（电工理论与新技术专业论文）基于多处理器的剑杆织机控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do ft e x t i l em a c h i n e si nc h i n a , t h er a p i e rl o o ma sak i n do fl a t e r e x p l o i t a t i o nb u tf a s td e v e l o p m e n t a n dp r e s e n t l yw i d e s ta p p l i c a t i o nl o o mi san e w l o o m i nt h ee x p l o i t a t i o no ft h er a p i e rl o o m ，t h ed e s i g no fi t sc o n t r o ls y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t u s i n gh i 曲i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i cl e t - o f fa n d e l e c t r o n i ct a k e u pi sa ni n t e r n a t i o n a lt r e n di ns e v e r a l y e a r s t h ec o n t r o ls y s t e mo fr a p i e rl o o mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n t o ft e x t i l e m a c h i n e s ，a l o o m s y s t e m c o n t r o l l e d b y s e v e r a l m i c r o p r o c e s s o r s i sr a i s e d f o r m e d b y s e v e r a li n t e r f a c e s ，t h i sc o n t r o l s y s t e m c o n s i s t so ft w o8 - b i tm i c r o p r o c e s s o r sa n dt w o3 2 一b i tm i c r o p r o c e s s o r sa sh a r dc o r e i tc a nc o n t r o lt h eo p e r a t i o no fl o o mb yf o u rm i c r o p r o c e s s o r sw o r k i n g h a r m o n i o u s l y t h em a i nt r a i to ft h i sc o n t r o ls y s t e mi sh i g h s p e e da n da c c u r a t e c o n t r 0 1 d u r i n gt h el o o mw o r k i n g ，t h es u p e r v i s o r ys y s t e mo f l o o mi sv i t a l t h ei n t e r f a c e s o ft h i ss u p e r v i s o r ys y s t e mh a v eb e e nn o to n l yd e s i g n e db u ta l s oc o m p l e t e di nt h i s p a p e r am e t h o do f t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fa n de l e c t r o n i ct a k e - u ps y s t e mi sb r o u 。g h t f o r w a r d t h en e wm e t h o du t i l i z e sb r u s h l e s sd cm o t o r st oc o m p l e t ee l e c t r o n i cl e t - o f f a n de l e c t r o n i ct a k e u pm o t i o ns y n c h r o n o u s l yu n d e r3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o rm c 6 8 3 31 i tc a na s s u r ei n v a r i a b l ew a r pt e n s i o na n db e t t e rs y n c h r o n o u sl o o m c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sm e t h o dc a nr e d u c el o o mm e c h a n i s ma