（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的高速绣花机控制器的研究与开发.pdf

摘要 摘要 题名：基于a r m 的高速绣花机控制器的研究与开发 硕士研究生姓名：刘洋 导师姓名：白瑞林教授 专业名称：检测技术与自动化装置 随着我国加入w t o ，我国逐渐成为世界缝制设备生产和销售中心。在缝制设备行业占据极其重 要地位的绣花机行业也因此而得到迅速发展，我国绣花机产量已占据全球绣花机产量的7 0 。但是， 我国的绣花机行业在发展的过程中仍存在和面临着很多问题。一方面是产品结构和产品质量，我国 的绣花机主要以中低档为主，在噪声、刺绣质量、效率、产品寿命以及维护性等方面与国外先进机 型存在较大差距；另一方面是技术实力和创新能力，作为绣花机全部技术核心的控制器，国内能开 发的公司屈指可数，缺乏有效的竞争，且技术实力和创新能力无法与国际企业相抗衡。 针对上述情况，本文分析了绣花机的：i = 作原理和当前主流绣花机的控制方式及特点，在研究室 已完成的中低速平绣型t 业绣花机课题的基础上，设计了一种基丁硬实时嵌入式操作系统w i n c e 5 0 ，以3 2 位r i s c 架构a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 为主控芯片，以m a xi i 系列c p l de p m l 2 7 0 为 接口芯片的高速绣花机控制器。整个绣花机以高速，高质量为目标，以伺服电机作为主轴驱动，步 进电机作为x y 轴驱动，带u s b 接口和e t h e m e t 接口，预留特种绣接口，带高分辨率彩色触摸屏， 功能丰富，操作方便。 本文分7 章，第一章阐述了课题背景，绣花机发展现状和关键技术；第二章从原理出发完成了 需求分析，硬件和操作系统选型和项目规划；第三章完成了总体硬件系统设计并重点介绍了驱动系 统，c p l d 单元，主控制板的设计和各种资源的分配；第四章在分析w i n c e 及其项目开发流科和环 境构建的基础上，完成了软件的总体框架设计并介绍了相关设计要点。第五章主要是驱动程序和运 动控制模块并以步进电机驱动的开发为例介绍了流驱动的开发过程和相关的技术要点。第六章设计 了一种自主的内部花样格式并完成了相应的测试。最后一章是对本课题的总结和展望。 本文不仅从项目研究与开发和软件工程的高度详细探讨了基7 - a r m 和w i n c e 5 0 的绣花机控制 器的整个开发过程，也具体的从硬件设计，资源配置，软件编写，驱动开发，运动控制和花样处理 等多个方面进行了深入的分析和研究。本课题的工作对丁高速高档绣花机的开发具有很好的参考价 值和实践意义，对于提升国内绣花机行业在高端市场与国外企业的竞争力，提升民族品牌价值，改 变国内绣花机控制器被少数公司所垄断，增加良性有效竞争有积极影响。 关键词：绣花机；a r m ：w i n c e 5 0 ；流驱动；s 3 c 2 4 4 0 a ；多线程；刺绣花样格式 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hc h i n a se n t r yi n t ot h ew t o ，o u rc o u n t r yh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ec e n t e ro fs e w i n ge q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n ga n ds e l l i n g t h ee m b r o i d e r yi n d u s t r yw h i c ho c c u p i e dav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h e s e w i n ge q u i p m e n ti n d u s t r ya l s og a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n t c h i n a se m b r o i d e r ym a c h i n ep r o d u c t i o nh a s t a k e nu p7 0p e r c e n to fg l o b a lp r o d u c t i o n h o w e v e r , c h i n a se m b r o i d e r ym a c h i n ei n d u s t r ys t i l lf a c e dw i t h m a n yp r o b l e m si nt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t o no n eh a n di st h ep r o d u c ts t r u c t u r ea n dq u a l i t y , c h i n a s e m b r o i d e r ym a c h i n e sa r em a i n l ym e d i u m & l o wo