e t h e r e f o r e t h i sp a p e rg a v et h ed e s i g n p r o p o s a lo fe m b e d d e de l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ri sa b o u tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ko nt h ee m b e d d e de l e c t r o n i cj a c q u a r d c o n t r o ls y s t e m ，i ti sc o n s i s t e do f t h ef o l l o w i n gp a n s ： 1 t h ea u t h o ra n a l y s i st h es t a t u sa n dt r e n do ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i c j a c q u a r d ，c o m p a r e ss e v e r a lc u r r e n te l e c t m n i cj a c q u a r d s c h a r a c t e r i s t i c ，a n dg a v et h eu l t i m a t e o b j e c t i v ew h i c hi st od e s i g nt h ee m b e d d e de l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m 2 t h i sp a p e rg a v et h ed e t a i lo fe l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r ed e s i g n ， w h i c hi sb a s e do np cp l a t f o r m ，i n t r o d u c e dt h ed e s i g no f r e l a t e dh a r d w a r e 3 t og i v et h ed e s i g no f e m b e d d e de l e c t r o n i c j a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m ，m a i n l ye l a b o r a t e d t h et r a n s p l a n to fa p p l i c a t i o np r o g r a m sf r o mw i n d o w ss y s t e mt oe m b e d d e ds y s t e m ，a sw e l la s t h er e l a t e dd r i v e rd e s i g n 4 t h i sp a p e rh a sg a v et h er u u n i n ga n dd e b u g g i n gr e s u l to f t h et w op r o p o s a l k e y w o r d s ：c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i cj a c q u a r d ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m $ 3 c 2 4 1 0 p r o c e s s o r ，e m b e d d e dl i n u x v 原创性声明 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。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发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他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：芝鱼丝 日期： 笙! ：! ：坦 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至且导师签名：互乓乡绰日期：j 衅 海人学倾f 学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 1 1 1 电子提花机系统介绍 提花织物的生产从纯手工到机械提花机，发展到今天的电子提花机2 】【3 1 ，经历了 个漫长曲折的过程。