n dc a nm a k el o o m m o t i o nb e t t e rs y n c h r o n i z a t i o na n dh i g ha u t o i m m u n i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o l s y s t e m o fw a r pt e n s i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s y s t e m s a r e a n a l y z e d t h o r o u g h l y t h ei n t e r f a c e so ft a k e - u pm o t o ra n dl e t - o f fm o t o rc o d e r sa n dp e r i p h e r a l m e m o r y a r c d e s i g n e d i na d d i t i o n ，i n t h i st h e s i sw ea l s or e s o l v e s y s t e m a t i c a n t i - i n t e r f e r e n c eq u e s t i o n s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s r a p i e rl o o mm i c r o p r o c e s s o r s u p e r v i s o r y e l e c t r o n i cl e t o f f a n de l e c t r o n i ct a k e u p w a r pt e n s i o n 第l l页 西北工业大学硕t 学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在改革开放后的二十多年间，我国纺织机械行业得到了举世瞩目的快速发 展，为中国纺织工业做出了重大贡献，但是自9 0 年代中期以来，由于国外大量 纺织机械涌入我国，我国纺织机械行业却陷入了前所未有的困境之中，许多企 业举步维艰，而没有能力研发自己的纺织机械产品。目前我国纺织机械及器材行 业共有数千家企业，数量不少，但能生产与国际先进水平相抗衡产品的企业几乎 没有。我国纺织机械企业规模偏小、产品集中，从而造成各个小型企业技术力量 薄弱、原材料分散、低水平重复建设、竞相压价销售、缺乏竞争力等种种弊端。 我国纺织机械产业情况主要表现在： ( 1 ) 创新意识淡薄，对产品研究和开发投入不足及措施不力，人才缺乏， 以致造成产品缺少与国外相抗衡的竞争力。 ( 2 ) 由于产业缺少整体共识，国内纺织及其机械产业的“趋同化”现象十 分严重，造成了低水平产品一哄而上，无序竞争，影响到产业整体竞争力。 ( 3 ) 国内纺织行业对国产纺织机械需求，两者存在差异，同时技术人员流 动性相对提升使得在专业人才培训上更显困难，入世后，外来竞争压力加大【“。 随着计算机技术和i c 技术的迅猛发展，纺织机械行业进行了一次翻天覆地 的大革命。国家下决心关闭了一批落后企业，同时对部分企业进行了改制和革 新从而也诞生了许多新兴企业。尽管如此，我国的纺织行业和国外相比，仍 然处于落后地位，目前，较高档的纺织机还靠进口。要改变这种现状，提高国 产纺织机的自动化程度，急需投入科技力量进行研发。 纺织机是机电一体化程度很高的产品。它集机械科学、电力电予技术、计 算机科学技术及软件工程等学科与一体。现代新型纺织机械的开发设计都采用 现代先进的电器、电子和计算机技术包括人机对话、在线控制等。制造满足用 户需求的高速、高效、高技术含量的新设备，不但为用户节省人力、物力、财 力，提高成纱的质量，而且提高用户的经济效益和竞争力。鉴于此，本课题选 第1 硬 西北工业人学硕1 1 学位论文 择了剑杆织机微处理器控制系统作为研究方向。 1 2 剑杆织机发展趋势 在现代纺织工业中，用新型织机替代有梭织机是发展织机工业的重要课题。 剑杆织机是无梭织机中适用性最强、使用最多的一种织机。近几年来，国际上 的剑杆织机的发展趋势可以概括为：高速化、智能化、高可靠性和多样性，以 适应纺织物小批量、多品种和高质量的需要【2 。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 计算机技术的应用：剑杆织机技术具有革命性的发展是原动力技术的 发展。与计算机技术相关联的自动控制技术的发展，使织机的原动力技术有了 根本性的变化，加上无刷直流电机、步进电机等的应用，可使织机的速率在较 大的范围内变化，以适应各种纱线和织物织造技术的要求。 ( 2 ) 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改进，例如受控的纬纱张力器的应用，使引纬变成更积极 的过程，这样减少了纬纱的应力，使现代化的剑杆织造技术更适用于纤细、无 捻以及更易受损的纬纱。 ( 3 ) 送经卷取系统的改进：送经装置和卷取装置均为单独传动，并应用微 电脑和电子耦合技术，可随时调整织机在运转过程中经线的张力和纬纱密度， 确保织物的优质化【3 】。 ( 4 ) 自动处理断纬技术：通过断纬自动处理装置，减少织机停台时间，提 高织造的有效率。 我国剑杆织机研究工作起步较晚，织机机电一体化产品产量少而且面窄， 总体设计水平不高，特别是在自动化控制方面与国外先进水平还有相当大的差 距，国内的高档剑杆织机市场主要被国外织机占有。国产剑杆织机如何加强电 子技术的应用，提高产品质量和竞争力，降低劳动强度提高劳动生产率，是 我国织机的一个主要的问题和发展方向。目前，采用计算机控制，实现人机对 话，完成各种控制功能，是高档剑杆织机的标志和发展趋势。而送经卷取系统 作为新型织机的通用性的运动装簧，对提高剑杆织机的织造速度和运转效率， 改善织物质量，具有重要意义。 第2 页 两i l i 业大学坝 学位论文 1 3 织机电子送经，电子卷取发展趋势 1 3 1 织机电子送经技术发展趋势 电子送经具有系统结构简单、品种适应范围广、操作方便、能稳定经纱张 力的特点。与传统的机械式送经装置相比。电子送经的优点主要表现在： ( 1 ) 机械张力感测机构传动路线长、误差大，且自身质量大，而电子送经 的张力传感系统响应速度快，张力调节灵敏度及精度高，因而张力能有效地控 制在合理的范围内。 ( 2 ) 由于送经电机与主电机的运动相互独立，故联动反转机构较为简单， 送经电机由微机控制，可根据不同的上机品种进行自动寻纬及防开车挡方式的 设定。 ( 3 ) 在电子送经系统中，张力的设定、送经方式、灵敏度及送经时间的设 定。手动经纱张力的调节等都比机械式送经方便。各种送经状态信息都能在显 示屏上以机器代码或文字的方式得以及时了解，便于调节和维护i ”。 早期的电子送经装置的控制系统有模拟电路、模拟数字混合电路和数字电 路三种型式。模拟电路速度快，但精度低，缺乏逻辑判断功能及信息储存功能， 自动化程度低。数字电路精度高逻辑判断功能强、参数设置比较方便。随着计 算机技术的发展，织机电子送经控制系统已向微机控制的数字电路发展。目前， 国内外的电子送经控制系统都采用微处理器控制，较多采用b 位微处理器或1 6 位微处理器a 国内开发的电子送经装置一般采用8 位微处理器。今后开发国产 电子送经装置时，控制系统应采用1 6 位微处理器或3 2 位微处理器，这样便于 电子送经装置的功能进一步提高，满足高档织机的要求 5 】q 1 3 2 织机电子卷取技术发展趋势 卷取装置是织机连续织造的重要机构之一，它负责将织成的织物引离织物 形成区，实现要求的织物纬密。长期以来。卷取装置的功能一直局限于稳定及 连续均匀的引出织物，形成织物稳定的纬密。8 0 年代中期开始，随着织机电子 第3 页 西北工业大学硕_ ! l = 掌位论文 化装置的发展，出现了电子控制的卷取装置。与传统的机械式卷取装嚣相比， 电子卷取装置具有以下两个明显的特点： ( 1 ) 织物纬密变化实现了自动设定。变换织物纬密无需更换纬密齿轮，只 需通过计算机或控制装置的键盘直接设定所需的纬密。而且纬密变化范围大、 级差小，增强了织机的品种适应性。 ( 2 ) 织造过程中机上的纬密可任意调整，这是电子卷取装置最明显、最重 要的特点。纬密可以在织造的过程中随时变化，使得配置电子卷取装置的织机 能够生产出许多配置机械式卷取装置的织机无法生产的纬密变化产品【6 】。 电子卷取与电子送经相配合，可以有效地、更容易地消除开车痕，提高织 物品质。如意大利s o m e tt h e m ae x c e l 剑杆织机设置了了独特的电子送经和电 子卷取的同步电子联结器，联结器的作用时电子送经与电子卷取协调同步，保 证在运转中具有最精密的纬密和恒定的经纱张力，最大限度地避免了开车痕。 日本丰田j a t 6 0 0 喷气织机配置了交流伺服电动机驱动的变纬密卷取装置。该装 置可以通过控制器的键盘和显示器方便地设置纬密以及不同纬密下的纬序，并 且可以输入1 0 0 种不同的纬密。1 9 9 3 年我国研制出h y s l 型电子卷取装置， 该电子卷取装置的控制系统采用i n t e l 8 0 9 8 微处理器，控制步进电机驱动卷取 辊转动，实现所需的纬密。织物的纬密数据可直接在控制器上输入。h y s 一1 型 电子卷取装置可实现的纬密范围为3 0 7 5 0 根l o c m ，最大纬密循环为1 5 0 0 根。 我国的电子送经和电子卷取技术与国外相比有较大的差距。国产高档剑杆 织机的电子送经从国外引进，价格昂贵。虽然我国少数厂家开发了用于中档织 机的电子送经装置，但许多技术有待改进和完善。今后开发电子送经装置时， 控制系统应采用1 6 位或3 2 位微处理器，用拉力传感器检测经纱张力。通过微 机控制交流伺服电动机、步进电动机或无刷直流电动机驱动织轴。另外，电子 送经和电子卷取应该同时开发，这样更容易消除开车痕，开发变纬密产品。 1 4 微处理器控制系统概述 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 技术的发展为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。微处理器在工业自动化领域的应用，大体经历了实验阶 第4 页 西北_ 业大学硕上学位论文 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。