（检测技术与自动化装置专业论文）基于wince的高速工业绣花机运动控制的研究与应用.pdf

摘要 摘要 高速工业绣花机在刺绣时，主轴电机、步进电机以及其它模块的协调运作是绣花机运动控制系 统研究的重点和难点。为满足工业绣花机在1 2 0 0 n m i n 的高速工作状态的强实时性、精度、刺绣品 质等方面要求，本课题重点研究了一种基于a r m 9 + w i n d o w sc e 5 0 + c p l d 软硬件平台的高速工业绣 花机运动控制系统的实现方案。 在硬件设计部分，详细分析了高速工业绣花机运动控制部分的t 作原理，明确了系统功能需求， 对系统各模块进行了设计，并对i o 资源和中断资源进行了合理的分配。硬件中扩展了c p l d 模块 的设计，解决了系统定时器和计数器不足的问题。在主轴模块部分，为提高主轴电机刺绣速度和响 应速度，采用伺服电机作为主轴电机，分析了伺服驱动器的特性，对伺服驱动器采用速度控制方式 驱动，在系统中设计了a d 模块，为伺服驱动器提供模拟电压控制信号，并结合c p l d 的计数器单 元，完成了主轴模块光电编码器返回值计数部分的硬件设计。同时结合c p l d 的定时器单元，完成 了步进电机的驱动电路设计。另外根据系统的功能需求，对换色部分、拉杆限位部分和针位板部分 进行了硬件设计。 在驱动设计部分，分析了w i n d o w sc e 操作系统的特性和工作机制，采用w i n d o w sc e 多线程机 制和中断处理的方法来满足绣花机的强实时要求。本文在深入探讨w i n d o w sc e 驱动程序设计要点 和适用范围的基础上，重点研究了主轴电机和步进电机的协作要求，采用流驱动设计方法对主轴伺 服电机和移框步进电机设备驱动程序进行了设计，实现了主轴电机正常刺绣、1 0 0 。精确停车、位置 检测、速度设置等功能，实现了步进电机正常刺绣移框和手动移框等功能，并对驱动程序协作做了 测试，取得了较好的效果。 在应用软件设计部分，采用模块化和对象化的设计方法，对系统功能软件进行了规划，结合各 模块的信号需求，完成了正常刺绣、剪线、断线检测和换色等功能软件设计。 最后，为满足高速- t 业绣花机内部花样文件格式的需求，设计了一款新型绣花机内部花样文件 b s b 花样文件格式，在全面剖析了b s b 花样文件格式结构的基础上，重点研究了b s b 格式与市场 上通用的几种主流花样格式的转换机制，并对花样定制过程中的误差和精度问题进行了分析，提出 了可靠的解决办法。 目前，国产高速工业绣花机与国外同种机型相比，在性能上还存在较人差距。本课题的工作致 力于研发一种高性能、低成本的高速工业绣花机控制器，对绣花机工业的发展有着积极的影响。 关键词：绣花机；a r m ；w i n c e 5 0 ：流驱动；$ 3 c 2 4 4 0 a ；伺服电机；多线程：刺绣花样格式 a b s t r a c t t h eh a r m o n i o u sm o v e m e n to fm a i n a x i sm o t o r , s t e p p i n gm o t o ra n do t h e rm o d e l si st h ee m p h a s e sa n d d i f f i c u l t yw h e nt h eh i 曲s p e e di n d u s t r ye m b r o i d e r yw o r k i n g i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do fr e a l - t i m e ， p r e c i s i o na n dq u a l i t yo fe m b r o i d e r y , ac o n t r o l l e ro fh i 曲s p e e di n d u s t r ye m b r o i d e r yi sd e v e l o p e db a s e do n a r m 9 + w i n d o w sc ei nt h ep a p e r o nt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t ，a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fh i g h s p e e di n d u s t r i a le m b r o i d e r y m a c h i n e ，t h en e e d si sc l e a r ，a l lt h em o d u l e so ft h es y s t e mc a r r i e do u tad e t a i l e dd e s i g n ，a n di 0r e s o u r c e s a n di n t e r r u p tr e s o u r c e sh a v ear e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o n ac