（机械电子工程专业论文）面向智能化织机的实时监控系统研究与实现.pdf

摘要 剑杆织机作为功能最强的一种无梭织机，其微处理器控制系统能保证织机 各部分协调可靠的工作，能提高织造质量和减轻操作劳动强度，因此对于整个 织机系统有着非常重要的意义。 本文研究的纬纱实时监控系统设计了高低压启动电路控制八路选色选纬 器，克服了一般国产织机采用光电式选纬的缺点，使选纬动作启动迅速，工作 稳定可靠；介绍了可以扩大被检纬纱种类和织造工艺要求的1 5 级纬纱检测器灵 敏度调节电路；实现了纬纱检测处理电路及其和微处理器控制电路的硬件接口， 它可在设定的纬纱检测区内满足不同的纬控形式要求及定位停车要求，使织机 的连续性更好，自动化程度更高，解决了现有国产织机存在的问题；在智能显 控系统中实现了主微处理器和显控系统微处理器异步串行通信的硬件电路，以 及抗干扰性较好的电平转换电路设计，使之适应恶劣的织造环境。同时利用 m c 6 8 3 3 l 内部s i m 片选子模块实现对外围扩展系统配置，节省了硬件资源， 降低了成本。说明了对微处理器及r a m 进行监控保护的电路设计。另外，还 详细介绍了设计中为解决该系统的可靠性及干扰问题采取的有效措施。 关键词：剑杆织机微处理器纬纱u a r t监控 第1 页 a b s t r a c t a st h ew i d e s ta n d s t r o n g e s t s h u r l e l e s s l o o m s ，t h er a p i e rl o o m st h a t i s c o n t r o l l e db ym i c r o p r o c e s s o rc a nc o o r d i n a t ea l lu n i t e sr e l i a b l y , i m p r o v et h eq u a l i t y o fp r o d u c t i o na n dl e s s e nt h ei n t e n s i t yo fl a b o r ，t h e r e f o r ei ti sm o r ei m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a n tt oi m p r o v e t h ew h o l el o o m s y s t e m w ei n t r o d u c e dt h e l a t i t u d e y a r n r e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mi n t h i sp a p e r d u r i n gt h ep r o c e s s ，w es t u d i e dt h a th i g h l o wv o l t a g es t a r t i n g u pc i r c u i tc o n t r o l l e d w e f t - p a t t e r n i n gd e v i c ew i t hr a p i d ，s t a b l ew o r k i n gv e l o c i t y , w h i c hc a l lo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n go fp h o t o e l e c t r o n i cs e l e c t i n gw e f t + a d o p t e db yg e n e r a ld o m e s t i cl o o m m o r e o v e r , w ep r e s e n t e dt h a tt h ec i r c u i tc a l lm o d u l a t et h ew e f td e t e c t o r ss e n s i t i v i t y o f15g r a d e s ，i tc a ne n l a r g et h es c o p eo fd e t e c t e dw e f ta n d i m p r o v et e c h n o l o g i c a l l e v e l w er e a l i z e dt h e i n t e r f a c i n gd e s i g nb e t w e e nt h ec i r c u i to fm e a s u r i n ga n d p r o c e s s i n gl a t i t u d e y a ma n dt h ec i r c u i tc o n t r o l l e db ym i c r o p r o c e s s o r , w h i c hc a n m e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n to f l a t i t u d e - y a mc o n t r o li ns e t t i n gd e t e c t i n ga r e a ，f u l f i l l t h ep u r p o s eo fo r i e n t a