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。设计要求主 要包括以下三个方面： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 可靠性要高。这是微处理器系统设计的一个基本要求。否则系统出现 故障时，将使整个生产过程混乱，引起严重后果。微处理器系统通常采用以下 两种方法提高系统的可靠性： 采用双机系统。用两台微处理器作为控制系统核心控制器。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有三种：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 自动切换到备份机运行；2 ) 主从机方式：两台微处理器都投入运行，台承担 整个系统的主要控皋任务，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。 采用多处理器控制系统，即集散控制系统。它是分级分布式控制方案， 用多台以微处理器为核心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时其影响只是局部的。 提高了系统可靠性。 第5 页 西北工业犬学硕士学位论文 1 5 剑杆织机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。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，设计剑杆织机微处理器控制系统结构框图如下。 图1 1系统结构框图 本织机采用多处理器控制系统，该系统由两片8 位、两片3 2 位的嵌入式微 处理器及若干接口电路构成由四个微处理器协同工作实现其整个控制过程， 其主要的特点表现在速度快，控制精度高。其中主控制器m c u 上的两片微处 理器z 8 4 c l s 担任上位机角色，负责和以上各处理器进行通信，协调各处理器 工作：两片微处理器z 8 4 c 1 5 还有主从之分，分别执行不同的控制动作，实现 织机选纬纬纱检测、电子多臂及报警监澳9 等功能。而电子送经，电子卷取控制 系统中微处理器m c 6 8 3 3 l 负责对织机的送经卷取动作进行控制，显示控制器 o p t 中的微处理器m c 6 8 3 3 l 负责进行纺织图案的编制、存储与传送，并可以 进行织机工作参数设置、数据统计、生产管理等工作。 第6 页 西北工业人学硕l 学位论义 1 6 论文主要工作及结构安排 在杆织机电气控制系统的设计中，作者参与了故障监控系统和电子送经 电子卷取控制系统硬件电路的设计，并对故障监控系统进行了调试，达到了预 期的效果。 论文结构安排如下： 第二章：故障监控系统设计。织机故障监控系统是对织机进行实时监控并做出 相应的响应的系统，微处理器把检测到的织机运行状态和织机电气控 制系统工作状态通过接口电路输出，异常报警。本章着重介绍织机故 障监控系统接d 电路原理与实现。 第三章：故障监控系统调试。主要介绍故障监控系统的静态调试和动态调试。 第四章：电子送经电子卷取控制系统设计。在电子送经电子卷取控制系统中， 通过将控制参数输入到系统中，由张力传感器检测经纱张力，3 2 位微 处理器m c 6 8 3 3 1 控制送经电机来调节经纱的送出量，使经纱上机张力 始终保持在预先设定的张力调节的范围内，从而减少了影响织物质量 的因素，通过使卷取电机与送经电机联动，保证织物纬密正确，并通 过补偿参数设定可积极有效的防止开车痕。本章着重介绍了经纱张力 控制系统的设计：此外，还介绍了送经电机卷取电机编码器接口电路 的设计、系统通信和存储器扩展设计。 第五章：抗干扰设计。主要分析了系统的干扰源、介绍了硬件抗干扰和印制 板电路的布线方法。 第7 页 西北1 二业大学硕t 学位论义 第二章故障监控系统设计 2 1 引言 在织机运行过程中，需要实时监控织机的运行状态并做出相应的响应。织 机故障监控系统的任务就是对织机进行实时监控，该故障监控系统是以微处理 器z 8 4 c 1 5 为核心的总线式监控系统，微处理器把检测到的织机运行状态和织机 电气控制系统工作状态的信息通过接口电路输出显示、异常报警。由于织机的 故障点很多因而微处理器的信息量大，要求接口电路数据传输快。根据系统 要求，总线式监控系统的数据传输采用并行方式，并行传送是将多位数据在多 条数据线上同时传送，传送速度快。由于织机故障监控系统是基于z 8 4 c 15 的控 制系统，所以简单介绍一下微处理器z 8 4 c 1 5 。 2 2 微处理器z 8 4 c 1 5 简介 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 以及配套系列芯片如z 8 0c t c ( 计数器定时电路) 、z 8 0p i o ( 并 行输入输出口) 、z 8 0s i o ( 串行输入输出口) 等。进入9 0 年代后，z i l o g 公司 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，z 8 4 系列产品具有 综合的优势。