p l dp a r ti se x p a n d e dt os o l v et h el a c k i n go f c o u n t e ra n dt i m e r i nt h em a i n a x i sp a r t ，i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e do fe m b r o i d e r y ，t h es y s t e mt a k e s s e r v om o t o ra st h em a i n a x i sm o t o r a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o r ，t h em o t o ri sw o r k i n gi n s p e e dm o d e l ，t h es y s t e mh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g no fh a r d w a r em o d u l e sa d t op r o v i d ea n a l o gv o l t a g e c o n t r o ls i g n a l sf o rt h es e r v ed r i v e s c o m b i n e dw i t ht h ec p l dc o u n t e ru n i t ，c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g n o fp h o t o e l e c t r i ce n c o d e r ，a tt h es a m et i m ew i t ht h ec p l dt i m e ru n i t , c o m p l e t e dt h es t e p p e rm o t o rd r i v e c i r c u i td e s i g n a l s oa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no ft h es y s t e mn e e d s ，c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec u t l i n e ，c h a n g ec o l o ra n dd r a w b a r sl i m i t i nd r i v e nd e s i g np a r t ，a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ew i n d o w sc e ， m u l t i t h r e a d e da n di n t e r r u p th a n d l i n gm e c h a n i s mi su s e dt om e e tr e q u i r e m e n to fr e a l - t i m e t h ed e s i g nk e y p o i n ta n dr a n g eo fw i n d o w s d r i v e ri sd i s c u s s e dd e e p l y ，a n di ti st a k e ns e r i o u st or e s e a r c ht h ec o o p e r a t i o n r e q u e s t ，c o m p l e t et h ed r i v e ro fm a i n - a x i sp a r ta n ds t e p p i n gm o t o rp a r tb yt h em e a n so fs t r e a md r i v e r , r e a l i z et h ef u n c t i o no fn o r m a le m b r o i d e r y ，s t o p p i n ga t10 0 。p o s i t i o n ，s e t t i n gs p e e da n dp o s i t i o nt e s t i n go f m a i n a x i sm o t o r , a n dr e a l i z et h ef u n c t i o no fm o v e m e n to ff r a m en o r m a l l ya n db yh a n d so fs t e p p i n gm o t o r w eg e tg o o dr e s u l tf r o mt h et e s to fc o o p e r a t i o nb e t w e e nm a i n a x i sm o t o ra n ds t e p p i n gm o t o r u s et h em e t h o do fo b j e c ta n dm o d e lt oc