t i o nh a l t i n ga n ds o l v et h ed i f f i c u l t yo fd o m e s t i cl o o m i nt h i s i n t e l l i g e n c ed i s p l a y i n gc o n t r o ls y s t e mw er e a l i z e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a i n m i c r o p r o c e s s o ra n ds u b - m i c r o p r o c e s s o rb yt h ew a yo fa s y n c h r o n o u ss e r i a l ，a n d d e s i g n e dv o l t a g ec h a n g ec i r c u i tw i t hg o o dq u a h t yo fa n t i i n t e r f e r e n c ea c c o m p l i s h l y b ym a k i n gu s eo f s u bm o d u l e o f c h i ps e l e c t i o ns i m w i t h i nm c 6 8 3 3 1 ，w e e x p a n d e d t h es y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o n ，s a v i n gh a r d w a r er e s o u r c e sa n dl o w i n gc o s tg r e a t l y t h i sa r t i c l ei l l u m i n a t e dm o n i t o r i n gp r o t e c t i o nc i r c u i tf o rm i c r o p r o c e s s o ra n dr a m t o o i na d d i t i o n ，w ea l s or e s o l v e d s y s t e m a t i cd e p e n d a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c e q u e s t i o ns u c c e s s f u l l yi nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：t h er a p i e rl o o m s ；m i c r o p r o c e s s o r ；l a t i t u d e y a r n ； u a r t ；m o n i t o r i n g 第1 i 页 两北t 业大学硬士学位论义 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代纺织工业中，用新型织机代替有梭织机是发展纺织工业的重要课题。 剑杆织机作为无梭纺织机中功能最强，使用最多的一种纺织机型，占世界织机 总数的9 ，性价比比片梭织机低廉且品种适应性广，小批量，多品种生产高度 灵活，产品质量可靠，噪声低等优势，入纬率一般达7 0 0 一1 0 0 0m r a i n 且剑杆 织机加工范围不断扩展，纬纱选色自由度更高。这些优点说明高档剑杆织机 拥有巨大的市场占有潜力和功能开发的必要性。 从国际上来看，从2 0 世纪八十年代来由于计算机和信息处理技术，微电子 技术，变频调速技术，微处理器技术，传感器及检测技术和纺织设备相结合， 使纺织设备的自动化水平和监控水平有了较快发展。主要特点为：高产优质， 劳动生产率高，生产成本低，品种适应性强，较好适应市场变化，并采用先进 的自控技术收集、储存显示生产数据，控制生产过程，监测生产质量，大大体 高了自动化程度。以及开发了电子多臂，电子提花功能可以快速交换织物组织， 并结合电子送经，电子卷曲，电子选纬减少开车横档，保持经纱张力恒定，引 织机入纬率，机械速度高。如v a m a t e x 公司的l e o n a r d o 型剑杆织机入纬 率高达1 18 5m r n i n ，转速为7 0 0r r a i n ， 我国剑杆织机研究工作起步较晚，织机机电一体化产品量少而窄，总体设 计水平不高。尽管九十年代来我国织机的工艺技术水平，加工装备能力大大加 强且大型企业数控化程度已超过1 0 ，然而由于织机专用自动化装置技术难度 大，开发风险高，资金投入不足，专业技术人才缺乏均限制了国内织机自动化 装置的发展。现在生产的无梭织机的2 3 为低档水平，1 ，3 高档机中的一半是进 口的无梭织机。我国是一个纺织大国，无梭织机市场巨大，因此用国产高档无 梭织机来代替进口产品，抓机遇，提高织机自动化程度，开发新产品是科研工 作者面临的一项重大应用课题【2 j o 1 2 剑杆织机的发展趋势 第1 虹 两北工业人学硕士学位论文 第一章绪论 目前纺机产品继续向连续机，自动化，智能化发展，并且适应范围越来越 广，适应能力越来越强主要表现为：四高( 高速度，高产量，高质量，高可靠 性) 二化( 自动化，智能化) 和一强( 适应性强) 。