例如，在完成大数据量吞吐、采集和处理等重要任务方面，单片 机较难胜任，而使用i b mp c 机在性能价格比方面又未必理想，这种情况下采用 z 8 4 系列产品就显得很合适。 z 8 4 系列中的各项产品的内核是水平更高的z 8 0c p u 。按不同的应用需求， z 8 4 系列产品在统一芯片内除新型z 8 0c p u 外，还集成了诸如c g c ( 时钟产生控 制器) 、p i a ( 并行接口适配器) 、d m a ( 直接存贮器存取) 、s c c ( 串行通信控制 器) 、w d t ( 看门狗定时器) 、c t c 、p i o 以及s i o 等门类繁多的不同模块。 本系统选用的z 8 4 c 1 5 是z 8 4 系列中的种微处理器，其工作频率为6 m h z 、 1 0 m h z 或1 6 m h z ，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、两路片选信号、e v 功能以及3 2 位c r c ( 循环冗余 第8 页 西北工业人学硕上学位论文 检测) 功能。 2 3 织机故障监控系统组成 织机故障监控系统接口电路由两部分组成：一是监控织机运行状态的故障 指示接口电路；二是监控织机运行状态的报警接口电路。织机故障监控系统结 构框图如下图所示。作者所设计的是监控织机运行状态的故障指示接口电路( 框 图1 ) 和报警接口电路( 框图2 ) 。 l 1 2 图2 1织机故障监控系统结构框图 2 4 故障指示接口电路设计 为了清楚了解织机的运行状态，在电控柜的顶部安装一组指示灯。由于指 示灯需要2 4 v d c 的电压来控制，而微处理器系统输出的开关量大都是t t l ( 或 c m o s ) 电平，因此需加电平转换，才能驱动指示灯。另一方面，指示灯会产生 很强的电磁干扰信号，如不加隔离可能会使织机微处理器控制系统造成误动作 或损坏。因此，在接口处理中一要放大，二要隔离，这是指示灯控制中必须认 真考虑并设法解决的问题 8 】。下面主要介绍隔离技术。 第9 砸 西北t 业大学硕士学位论文 2 4 1 光电隔离技术 信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测 控装置与现场仅保持信号联系，但不发生电的联系。隔离的实质是把引进的干 扰通道切断，从而达到隔离现场的目的。常用的隔离方式有光电隔离、变压器 隔离、继电器隔离等。指示灯接口电路采用的是光电隔离技术，光信号的传送 不受电场、磁场的干扰，可以有效的隔离电信号。 光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端 配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光 电耦合器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干 扰脉冲都被挡在输入回路的- - n 。光电耦合器具有较高的电气隔离和抗干扰能 力。具体原因分析如下： ( 1 ) 光电耦合器输入阻抗很低( 为i o o q i ko ) ，而干扰源内阻一般都 很大( i 0 1 0 6 q ) 。按照分压原理，传输到光电耦合器输入端的干扰电压很小。 ( 2 ) 由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压， 但可供出的能量却很小只能形成微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只 有通过一定的电流才能发光，因此，即使电压幅值很大的干扰，由于没有足够 的能量，也不能使二极管发光，干扰被抑制掉了。 ( 3 ) 光电耦合器的输入与输出间的电容很小( 为0 5 2 p f ) 。绝缘电阻又 非常大( 1 0 ”l o 嵋q ) ，因而被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统中去。 ( 4 ) 光电耦合器的光电耦合部分在密封的管壳内进行，不受外界光干扰【9 1 。 利用光电耦合器实现输出端通道隔离时，被隔离通道两侧必须单独使用各 自的电源，即用于驱动发光二极管的电源和与驱动光敏三极管的电源不应是共 地的电源，对于隔离后的输出通道必须单独供电，否则，如果使用同一电源， 外部干扰信号可能通过电源串到系统中来，就失去了隔离的意义。 2 4 2 元器件选用原则 元件选用是电路设计中十分重要的问题。电路中硬件故障大都直接以元器 第1 0 页 翌! ! 三些盔兰堡主兰垡堡兰 件的各种损坏方式表现出来。其损坏原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不 少是选用不当或使用不当所致。比如在电路设计时给元器件所加的负荷超过额 定值，或是对元器件的失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等。在选用各 类元器件时应主要考虑以下原刚： ( 1 ) 必须对所使用的元器件品种、规格、型号和生产厂家进行比价，并判 定出优选元器件清单。