fq u a l i t y t h e r e sab i gg a pc o m p a r e dw i t ha d v a n c e d m a c h i n e so f a b r o a dc o m p a n i e si nt e r mo fn o i s e ，e m b r o i d e r yq u a l i t y , e f f i c i e n c y , p r o d u c tl i f ea n d m a i n t e n a n c e o nt h eo t h e rh a n dt h et e c h n o l o g ys t r e n g t ha n di n n o v a t i o na b i l i t y , t h e r ea r ef e wd o m e s t i c c o m p a n i e st h a ta r ea b l e t op r o d u c et h ec o n t r o l l e rw h i c hi st h ee m b o d i m e n to ft h ec o r et e c h n o l o g yo f e m b r o i d e r ym a c h i n e ，a n dc a n tc o m p e t ew i t hi n t e r n a t i o n a le n t e r p r i s e sb e c a u s eo f t h ei n f e r i o rt e c h n o l o g i c a l s t r e n g t ha n di n n o v a t i o nc a p a b i l i t i e s a l s ot h e r ei s al a c ko fe f f e c t i v ec o m p e t i t i o na m o n gd o m e s t i c p r o v i d e r s i nr e s p o n s et ot h ea b o v ec i r c u m s t a n c e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o l m e t h o d sa n df e a t u r e so ft h ec u r r e n tm a i n s t r e a me m b r o i d e r ym a c h i n e s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h el o w s p e e di n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n ew h i c hi sap r e v i o u sp r o j e c to ft h ei n s t i t u t e ，ah i g hs p e e de m b r o i d e r y m a c h i n ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h ec o n t r o l l e ri sb a s e do nh a r dr e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m w i n d o w s c e5 0 ，a n dt h e3 2 - b i tr i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n - s e tc o m p u t e r ) a r c h i t e c t u r ea r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 ai sa d o p t e da st h em a i nc o n t r o lc h i p t h em a xi if a m i l yc p l de p m12 7 0i su s e da st h e i n t e r f a c ec h i p t h ee m b r o i d e r ym a c h i n ea i m sa th i 曲- s p e e da n dh i g h - q u a l i t y t h es p i n d l ei sd r i v e nb ys e r v o m o t o r , t h exly - a x i si sd r i v e nb ys t e pm o t o r s ，u s ba n de t h e r n e ti n t e r f a c e sa r ei n c l u d e da n ds p e c i a l e m b r o i d e ri n t e r f a c e sa r er e s e r v e d h i g h r e s o l u t i o nc o l o rl c d ，t o u c hs c r