即机电一体化技术广泛使用， 以“电”代“机”【3 】o 具体体现在以下几个方面【4 】= 第- - 计算机技术的应用。自动控制技术使织机的原动力技术有了根本改 变，其技术方案从力矩电机方案，步进电机方案发展到采用交流伺服方案，直 流无刷电机方案。织机的主传动从采用高起动力矩电机加换皮带轮改变速度方 案，发展到变频调速方案。可以使织机速率在较大范围内变化，以适应各种纱 线和织物的织造技术要求。 第二送经卷曲系统的改进。电子送经和电子卷曲代替机械送经和机械卷 曲，并且已经成为标准配置。送经和卷曲均为单独传动，并应用微处理器和电 子技术可以随时实现织机在织造过程中织造工艺参数如经，纬纱张力的随时调 整。在对纱线张力的控制方面，采用灵敏张力传感器实现对经，纬纱张力信号 的监测，反馈，设定。并且在经纱，纬纱两种传感器的信号反馈回路之间增加 了同步电子连接器，提高了送经和卷曲的同步程度，从而保证了经纱张力的恒 定性和纬密的精确性以及降低了开车痕的产生，保证了织物的优质化。 第三织造工艺技术的改进。新颖的原动力技术和计算机控制技术同样促 进了织造技术的进一步发展、改进。电子选纬装置从电磁式整体结构发展采用 多台步进电机或多台直线电机构成的单元式电子选纬，同时受控的纬纱张力器 的应用使引纬变为更为积极的过程，且用电子纬纱张力器来进一步降低纬纱张 力的变化是目前国外先进机型普遍采用的方法。从而使现代化的剑杆织造技术 更加适用于纤细，易损的纬纱。 第四自动处理断纬技术。通过纬纱自动处理装置，从而减少织机停台时 间，提高织机的效率和速度。 第五数显应用广泛：如今许多高档织机上设有触摸屏操作站包括一些具 体的工艺参数，操作维护说明，调试和检查功能测试显示，并可以存储远程工 作站编制的工艺参数。具有良好的人机对话，在线控制性能。 因此加强电子技术的应用，采用计算机控制，实现人机对话，完成各种控 制功能，是目前高档剑杆织机的发展标志和趋势。 镛2 丽 西- j u e , j k 大学硕士学位论文第一帝绪论 1 3 微处理器控制系统概述 1 3 1 微处理器控制系统设计要求和方法 微处理器控制系统是以微处理器技术和自动控制理论为基础的。微处理器 技术的发展给控制系统开辟了新的途径。而现代控制理论的发展又给自动控制 系统增添了理论支柱。其中，微处理器在工业自动化领域的应用，大体经历了 实验阶段，逐步普及阶段，大量推广和分级控制三个阶段。目前，微处理器的 应用已使自动化发展到更高阶段，一些新型的设备和生产方式正在逐步推广应 用，像工业机器人，柔性生产系统( f m s ) 等。且微处理器系统除了向深度发 展外，还在向广度发展。已不光应用与常规的工业控制，还广泛应用于国民经 济的各个领域。 针对不同的控制对象，微处理器控制系统设计的具体要求是不同的，但设 计的基本要求是大体相同的。即就是【5 】： 第一系统的操作性能要好。操作性能要好是指使用方便和维修容易，因 此，在系统的硬件和软件设计时都要着重考虑这个问题。 第二通用性好，便于扩充。在进行系统设计时要考虑能适应各种不同设 备和不同控制对象，使系统不必大改动就可以很快适应新的情况。 第三可靠性要高。这是微处理器系统设计的一个基本要求。因为但系 统出现故障。将使整个生产过程混乱，引起严重后果。一般为提高系统的可靠 性，微处理器系统常用如下一些方法。 ( 1 ) 采用双机系统。用两台微处理器作为控制系统核，t l , 控制器，从而提高 系统的稳定性。双机系统中，两台微处理器的工作方式一般有如下三种。 1 ) 备份工作方式。一台投入系统运行，另一台作为备份机，当投入运行机 出现故障时，专用程序自动切换到各份机运行。 2 ) 主从机方式。两台微处理器都投入运行。一台承担整个系统的主要控制 任务。另一台则执行一般的数据处理或部分设备的控制工作。 3 ) 双工工作方式。两台机都投入运行，任一时刻同步执行同一任务，并送 专门装置核对，结果一致，工作正常，否则，工作异常，封锁输出，检查故障。 第3 页 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 采用集散控制系统。它是分级分布式控制方案，是用多台以微处理器 为核心的的基本控制器分别控制各被控对象，上一级微处理器则进行监督管理。 因此，当某一台基本控制器出现故障，其影响只是局部的。提高了系统可靠性。 第四设计周期要短，价格要便宜。由于微处理器技术发展迅速，新技术 和产品层出不穷。应缩短设计周期及采用价格低的元器件，降低整个系统费用。 1 3 2 微处理器控制系统发展前景 根据目前微处理器控制技术的发展情况，展望未来，前景诱人。因此，要 发展微处理器控制技术，必须对生产过程知识，测量技术，微处理器技术和控 制理论等领域进行广泛深入的研究f 6 】。 第一推广成熟的先进技术。( 1 ) 普及应用可编程序控制器( p l c ) 。( 2 ) 广 泛使用智能调节器，它不仅可以接受4 2 0 m a 电流信号，还具有r s 2 3 2 或r s - - 4 2 2 4 8 5 异步串行通信接1 2 1 ，可与上位机连成主从式测控网络。( 3 ) 采用新型 的数字控制系统( d c s ) 。发展以位总线，现场总线技术等网络通信技术为基础 的d c s 和f c s 控制结构，采用先进的控制策略，向综合自动化方向发展。 第二大理研究和发展分级递阶智能控制，模糊控制，专家控制，神经控 制等智能控制系统。 