o m p l e t et h ep l a n n i n go fs o f t w a r ed e s i g n ，a n df i n i s ht h ed e s i g n o ft a s ka b o u tn o r m a le m b r o i d e r y , c u t t i n gl i n e s ，b r e a kd e t e c t i o na n dc h a n g i n gc o l o r f i n a l l y ，t om e e tt h ed e m a n do f i n t e r n a lp a t t e r nf o r m a to ft h eh i 曲- s p e e di n d u s t r i a le m b r o i d e r y m a c h i n e ，w ed e s i g n e dan e wt y p eo fp a t t e r nf o r m a tc a l l e db s bo u r s e l v e s i nt h et e x t , t h ep a t t e r nf o r m a t s t r u c t u r ea n dc u s t o mm e t h o d sa r ed e s c r i b e dd e t a i l e d l y h i g h - q u a l i t yp a t t e r nf o r m a ti so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nr e s e a r c ho fe m b r o i d e r y m a c h i n e a tp r e s e n t , t h ep e r f o r m a n c eo fc h i n a - m a d eh i 曲- 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 es t i l ll a g sb e h i n d o t h e r sa b r o a d t h et a s ki st od e v e l o po n eh i g hc a p a b i l i t ya n dl o wc o s te m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l l e r i th a s ag o o di n f l u e n c et ot h ee m b r o i d e r yi n d u s t r y k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n e ；a r m ；w i n c e 5 o ；s t r e a md r i v e r ；s 3 c 2 4 4 0 a ；s e r v om o t i o n c o n t r o l ；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 l i 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：q 红型遍l 数日 期：2 塑墨! 垒笸! ! 篁 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：( 鱼遗整、，师签名： 日 期：瑚p 、占、l 毛 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 工业绣花机是当代最先进的绣花机械，是纺织、服装领域进行批量、规模生产的一种重要民生 设备，也是集光、机、电和网络技术于一体的特色鲜明的机电一体化设备【1 1 。它能使传统的手工绣 花得到高速度、高效率的实现，并且还能满足手工刺绣无法达到的“多层次、多功能、同一性和完 美性”的要求，是一种体现多种高新科技的机电产品。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 ) 掣2 1 。 自1 9 7 7 年日本百灵达( b a r u d a n ) 公司成功开发世界首台电脑刺绣机以来【3 】，全球的绣花机行 业取得飞跃式的发展，我国刺绣机行业也同样获得高速发展。由于服装和面料行业在全球范围的巨 大需求，以及我国特有的劳动力优势，在不到2 0 年的时间里，我国在中、低端工业刺绣设备方面， 已占据全球约7 0 的市场份额。国外绣花机公司的中、低端工业刺绣设备基本上被挤出我国市场。 从上世纪9 0 年代，改革开放政策使得我国逐渐成为了世界缝制设备生产和销售中心。 我国绣花机产品是以低成本优势参与国际市场竞争的，近年国内工业绣花机出口创汇大幅增长， 工业绣花机的发展取得了很大的进步，发展前景越来越好。但随着用户对绣花机的性能和绣花品质 要求越来越高，工业绣花机不断的更新换代。高速度、高精度、高智能化工业绣花机的开发成为当 今绣花机产业发展的趋势。