（控制理论与控制工程专业论文）电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计.pdf

硕士论文 电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 摘要 随着嵌入式技术与可编程逻辑器件的发展，a r m 开发板和c p l d 芯片在电脑绣花 机电控系统中得到越来越广泛的应用。本文研究的电脑绣花机电控系统以嵌入式a r m p c 1 0 4 工业计算机为核心控制板，以基于c p l d 的p c i 0 4 总线端口扩展板为协处理板， 采用嵌入式l i n u x 为操作系统，辅助以外围接口电路，实现了对绣花机的整体控制。 首先，分析电脑绣花机的刺绣原理以及绣花机的控制对象，确定电控系统总体框架， 针对绣花机外围控制设备，确定电控系统外围接口电路的需求。 然后，分析绣花机换色动作和剪线动作的控制要求，设计了换色电机、剪线电机、 勾线电机以及扣线电磁铁的驱动电路。另外，为了能够实现换色精确到位，设计了针位 置检测电路。 通过分析绣花机的断线机理及其原因，并根据断线保护和断线报警的需求，设计了 断线检测电路；同时，设计了针位置译码电路，为断线检测电路提供9 个针位信号。 最后，根据主控制板与外围接口电路的数据通信需求，初步设计了基于c p l d 的 p c i 0 4 总线端口扩展板，在c p l d 芯片上实现了对光电编码器的计数和端口扩展功能， 并通过仿真测试验证了端口扩展板逻辑功能的正确性。 本文设计的电脑绣花机电控系统接口电路很好地实现了对绣花机的控制，能够实现 换色动作、剪线动作以及断线检测等功能，达到了预期的控制要求。 关键字：电脑绣花机，c p l d ，p c i 0 4 ，电机控制，嵌入式系统 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe 1 1 1 b e d d e dt e c h n o l o g ya n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，a r m d e v e l o p m e n tb o a r da n dc p l dc h i pa rem o r ea n dm o r ew i d e s p r e a du s e di nt h ec o m p u t e r e m b r o i d e r ye l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , c o m p u t e re m b r o i d e r ye l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ；a r mp c 10 4e m b e d d e di n d u s t r yc o m p u t e ra st h ec o r ec o n t r o l p a n e l ，t h ep c 10 4b u sp o r te x t e n s i o nb o a r db a s e do nc p l da st h e ，c o - p r o c e s s i n g b o a r dt h e o v e r a l lc o n t r o lo fm a c h i n ee m b r o i d e r yi sa c h i e v e d ，u s i n ge m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ， w i t hp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n dc o n t r o lt a r g e t so fc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ew e r ea n a l y z e d ； t h eo v e r a l lf r a m e w o r kf o re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mw a sc o n f i r m e d ；t h ee q u i p m e n tf o r e x t e r n a lc o n t r o le q u i p m e n tw a sc o n f i r m e d ，a c c o r d i n gt oe m b r o i d e r ym a c h i n ee x t e r n a lc o n t r o l e q u i p m e n t s e c o n d l y , t h ed r i v ec i r c u i t so fc o l o r - c h a n g i n gm o t o r ，s h e a rl i n em o t o r ，h o o kl i n e sm o t o r a n dd e d u c t i o nl i n ee l e c t r o m a g n e tw e r ed e s i g n e d ，t h r o u g ha n a l y s i so fc o n t r o lr e q u i r e m e n t sf