电子提花机开口融合了现代微电子技术和电磁、光电技术，在纺织 c a d 系统和新型机械机构的配合下，实现了高速无纹板提花，大大提高了劳动生产率 和产品质量。其中的电子提花机控制系统部分的设计方案以通用微型机或工控机作为控 制主体，用磁盘文件、网络文件等形式的数据来源以适应不同织造环境要求，研制相应 的接口电路读取提花信息和产生时序信号，并把提花信息驱动后发送至提花龙头，实施 提花控制。该控制系统的框图】如图l 一1 所示。 多种故 障采集 图1 - 1 通用电于提花机控制系统框图 国际上对电子提花丌口机构5 】的研究始于二战后，到了7 0 年代，由于大规模集成 电路及电子计算机的应用与发展，电子提花机的研究取得了重大进展。1 9 8 3 年，第一台 电子提花机在米兰纺织机械展览会 二作为样机展出，此后许多提花机制造商把它列入 自己的发展规划，可以说从8 0 年代丌始，纺机行业不断创新，发展势头很好。电子提花 机与其它机械控制提花机相比，在花样控制方面具有创造性的变革，不同的电子提花机 j f 壬人学“6 1j 学位论文 虽有不同的结构，但从原理方面分析，不外乎由以下几部分组成。 夺电子程控装最：r e 确发出提综f 5 】信息，可带有键盘、显示、打印等功能； 夺电信号与机械量的转换机构：一般采用电磁铁，将程控装置发出的提综信息转 换成机械位移量来实现机械控制。 1 1 2 国内外发展状况 目前国际市场上电子提花机扮演的角色愈来愈重要，在这个领域唱主角的三家公司 是：瑞士s t a u e b l i 公司，英国b o n a s 公司和德国g r o s s e 公司。为配合高速织造工 艺和满足对复杂花形的需要，他们各自设计出独特全新的机型。意大利b o b b i o 公司生 产的k r o m a 5 型机械提花机在国际市场上也有一定的地位，它将机械设计的最新发展 技术及今后的展望均包罗于此高性能的提花机型中。 我国虽然早在1 2 世纪初就有织造大型花纹织物的大型拉花机，但提花机的发展研 制速度却远远落后于国外先进水平。为了研制开发适合我国纺织市场需求、且能达到国 外先进水平的国产提花装置，首先必须对国外先进技术有一全面的了解，从而才能通过技 术引进、转化和创新研制国内新型提花机。下面分别就其基本原理对以上几家公司的产 品做一简要分析。 ( 1 ) s t a u e b l i 公司较先进的高速电子提花机是c x 8 6 0 型，适用于片梭织机及剑杆 织机，属复动式提花机，采用固定式电磁铁控制棘爪进行选挂竖钩。弹簧复位， 提刀的运动由共轭凸轮控制，通过对共轭凸轮与提刀箱之间连杆的调节，可得 到平行丌口或v 型梭口开1 3 ，弹性体回综吼 ( 2 ) 英国b o n a s 公司于1 9 8 3 年首创世界第一台商标用电子提花机，随即在1 9 8 7 年又推出阔幅电子提花机，其独特的积极性选择原理( 英国b o n a s 专利) ，自 1 9 8 3 年就一直以每分钟超过1 0 0 0 梭的速度运行，其中心是电磁阀电子板，每 个电磁阀( 或电磁件) 操纵两个灵活的富有弹性的钢质扁竖钩，而竖钩则通过 滑轮和绳子控制经纱，经纱的提升靠提刀来完成，有v 型梭口【7 】【】。 ( 3 ) 德国g r o s s 公司的e j p 型电子提花机属于复动式提花机，利用固定电磁铁直 接选杆，竖钩恢复弹簧作用，v 型梭1 3 ，弹性绳回综，有固定托针板。 海人学倒! l 学位论文 ( 4 ) 意大利b o b b i o 公司的提花机为复动式全清晰开口机，适应高速剑杆，片梭织机 提花织物的需求，为用户提供一种新颖的高速丌1 2 1 装置【8 】【。 目前，国内的提花机都属慢速，转速在3 0 0 r p m 以下。无论从质量还是效率上看， 都无法适应市场的需要。通过对上述国外电子提花机性能分析，可以看出高速电子提花 机的优点在于：一是车速高，可适应2 5 0 r p m 一8 5 0 r p m 的各种剑杆、片梭、喷水、喷气 等织物，可提高生产效率2 3 倍；二是采用独立花纹设计系统，集中控制车问现场电子 提花机的花纹组织的改变，且从历年来的国际纺织机械展览会上看，装有高速电子提花 机的样机几乎占所有织机的6 0 ，而我国在这领域尚属起步阶段。据预测，国内纺织用 户对高速电子提花机的需求，会以每年3 0 的速度增长，目前国内剑杆、喷气、喷水织 机已形成批量生产能力1 7 万台年。以保守预测配备高速电子提花机3 计，则应有5 0 0 台年的市场需求量。 