而在高端工业绣花机领域国外绣花机公司凭借其雄厚的技术基础和强大 的开发能力、牢牢掌握着各种核心技术和开发自主权，占有较高的市场份额【4 】。 国产工业绣花机由于相对国外高速机在性能上存在着较大的差距，竞争优势小，高端市场的占 有率比较低。国内绣花机产业必须加强高端产品的研发力度，不断发展创新，才能提高市场竞争力， 走出低价销售领域，提升行业产值，创造更多的外汇。采用新技术开发高质最低成本的高速工业绣 花机成为国产绣花机占领国内外高端绣花机市场的必然需求【5 】。 1 2 高速工业绣花机国内外研究现状 1 2 1 研究现状 工业绣花机品种繁多，规格各异，以机头的多少来分，可分为单头与多头机( 1 2 4 头) ，头数越 多可刺绣的同一花样数越多；以每一头所含机针的多少来分，可分为单针与多针( 3 1 2 针) ，针数越 多颜色数就越多可绣的花样就越复杂；以工业绣花机的主轴驱动方式可分为交流伺服驱动、步进驱 动、滑差驱动等；按线迹可分为平缝绣、链缝绣、毛巾绣；按绣品可分为平绣、筒绣、成衣绣等， 特种绣也越来越多。 目前国外工业绣花机的速度普遍已经达到1 0 0 0 1 2 0 0r p m 6 1 1 7 1 。美国的m e l c o 公司的a m a y a 单 头机和韩国s w f 公司的d ms e r i e s 多头机均已达到了1 5 0 0 r p m 的转速，处于世界领先地位。在其他 方面，国外绣花机生产厂商也不断采用新的技术，提高绣花机性能。主要从以下几个方面体现： 江南大学硕士学位论文 1 控制系统方面：应用高端嵌入式控制器结合强实时操作系统管理，绣花机系统功能更强大， 可靠性更高；用u s b 闪存或c f 卡大容量存贮花样数据；彩色大屏使操作更人性化；内部模块扩展， 功能更丰富。 2 机械性能方面1 8 】：高精度的机械装配，全新的机架设计，有助于绣花机高速性能的发挥及提 高静音效果；球形螺杆驱动的应用，能够很大程度上的提高绣花机的机械性能；采用弹簧式中线道 及所上线结构，有效地解决绣线张力过大而断线的问题。 3 辅助功能方面：采用激光眼追踪及定位，保证刺绣的准确；特殊断线检测，监测断线和线卷 状态；自动更换底线装置b c ) 【9 1 ，以机器代替人工更换底线，快捷简单，并能大大减低停机时间。 4 特种绣装配方面f 9 1 ：在一般绣花机上，只要增加一些装置，就可以进行绳绣、珠片绣、雕孔 绣、扁金线绣、卷带绣、卷绣、挖孔绣、羽状针迹绣、扁形带与粗线立绣等。 国内高速工业绣花机研究尚处于起步阶段，以兴火豪、北方天鸟，台州飞亚，临海珠光，杭州 经纬，诸暨飞鹰、盛名、青岛鹰轮等为代表。在电控部分开发方面，以北京兴大豪电脑控制设备有 限公司的产品为最。其中人豪公司开发的一款高转速、低噪音的全伺服高速绣花机控制系统 1 0 1 , 采 用新型高速工业级别c p u ，配套使用自主研发的大豪专用伺服绣框驱动，以及各种新型的高速外围 设备，从而实现绣作转速1 2 0 0 r p m 。完善的软硬件技术，使全伺服机电控系统在技术上和性能上可 以和国际同类先进产品相媲美。大部分国内绣花机生产厂家的绣花机虽然能够满足完成刺绣工作的 基本需求且性能稳定，但是由于其控制平台的局限性，如果以现有的平台进行系统升级并采用完善 成熟的实时操作系统进行移植，从而赶上国外先进技术水平，存在不少困难。因此在高端工业绣花 机的开发过程工中，要提高系统运行速度，实现多任务实时控制必须采用先进的硬件平台，并采用 完善成熟的操作系统进行管理，完善系统升级与维护等功能。 1 2 2 一些新技术在工业绣花机中的应用 随着科学技术的发展，一些新的技术被应用于工业绣花机控制器的开发当中，为绣花机性能的 进一步提高提供了基础。新技术的应用主要从以下几点体现： 1 高性能的c p u 。随着嵌入式技术的发展，一种3 2 位r i s c 处理器一a r m 开始应用于绣花机 系统的开发当中，a r m 凭借其体积小、功耗低、成本低、高性能，逐步取代了8 、1 6 位m c u1 1 1 | ， 得到了广泛的推广和使用。以a r m 处理器作为绣花机的中央处理器，可以大大提高绣花机的整体 性能。 2 伺服控制技术。以往绣花机运动控制部分，采用以变频器控制交流异步电机或滑差电机来实 现主轴功能，结合步进电机完成运动控制任务，取得了一定的效果，但在绣花机精度、速度和刺绣 品质方面的进一步提高有很大的局限性。近年来伺服控制技术不断完善，伺服产品被国内外客户所 认可和接受，伺服电机相对其它电机有较大的性能优势，其控制精度高、动态性能好、响应速度快、 低频特性和矩频特性好、过载能力大、抗干扰能力强、运行稳定可靠。伺服系列电机作为主轴电机 并取代步进电机作为移框电机，是高速工业绣花机运动控制系统发展的主要方向【眩】。 3 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 步进电机例。 2 第一章绪论 4 u s b 存储介质的应用。目前，除了传统的软驱、光驱作为移动数据的存储和传输以外，通用 串行数据传输总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 得到了日益深入的应用【1 3 1 。