e e na n dr i c hf e a t u r e sm a k ei te a s y t oo p e r a t e t h i sp a p e ri s c o m p o s e do fs e v e nc h a p t e r s ，t h e f i r s tc h a p t e ri sa b o u tt h es u b j e c tb a c k g r o u n d ， e m b r o i d e r ym a c h i n ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dk e yt e c h n o l o g i e s ；c h a p t e ri ic o m p l e t e dt h en e e d sa n a l y s i s ， h a r d w a r ea n do p e r a t i n gs y s t e ms e l e c t i o na n dp r o j e c tp l a n n i n g ；c h a p t e ri i ic o m p l e t e dt h eo v e r a l ls y s t e m h a r d w a r ed e s i g na n df o c u s e di nt h ed r i v es y s t e m ，c p l du n i t ，t h em a i nc o n t r o lp a n e ld e s i g na n dt h e d i s t r i b u t i o no fa l lk i n d so fr e s o u r c e s ；c h a p t e ri vc o m p l e t e dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es o f t w a r ed e s i g n a n dr e l e v a n td e s i g nf e a t u r e so nt h eb a s i so fa n a l y s i so fw i n c e ，t h ep r o j e c td e v e l o p m e n tp r o c e s sb a s e do n i t ，a n dt h ee n v i r o n m e n tc o n f i g u r a t i o n c h a p t e rvi sm a i n l yf o c u s e do nd r i v e ra n dm o t i o nc o n t r o lm o d u l e ， t h ed e v e l o p m e n to fs t e pm o t o rd r i v e ri su s e da sa l le x a m p l eo ft h es t r e a md r i v e rd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n d r e l a t e dt e c h n i c a l p o i n t s c h a p t e rv id e s i g n e da ni n t e r n a lp a _ t t e m f i l ef o r m a ta n d c o m p l e t e dt h e c o r r e s p o n d i n gt e s t s t h ef i n a lc h a p t e ri sas u m m a r yo ft h i sp r o j e c ta n di t sp r o s p e c t s i nt h i sp a p e r ，n o to n l yt h ee n t i r ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l l e rb a s e do n a r ma n dw i n c e 5 0i ss t u d i e da n da n a l y z e di nd e t a i la n di nd e p t hf r o mt h ea s p e c to fp r o j e c tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，b u ta l s of r o ms p e c i f i c h a r d w a r ed e s i g n ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ， s o f t w a r ec o d i n g ，d r i v e rd e v e l o p m e n lm o t i o nc o n t r o la n dp a t t e r nf i l ep r o c e s s i n g ，a n dm a n yo t h e ra s p e c t s i i a b s t r a c t