1 4 本设计微处理器控制系统结构 由于目前纺织品的生产规模日趋庞大，生产工艺过程极其复杂，管理高度 集中，但生产过程却较为分散，若采用集中式的控制方式，该方式会引来诸多 问题，如：控制，管理与一体，任务不明确；一个环节的故障会导致整个系统 的崩溃：系统设计时非常复杂；软件设计时开销特别大：微处理器运行时效率 下降：可靠性降低等。故为了提高织机的产品质量和品种适应性，使织机工作 状态的调整，监控以及生产管理更为方便，高效，更方便织机的操作和维修。 本设计中考虑使用容集中式微处理器控制系统与常规模拟仪表基本优点于一体 的集散式微处理器控制系统方案经过分析判断后，其微处理器控制系统结构框 如图1 1 所示。 本系统采用四片嵌入式微处理器及若干接口电路构成，其中m c u 上的微 第4 页 西北工业火学硕士学位论文第一章绪论 处理器z 8 4 有主从之分，分别执行不同的控制动作，实现织机的选色选纬，纬 纱检测，电子多臂和提花及报警监测等功能。而m c 6 8 3 3 1 微处理器负责对织 机的送经卷曲动作进行控制，显控系统微处理器担任上位机角色，负责和以 到- - u - 芒剿裂掣引邕 驱动板lla d 转换ll 驱动板li i 0 1 板 il i 0 2 板 ll i 0 3 板 送经卷曲微处理器主控板m c u 显示监控板o p t lld s t 板 到普焉旨焉打三叫曲瞄萧期胃赢 图1 1织机微处理器控制系统结构 上各处理器进行通信，协调各处理器工作，设定织机工作参数，进行数据统计， 生产管理等工作。该微处理器控制系统从功能上，主要可分为以下几个部分。 1 4 1 输入单元 这一单元是将织机现场采集到的按钮，传感器信号传送到该微处理器控制 系统的外围接口i o 板或控制板e g i 后由其进行处理。其输入信号可分为： 1 按钮输入信号 本织机电控系统按钮输入信号有急停，正常运行，停止，慢速运行，正向 寻纬，反向寻纬，卷曲开关。由外部按钮操作输送到i 0 1 板命令织机作出相应 动作。 2 传感器输入信号 第一经停信号，由接触式断经自停检测装置将检测到的经停信号经i 0 2 板送主微处理器处理。 第二纬纱检测信号，由压电传感器组成的纬纱检测器来将监控信号送接 口板i 0 2 板进行处理，判断是否满足设定的引“单纬”或“双纬”控制形式。 第三油路分配器及分配阀传感器信号。检测油路的润滑状态送i 0 2 板。 钨5 “ 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第四张力传感器信号，将电子送经卷曲机构的张力传感器检测到的张力 信号送往e g l 板处理，根据控制方法发出相应控制命令。 第五主轴及送经、卷曲编码器信号，当主轴c 经同步带按1 ：l 传动比 送给编码器，编码器输出零脉冲和相位差为9 0 0 的a ，b 脉冲，这两种脉冲送 往m c u 扳处理后，可以判断出织机的正反转及主轴当前角度。 第六接近开关信号，由光源发出光，遮光板的遮挡和透光使旋转盘发出 的信号形成一定的脉冲信号，反映织轴位置，主控板m c u 可以结合其它信号， 来发出相应的定位动作信号。 1 4 2 控制单元 控制单元将外部输入信号进行分析，然后根据具体情况迅速做出处理命令， 并转化为输出信号进行输出，其主要控制通道有： 第一织机动作控制。包括有启动控制，点动控制，制动控制。当主控制 板m c u 接收到启动或点动命令后，离合器闭合，制动器脱开，织机运转。而 m c u 接收到按钮停车，急停，或故障反馈信号输入后，和主轴编码器同步信 号结合，发出相应的制动信号。 第二送经卷曲张力控制。由张力传感器检测到经纱反馈张力，e g l 板根 据其大小，发出控制命令，对送经电机进行速度控制，维持平稳的张力值，使 张力不超调。而卷曲电机则采用位置控制。 第三，选色选纬控制。由主控制板m c u 来控制1 0 2 板上的选色选纬电路， 实现预期的选色选纬要求。 第四电子多臂，提花控制。织造前，将预期织造织物组织图案数字化处 理后储存入e p r o m 中，织造时主微处理器将提棕信息送入接口板i ，0 3 和电子 多臂d s t 板控制执行机构完成相应动作。 第五纬纱检测控制。主要实现纬纱检测灵敏度的调节控制，以及可以正 确处理纬纱检测器的输出信号，由1 0 2 板送入主控板m c u 后发出相应的定位 停车信号。设计要求停车角度为3 0 5o 3 1 2 o 。 第六经纱检测控制。由停经片将停经检测电路接通，向主微处理器发出 第6 负 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 断经信号，结合定位停车开关信号在3 1 3o 3 2 0o 内停车。 1 4 3 输出单元 根据各类输入信号，主控制板微处理器按照不同的控制要求，发出高电压命 令输出，离合输出，正反转输出以及送经卷曲电机的速度控制输出，从而实现 织机高质量，高效率运转。 1 5 本文主要研究内容 本课题研究的是剑杆织机的微处理器控制系统，要能适应高质量剑杆织机 的需要，提高织机的产品质量和品种适应性，使织机工作状态的调整，监控及 生产管理更为方便，高效。该系统中，作者主要负责完成两部分内容 第一完成外围接口功能板1 0 2 的研究与设计工作。接口功能板1 0 2 主要 用于实现主微处理器控制电子选色选纬，纬纱检测器灵敏度调节，纬纱，经纱 状态检测及油压开关状态监测等功能。