u s b 与常用计算机接1 2 1 相 比，具有数据传输速度快、即插即用、扩展方便、低成本等特点。 5 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，各大绣花机生 产企业都有自己各个系列的绣花机产品线。更多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性能提出了更高的要求0 4 【1 5 】。 6 网络技术。网络作业的好处毋庸置疑，相应的，具有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，以太网信息共享、网络远程控制、无线控制等技术的应用便于在 线升级和操作。 1 3 本课题的主要研究任务 根据高速工业绣花机对精度、可靠性、噪音、硬件设计、软件效率等许多方面要求，设计了一 款高性能、高质量、价格合理、功能丰富、具有完善升级能力和良好可维护性的绣花机控制器。本 课题重点研究了高速工业绣花机运动控制部分功能的实现，主要研究任务包括： 1 明确设计需求。 分析和理解高速工业绣花机运动控制的工作原理和机械电气特性，特别是主轴、绣框、换色、 扣线、剪线和勾线等部分的原理和动作特点，熟悉各部分的控制规则和信号要求，明确高速工业绣 花机的运动控制系统的功能需求。 2 。选择微处理器和操作系统。 深入分析和研究嵌入式微处理器的特点和原理，为系统选择合适的嵌入式微处理器。了解 s 3 c 2 4 4 0 a 的内部结构，熟练掌握s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的应用。选择一款满足绣花机强实时性性能要 求的操作系统，深入了解w i n d o w sc e 5 0 的结构和体制，验证系统实时性，掌握w i n d o w sc e 5 0 环 境下的系统开发过程。 3 设计运动控制部分硬件。 根据运动控制部分功能需求，对运动控制部分各个模块硬件进行设计，包括主轴电机模块、步 进电机模块、拉杆限位模块、换色模块等。 4 设计设备驱动程序。 深入分析w i n d o w sc e 5 0 下设备驱动程序结构和特性，掌握设备驱动程序的设计及应用方法， 熟练应用多线程机制和中断处理技术，结合硬件资源分配，以多轴协作为基础，对主轴模块和步进 模块驱动程序进行设计，其中包括主轴电机正常刺绣、1 0 0 。精确停车、位置检测、调速设置等功能 和步进电机正常移框操作等功能的实现。并完成对驱动程序编译、加载和调试，为应用程序的调用 服务。 5 实现应用软件代码设计。 深入分析绣花机运动控制部分的软件功能架构，对绣花机功能性应用软件进行规划与设计，结 合各模块的信号需求，完成刺绣过程中各个任务的程序编写，主要包括：正常刺绣、断线检测、换 色、剪线等任务功能的实现。 3 江南人学硕士学位论文 6 新型高效花样格式设计。 设计一种通用的花样文件格式，使运动控制代码更容易实现，同时能够加强系统功能的实时性， 提高用户操作的方便性。另外对花样文件格式定制过程中的问题进行分析并解决。 4 第二章高速- t 业绣诧机运动控制系统功能需求分析 第二章高速工业绣花机运动控制系统功能需求分析 本章主要介绍电脑绣花机运动控制部分的工作过程和基本功能要求，并对系统平台的选择做了 详细的分析，为以后几章介绍运动控制硬件和软件部分的设计打下基础。 2 1 高速工业绣花机运动控制系统功能分析 2 1 1 绣花机工作流程 工业绣花机系统是一种多轴协作的数控机械系统，控制主轴电机、步进电机、换色电机、剪线 电机以及其他模块相互协调来完成刺绣操作。绣花机的工作结构如图2 1 所示。 图2 - 1 绣花机工作结构图 f i 9 2 1s t r u e t u r eo fe m b r o i d e rw o r k i n g 具体操作：将刺绣的花样先通过打版软件生成绣花机系统能够识别的花样文件格式，然后将花 样文件存储在移动设备或是软盘等其他存储介质中，通过u s b 、以太网、光驱及软驱等拷贝到绣花 机系统的内存中去。绣花机进行刺绣操作时，先从内存中读取花样文件，并按照一定的解码规范进 5 江南大学硕士学位论文 行读取数据，然后系统会根据花样文件的数据内容来控制电机以及其它部件来完成正常刺绣操作i l 6 j 【1 7 】。电脑绣花机的机械方面可以分为机架部分、主轴刺绣部分、换色部分、移框部分、勾剪线部分 等，其中以主轴刺绣部分和移框部分最为重要，两部分各自独立又相互协调，共同完成刺绣过程。 绣花机在工作时，主轴电机带动针杆上的针和线进行上下运动的刺绣动作，绣框x 、y 轴步进电机 控制在平面x 、y 方向作往复运动进行刺绣。 本课题的设计是在实验室i 型绣花机的基础上进行的，在绣花机工作原理上有很多的借鉴部分， 但大部分工作有着本质的差别，相对与i 型绣花机，本课题高速工业绣花机在运动控制部分的研究 中主要有以下几个方面的革新之处： 1 高性能处理器a r m 9 的应用。相对于l 型绣花机的a r m 7 处理器，性能更优，功能更强大。 2 伺服电机的应用。