t h ew o r ko ft h ep r o j e c th a s9 0 0 dr e f e r e n c ev a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h eh i g h - s p e e d ，h i 曲一g r a d e e m b r o i d e r ym a c h i n ed e v e l o p m e n t ，a n dh a sap o s i t i v ei m p a c to nu p g r a d i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s sw i t hf o r e i g n e n t e r p r i s e sf o rd o m e s t i ce m b r o i d e r ym a c h i n ei n d u s t r yi nt h eh i g h - e n dm a r k e t i tw i l li n d i r e c t l yi n c r e a s et h e n a t i o n a lb r a n dv a l u ea n dc h a n g et h es i t u a t i o ni no u rc o u n n yo fm o n o p o l yo fe m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l l e r p r o d u c t i o nb yf e wc o m p a n i e s ，a n de n h a n c eb e n i g ne f f e c t i v ec o m p e t i t i o n k e y w o r d s ：e m b r o i d e r ym a c h i n e ；a r m ；w i n c e 5 0 ；s t r e a md r i v e r ：$ 3 c 2 4 4 0 a ：m u l t i t h r e a d ； e m b r o i d e r yp a t t e r nf o r m a t 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含本人为获得江南 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谢意。 签名： e l 期：秒- ，字秒岁f 乞 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：动蕴 导师签名：锄张孤日 抄9 罗汐) ，砂 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 c i s m a 2 0 0 7 ( 2 0 0 7 中国国际缝制设备展览会) 于2 0 0 7 年9 月在上海新国际博览中心举行。以 “新形象搭国际平台，新技术促产业升级”为主题的c i s m a 2 0 0 7 有来自1 9 个国家和地区的1 2 7 7 家 企业参展，展会面积首次突破1 0 万平方米，规模超过德国科隆的i m b ( 国际服装生产技术和纺织 品加工博览会) ，进一步巩同了世界缝制设备第一大展的地位。三天半的展览，共接待米自9 6 个国 家和地区的专业观众4 3 万余人l 。 改革开放政策使得我国在上世纪9 0 年代，逐渐成为世界缝制设备生产和销售中心。随着我国 加入w t o ，中国缝制机械工业面临更多的机遇和挑战。 绣花机在缝制设备行业中占有极其重要的位置。在由平缝机、包缝机、绷缝机、封包机、锁眼 机、钉扣机、套结机、电脑绣花机、缭缝机、毛皮拼缝机、绣花机、编织机等4 0 多个品种组成的 缝制设备行业中，绣花机的产值占到约1 4 t 2 。 1 8 2 8 年j o s h u ah e i l m a n 生产出第一台手摇绣花机。1 9 7 7 年百灵达( b a r u d a n ) 研制生产了第一 台带电脑控制装置的多头绣花机【3 j 。1 9 8 8 年北京兴大豪科技开发有限公司( 原轻工部北京一轻所) 和青岛缝纫机厂共同研发生产出我国第一台电脑绣花机。1 9 9 8 年之后，国产电脑绣花机飞速发展 起来，整个市场以每年翻一番，甚至翻儿番的速度在增长着，绣花机控制系统经常脱销1 4 j 。到2 0 0 3 年生产企业数量超过3 0 0 家，年产量达到3 万台，出现了诸如北方天鸟、飞亚、飞跃、珠光、飞鹰、 盛名、鹰轮、富怡等一批绣花机知名生产企业。 2 0 0 3 年，我国绣花机的平均出口单价仅为7 6 0 美元。2 0 0 4 年起，我国绣花机产业旱现出良好 发展态势。至2 0 0 6 年，我国绣花机平均出口单价已上升至90 0 0 美元1 5 l 。 绣花机生产产量连年翻番。从1 9 9 8 年的年产量不足2 0 0 0 台猛增到2 0 0 5 年的8 万台；2 0 0 5 年， 我国绣花机出口额2 亿美元，是2 0 0 0 年绣花机出口额的1 1 8 倍。 