具体设计内容包括：电子选色选纬输出 控制电路设计；纬纱检测器灵敏度调节电路设计：纬纱检测处理电路与微处理 器控制接口电路设计：油压开关状态监控电路设计以及系统的可靠性及抗干扰 设计。 第二显示控制板的研究与设计工作。主要实现以下设计功能：完成和主 控板m c u 的串行通信接口电路设计：实现微处理器m c 6 8 3 3 1 的监控保护电路 设计：实现对6 4 功能键及其1 1 工作指示灯和微处理器的接口电路设计；完成 m c 6 8 3 3 1 系统外围扩展芯片r a m 和e p r o m 的软，硬件配制。 第7 顶 西北工业九学硕士学位论文第二章纬纱实时电气监控系统鼓计 第二章纬纱实时电气监控系统设计 2 1 纬纱实时电气监控系统电路设计方案 通常设计微处理器监控系统时，首先要根据监控信号的特点及对系统性能 的要求，选择具体的系统结构形式。目前，一般微处理器系统基本结构形式有 7 1 ： 第一操作指导控制系统。它是指微处理器的输出不直接用来控制生产对 象，而是对系统过程参数进行收集，加工处理，然后输出数据。 第二直接数字控制f d d c ) 系统。它是指微处理器对被控参数进行检测，再 根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构控制生产过程。 第三监督控n ( s c c ) 系统。它是由微处理器测量被控参数，按照描述生产 过程的数学模型，算出最佳给定值送模拟调节器或d d c 系统，最后由模拟调 节器或d d c 系统控制生产过程，使生产过程处于最优工作状态。 因此，综合考虑多方面因素，本纬纱电气监控系统采用d d c 控制系统， 其结构形式基本框图如图2 1 所示。 图2 1 纬纱电气监控系统框图 该方案中微处理器直接参与闭环控制过程，无需中间环节调节器。它通过 过程通道输入纬纱状态，油路润滑状态进行循环检测，并根据规定的控制规律 发出控制信号，通过输出通道直接控制相应的选色选纬动作和纬纱检测器灵敏 度的调节。 2 1 1 纬纱实时电气监控系统功能模块 第8 页 两北丁业大学硕上学位论义 第一章纬纱实时电气临控系统设汁 1 选色选纬控制输出通道 由微处理器控制输出选色选纬数字量信号，来控制对应电磁铁实现预期动 作。其中电磁铁作为执行机构选纬指的驱动装置，有效起到了机电结合的桥梁 作用。考虑到微处理器与该过程通道装置距离较近及控制对象数量，直接采用 并行接口方案。 2 纬纱灵敏度调节输出通道 它将d a 电平信号输出到纬纱检测器上，作为纬纱检测灵敏度调节的增益 电压值，该灵敏度由织机的显示控制界面设定。该输出通道方案上应考虑微处 理器输出的数字量在一定时间范围内保持稳定，以实现稳定，可靠的模拟控制 信号输出。 3 纬纱检测输入通道 其主要功能是将纬纱检测器检测到的纬纱状态信号经过硬件，软件处理之 后，由微处理器送出对应控制信号。其中，纬纱检测器信号来自于传感器，且 一般控制系统中，来自传感器的信号分为模拟信号和数字信号，而实际控制系 统中总存在噪声污染，实际中应对于弱传感器信号采用特殊处理方法，来减小 传感器与微处理器连接的噪声干扰问题。 另外，它和微处理器的接口方案取决于输入电平的高低和使用的场合。通 常把l v 以上电压和l m a 以上电流信号作为高电平信号处理，反之为低电平信 号。因为该纬纱检测器输出的正常工作信号为2 3 m a 2 6 m a ，因此在接口电路 设计中可以去掉信号调整电路中的放大部分，仅保留滤除夹杂在信号中的噪声 电路和阻抗匹配电路，然后将处理后满足微处理器工作的电平信号送至微处理 器，由其发出最终控制信号【8 1 0 4 油路压力开关状态输入通道 它是将输油管道，吸油管道，以及油位状态作为数字开关量送入微处理器。 这种以数字量形式直接输入微处理器的抗干扰能力较强，尤其是对于工频干扰 及地线回路干扰，具有相当强的抗干扰能力。 2 1 2 纬纱电气监控系统器件选择 1 微处理器选择 第9 页 西北工业人学硕士学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设计 微处理器是整个监控系统的核心，其功能的好坏决定了该系统最终性能的 优劣。一般从以下几个方面考虑是否符合控制系统要求9 1 。 第一微处理器的位数。微处理器的位数会直接影响数据的精度，指令的 数目，寻址能力和执行操作的时间。一般蜕来，字越长，对数据处理越有利， 但从减少辅助电路的复杂性和降低成本角度考虑，则字短些为宣。所以，应根 据不同对象和不同要求，恰当选择。在过程控制领域中，一般选用8 位字长的 微处理器，若有较高要求，则需要选择1 6 位或3 2 位字长微处理器。 第二指令种类和数量。一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令 也必然增多，可以使处理速度加快程序量减少。 第三内部寄存器种类和数量。它们的种类和数量越多，访问存储器的次 数越少，执行速度越快。如本系统选用的z 8 4 微处理器就有两套通用寄存器组。 第四微处理器的速度。它应该和被控对象的要求相适应，过高会给系统 的安装，调试带来极大的麻烦，如高速工作时引线之间的串扰很不容易解决。 第五中断处理能力。控制系统中，中断往往是一种主要的输入输出方式。 