1 2 课题提出的意义及论文主要内容 鉴于目前国内市场对高速电子提花机的需求以及国内研究尚处在起步阶段，将研究 方向放在高速电子提花机上，将有利于提高我国电子提花机的织造水平，满足市场的需 求。在先期的开发过程中，已经完成了基于工控p c 平台系统的电子提花机控制系统硬 件电路设计，软件程序设计工作。这一整套的系统已经可以进行正常的生产运作。但是 由于w i n d o w s 内核未知，经常出现非正常关机，并且考虑到成本因素我们提出了开发 基于嵌入式的电子提花机控制系统，这样更能满足产业化的需求。 论文的主要内容包括比较详细的论述了基于工控机的电子提花机控制系统程序设 计，介绍了相关硬件设计；提出了基于嵌入式的电子提花机控制系统设计方案，主要论 述了系统应用程序从w i n d o w s 系统下到嵌入式系统下的移植以及相关驱动程序的设计。 海人学硕l 。学位论史 第2 章电子提花机控制系统总体方案 2 1 电子提花机基本原理 电子提花机是机电一体化设备，如图2 1 所示 图2 1 电子提花d 【机电一体化系统图 被控对象是提花机的提针和织机，执行部件主要指安装在磁铁板上的电磁铁。驱动 部件主要指大底板，它的作用是把t t l 电平转换为适合于执行部件工作的电平。 控制主机接受各种指令输入，如花型数据、通过操作面板输入的操作命令等；然后 根据提花机工作原理处理这些指令，输出比如用于控制织机的各种动作时序信号等。 电子提花机是按双面提升开口形式工作，即对应的两组提刀在工作时一组提升，另 一组下降。整机的运动由织机通过万向节立轴输入提花机齿轮箱，齿轮箱从动轴通过同 步皮带输入前后凸轮轴，由凸轮轴驱动摇臂摆动，摇臂带动提刀上下运动。 当提刀下降到低位时，与提针凸面接触，把提针靠向电磁铁，如电磁铁激活，提针 为有效磁吸，如电磁铁不激活，通过回复弹簧力，把提针推至提刀口，随提刀一起上升， 拉动经纱开口。为适应不同织造生产工艺需要，可通过变换凸轮动程或改变联杆孔位置 进行开口行程的调整和微调。 花纹控制靠控制主机( 主控板) 实现，控制主机以磁铁板传感器的信号为依据，将花 样文件的数据以每次一纬形式，通过接口板传输到磁铁板。 磁铁板硬件原理如图2 2 所示 海人学顺l ：学位论文 a b l e 叫驱动部什驱动都t 4 - ffffffffffffff uu u u ： uq u l 卫 1 ￥ dd 3 2 r d 触发寄存器 ddnd 3 2 位d i n 发寄存器 i 【 1 u u uu uu uuuuduuu 3 2 位移位寄存器) 2 位移位寄存器l i 一： 磁铁板扳i磁铁板板 图2 2 磁铁板硬件原理图 这里以两块磁铁板为例说明，每一块磁铁板包含一个3 2 位移位寄存器和一个3 2 位 d 触发寄存器，每一位数据控制一个提针的运动。所以对于2 6 8 8 针的提花机，应该有 8 4 块磁铁板。 当e n a b l e 信号发生下降沿跳变时，控制主机通过磁铁板输出端口发送数据，数 据以串行位的形式依次发送到磁铁板的移位寄存器，当发送完花样文件的一纬数据后， 此时所有磁铁板3 2 位d 触发寄存器中已经存放好了数据，然后发一个l a t c h 锁存信 号，所有的数据就以并行的方式一次性送到磁铁板驱动部件，同时控制主机使e n a b l e 信号和磁铁通电信号m 变高电平，当数据为1 时，磁铁通电吸合提针，使得提刀无法 钩住提针向上提拉，那样经线没有被提起，被纬线压住；当数据为0 时则相反，磁铁不 通电，提针没有被吸合，提刀就可以拉起提针，从而提起经线，纬线将从经线的下面穿 过。这样在控制主机和磁铁板的控制下，织物上就形成了由花样文件所描绘的花纹图案。 根据磁铁板硬件原理得出送数时序如图2 3 所示 型! ! 竺ll j s c l k nn ， 图2 3 电子提花机的送数时序图 海 学坝i j 学位论文 其中，e n a b l e 为织机允许信号，在它的下降沿，控制主机即可向磁铁板送串行数 据数d a t a ，d a t a 的0 、1 数据都是在时钟的下降沿送出的，串行数据依次送到磁铁 扳的移位寄存器，当送完一纬数据的时候，还要送一锁存信号，在锁存信号的f 降沿， 移位寄存器的数据一次性送入磁铁板中。在送数的同时，我们还把移位寄存器的数据读 回到控制主机，把读回的数据和发送数据相比较，检查数据是否发送正确。 2 2 控制系统的两种设计方案 根据图2 一l ，电子提花机控制系统包括控制主机、驱动部件和执行机构，其中最核 心部分是控制主机。电子提花机控制系统的开发，是产品高度自动化、控制提花机和织 机协调配合，稳定运行的保障，它应具有如下主要功能： 1 支持电子提花机提针1 3 4 4 0 以内的6 4 任意倍数，支持织机密纬、空纬操作，并 支持织机选纬范围广、转速高 2 实时提花机控制，花纹的经纬数据传送；实时故障检测，显示检测错误信息。 