最好做到定点供应。 ( 2 ) 根据电路性能参数的要求选用元器件。电路的使用条件不得超过元器 件的电气与环境条件的额定值。 ( 3 ) 尽可能压缩品种、规格，以提高元器件的复用率。 ( 4 ) 除特殊情况外，所有元器件均应该经过“可靠性”筛选方可使用】。 2 4 3 故障指示电路功能设计 当织机运行时，现场操作人员可根据指示灯的指示来判断织机的运行情况 并做出相应处理。该组指示灯有白色、兰色、橙色、红色和绿色。其中红色指 示灯亮时，表示织机遇到不可修复的机械及织造故障；绿色指示灯亮时，表示 开机：其他颜色的指示灯需要指示的信息和相应的灯组合如表2 1 所示。 表2 1指示灯需要指示的信息和相应的灯组合 需要指示的信息白色灯黄色灯蓝色灯 断经停车。不能开车灭亮灭 断纬停车灭灭亮 织机开始扶主计算机接收一个程序亮灭亮 完成预设产量不能开车亮灭灭 完成预定产量，但织机不停亮亮灭 错误状态停车，不能开车灭亮亮 因纬纱用完停车灭亮亮 正常开车灭灭灭 第1 1 页 西北工业大学硕_ j 学位论文 2 4 4 故障指示接口电路设计 故障指示接口电路如图2 2 所示。 o c l q 一享二旨! i 5 i qme l o u t = 2 p s 2 5 0 1 。，、 l i c u 匦d 啦 2 q d 021 7 。 | | 。在赢高五亨一= 1 d 3 q 一珂t l n d 13 2 d 1 6 一 i 一 。 d 24 4 q 3 d 1 3 3515+24c 1 7 4 d 5 q h 卜1 oo l a f d d6 叫旦“i 臣熹妒 v - m 2 ”o m l l 5 d 6 q d 57 6 d d 68 7 d 7 q 2g c 2 1、d 79 8 d 。 书 s q旦 i | 丽呵广2 图2 2 故障指不接口电路 故障指示接口电路中的电平转换开关采用l m l 9 5 1 t 。l m l 9 5 1 t 是一种高电 流、高电压，具有一个内置的故障保护电路的高速( 达5 0 k h z ) 智能开关，其 内部原理如图2 3 所示。l m l 9 5 1 t 可以提供l a 输出电流并且能够经受8 5 v 的瞬时电压。它提供下列故障保护并有故障指示输出：输出端对地短路或对正 极电源短路、负载开路，过流、过电压、超温。适用于对阻性和感性负载驱动， 使感性负载图快速放电，输入控制端t t l c m o s 兼容，有e s d ( 防静电) 保 护【1 2 】。l m l 9 5 1 t 的状态真值表如表2 2 。 o i _ v o i p fo u t p 廿t嘏 晾 正常 域电压 躺 辅出对地挝路 辅出融芷悯 麟 雌 障藏 表2 2l m l 9 5 1 t 的状态真值表2 3 l m i g s i t 内部原理图 第1 2 页 西北r 业大学硕士学位论义 下面以绿色指示灯为例，说明接口电路的工作原理： 当织机开机时，端口地址译码信号为高电平脉冲信号，该地址译码信号使 锁存器7 4 h c 5 7 4 的时钟c l k 为上升沿，主控制器m c u 中的微处理器z 8 4 c 1 5 的数 据总线的状态被锁存入7 4 h c 5 7 4 中。当m c u 中的z 8 4 c 1 5 从p a 7 发出个低电平 信号时，锁存器7 4 h c 5 7 4 的“输出控制”o c 端为低电平，锁存器导通。当数 据总线d 5 为高电平时，光电耦合器0 c 5 1 导通，光敏三极管发射极输出高电平， l m l 9 5 1 t 开关闭合，使绿色指示灯发光，这样就达到了在织机开机时绿色指示灯 亮的要求。 电路的参数设计如下： ( 1 ) 电阻r n 7 设计 r n 7 在电路中主要起限制电流的作用，以免在非正常信号输入时损坏光电 耦合器。光电耦合器可选用p s 2 5 0 1 ，它的有关参数如下： 输出特性：输出端额定电流i c 为2 r g a ；集电极最大电流i c m 为5 0 m a ； 暗电流i c e o 为0 1ua ；反向击穿电压v c e o 为8 0 v ：饱和压降v c e ( s a t ) 为o 3 v 。 输入特性：最大正向电流i f 为8 0 m a ：正向电压v f 为1 1 7 v ；反向电压 v r 为6 v 。 传输特性：电流传输比c t r 为8 0 6 0 0 。 隔离特性：隔离电压b v 为5 0 0 0 v ：隔离电阻r i c 为1 0 1 1 q ； 隔离电容c 【c 为0 5 p 【1 3 】 考虑光电耦合的电流传输比c t r = 8 0 6 0 0 ：为了避免初级的发光二极 管电流过大选取光敏三极管的饱和电流1 2 = l m a 。由于发光二极管发光时， 光敏三极管的饱和电流1 2 = l m h ，则要求发光二极管电流i i 为： t 1 2 1 1 一c t r 其中c t r 是传输比，c t r = 8 0 6 0 0 。 取c t r = 8 0 则有i i ： i i ：l m a ：i 2 5 m a 0 8 规定数据总线d 5 的高电平v o h 为+ 5 v ，发光二极管的正向电压vf 为1 1 7 v ，发 第1 3 页 堕苎三些查兰婴主兰些堡苎 光二极管最大正向电流为8 0 m a ，从而可求出： 邮= 篙一。