o r a c t i o n so fc o l o r - c h a n g e da n dt h es h e a rl i n e i no r d e rt oa c h i e v ep r e c i s i o nf o rc o l o rc h a n g e ，t h e n e e d l ep o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i w a sd e s i g n e d t h i r d l y , t h ed i s c o n n e c t i o nd e t e c t i o nc i r c u i tw a sd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f d i s c o n n e c t i o np r o t e c t i o na n dd i s c o n n e c t e da l a r m ， a r o u g ha n a l y s i so ft h ed i s c o n n e c t m e c h a n i s ma n dc a u s a t i o n a c c o r d i n gt od i s c o n n e c td e t e c t i o nn e e d s ，t h en e e d l ep o s i t i o n d e c o d i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e dt op r o v i d eb r e a kd e t e c t i o nc i r c u i tw i t hn i n en e e d l es i g n a l s f i n a l l y ，t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em a i nc o n t r o lp a n e la n dt h ee x t e r n a li n t e r f a c e c i r c u i td a t ac o m m u n i c a t i o n , ap r e l i m i n a r yd e s i g nf o rt h ep c10 4b u sp o r te x t e n s i o nb o a r d sb y c p l dw a sm a d et oa c h i e v ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e rc o u n ta n dp o r te x t e n s i o no nt h ec p l d c h i p a n dt h es i m u l a t i o nv e r i f i e dt h a tt h ep o r te x t e n s i o nb o a r dl o g i ci sc o r r e c t i nt h i st h e s i s ，ap e r f e c tc o n t r o lo ft h ee m b r o i d e r yc a l lb ea c h i e v e db yt h ec o m p u t e r e m b r o i d e r ye l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi n t e r f a c ec i r c u i t ；c o l o r - c h a n g e d ，s h e a r - l i n e ，b r e a k - s h e a r d e t e c t i o na n do t h e rf u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e dt om e e tt h ee x p e c t e dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r y ，c p l d ，p c 10 4 ，m o t o r - c o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：硼g 年6 月弓de l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加护8 年月乡。日 硕士论文电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 1 绪论 电脑绣花机是随着电子技术、计算机技术和机电一体化技术发展逐渐发展起来的一 种高自动化、高生产效率的光、机、电三者合一的刺绣设备。电脑绣花机的出现极大的 提高了纺织行业的生产力，是当代最先进的绣花机械。广泛应用于刺绣、服装、鞋帽、 针织和工艺品等纺织服装的各个行业。电脑绣花机在生产中的应用，不仅大幅度地提高 了生产效率，而且还能实现传统手工绣花无法达到的“多层次、多功能、同一性和完美 性”的要求，提高了产品附加值和竞争力，是一种体现多种高新科技的机电产品【i 】。 1 1 本课题的研究背景和意义 中国加入w t o 以后，国产绣花机面临新的机遇和挑战，电脑绣花机生产厂家增加 了许多，产量也急剧增加。