然而，在绣花机行业发展的过程中也存在以下数据： 据海关统计：2 0 0 3 年，我国共进口了2 6 4 8 台电脑绣花机，金额达1 7 9 亿美元，进口金额比 2 0 0 2 年增长了4 8 1 6 。不难看出，国产绣花机数量大幅增加并没有能减少我国电脑绣花机的进口， 而且进口绣花机2 0 0 0 余台机器的产值相当于国产绣花机2 0 0 0 0 台的产值。2 0 0 3 年，我国绣花机出 口额约为6 0 0 0 万美元。这个数字还没能达到1 9 9 5 年才开始生产电脑绣花机的韩国日星s w f 一家 公司的出口总额。有数据表明，1 9 9 8 年，该公司产品正式开始出口，2 0 0 0 年出口额即达4 4 0 0 万美 元，2 0 0 3 年出口额为1 4 亿美元，成为仅次于田岛之后的第二大绣花机企业。 2 0 0 5 年，我国从欧洲地区进口了1 4 3 台电脑绣花机，金额高达到2 6 7 8 万美元，平均价格是1 8 万多美元，而我国多头电脑绣花机出口的平均价格也就9 0 0 0 美元左右，也就是说国内电脑绣花机 价格只有欧洲产品的1 2 0 。 2 0 0 7 年l 1 0 月，绣花机出口台数5 4 7 万，增长9 8 4 ，出口额为2 7 1 亿美元，同比增长7 2 i o j ， 产值的增长远远低于产量的增长。 以上数据的对比表明，虽然我国绣花机行业飞速发展，但是仍然存在很多的问题和不足。 1 首先是产品结构问题。随着中国服装产业结构升级步调的加快，近两年来，作为我国缝制设备 行业重要门类的绣花机行业发展迅速。据统计，在世界电脑刺绣机市场中，国产的绣花机已占到世 界总产量的7 0 ，几乎占据了中、低端市场。国产绣花机的产晶以中低档为主体的格局并没有什 么突破，国产绣花机单位价格比以前有上升，但是与国外机型相比还存在较人差距。 江南大学硕士学位论文 2 缺乏技术创新。由于种种原因，目前我国缝制机械行业市场产品同质现象很严重。在市场上， 大家卖的都是同一类型、同水平，甚至是极其相似的产品，产品缺乏必要的差异化特性，国产电 脑绣花机与国外同类机型相比较而言，在机械结构用材、加工精度、工艺水平和控制系统等方面还 存在着相当大的差距，大多数服装制造企业首选国外品牌。 这种严峻的市场形势促使我们必须迅速提高自主研发的能力，不断制造出高速度、高质量、多 功能、低噪音、易维护、节能环保的产品以满足市场的需求，以优良的性价比抢占缝制设备高端市 场。实验室的另一个课题中低速上业平绣绣花机项目的开发技术，方法和经验对于本课题的研 究与开发有很好的借鉴意义。 1 2国内外的研究现状 1 2 1 绣花机的发展现状 世界著名的绣花机生产企业有日本田岛机械( t a j i m a ) 、百灵达( b a r u d a n ) 、兄弟( b r o t h e r ) 和丰田( t o y o t a ) ；德国的百福( p f a f f ) 、蔡斯克( z s k ) ；韩国的日星( s w f e a s t ) ；美国美科( m e l c o ) 等。以上公司的绣花机产品代表着当今世界绣花机的最高水平。其中特别是日本的田岛机械、百灵 达和韩国的日星占据着绣花机的高端市场。 目前国内国外主要绣花机生产企业的代表机型及特点如表卜1 所示。 表卜1 主流绣花机机型及特点”耵 t a b 1 1t h ep r o d u c t sa n dt h e i rf e a t u r e so fm a i n s t r e a me m b r o i d e r ym a c h i n e s 公司机器型号针数头数刺绣范围速度特点 ( m mxm m ) ( s p m ) m e l c oa i 舱y a1 615 0 0 x 4 3 0 1 5 0 0业界最高速，网络控制， 最多颜色 b a r u d a nb e v t z 1 5 0 1 c b1 513 3 0 x 5 0 01 2 0 0单头 t a j i m a t f g n 一9 3 063 05 5 0 x 2 4 01 1 0 0 t o y o t oe s p 9 0 0 0 1 513 6 0 x 5 0 0 1 2 0 0高速，网络自由组合 z s kx c f1 81 5 - 3 5 01 51 83 5 0 x 6 3 0 01 0 0 0 人刺绣范围 s w fs w fd ms e r i e s1 565 0 0 x 4 5 01 5 0 0业界最岛速，多特种绣选件 富恰富怡1 2 0 0 转桥式 xxx 1 2 0 0 飞亚g g 1 2 1 51 21 5x1 0 0 0 飞跃 f y l 2 2 01 22 03 6 0 x 6 8 08 5 0 盛名s m p 4 0 1 2 1 24 0x 1 0 0 0 兴人豪b e c s c x 8 2 x 6 xxx1 2 0 0全伺服，单控制器 上工g g 7 2 9 a 一9 2 0 a 92 02 4 0 x 6 8 0 8 5 0 中捷 z j ( 一s m 3 ) 一c v 3 0 0 1 21 22 9 0 x 4 5 01 3 0 0国内最高速 注：x 表示相心数据朱知或有多种规格 从上表数据看出各大公司的高档绣花机的最高刺绣速度都在1 0 0 0 针每分钟以上，其中业界最 高刺绣速度为1 5 0 0 s p m ( s t i t c h e sp e rm i n u t e ) ，均为国外机型。