选纬数1 6 种，支持密纬、空纬功能。具有出错报警保护，断电数据自动保存，电路 扳自检等功能。 3 控制机电一体化，操作简单直观方便，有触摸界面。具有工作单编辑功能，具 有花纹编辑功能，根据需要对花纹进行修改。具有文件管理功能。具有管理员设置功能， 该功能用于调试及整机维护，具有中英文双界面转换功能。 2 2 1 基于工控机系统设计方案 c c j b 电子提花机控制系统以工控机为核心，接收来自织机和磁铁执行机构的多个 状态信号，对织机和磁铁执行机构实行实时的控制，实质上是一个多输入、多输出的实 时自动控制系统，由于计算机擅长做复杂的数据处理和运算，而单片机更适合于对现场 的直接控制，一般的设计模式是计算机+ 单片机。但因为织机的状态数量多、情况复杂， 要求产生的控制信号和数据也很复杂，如果采用双c p u 方案，对单片机的要求大大提 高了，开发的代价将超出分工带来的好处。因此我们采用了图2 - 4 的方案。该方案把硬 件的资源降到了最低程度，同时也对软件系统设计提出了较高的要求。 辩凡学倾i 擘位论文 j 图2 4 基于工控机的c c j b 电子提花机控制系统框图 主控板通过i s a 总线和f p g a 板相连，其中f p g a 主要实现端口译码的作用，有关 f p g a 设计的一些情况会在后面介绍：d r v 驱动板主要起到电平转换作用；磁铁接口板 起到把串行信号转换成5 v 的平衡信号作用。主控板通过f p g a 译码实现对织机以及磁 铁板端口的访问。 主控板通过i s a 总线、f p g a 板、d r v 板、接口板，把由0 、1 点阵组成的花样文 件数据发到磁铁板上。当数据为l 时，磁铁通电吸合提针，使得提刀无法钩住提针向上 提拉，那样经线没有被提起，被纬线压住；当数据为0 时则相反，磁铁不通电，提针没 有被吸合，提刀就可以拉起提针，从而提起经线，纬线将从经线的下面穿过。这样在主 控板和磁铁板的控制下，织物上就形成了由花样文件所描绘的花纹图案。 主控板接收来自织机的快车、慢车、进纬、退纬等信号和磁铁板传感器的信号，根 据它们的逻辑组合将送数的时序与织机的运转同步；同时，在向磁铁板发出数据的同时， 还要检验磁铁板返回的数据是否_ i _ f 确，如果有错，就要向织机发停机命令。 基于工控机的电子提花机控制系统设计方案由于采用了比较成熟的工控机作为主 控制板，它已经提供了足够的硬件接口支持，所以我们不需要花费时间和精力丌发主控 板的硬件，缩短了整个系统的开发周期。但是这种方案也有缺点：一是成本过高，工控 机的标准配置并不是完全必要的；二是w i n d o w s 操作系统内核未知，不适合实时控制， 而且经常会出现非正常关机引起的问题。所以基于嵌入式的电子提花机控制系统设计是 一个很好选择，采用这种方案能有效的降低产业成本，并能满足实际工业控制特殊环境 的需要。 2 2 2 基于嵌入式系统设计方案 基于嵌入式的电子提花机控制系统和先前的设计方案相比，最大的区别就是主控板 的改变，原来的方案采用p c + w i n d o w s 模式，而嵌入式则采用了a r m + l i n u x 模式。由 于主机的改变也会使得接口板以及控制软件作出相应的改变，具体的区别我们会在以后 的论述中作出介绍。 在嵌入式的设计方案中，主控板硬件的最小系统要由我们自己实现，f p g a 同外围 硬件的连接方式和基于工控机设计方案是一样的。主控板最小系统硬件框图如图2 5 所 不： 图2 - 5 王控板硬件框图 处理器采用的是s m n s u n g 的a r m $ 3 c 2 4 1 0 ，1 6 m b y t e ss d r a m 芯片可配置成系统 随机存储区：2 m b y t e sf l a s h 芯片作为系统程序和数据存储区；外围u s bh o s t 通信接 口可把花样文件数据读入到数据存储区；u a r t 串口可用作调试接口；另外还有键盘以 及显示屏。 图中f p g a 起到了输入输出间接控制器的作用并建立了管理数据的通道，即从处理 器到外部接口的双向数据管道。这样运行在处理器上的程序就可以利用访问外部端口的 方式，来访问外部的硬件接口。 下面介绍一下s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器。 $ 3 c 2 4 1 0 是属于a r m 9 系列的低功耗的3 2 位r i s c 处理器，这一系列的处理器具 有如下特点： 夺能够提供指令处理三级流水线结构； 夺代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集； 夺对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等； 夺指令系统与a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代； a r m 9 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解 调器设备、移动电话等。 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器的主要特性包括： 夺a r m 9 2 0 t 嵌入式处理器内核，主频可达2 0 3 m h z ； 夺扩展总线最大频率1 0 0 m h z ； 夺3 2 位数据，2 7 位外部地址线： 夺完全静态设计( o 一2 0 3 m ) ； 夺存储控制器( 八个存储体) ：包含r a m ( s d r a m ) 控制器，n a n d 控制器 夺多达5 5 个中断源的中断控制器； 夺r t c ； 夺三个u a r t ； 夺四个d m a 通道；( 支持外设d m a ) 夺支持s t n 与t f t l c d 控制器： 夺两个u s b 口； 冷s d 卡接口； 在电子提花机控制系统嵌入式设计方案中之所以选择$ 3 c 2 4 1 0 处理器是因为一它 的主频很高，满足系统需求：二它有着丰富的i o 口；三它集成了诸如u s b 、l c d 等 控制器模块，便于外部设备的扩展。它还支持从n a n df l a s h 启动，系统采用n a n d f l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器的内部模块如图2 - 6 所示： 海人学坝l 学位论文 图2 6 $ 3 c 2 4 1 0 x 内部模块示意图 如图所示，芯片$ 3 c 2 4 1 0 内部除了处理器核( p r o c e s s o rc o r e ) ，还集成了l c d 控制器 模块、u s bh o s t 控制器模块、通用i o 口控制模块g p i o 等。 另外，我们把原来的工控机换成a r m 主控板以后，主机和f p g a 板之问d 的连接方 式必然会发生改变。原来的工控机通过i s a 总线和f p g a 相连，f p g a 对i s a 总线的地 址总线a 1 00 1 、读外部设备数据信息的读选通线i o r 、向外部设备发送信息或命令的写 选通线i o w 和地址允许线a e r l 进行译码，产生不同的使能信号对不同的外围硬件端口进 行操作。 悔人学坝f j 学位论文 在a r m 主机中，可以对其1 2 0 口功能模式进行设置，用通用1 2 0 口代替上述的i s a 地址总线，i o w 、i o r 、a e n 、以及8 位数据总线d 7 o 】。以i s a1 0 位地址总线为例，可 以通过设置a r m 中a 口的相关寄存器，用a 口的1 2 0v i 模拟地址总线。a 口的控制寄 存器( g p a c o n g p a d a t ) 描述如图2 7 p o r tac o n t r o l r e g i s t e r s ( g p a c o n g p a d a t ) r e g i s t e r a d d r e s s r w d e s c r i p t i o nr e s e tv a l u e g p a c o n0 x 5 6 0 0 0 0 0 0 w c o n f i g u r e t h ep i n so f p ) r t a 0 x 7 f f f f f g p a d a t0 x 5 6 0 0 0 0 0 4州t h ed a t ar e g i s t e rt b rp o r tau n d e f i n e d r e s e r v e d 0 x 5 6 0 0 0 0 0 8 r ，wr e s e r v e du r i d e f i n e d r e s e r v e d o x 5 6 0 0 0 0 0 c r ，、v r e s e r v e d u n d e f i n e d g p a c o nb l t d e s c r i p t i o n o p a 2 2 2 2 1o = 0 u t p u t l = n f c e g p a 2 l 2 i 】u t p u t l = n r s t o u t g p a 2 0 【2 0 】 o=outdul1=nfre g p a l 9 