0 6 彻 r 。= 、( 5 - - 石1 i 1 7 ) v = 4 8 q 为了使发光二极管工作性能稳定和使光敏三极管充分饱和，在4 8 q 3 0 6 4 k q 的阻值范围内，选择r n 7 的标称阻值为4 7 0 q 。由于对该电阻阻值要 求不是很严格，选取电阻r n 7 的精度为5 ，功率为1 4 w 。在以后电阻设计中， 如果没有特别指出。默认电阻的精度为5 ，功率为1 4 w 。 ( 2 ) 电阻r 1 5 的设计 当光电耦合器处于导通状态时，光敏三极管上的电流不能超过最大集电极 电流，否则光敏三极管会被损坏，因此需要串联电阻r 1 3 限制光敏三极管上的 电流：当光电耦合器处于截止状态时，通过电阻r 1 3 释放光敏三极管上聚集的 电衙，缩短了光敏三极管的导通时间。 光敏三极管的饱和压降v c e ( s a t ) 蔓t j0 3 v ，集电极最大电流i c m 为5 0 m a ， 从 而可求出： r n l 3 m “= 1 ( 2 4 石- i 0 3 ) v = 4 7 4 q r n l 3 。：( z 4 - o 3 ) v ：2 3 7 k q l m a 在4 7 4 q 2 3 。7 k q 的阻值范围内，选择r n 7 的标称阻值为4 7 0 q 。 ( 3 ) 电容c 1 6 和c 2 0 的设计 数字电路除了地线阻抗外，还存在电源线的阻抗问题。当数字电路受高速 跳变的电流作用时，也将产生阻抗噪声。解决问题的有效措施时设置合适的去 耦电容。去耦电容一方面提供和吸收集成电路开门关门瞬间的充放电能量，另 一方面旁路掉该器件的高频噪声。在满足跳变电流和允许电压的前提下，去耦 电容容量越小越好州，在本电路中c 1 6 和c 2 0 就是去耦电容，设置c 1 6 和c 2 0 的容量为经验值0 0 1 斗f 。c 1 6 的型号应该选用多层片状独石电容为最佳，它具 有电容量小、电感小和体积小等特点。 第1 4 页 西北工业大学硕上学位论文 2 5 报警接口电路设计 2 5 1 报警接口电路方案设计 报警控制电路是织机故障监控系统中的核心电路，能监测织机运行状态和 主控制器m c u 中微处理器的电源状态，并可以在织机运行出现故障时，发出报 警提示信息。报警接口电路要实现三个方面的功能： 织机运行出现故障时，检测到报警信息由主控制器m c u 确认处理后， 发出动作指令，通过接口电路驱动继电器动作，报警灯闪亮； m c u 中的微处理器z 8 4 c 1 5 电源掉电时，通过接口电路驱动继电器动作， 报警灯闪亮： 灯本身损坏时，通过接口电路向m c u 报警。 根据报警接口电路的功能要求，设计报警接口电路结构框图下图所示。 l 一_ 一一一一一- 一一一一一_ - 一一- _ 一_ 一一一一一一一、 主 + l i 光电隔离l i 一i继电器i i- i光电隔离寸 控 。! j i 一一一一一一一一一一一一一一一。1 一一一一一一制 器+ 刊光电隔离i 一电平转换| ：i 方浚发生器：2 m i ；il 上董量 c 一光电隔离h 报警灯 i 稳压电路i ： u l l i i i 4 1 图2 4报警接口电路结构框图 2 5 2 报警接口电路功能模块 1 稳压电路 在接口电路中用方波信号控制报警灯，要保障方波幅值稳定，就要保证方波 发生器的电源电压稳定，所以接口电路中要有稳压电路，在本报警电路中采用 第1 5 页 两北工业大学酿士学位论文 三端可调整正稳压器l m 3 1 7 t 构成稳压电路。l m 3 1 7 t 是一种性能良好、具有过 流、过热、短路输出保护、输出电压可调的三端稳压集成电路，其1 端为不稳 电压输入端，2 端为稳压输出端，3 端为电压调整端，采用悬浮供电，输出端与 调整端压差恒定为1 2 5 v 。使用l m 3 1 7 t 有以下两点需要注意： 输入输出之间，以及输出与可变端之间的反向耐压比较小。 负载电流不能太小，l m 3 1 7 t 的负载电流必须大于1 0 m a t “】。 2 方波发生器 在接口电路中用方波信号控制报警灯，本报警电路中采用7 5 5 5 时基电路构 成的方波发生器。7 5 5 5 时基电路一种c o m s 型的将模拟功能和逻辑功能巧妙 结合在同一硅片上的集 成电路，由模拟电路和数 字电路构成，它将模拟功 能和数字功能兼容为一 体，能够产生精确的延迟 和振荡，稳定性好，适应 面广。7 5 5 5 时基电路 图2 57 5 5 5 的内部结构图 电源适应范围很宽，可达2 1 8 v 。这样它可以和模拟运算放大器和1 v r l 或 c o m s 数字电路共用一个电源 1 5 】。7 5 5 5 时基电路的内部结构如图2 5 所示，功 能表如表2 3 所示。 表2 37 5 5 5 的功能表 t h r e s h o l do u t p u t t r i g g e ri 己e s e tt r i g g e r oo0 导通 0 1 - v d d 1 导通 0 = v d d 1 - - v d d 1 不变不变 j 中 2 第2 0 页 西北工业大学碗士学位论文 2 4 v ，符合继电器i k 8 线圈的要求。由于继电器的线圈是一个感性负载，故在 继电器两端需要并联一个保护二极管d 3 ，以免在三极管q 2 截止时电感产生的 尖峰电压损坏三极管。