中断功能的强弱对于整个系统硬件和应用程序布局有很大影响。 第六电源种类及功耗大小。 由于织机系统现场环境极为恶劣，高湿，高热，高噪声，各种干扰繁多。 为保证系统工作稳定，可靠，所以系统微处理器选用c m o s 微处理器。 这是由于c m o s 微处理器有以下优点： 第一低功耗的优点使安装密度可以大大提高，从而有利于小型化。且低 功耗的优点使器件芯片上排除了发热源，为器件的可靠性和稳定性提供了保证。 第二噪声容限大，c m o s 电路噪声容限的典型值为4 5 。例如在+ 5 v 电源下，其噪声容限的实际值为2 ，2 5 v ，而+ 5 v n m o s 电路的噪声容限只有 o 8 v 。因此抗干扰能力较强，比较适合于干扰严重的环境中。 第三使用单一电源工作，电压范围宽。c m o s 微处理器一般可在3 1 2 v 下工作，而n m o s 电路的电源范围一般是5 v 0 5 v 。这样系统的电源设计简 单，即在尺寸，调节能力，成本诸方面减少对电源的要求。另外，c m o s 微处 理器还具有良好的温度稳定性，输入阻抗大等优点，对于系统的设计极其有利。 2 低功耗高性能c m o s 微处理器z 8 4 篇1 0 面 西北t 业大学硕士学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设计 美国z i l o g 公司1 9 7 5 年研制出了当时集成度较高、功能较强的8 位微处理 器芯片z 8 0c p u 。进入9 0 年代后，又推出了z 8 4 系列产品。与目前流行的各种 微处理器相比，其内部内除新型z 8 0c p u 外，还集成了诸如时钟产生控制器 ( c g c ) 、并行输入输出口( p i o ) 、串行输入输出口( s i o ) 、直接存贮器存取( d m a ) 、 计数器定时电路( c t c ) 、串行通信控制器( s c c ) 以及看门狗定时器( w d t ) 等 功能模块，使z 8 4 系列中某些产品的功能更加丰富，强大。使其在在完成大数 据量吞吐、采集和处理等重要任务方面，在性价比方面比一般微处理器和i b mp c 机更合适胜任。 本设计采用的z 8 4 c 1 5 是z 8 4 系列中的二种微处理器。它将z 8 0c p u 、c t c 、 p i o 、s i o 、w d t 、c g c 和w s c 集成于一片芯片之内，并具有上电复位、两路片选、 e v 功能以及3 2 位循环冗余检 贝t j ( c r c ) 功能。其工作频率为6 m h z 、i o m h z 或1 6 m h z 。 2 2 选色选纬控制通道设计原理 一般织机没有选色选纬功能，所以织出的织物品种单一。或者选色选纬机 构采用小型的纹带控制，由于纹带长度有限，所以织物的色纬循环有限，仅适 于织造窄的横条和小格子花纹【”】。随着国内外市场的变化，人们对色织布的品 种和档次的要求也越来越高，一般织机的功能已远远不能适应市场的要求，为 了解决这类问题本设计研制了微处理器控制的选色选纬装置。 2 2 1 选纬指机械机构原理 一般电子选纬器上装有多根选纬指，可以选择不同颜色不同种类的纬纱， 而且电子选纬器和选择器协同工作，由选择器控制选纬的次序。 选纬器内部凸轮的转动是通过织机的次轴齿轮经过桥齿轮的传递而实现 的。当选择器输送电信号给铁心线圈时，吸铁在铁心通电磁化下被吸下；当凸轮 转到某一角度时，凸轮推动拨杆，使拨杆上端斜面与吸铁端面接触，形成支点， 使其绕支点向后摆动，通过连杆使摆杆绕中轴转动，再通过连杆推动摇臂绕另 一支点转动，使选纬指向下运动，选纬指将纬纱送入送纬箭头钳口，实现选色 选纬。当铁心线圈不通电时，吸铁通过弹簧的作用抬起，这时拨杆没有支点， 选纬器不送纬，无法完成选色选纬。 箱i l面 西北t 业人学硕 学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设计 本设计最终选取满足以下主要技术指标电子选纬器。 最高转速：6 0 0 转r a i n选色选纬数量：八色 额定电压：直流2 4 3 0 v 重量：1 6 k g 2 2 2 选色选纬控制原理 目前般剑杆织机是用光电选色选纬装置，它将色织布的花型结构，在选 色纸带上穿成八列孔，对应于每一行的八列中，只有- - n 上有孔，每列孔代表 选中的- - n 纬纱颜色。选色纸带随机械传动系统，一行一行的同步向前运转。 光源通过每行中仅有一列的孔由光敏管转换为电信号，放大后直接驱动选纬指， 实现选色选纬功能t 1 2 郴1 。 然而，这种选色选纬方法的选色过程的同步运动由机械传动系统保证，精 度不高，而且色带长度有限，影响织物花型设计，以及每次织造前由人工来设 计色织带的孔位置，效率较低。鉴于以上缺点，本设计考虑直接采用微处理器 控制来实现选色选纬功能。因此设计合适的硬件电路和软件程序来使铁心线圈 适时得电，完成选色选纬动作满足预期的工艺要求成为设计中考虑的重中之重。 设计中用一个八位的二进制数等效于选色纸带的一行，而该二进制数的每一位 对应于选色纸带的每一列。该二进制数的八位中只允许有一位是“0 ”。其余七 位是“1 ”，为“0 ”的这一位就相当于选色纸带上的- y r j 上的孔选中某种颜色的 纬纱。反之，用“1 ”代替选中也可。不过此时该二进制数的八位中只允许一位 为“l ”，其余七位必须为“0 ”。