用伺服电机作为绣花机的主轴电机，使绣花机正常刺绣过程中，对刺绣速 度、控制精度、噪音等方面性能的改善具有重要的作用。 3 协处理器c p l d 的应用。取代了定时器和计数器芯片8 2 c 5 4 模块，不仅可以精确灵活控制输 出脉冲的频率和占空比，还可以减少采用通常定时器和计数器的换算工作，同时有利于以后的扩展 需要。 4 w i n d o w sc e 5 0 操作系统的应用。完善的图形界面支持、强实时性和强大的管理功能是高速 工业绣花机系统可靠的保证。 另外还有彩屏触摸屏的应用、u s b 模块的扩展、以太网的扩展等，在性能和功能上相比i 型绣 花机都有着很大的不同，因此在部分软硬件的实现上也有着很大的区别。下文以及后章节会对以上 几个方面的分析与设计作详细的说明。 2 1 2 运动控制功能需求 高速工业绣花机运动控制部分是一个复杂的系统，正常的刺绣过程中，不仅包括主轴电机和步 进电机的协调合作，还设计到多个模块的共同操作，课题的研究主要以完成以下功能： 1 - i o 设备控制。主要包括针位置信号、换色半回转信号、主轴电机停车是否到位信号、断线检 测信号的输入和相应控制信号的输出。 2 主轴电机控制。在绣花机工作时要控制主轴电机转速在8 0 转分钟至- u12 0 0 转分钟可调，并且 转速稳定，停车时要精确停车在10 0 度位置。 3 步进电机移框控制。按照所读取的花样文件信息，经过运算分别给x 、y 轴步进电机发送控 制脉冲，在允许步进电机移框时间内完成移框。 4 精确换色功能实现。控制换色电机完成换色动作，并能将针杆精确定位。 5 故障诊断控制。刺绣时检测有无断线；控制机头电磁铁实现下针；检测行程开关，判断是否 有起动、停车信号。绣框限位开关能够检测到越框信号。上述故障确认使绣花机停车、报警。 6 自动剪线控制。换色之前，将前一颜色的针头上的线剪断。 高速工业绣花机同时也是一个实时性要求很高的系统，在1 2 0 0 转分的工作状态下完成多个任 务，在系统设计和功能实现上具有较高的难度，为了高质量的完成本课题的任务，主要从以下几个 方面进行考虑： 1 硬件设计。在机械部分确定的基础上，如机架、电机等，选择低成本、高性能的c p u ，完善 6 第二章高速工业绣花机运动控制系统功能需求分析 各功能模块的扩展，同时要考虑版本升级的问题，为软件的实现提供一个好的硬件平台。 2 软件设计。选择实时性高、功能强的操作系统作为管理系统，保证绣花机系统任务执行的可 靠性。结合硬件，实现高效的驱动接口函数编写。对整体软件的功能结构进行规划，程序编写要遵 循嵌入式系统中的程序设计要求，注重效率。另外，花样文件是运动控制部分的依据，高质量的花 样文件设计也是软件实现效率提高的一项指标。 2 2 开发平台选择 高速工业绣花机运动控制系统的开发，核心处理器与管理系统的选择是开发的关键，是硬件设 计和软件设计的基础，处理器与操作系统的性能直接决定着整个绣花机系统的整体性能。 2 2 1c p u 的选择 系统的c p u 是整个绣花机系统的核心器件，以往绣花机系统的c p u 往往采用1 6 位的m c u 和 d s p ，但许多控制平台由于其自身固有的局限性，在功能扩展和系统升级方面存在较人困难。目前 市场工业绣花机的性能提出了更高的要求，控制器性能也面临着新的挑战，处理器的多功能要求也 越来越多，如u s b 接口、网络应用、多机协作、花样在屏编辑和处理等，此外除了处理应用控制功 能之外，在c p u 运行t c p i p 或其他通信协议的情况下，系统完成硬实时性任务成为一种现实需求 的难点。 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及第三方开发工具支持的不断增加，开 发工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工具的灵活性和智能化程度，开发 环境不断改善，高性能处理器应用于绣花机开发成为一种趋势。本课题中采用一款高性能的a r m 9 内核，a r m 9 系列微处理器的性能是其它m c u 和a r m 7 系列微处理器所无法比拟的，a r m 9 系列 微处理器主要具有以下优点【1 8 】1 1 9 l ： 3 2 位r i s c 架构，指令执行效率更高。 体积小、低功耗、低成本、高性能。 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。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 全性能的m m u ，支持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。 设计中运用的s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器，它是一款工业级、低功耗、高集成a r m 9 处理器；标准工作频率为4 0 0 m h z ，最高可达5 3 3 m h z ，采用哈佛结构，运算能力4 5 0 m i p s ；引入 了m m u ，具有指令c a c h e 和数据c a c h e 各1 6 k ，处理速度更快，性能更高；具有1 3 0 路通用i o 口 和2 4 路外部中断源；具有内部l c d 控制器；具有u s bd e v i c e 接口；具有外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ；内置的4 k bs t e p p i n gs t o n e ，方便从n a n df l a s h 起动，能有效降低系统成本。