目前m e l c o 的a m a y a 的稳定刺绣 速度已经达到1 5 0 0 s p m 。而国内的很多机器稳定速度基本在7 0 0 s p m 到1 0 0 0 s p m 针每分钟之间。 国内也有中捷的z j ( s m 3 ) - c v 3 0 0 机型最高转速达1 3 0 0 s p m 。国内虽然绣花机生产企业数目众多， 但是有技术实力开发绣花机控制器的除了北京兴人豪、深圳富怡、台州中捷外，其他绣花机人部分 绣花机厂商直接采用的其它公司生产的控制器，采取组装为主方式来生产绣花机。总体来说大豪控 2 第一章绪论 制器的水平是国内绣花机研发水平的代表。 1 2 2 绣花机的关键技术 绣花机是为了满足纺织服装领域批量、规模生产的需要，采用微控制器来实现的自动化的刺绣 设备，是当代最先进的绣花机械。它使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现 手t 绣花无法达到的“多层次、多功能、统一性和完美性”的要求。现代绣花机是随着电子技术、 计算机技术和精密机械技术而发展起来的高自动化、高生产效率的机、电技术相结合的刺绣设备纠。 绣花机的开发过程中存在以下述的一些关键技术。 电机驱动和伺服控制技术 主轴的转动和绣框的移动是绣花机完成刺绣的核心动作，所以驱动主轴和绣框的电机控制成为 整个绣花机技术的核心。 控制主轴和绣框运动的电机作为绣花机的执行机构，其好坏决定机器是否能按照人们设定的要 求正常工作；驱动器的品质决定了电机是否能精确执行电控指令，是否能在意外状况发生时自我保 护，并保障电机的止常上作。忠实、可靠的驱动器能最大限度保证绣晶质量，是换色、动框等指令 顺利执行的基本保证。 初期的绣花机主要使用滑差电机，其低成本和高可靠性得剑市场的广泛认可。但是由丁滑差电 机精度不高，现在该产品止逐步退出市场。后来的变频驱动器，采用全数字电机控制技术，针对主 轴的运动特点进行曲线优化，适用于各种机型，具有稳定运行的特点。随着变频技术的进一步提高， 变频驱动器有了很大改进，近年来伺服控制技术的提高，伺服产品被国内外客户所认可和接受。然 而现阶段机器所配备的国外品牌驱动器大都为通用伺服，价格偏高，人幅提升了绣花机的成本。参 数多、接线繁琐，更换某一系列则需要进行参数的重新设定和二次调试。供货时间和售后服务等成 为制约伺服驱动器火面积推广的重要因素。因此，具有独立知识产权的刺绣机主轴专用伺服驱动器 应运而生【10 1 。 绣框驱动的发展中，早期的五相电机驱动以其低损坏率，高稳定性而得到广泛使用。但其噪音 较大，精度较低，难以形成高质量的产品，所以现阶段绣花机的绣框驱动多采用步进电机。随着全 伺服系列的逐步推广，绣框驱动也逐渐采用伺服驱动器。增强抗干扰没计和与电控系统良好的兼容 性将成为此类产品的特点。静音设计体现了伺服电机的技术优势，能在高速绣作中保证高质量的绣 品，提高工厂的生产效率，全伺服系列将成为未来刺绣机市场的主力。 - 走线机构和线张力控制技术 绣花机所有的主轴和绣框动作控制的都是线的运动，在主轴和绣框电机动作精确无误的同时， 走线机构和线的松紧是顺利完成刺绣的关键之一，低的断线率和高的绣品质量需要好的走线机构和 线的松紧控制机构来保证，普通的绣花机对线的松紧控制是通过机械装置手动调整的，所以很难达 到最佳。新的高速绣花机，为了在高速下保持提高绣品的质量，都采用了新设计的走线机构和线松 紧自动控制装置【l1 1 1 2 。 _ 换色，剪线控制技术 自动换色和剪线控制装置，使得绣花机的生产效率进一步提升，换色机构的控制由微特电机逐 渐转到步进电机，以提高换色速度和精度。自动剪线的实现由电磁铁转到步进电机。 - 机架结构设计和工艺 机头的凸轮控制着绣针的上下动作，这是一般绣花机的主要噪声来源，新型的机头机构可以大 3 江南大学硕士学位论文 大的减少噪声，提高下针对平稳性。绣花机的框架由绣框电机经过皮带和齿轮等机械元件传动，势 必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，直线导轨驱动会解决这 些问题。 _ 辅助装置 各种辅助装置的装备如自动加油装置，自动更换底线装置，自动整匹绣装置，自动脚压调整等 将有利于提高机器使用的方便性，进一步提高平均刺绣速度。 - 特种绣技术 除了平绣，各种特种绣机器和混合绣机器成为新的市场增长点，各人绣花机生产企业都有自己 多个系列的绣花机产品线。更多的是在平绣机型上添加特种绣装置。如亮片绣、毛巾绣、激光绣、 雕孔绣、勾冷绣、水溶绣、盘带绣、绳线绣、花带绣、锯齿绣、镭射刺绣、锁链绣、贴片绣、珠片 绣、中空立体刺绣等。各种特种绣的出现对绣花机的控制提出了更高的要求【1 4 】。 - 网络技术 网络控制的好处毋庸置疑，相应的，具备网络支持成为高档绣花机的标准之一，生产和管理通 过网络集中到一起。强大的网络功能以及接近于0 的断线率、自动换色、自动剪线、自动润滑系统、 自动底线更换装置等先进技术融合在一起，使得生产所需的人力大大减少，生产效率大大提高。 软件设计技术 一台具备上述强人硬件功能的绣花机，还需要一套强大实用的控制软件来支持。对电机和外设 控制的优化，操作界面的美观实用，可维护性的简单方便等是一台高品质绣花机的必备要素。 