因此，根据织物的花形结构，将其变为一连串的 二进制数，顺序存放在数据存储器中，织造时，周而复始地将这些数据从存储 器中取出，送到驱动电路驱动选纬指。实现选色选纬。 2 3 八路选色选纬控制器驱动电路设计 设计的基本思想是根据将织布匹的花色结构而编制相应的选色程序在存储 器中，出微处理器控制传送和被选色纬对应的控制命令，再结合相应的同步高 压信号至功率驱动放大电路，使铁心线圈得电，电磁铁吸和，对应的选纬指动 作，完成选色选纬。其设计理论框图如图2 2 所示。 第1 2 页 西北工业大学碳士学位论文 第二二章纬纱实对电气监控系统设计 微光一驱动放大l传 执 处锁电 动行 理存隔 叫同步高压r装 机 器器离 置构 动力源r 图2 2 八路选色选纬控制器驱动电路设计框图 2 3 1 选纬器驱动放大电路及其与微处理器接口电路设计 1 电路工作原理 具体设计电路如图2 3 所示。( 因电子选纬器共有八个选纬指来选择不同颜 色的纬纱满足预定织物的花色结构，故设计八个结构完全一致的单元电路来驱 动八个选纬指。图中仅画出了相应的两路电路。) 图2 3 选纬器驱动放大电路及与微处理器接口电路 采用该电路可以理想的实现预期选纬动作。当织机处于工作状态时，根据 引纬选色顺序由微处理器从数据总线输出相应的控制信号。当要选择某一选纬 指对应的纬纱时，则该数据总线应输出高电平信号，由于选纬指的选纬动作执 行过程有定的时间，设计中考虑先将此高电平信号锁存在上升沿八d 触发器 7 4 h c 5 7 4 中，之后加到光电耦合器中光电二极管的阳极，其呈导通状态，向外 发射光源，使光敏三极管( 其集电极电源来自三端整流电源l m 3 1 7 的输出+ 1 2 v ) 导通，发射极输出高电平，经限流电阻r 9 ，rj7 限流后送到达林顿管q 】 的基极。设计中考虑直接将其集电极和选纬指的电磁线圈通过常闭触点s b t 和 第1 3 页 西北工业火学硕士学位论立第二章纬纱实时电气监控系统没计 + 2 4 v 直流工作电源相连。这样，当基极加高电平信号时，q 1 导通，则+ 2 4 v 电源和电磁线圈接通，线圈得电，电磁铁吸和，选纬指动作，完成预期选纬选 色功能。常闭触点s b l 用于在需要情况下手动中止选纬指的动作。二极管d 2 的作用是对电磁线圈的感应电势构成回路，形成感应电流通路，从而防止达林 顿管q ，通断时，电磁线圈的感应电势击穿q - ，起保护作用。反之，当微处理器 数据输出端为低电平时，对应选纬指不动作。 2 芯片及有关参数设计【1 5 】。 ( 1 ) 电源。该驱动电路中共有三种不同的电源。其一，微处理理器及集成电 路芯片正常工作所需要的+ 5 v 电源电压由织机电控系统的电源板m c s 通过转 接母板提供。其二，选纬器工作电源+ 2 4 v d c 在下一部分介绍。其三，光电耦 合器输出部分电源，因为在使用光电隔离来实现输出端的通道隔离时，被隔离 的通道两侧必须使用各自的电源，即用于驱动发光管的电源和驱动光敏三极管 的电源不应是共地的电源，旦对于隔离之后的输出通道必须单独供电，否则， 如使用同一电源，外部干扰信号可能通过电源串到系统中来。这样就失去了隔 离的意义m 。同时，由电源板m c s 提供+ 5 v 电源和+ 2 4 v 电源和纬纱电气系 统控制板1 0 2 分离，这样可以尽量避免电源波动带来的干扰，保证系统可靠工 作，满足整个电控系统模块化设计思想。以下主要介绍为光电耦合器输出端提 供电源的三端可调式电压稳压器。 本设计选用三端可调式稳压器l m 3 1 7 它可以在1 2 v 3 7 v 输出电压范围 内提供大于1 5 a 的输出电流，可靠性高。其特点是： 只需要两个外接电阻就可任意调节输出电压 具有过电流保护，过热保护和安全区保护功能。 通常不需外加电容，当2 脚加接电容，可得到很高的电源纹波抑制比。 只要输入，输出电压差不超过极限值，可以对高压进行稳压。 l m 3 1 7 共有三个引脚，3 脚为输入，2 脚为输出，1 脚为调整端。本设计利 用l m 3 1 7 提供稳压源的电路如图2 4 。其中c 2 i ，c 1 5 选用参数为1 0 0 u f 3 5 v ， 工作温度为+ 8 5 。c 的电解电容，主要用来减小纹波和改善负载的动态响应效果。 电容c 2 0 ，c 2 2 选用0 1uf 的独石电容，当电路远离整流滤波电容时选用。由 于l m 3 1 7 通过外接电阻r ，r ，来调节输出电压v 。，且其计算公式为： 第1 4负 两北工业大学硕士学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设计 v o ：1 2 5 v ( 型+ 1 ) v 月 所以当光电耦合器输出端所需电源电压为 1 2 v 时： 型：j 生一1 ：旦二一l ：8 6 月1 2 5 v1 2 5 v 故实际选用的电阻值为刊= 2 3 7 f 2 1 r “= 2 0 5 kq 1 。 ( 2 ) 光电耦合器p s 2 5 0 1 - - 4 。由于最终图2 4 l m 3 1 7 构成的稳压电路 控制选纬指动作的驱动量为开关量，其控制精度比一般的模拟量高，仅通过改 变软件程序就可以满足不同的控制要求。但在该开关量输出通道中，考虑到织 机的现场作业环境极其恶劣，外界干扰源多。