采用 2 8 9 脚f b g a 封装。其丰富的内部模块为绣花机控制其系统的设计提供了方便，其主要内部模块结 7 江南大学硕士学位论文 构如图2 - 2 所示。 l c d l c d 卜 器 浏柚b u 油s 巾c i n 酗t d 。 c o n td m an a u s b 敝c 。n t k h i n t e r r u p t c o n t b n p o w e r e x t m a s t c r 卜 b ni l m a n a g e m e n t 器爿。c n 伦a m 慨e r a u s nanr、厂 b c o t r l o t l o a d c rb 仁刮s r 队m e 洲m o r 。y 咖c o n m t m l c k g ( m p 雠l l ) 一k b r i d g e & d m a ( 4 e h a n n a l ) l u a r t 帅k 器爿 1 2 c 器 浏 - 2 s usb晰ka| 叫 g p i o p n 1 l sdi小ndc b 卅卜 r t c l l i w a t c h d o g b i t i m e r u 浏a dc s iabarbito巾ecodcncie 浏t i m 舢e r p 咖w m 锄 is 删k 爿 a c 9 ， 图2 - 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部模块结构 f i 9 2 2i n t e r n a ls t r u c t o ro f $ 3 c 2 4 4 0 a $ 3 c 2 4 4 0 a 作为设计中工业绣花机的核心处理器主要有一下优势： 主频高，3 2 位指令译码，引入数据c a c h e 和指令c a c h e ，运算速度快，是a r m 7 、1 6 位m c u 和 8 位单片机没法相比的。 具有内存管理单元m m u ，具有虚拟地址到物理地址的映射功能，可对存储器区域的访问权限 进行设定，同时引入存储器保护机制，能够增强系统的安全性。在此基础上可以使绣花机配上 高性能的实时操作系统。 丰富的内部模块扩展，如l c dc o n t r o l l e r 、1 2 c 、u s bd e v i c e 和p w m 等模块为系统硬件外围电 路的设计提供了方便。 工业级标准，有可靠的稳定性和抗干扰能力。 成本较低。 2 2 2 操作系统选择 绣花机控制系统是一比较复杂的控制系统，涉及多个电机协同控制、多个外部中断和用户输入 处理、花样文件输入输出、格式转换及定制、u s b 设备读写，以太网接口通信、多个传感器信号检 测、l c d 显示等，功能复杂，任务繁多，需要采用合理的系统对其有效的管理操作。采用实时操作 8 第- 二章高速工业绣花机运动控制系统功能需求分析 系统优点如一f 【2 0 l ： 1 嵌人式实时操作系统提高了系统的可靠性，保证系统安全与稳定，减少漏洞和不安全的隐患。 2 提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程 序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、 修改几乎不影响其他模块。 3 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 比8 、1 6 位c p u 快， 另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。 目前比较常用的操作系统主要有u c o s i i 、l i n u x 、e c o s 、v x w o r k s 、u c l i n u x 、w i n d o w sc e 等。 各种操作系统得都有自己的特性功能，对于操作系统来说任务调度，任务管理，时间管理，内存管 理和任务间的通信和同步操作等都是基本的功能。针对绣花机系统中所需要的功能需要： 1 内核体积。内核大小影响开发中对存储器要求，太大会增加硬件开发成本。 2 强实时性要求。绣花机功能的实现处于强实时标准，要满足该要求。 3 模块扩展，包括用户界面、网络、u s b 。 4 开发难易程度及周期。决定着产品的开发周期。 5 技术支持较好。要有较好的技术支持，方便开发过程中技术难题的解决。 以上述儿点作为标准，对几种操作系统进行选择，w i n d o w s c e 5 0 综合性能相对较好，适合作为 绣花机的管理系统。