二极管d 3 可选取i n 4 0 0 7 ，1 n 4 0 0 7 为进口低频整流二极 管，最高反向工作电压1 0 0 0 v ，额定整流电流为1 a ，最大正向压降l v ，反向 电流1 0 ua 。 ( 3 ) 电阻r 8 和r n 6 的设计 在电路中r 8 和r n 6 都起限制电流作用。因为与电磁继电器的触点相连的是 2 4 v a c 信号，所以光电耦合器0 c 2 6 要选用交流光电耦合器，可选用t l p 6 2 6 ，它 的有关参数如下： 输出特性：输出端工作电流i c 最大值为1 0 m a ，典型值为l m a ；暗电流 i c e o 为0 1ua ；反向击穿电压v ( b r ) c e o 为5 5 v ；饱和压降v c e ( s a 0 为o 2 v 。 输入特性：正向电流i f 的最大值为2 0 m a ，典型值为1 6 m a ：正向电压 v f 为1 1 5 v 。 传输特性：电流传输比c t r 为1 0 0 1 2 0 0 。 隔离特性：隔离电压b v s 为5 0 0 0 v ：隔离电阻r s 为1 0 1 4 q ：隔离电容 c s 为o 8 p f a 参照2 4 3 故障指示接口电路设计中电阻r n 7 的设计过程，选取电阻r 8 的标称阻值为3 3 k q ，电阻r n 6 的标称阻值为4 7 0 q 。 ( 4 ) 电阻r n 2 8 和r n 3 1 的设计 三极管由饱和状态向截止状态转换时，三极管基极与发射极之间聚集的电 荷会使三极管继续导通，三极管没有立刻被关断。为了缩短三极管的关断时间， 需要通过电阻r n 3 1 把三极管上聚集的电荷释放掉。选取r n 3 1 的阻值为1 0 k q 。 继电器线圈的内阻r 为： r ：业：堡：1 0 7k q p0 5 4 当三极管q 2 达到临界饱和状态时，集电极电流i c 最大，此时i c 为： i r ：一v c c ；旦：2 2 5 m a r1 0 7 0 此时，三极管q 2 基极电流i b 为： 第2 l 页 堕j ! 三些查兰竺主兰垡堡塞 i r ：一i c ：2 2 5 ：0 1 1 2 5 m a 1 3 2 0 0 根据三极管的饱和特性，当i b o 11 2 5 m a 时，三极管就达到饱和状态，即三极 管完全打开。因为电阻r n 3 1 上的电压为v e b 间的压降为0 7 v ：光电耦合器0 c 4 7 ( p s 2 5 0 1 ) 中的光敏三极管饱和压降v c e ( s a t l = o 3 v ，则q 2 基极的电压v b 为： v b = v c c v e b v c e ( s a t ) 2 3 v 设定r n 2 8 的电流为i ，电阻r n 3 1 的电流为1 1 ，由基尔霍夫电流定律，可得： i = 1 1 + i b b 口当i 旦三+ o i 1 2 5 ：0 2 m a 时，三极管达到饱和状态，此时r n 2 8 应满足： l u r n 2 8 造：旦：1 1 5k q io 2 为了使0 c 4 7 的光敏三极管完全饱和导通，电阻r n 2 8 应取的小一点，在实 际电路调试中，最终选取r n 2 8 的标称阻值为4 7k q 。 ( 5 ) 电阻r 9 的设计 电阻r 9 在电路中的作用和故障指示接口电路中的电阻r 1 3 相同，根据 t l p 6 2 5 的参数，选取r 9 的标称阻值为i o k q 。 3 报警灯控制电路设计 根据报警灯控制电路的功能要求，设计报警灯控制电路如图2 8 所示。 报警灯控制电路的工作原理： ( 1 ) 当方波发生器产生方波，报警灯正常时：当方波信号为高电平时，固 态开关l m l 9 5 1 t 导通，输出2 4 v d c 信号驱动报警灯1 发光( 报警灯1 的额定电 压为2 4 v d c ，功率为1 2 w ) ：当方波信号为低电平时，l m l 9 5 1 t 截止，报警灯l 不亮；因为方波信号为高低电平交替的信号，所以当方波信号产生时，报警灯 闪亮。与此同时，报警灯检测电路启动，当方波信号为高电平时，l m l 9 5 1 t 输 出2 4 v d c 信号驱动光电耦合器0 c 2 7 导通，其光敏三极管发射极输出高电平信号 驱动光电耦合器o c 7 导通，o c 7 的光敏三极管集电极输出的低电平信号传输到 主控制器m c u 中的微处理器z 8 4 c 1 5 的数据总线d 6 上；当方波信号为低电平时， 光电耦合器0 c 2 7 截止，光电耦合器o c 7 也截止，0 c 7 的光敏三极管集电极输出 第2 2 页 西北工业大学碗士学位论文 的高电平信号传输到z 8 4 c 1 5 的数据总线d 6 上。当z 8 4 c 1 5 的数据总线d 6 接收 到高低交替的电平信号时，表明报警灯正常的信息已反馈到m c u 中。 ( 2 ) 当方波发生器电路产生报警的方波信号，报警灯损坏时：报警灯损坏 相当于l m l 9 5 1 t 输出开路。l m l 9 5 1 t 的“f l g ( 4 ) ”为集电极开路输出，当方波 信号为高电平时，由l m l 9 5 1 t 的真值表可知，“f l g ( 4 ) ”集