为防止现场强电磁干扰或工频电 压通过输出通道反串到控制系统，因此本设计采用有效的通道隔离技术，并选 用较优性能的光电隔离器件p s 2 5 0 1 4 来降低干扰的不利程度 p s 2 5 0 1 4 是日本n e c 公司生产的特性优良的高速光电耦合器件，体积 小，寿命长，抗干扰性强，隔离电压高，速度快，与t 1 l 逻辑电平相容。输入 部分为红外发光二极管，采用t t l 或c m o s 数字电路驱动，输出部分为n p n 硅光敏三极管。其管脚和内部结构如图2 5 所示。 其特性参数为： 输入特性：最大正向电流：i f = 1 0 m a 反向电压：v r = 5 v 正向电压：v f = 1 1 7 v 输出特性：饱和压降：v 。= 0 3 v 暗电流：i c c o = l o o n a 传输特性：电流传输比：c t r = 8 0 6 0 0 隔离特性：隔离电阻：r h = 1 0 q 。 1 6 1 5 14 1 3 12 1 1 1 0 9 图2 5p s 2 5 0 1 4 管脚和内部结构 隔离电容：c i 。= 0 5 p f ( 3 ) 限流电阻r 9 ，r 1 7 的设计。考虑到光电耦合器的电流传输比c t r = 8 0 - 6 0 0 当光敏三极管饱和时，其压降为v “；a 1 1 = o 3 v 。为了避免初级二极管 第1 5 页 西北工业大学硕上学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设汁 电流过大，选取饱和电流为2 m a ，则电阻值为： r ，+ r ，= 华= 等= s s s k q 根据整个电路板中电阻值选用的最近原则及最终调试确定： r 9 = 4 7 kq ，r 17 = 2 2 k q ( 4 ) 限流电阻r l 的设计：电阻r l 的主要作用用于限制发光二极管的正向 电流i f ，由于一般来自于微处理器的信号是t t l 电平，当用该电平作为红外发 光二极管的驱动时，其7 4 h c 5 7 4 t t l 门电路输出高电平即为二极管驱动电压， 且已确定当发光二极管发光时，光敏三极管的饱和电流是2 m a ，则要求发光二 极管电流是：1 2 若磊其中：c t r 是传输比c t r = 8 0 6 0 0 ，取c t r = 2 0 0 则：i ：土：2 m a 1 0 0 ：l m a 2 0 0 2 0 0 即： r t - - 鳖一5 0 v 5 0 0 0 欧姆 il m a 实际制版时选取阻值为4 7 0 0 欧姆的电阻，同时由于八个单元电路使用电阻相 同，为了方便印制版电路的布线以及在数据传输过程中进行阻抗匹配，选用型 号为s m t b4 7 2 0 的电阻排。 ( 5 ) 达林顿管q l 的设计。在控制电磁铁吸和与断开这种开关量的驱动电路 中。常选用的功率开关有晶体管，场效应管晶闸管及一些新型电力电子器件， 由于被控对象为电磁线圈，所需要的驱动电流较大，使用一般的晶体管功率开 关或一级光耦中的单个晶体管1 3 值有限，仅当输入控制信号电流i b 很大，才可 确保晶体管导通时工作于饱和区，获得较大的负载电流。因此，为减小对控制 信号电流强度的要求以及输出电流足以驱动负载，本设计考虑采用较大放大倍 数的达林顿管构成驱动电路使电磁铁吸和。 因为该选纬器选纬线圈感抗为1 7 0 q ，额定电压为+ 2 4 v d c ，故当选用功 率开关达林顿管导通时其集电极电流应为： l ：+ 2 4 0 v - v o 。0 1 4 a k 一1 矿2 一 第1 6 页 西北_ t 业大学硕士学位论文第二章纬纱实时电气监控系统设计 由| j 仃知，基极电流为：v r l 7 = 2 m a 2 2 k q - - - - - 4 4 v i b =坚二竺坐竺! 二坠! ：! ! ：! 竺二! ：! 匕二! ：! ! ：2 3 1 m a r 94 7 k q o ：生：坐：6 0 2 3 6 m a 考虑到织机现场工作环境较为恶劣以及选纬指的工作频率，最终选定的功率放 大达林顿管为z t x 6 0 4 其特性参数为： 材料，极性：s i n p n集射集最高耐压：v 。= 1 0 0 v 基射极最高反相耐压：v e b o = i o v集电极电流：i 。= 1 a 总耗散功率p t o t = 1 w特征频率：f i = 1 5 0 m ( 6 ) 二极管d 2 的设计。该二极管主要是避免达林顿管截至时线圈产生的反 峰电压损坏达林顿管而起保护作用。一般选用正向电流较大，结电容较大，工 作频率低的整流二极管。本设计选取常用的硅塑封整流二极管1 n 4 0 0 7 ，其主要 参数为：反向峰值电压：1 0 0 0 v正向整流电流：1 a 正向压降： 1 4 v反向电流：1 0 u a 2 3 2 选纬器同步高压启动信号电路设计 1 电路工作原理 当选纬线圈在前述放大驱动电路作用下和外部+ 2 4 v 直流电源接通后，由于 选纬线圈的自感电动势作用，使选纬线圈不能迅速得电到工作电流状态，为了 使铁心线圈得电后，电磁铁可以迅速吸合，且吸引可靠。考虑采用高压启动， 使电磁铁迅速吸合，低压保持使其维持稳定的工作状态。因此设计时应着重考 虑高压启动信号如何提供给预选纬纱的电磁线圈，以及和低压之间如何进行交 替供电的时序关系等。设计电路如图2 6 所示。 当微处理器通过数据总线输出选纬控制信号，( 八色纬纱中一条纬纱被选 中，故八路信号仅一路有效