w i n d o w sc e 5 0 是一个开放的、可剪裁的、3 2 位的实时嵌入式窗口操作系统， 和其他的桌面版窗口操作系统相比，它具有可靠性好、实时性高、内核体积小的特点，所以被广泛 应用于工业控制、信息家电、移动通讯、汽车电子、个人电子消费品等智能设备开发领域中，是当 今应用最多、增长最快的嵌入式操作系统【2 。对于绣花机的开发而言，w i n d o w sc e 5 0 的以下的几 个方面的应用是绣花机功能实现的基础。 1 工控系统中，操作系统的硬实时性是非常重要的。w i n d o w sc e 5 0 强人的中断和线程调度机制 和内核操作系统服务保证它为一个硬实时的操作系统，能够满足不同设备对于时间关键性任务和性 能要求【2 1 】【2 2 1 。w i n d o w sc e 5 0 操作系统支持嵌套中断，允许更高优先级别的中断首先得到响应，而 不是等待低级别的i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。w i n d o w s c e 5 0 操作系统具有更好的线程响应能力。对高级别i s t ( 中断服务线程) 的响应时间上限的要求更 加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控 能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。下面对w i n d o w sc e 5 0 的实时性做一 个测试，测试平台为$ 3 c 2 4 4 0 a 开发板，测试i s r 与i s t 的响应时间，结果如表2 1 所示。 表2 - 1 实时性测试 t a b 2 - 1r e a1 - ti m ep e r f o r m a n c et e st i s rs t a r t si s ts t a r t s m i n i m u m 1 2 u s3 1 7u s a v e r a g e 3 3u s6 7 2u s m a x i m u m1 3 3u s1 0 3 0 u s 线程之间的转换时间可以近似的等于i s r 的延迟时间+ i s t 的延迟时间，从表中可以看出，w i n c e 9 江南大学硕士学位论文 的实时性最大响应时间为11 0 u s 左右，而最小能达到3 0 u s 左右。与当绣花机在1 2 0 0 转分钟的速度 下运行时所需要的6 0 秒1 2 0 0 次即5 0 m s 次的确响应速度相比，实时响应时间完全能够达到速度要 求。 2 w i n d o w sc e 包含提供操作系统最关键功能的4 个模块：内核模块；对象存储模块；图形、 窗口和事件子系统( g w e s ) 模块以及通信模块。内核提供在所有设备中都出现的基本操作系统功 能。内核负责内存管理、进程管理以及特定文件管理等功能。它还管理虚拟内存、调度、多重任务 处理以及例外处理等。对象存储可将用户数据和应用程序数据存入文件或注册器。另外w i n d o w sc e 具有众多的功能和服务模块可供选择。支持各种硬件外围设备、其它设备及网络系统。包括键盘、 鼠标设备、触板、串行端口、以太网连接器、u s b 、音频设备、并行端口及存储设备等和多语言支 持【2 1 】【2 2 1 。 3 开发环境的构建要从开发工具本身的功能、易用性、价格、项目对开发工具的要求、调试支 持等多方面综合考虑。基于w i n d o w sc e 的嵌入式系统的开发工具有平台开发工具和应用程序开发 工具两大类。平台开发工具为p l a t f o r mb u i l d e r 5 0 ，主要作用是定制w i n c e 操作系统1 2 1 1 。是一种集 成了w i n c e 操作系统设计，配置，构建，测试和调试所需的所有开发工具。同时也可以在p l a t f o r m b u i l d e r 5 0 平台上进行驱动程序开发、创建和添加定制组建、修改源代码和配置文件、创建o s 镜像、 下载镜像以及导出s d k 等工作，功能齐全，操作方便。应用程序开发工具用e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 【2 2 1 ，主要针对本地代码开发，i d e 开发环境也是比较节省资源，适应于开发w m 3 2 、m f c 和a r l 等 应用程序。同时可以根据需求安装s d k ，开发调试功能都比较完善。 2 3 本章小结 随着嵌入式技术的不断发展，以嵌入式系统为主的绣花机主控制器设计成为了绣花机控制器开 发的趋势，为绣花机向着高速度、高精度、高智能化方向发展提供了基础。高性能c p u 以及强大操 作系统的广泛应用，使绣花机的性能又提高了一个新的阶层。 本章中详细的分析了高速工业绣花机的工作原理，并对绣花机系统的核心c p u 和操作系统也作 了详细的分析和介绍。s 3 c 2 4 4 0 a 是一款高端的a r m 9 内核的工控机处理器，不仅有着超强的处理 能力，还有丰富的扩展模块，在工控领域有着较多的成功案例支持，相关资料也比较多，在系统硬 件开发上由很多的方便之处。w i n d o wc e 5 0 操作系统由于在界面、人机交互能力、多任务以及开放 性等方面的优势，开发基于w i n d o w sc