u 9 】0 = o u t p u t 1 = n f w e g p a l 8 【1 8 1 0 = - o u t o u t 1 = a l e g p a l 7 1 1 7 】0 = o u t p u t 1 2 c i e g p a l 6 【1 6 】0 = o u t p u t l = n g c s 5 g p a l 5 【1 5 10 = o u t p t i t 1 2 n g c s 4 g p a l 4 【1 4 】0 = o u t p u t i - 司i g c s 3 o p a l 3 【1 3 】 0 = o u t p u ti = 1 1 g c s 2 g p a l 2 1 2 ( ；= o u t p u t l = t l g c s l g p a 】i 1 1 i f = o u t p u t 1 _ a d d r 2 6 o p a l 0 【1 0 】0 = o u t p u t 1 2 a d d r 2 5 g p a 9 【9 】0 - o u t p u t 1 2 a d d r 2 4 g p a 8 8 10 o u t p u t i = a d d r 2 3 g p a 7 【7 】 0 = o u t p u t 1 = a d d r 2 2 g p a 6 【6 60 = o u t p u t 1 = a d d r 2 l g p a 5 【5 】5 0 = o u t p u t 1 = a d d r 2 0 g p a 4 4i f = o u t p u t 1 - a d d r l 9 g p a 3 3 1 30 - o u t p u t i = a d d r l 8 g p a 2 【2 】 0 = o u t d u tl = a d d r l 7 g p a l 0 = o u t p u t1 = a d d r l 6 o p a 0 【o 】c = o u t o u t 1 = a d d r 0 图2 7 $ 3 c 2 4 1 0 x a e l 控制寄存描述 控制寄存器g p a c o n 每一位的值可以设为0 或1 ，对应的$ 3 c 2 4 1 0 芯片的引脚可 以设置成通用的输出模式或专用模式( 如图2 - 7 d e s c r i p t o r 栏所述) ，因此我们可以通过设 置控制寄存器g p a c o n 的值为0 x 7 f f 3 0 0 把a 口的位o 位9 对应引脚设置为输出模式， 以此来模拟和i s a 地址总线一样的功能。 l 海人学硕i 埒位沦义 2 3 f p g a 介绍 不论在基于工控机的控制系统设计方案中还是在基于嵌入式的控制系统设计方案 中，在主控板和磁铁板、织机等硬件端口之间都要用到一块专门设计的f p g a 板，它起 到地址译码的作用。提供了主控板对f r a m 伸】、织机、磁铁板的输入输出端口访问， 起到了输入输出间接控制器的作用。f p g a 与f r a m 、织机、磁铁板的端口连接框图如 下： 主控板 处理器总线 织机输入端【l 织机输出端口 状志信息i 控制信息 f p g a m d 【o7 】 m a 【0 9 1 = = = = 引f i “k m 一 r 、r d 、c e 【 = 2 a l 一一 譬譬娄鬟曼譬 i 数据及送数时钟等信息 返回数据信息l；i ”。 磁铁板输入端口i 磁铁板输出端口 图2 8 f p g a 与硬件端口连接框图 其中m _ d o 。7 为访问f r a m 的数据总线，m _ a o 9 为地址总线，w r 、r d 、c e 读写控制信号。 下面以f p g a 对磁铁板端口译码为例介绍f p g a 是如何实现地址译码功能的。 在f p g a 内部，f p g a 译码和磁铁板端口读写访问模块如图2 - 9 及2 - 1 0 所示 海人学倾l 等! 位论文 eb 电e 1 j 廿蟊衷 图2 9 f p g a 译码模块 p cd e c o d e r 通过对主控板的地址总线、读、写以及使能信号进行译码，会产生 很多选通信号，如磁铁板输入端口读选通信号m a p _ i ，磁铁板输出端口写选通信号 m a p _ o ，织机输入端e l 选通信号w e ai ，织机输出端口选通信号w e ao 等。 ，i _ d 矿蠹黧蠹嚣 辫人学坝l 学位论文 图2 1 0 磁铁扳输入输出端1 ：3 读写访_ 】模块 当p c 要对磁铁板输入输出端口进行读写时，f p g a 译码模块首先根据输入信号进 行译码，使得m a pi 选通信号或者m a po 选通信号有效，进而使能7 4 2 4 4t t l 八同相 三态缓冲器或复位八d 触发器，使得磁铁板输入端口中的数据送到主控板数据总线或 者数据总线的数据送到磁铁板输出端口中，完成读写功能。