1 3 课题的主要研究内容和意义 从绣花机的角度：绣花机作为一个整体，刺绣速度的提升除了采用更先进的伺服电机作为驱动 之外，对绣花机的各个方面包括精度，可靠性，噪音，送线装置，控制硬件设计，软件的效率等许 多方面都要有相应的考虑。高速绣花机的研究开发就是要从刺绣速度、运行噪声、产品品质、效率 和功能的多样性以及可升级性和可维护性等方面着手，不仅要提高刺绣速度以提高生产率，而且要 保证绣品的高质量，即保证单位产品的高价值，同时，刺绣过程中的噪声要尽可能降低，使操作者 有良好的工作环境。 从项目研究，软件工程的角度：课题的内容除了需求分析、c p u 选型、外围电路和接口设计、 原理图设计、p c b 制版、操作系统选型和移植、代码编写和调试、模块测试、整体测试等等具体的 工作；也包括市场分析、产品定位、开发计划、文档编写、项目规划、任务划分、进度安排等众多 的内涵。 本课题针对国产绣花机控制器存在的缺点和不足，设计一款高性能、高质量、价格合理、功能 丰富、具有升级能力和良好的可维护性的绣花机控制器，主要工作如下： 1 分析并深入理解绣花机的t 作原理和机械电气特性，特别是主轴、绣框、换色、扣线、剪 线和勾线等主要部分的原理和动作特点，熟悉各自的控制规则和信号要求。 2 在熟悉绣花机的构成原理以及控制要求的基础上，设计绣花机的主控制板以及各个辅控制 板，包括芯片选型，原理图设计，各种硬件资源的分配，接口定义等。 3 选择一款嵌入式实时操作系统，按照设计好的控制器硬件完成b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 的修改和移植，以及驱动程序的开发。 4 第一章绪论 4 根据绣花机开发丁作的特点以及所选操作系统的一般开发流程和方法，将绣花机项目的开 发任务划分为若干子模块和任务，制定相关的开发计划和进度安排。 5 制定开发规范和开发文档要求，确保软件的开发按要求顺利进行。 6 设计一种内部花样格式，以实现绣花机对多花样格式支持的处理并简化软件设计。 7 基于面向对象的思想来设计绣花机的软件架构，将绣花机的软件开发划分成层次结构和模 块化的结构。定义好各个层次和模块之间的接口，并根据需求完成软件的开发。 8 各个模块的编码，调试和测试工作。 本项目的研究和开发t 作将对高速高端绣花机的开发具有很好的借鉴意义，以期打破国际品牌 的绣花机占据高端市场，国产绣花机以中低端为主的市场结构，改变绣花机行业“m a d ei nc h i n a ” 为f 氐价低质的代名词的现状，提升国产品牌的竞争力，以及少数主要几家有技术实力的绣花机控制 器生产企业的对国内市场的垄断局面。 5 江南大# 硕l 学位论女 第二章需求分析与项目规划 2 1 绣花机的原理与构成 绣花机作为一种重要的缝制设备，是集计算机技术、电子技术、机械加l 技术丁一体的高度自 动化的刺绣设备。两款常见的绣花机如图2 _ l 和2 - 2 所示。按照机头的多少来分，可分为单头机和 多头机( 2 - 5 6 头) ；以每一头所含机针的多少来分，可分为单针和多针( 1 1 6 针) ：以送料绷架形式 可分为板式和筒式：以绣花所用线迹的形式分为锁式线迹( 3 0 1 线迹) 与链式线迹( 1 0 i 线迹) 。根据所 能刺绣的花样特点可咀分为：平绣，亮片绣，毛1 1 j 绣，激光绣，雕孔绣，勾冷绣，水i 存绣盘带绣、 绳线绣、花带绣、锯齿绣、镭射自u 绣、锁链绣、贴片绣、珠片绣、中空立体刺绣等等“q i l 。 圈2 - 1b r o t h e r 单女6 针商月绣花机p r 6 0 0 f i g2 - 】b r o t h e rp r 6 0 06n e e d l e s c i a le m b r o i d cr ym a t h i l e 圈2 - 2 字；* 9 计i 垮花机 f i g2 2m u l t i - h e a d9a e e d l e 0i f l d g s tr i i le 曲r o i c l er ym c h i n e 第二章需求分析与项目规划 绣花机是以微处理器控制的多轴数控系统，控制着x 及y 方向的两个步进电机带动t 作台( 即 绣框) 作平面运动，同时监视检测使针进行上下运动的主轴电机的回转，从而对x - y 工作台及针的 摆动完成间断运动的控制，同时换色电机带动换色箱内的若干针杆左右运动直至当前需要刺绣的针 杆处于正确位置。 绣花机主要由主轴电机，x 轴步进电机，y 轴步进电机，换色电机作为驱动。绣花机控制器控 制各个电机相互配合动作，加上机头，配合机头电磁铁以及相关的传动机构带动绣针上下往复运动 完成刺绣工作。另有行程开关，断线检测装置，霍尔检测元件，光电编码器，l c d 显示控制面板， 译码板等完成其他相应功能1 1 7 l i s lo 绣花机的构成如图2 3 所示。 图2 - 3 绣花机主要构成部件 f i g 2 - 3t h em a i nc o m p o n e n t so fe m b r o i d e r ym a c h i n e 7 江南人学硕上学位论文 2 2项目需求 一个项目的开展必须有明确的项目需求，对于绣花机控制器项目而言，其项目需求就是所研发 出来的绣花机控制器具体具有哪些功能和特性，这些功能和特性不仅决定着最后产品的形态，对于 项目开发初期的芯片选犁，硬件设计，操作系统选择，项目规划以及整个开发过程都具有重要的指 导意义。