实际上这里的地址总线 p ca b 9 0 1 就是我们在主控板程序中定义的端口地址。 主控板对其他的硬件端口的访问过程类似磁铁板输入输出端口的访问。这里就不一 一介绍了。 2 4 小结 本章首先介绍了电子提花机的基本工作原理，具体介绍了提花机送数的时序。然后 提出了电子提花机控制系统的两种设计方案。其中基于工控机的设计方案采用了工控机 + w i n d o w s 作为控制主机，在硬件和软件设计上都比较方便，特别是在界面的开发上比 较容易，使得我们大部分精力可以放在核一t l , 程序的开发，这样可以缩短整个控制系统的 开发周期，但是由于w i n d o w s 操作系统内核未知，经常出现非正常关机，而且成本过 高，工控机的标准配置并不是完全必要的。因此提出了成本较低、实时性好并且可进行 软硬件定制的嵌入式控制系统设计方案。当然采用嵌入式设计方案也有一定的缺点，就 是开发周期比较长，但是这种缺点可以以大规模的生产相抵消。 最后对控制系统主要的外围硬件f p g a 进行了介绍。 第3 章控制系统的应用软件 3 1 w i n d o w s 系统下的软件设计 3 1 1 电子提花机软件系统流程 在w i n d o w s 系统下，电子提花机控制系统的软件是基于对话框的w i n d o w s 应用程 序由w i n d o w s 接u 应用模块、若干对话框界而模块、数据处理模块、测试模块、运 行模块等组成。本控制软件系统是一个实时控制软件系统，主要由界面线程和实时控制 线程两个线程分别处理用户界面的输入及实时织造的控制。 在上述2 个线程中，为了保证控制的实时性，我们则实时控制线程赋予了最高级的 优先权，尤其是在快下时，禁止了用户界面的操作，并将纵造信息的更新也减到最低程 度，仪更新显示当前的纬数。由此为及时传送数据提供了必要的条件。 界面线程流程图见3 一i 。 图3 1 界面线程流程图 开机以后，程序开始运行。在硬盘上存有初始化的配置文件，该文件记录了工作的 任务，磁铁板的数量和过孔信息。根据工作任务文件，可以获得花样文件位置，将它读 入内存中，并设置织造重复次数。由于工控生产环境较差，经常造成非正常的关机或任 务停止，所以我们在f p g a 板上设置有f r a m 以记录当前工作的状况，它记录了具体 工作到工作单中的第几个花样文件，重复第几次，织到第几纬。由此在读入了工作单中 的花样文件后，要再从f r a m 中将上次织造情况的信息读回，设置工作变量。 如果前面的操作不成功，则进入主控制界面，并提示错误信息。如果操作成功，就 进入硬件检查部分。 海人学顺l 。学位论文 如果硬件有问题，则提示错误信息，进入主控制界面，如果硬件没有问题，则正式启 动实时工作线程并进入主控制界面。其中w i n d o w s 程序主控制界面的运行结果如图3 2 所示： 图3 2 w i n d o w s 程序界面 w i n d o w s 程序实时控制线程流程图见图3 - 3 ： 海人学mi 。学位i ；仑殳 图3 3 实时控制线程流程图 实时控制线程的主要功能是正确的把花样数据送到磁铁板上。当实时控制线程启动 时，首先读取磁铁板输入端i z l 状态，看磁铁板传感器信号是否有效，如果传感器信号无 效，则进行电源和织造故障检测，如果检测并清除错误，则重新读取磁铁板输入端l 1 状 态，如果检测没有通过，则向主界面发出出错信息，退出实时控制线程。 如果传感器信号有效，则进入实时送数阶段，如果是快车送数还要发信息禁止主界 面操作。接下来根据织机状态信息，配合磁铁板送数时序，把花样数据送到磁铁板以及 把织机选纬等控制信息送到织机，同时把当前的织造信息保存到存储器( f r a m ) * 。每 发送一纬数据都要更新主界面的纬数显示，当花样重复次数以及工作单重复次数发生变 化时也要通知主界面进行更新。发送数据的同时也要进行数据传输校验以及电源检测、 织造故障的检测，如果有电源等硬件错误，实时送数线程也要停止，等待错误的清除。 3 1 2 系统程序模块 电子提花机的控制，本质上是对过程的控制，但是由于控制系统面i 临的任务繁多、 复杂，用面向过程的设计方法是很复杂的。为此，我们采用面向对象的设计思想，利用 v c + + 进行编程，根据性质的不同，设计出若干相对独立的模块及其数据结构，实际上 是设计出各种数据的存储结构和访问( 操作) 方法。它们主要是：与w i n d o w s 接口的 应用模块、数据处理模块、运行模块、测试模块等。 1 与w i n d o w s 接口的应用模块：这个模块由v c + + 本身完成，无需程序员操心。 c + + 就是面向对象的设计语言，v c + + 把某些公共的模块进行了封装。 2 数据处理模块( c w e a 类) ：负责花样数据的存储和处理，主要的类以及数据结 构定义如下： c l a s sc w e a ：p u b l i cc s c r o l l v i e w ( p u b l i c ： c p o i n tms t a r t p o i m ；花样的起始和终止纬 c s i z ems i z e ；表示花样的经数纬数 i n tm c s t r i n gm _ w e a f i l e n a m e ；花样文件名 c s t r i n gm w e a p a t h n a m e ；存储路径 b y t e m _ h e a d 5 1 2 ；w e a 文件的头信息缓存，包含花样图案的大小信息 p u b l i c ： c w e a 0 ； v i r t u a l c w e a o ； v o i dr e a r r a n g e ( e n u mw e a m o d em o d e ，i n tb o a r d n u m ) ；花样数据重新排列 p r o t e c t e d ： b o o lr e a d f i l e ( l p c t s t rl p s z p a t h n a m e ) ；读取花样文件数据 9 海人学砸i j 学位论殳 j ； s t r u c tw e a d a t a b y t e * * p i c ；指向花样文件数据的二维指针 b y t e * * c o n t t n f o ；指向花样文件织机控制数据二维指针 b y t e * * a b b ；指向重新排列后的花样文件数据二维指针 c s i z ew e a s i z e ；n 花样文件的尺寸大小 w e a d a t a o ； - w e a d a t a ( ) ； j ； e n u mw e a m o d e h o l e 2 ，过孔信息 h o l e 3 ； 夺结构体w e a d a t a 中b y t e * * p i e 和b y t e * * a b b 是2 个指向2 维数组的指针。 当数据读入后，第一个数组存放原始的花样数据，可供现场编辑；第二个数组 存放经过重新排列的花样数据以便现场发送：b y t e * * c o n t i n f o 为指向功能控 制数据( 如选纬) 的指针： 夺在c w e a 类中定义的比较重要的操作函数有： r e a d f i l e ( l p c t s t rl p s z p a t h n a m e ) ，花样文件的读取函数，它把花样文件中的花样 数据和织机控制数据分别读入相应的二纬数组。花样文件中最重要的是头1 2 个字节， 尤其是前8 个字节，表示了图案的大小，对于读取图象数据有重要意义。假设花样图像 点阵的尺寸为w ( 宽) + h ( 高) ，图像数据按行排列，每一行前面w 8 个字节是花样数据， 后面8 个字节是控制信息，因此数据块的大小为( w 8 + 8 ) + h 。首先根据文件头4 个 字节计算出w 和h ，然后给存储花样文件数据和控制信息的二维数组指针分配内存空 间，进而读入花样文件中的数据。以给指针b y t e * * p i c 分配内存、读入花样数据为例 p w 一 p i c - = r a e wb y t e p w 一 w e a s i z e c y ；p w 为w e a d a t a 结构类型指针，w e a s i z e c y 为纬数( h ) ； p w 一 p i c i - a e wb y t e p w w e a s i z ec x ；根据w e a s i z e c x ( w 8 ) 大小给指向每一纬 的指针分配内存空问： 接下来，就可以把花样文件中的花样数据读到二维数组中了 f i l er e a d ( p w - p i e i ，p w - w e a s i z e c x ) ；读花样数据到二维数组中 控制信息的读入方式类似花样数据的读入。 海人学删i 学位论文 另外一个比较重要的函数是r e a r r a n g e ( ) ，它的作用是重新排列花样数据，因为穿线 方式不能使磁铁提针与原始花型一一对应，必须根据穿线的规律和磁铁板的位置对原始 数据进行重新排列，使织造的花型与花样文件一致。具体的处理过程就不详述了 3 工作单模块( c j o b 类) ：负责工作单的创建与编辑，主要类