本文的项目的需求如下： 1 机头数：l n 头 2 机器针数：n 针 3 最大转速： = 1 0 0 0s p m ( s t i t c h e sp e rm i n u t e s ) 4 支持花样格式：d s t d s b 5 显示屏：6 4 0 * 4 8 0t f tl c d 6 输入方式：按键+ 触摸屏 7 断电保护功能：即开机后自动提醒是否恢复断电前的状态继续刺绣 8 自动剪线功能 9 断线检测 1 0 机器输入电压：a c2 2 0 v 1 1 语言可选择：中英文切换 1 2 自动换色手动换色功能 1 3 具有u s b 接口，具有u s bh o s t 功能，可u s b 设备中读取花样文件 1 4 支持屏幕编辑 1 5 具有在屏帮助文档 1 6 预留特种绣接口 1 7 其他一般绣花机必须具备的空走，回退，补绣等基本功能和特性 这些项目需求条目，有的决定着硬件设计，如1 0 对输入电压的要求和1 6 预留特种绣接e l 等； 有的影响着软件设计和规划，如1 和2 支持灵活的机头数和机器针数等。 2 3 处理器选择 2 3 1 处理器选型依据 以前和目前市场上的绣花机多采用1 6 位甚至8 位的单片机作为主控制器，或者采用低端的 a r m 7 处理器，随着对绣花机品质要求的提高，以及绣花机本身功能的进一步完善和丰富，如u s b 接口，网络应用，多机协作，花样在屏编辑和处理等，即使主频在6 0 m h z 左右的a r m 7 都是无法 胜任的，更不用说1 6 位或8 位的单片机。所以前一节的项目需求以及以后绣花机升级扩展的需要， 绣花机的研发，首先要选择一款性能强劲，价格合理，能在适当的产品周期内满足今后产品的升级 需求的处理器作为主控制器。 冈为8 1 6 位微控制器一般只能使用成本较高的s r a m 作为数据存储器。许多3 2 位微控制器都 可以使用同步( s ) d r a m ，因此可极大地降低使用更大容鼍数据存储器的成本。此外除了处理应用 控制功能之外，对互联网接入的应用在m c u 运行t c p i p 或其他通信协议的情况下，要求系统建立 在r t o s 上就必然成为一种现实需求。它们对计算性能的要求及存储器容量的需求都超出绝大多数 8 位微控制器能提供的范围。此外，由于i t 技术发展的推动，随着高端3 2 位c p u 价格的不断下降 和开发环境的成熟以及第三方的开发上具支持的不断增加，开发上具的价格在逐步降低，另一方面 技术供应商在不断提高开发丁具的灵活性和智能化程度，开发环境不断改善。 8 第二章需求分析与项目规划 2 3 2a r m 的特点 3 2 位处理器有着众多的架构和产品，包括a r m ，m i p s ，s h ，p o w e r p c 等。但是，其中a r m 由于出色的性能，超低的功耗，合适的价格等各方面的因素成为绣花机处理器的首选。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【1 9 】： - 体积小、低功耗、低成本、高性能； - 支持t h u m b ( 1 6 位) a l w ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： 大量使用寄存器，指令执行速度更快； - 大多数数据操作都在寄存器中完成； - 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 a r m 处理器包括若干系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 e 、a r m l l 、c o r t e x 、s e c u r c o r e 和o p t i m o d e 。 a r m 7 和a r m 9 在市场上的应用最多，a r m l 0 和a r m l l 以及c o r t e x 的应用刚刚开始，s e c u r e c o r e 和o p t i m o d e 主要用在特殊领域。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特剧2 0 j ： 3 2 位r i s c 架构，指令执行效率更高； 一 5 级流水线，提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集： 工业标准的a m b a 总线接口； - 全性能的m m u ，支持s y m b i a n 、w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种嵌入式操作系统； _ 集成数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力； - 优秀的调试支持，包含e t m 接口。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 等类型，以适用于不同的应用场 合。主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机 等。 通过比较3 款常见工业级a r