从2 0 0 5 年我国缝纫设备发展迅速，产量占全球产量的7 0 以上，其中家用机占全球产量的7 5 以上，工业机约占全球产量的7 0 ，绣花机占全 球产量的7 0 以上 2 】【3 】，但产品主要集中在中低端市场，竞争力不足，利润空间有限。 由于绣花机的核心技术仍掌握在国外绣花机厂商手中，主要原因在于国产绣花机产品质 量和服务质量与国外相比都有一定的差距，因此，采用新技术开发高质量的绣花机成为 国产机占领国内外市场的必然需求，研究和改进电脑绣花机电控系统，提高电脑绣花机 的现有自动化水平和刺绣工艺水平，具有重要的现实意义。 绣花机的机械部分鉴于加工技术的限制，改进的空间较小【2 】，要短期内提高绣花机 产品性能只能从改进电控器着手，从而决定必须设计高性能、低价格的绣花机控制器。 根据目前国内外的电脑绣花机技术发展现状及系统功能需求，有以下几种方案可供选择 来实现电脑绣花机电控器的基本功能。 ( 1 ) 采用基于8 0 5 1 单片机为主控制器，利用8 2 5 5 或8 1 5 5 来扩展接口，控制各个 电机和继电器以及键盘和l e d 显示器。这种控制器结构简单，功能单一，价格低廉， 能够实现基本的绣花功能，多用于单头或少头数电脑绣花机上，为国内较早采用的电脑 绣花机控制器设计方案。 ( 2 ) 采用基于i n t e l1 9 6 k c1 6 位单片机为主控制器1 4 】【弱，用于控制液晶显示器或 显示器、键盘、从软驱读取花样数据并作为主控制器与其它控制器或接口进行通信，同 时采用8 0 5 1 单片机作为下位机控制主轴伺服电机或滑差电机【6 - 1 1 1 。该系统采用多控制器 分散控制的思想来提高系统的整体处理能力，整体性能有所增强，但多控制器的通信必 然增加系统的成本，而且该系统仍较难实现较好的图形化人机界面和u s b 闪盘大容量 存贮技术以及网络通信技术，系统的模块可重用性和可升级性也较差，并且电路设计复 杂，涉及的技术面广，很多与绣花机控制功能无关的外围设备驱动电路也必须一一设计， 1 绪论硕士论文 严重影响了系统开发进度。控制系统产品在市场上是以快取胜，新产品跟进速度不快， 提高了时间成本，丢失了一部分市场，从而减少了利润，虽然开发该系统的整体成本较 低。 ( 3 ) 采用基于工控机作为主控制器，该系统可以采用s t d 总线或p c i 0 4 技术，其 中的p c i 0 4 总线系统由于采用标准模板，因此设计方便，可靠性容易保证，但系统资源 费用大，成本高。而p c i 0 4 技术软件可重用模块较多，其中的文件系统、u s b 接口、 l e d 控制器接口以及网络接口都已具备，因此可以缩短开发周期，降低开发难度，因此 采用工控机作为主控制器的方案满足了现代电脑绣花机发展的需要。国内西安交大最早 采用工业控制机作为电脑绣花机电控系统的核心；并且采用智能彩显技术，实时监控机 器运行状况，不但可显示色彩丰富的绣品图案，而且可在机上进行配色调试，同时实现 了人机对话式控制，使操作更加直接和方便。但是从某种程度上说，该系统并没有克服 技术上分立式电路带来的系统不稳定、调试困难等问题，同时也没有充分发挥工控机软 硬件资源丰富、稳定可靠的优势。并且系统的片上资源和可扩展口较少，需要制作专用 的接口板来控制其它设备，所以该方案的成本较高，产品体积较大。 ( 4 ) 采用基于a r m 微处理器的嵌入式主控制器，其中的软件可重用模块较多，开 发板厂商多数提供各模块的驱动和例程，并且已经移植好l i n u x 嵌入式操作系统，有 的甚至移植了m i n i g u l 人机界面，开发工具和开发环境齐全，因此大大降低了开发难度 和开发周期，另外目前的一些微处理器己经内嵌u s bh o s t 模块或l c d 控制器模块( 如 a t m e l 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 、s u m s u n g 的$ 3 c 2 4 10 a 和c i r r u sl o g i c 的e p 9 31 x 系列， 其中a t 9 1 r m 9 2 0 0 和e p 9 3 1 x 系列均为工业级芯片) 以及定时计数等接口模块，系统外 围扩展模块较多，能直接控制多数设备，因此大大降低了产品成本，使得产品整体体积 小，结构紧凑，能够满足现代高级电脑绣花机的需求而且升级方便。这种方案具有以下 特点凹： 1 ) 充分利用了工控机抗干扰能力强、性能稳定的优势。同时丰富的软硬件资源， 可以缩短产品开发周期，方便了系统功能升级，联网也方便； 2 ) 采用嵌入式l i n u x 作为操作系统，充分利用了l i n u x 中已有的通用模块的功能， 可以方便实现u s b 管理、文件管理、l c d 驱动、网络功能等，加快了开发进度。同时 l i n u x 系统内核稳定，满足了系统对稳定性的要求； 3 ) 管理和控制功能由一个处理器完成，没有采用多处理器协调处理的模式充分 发挥基于a r m 9 架构的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的功能，不仅需要完成l c d 显示、花样管 理功能，还要完成对主轴电机、步进电机等设备的控制。利用微处理器集成的片内p w m 定时器，产生一定频率的脉冲，完成主轴伺服电机、绣框步进电机的控制。 2 硕士论文电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 1 2 电脑绣花机的发展历程 工业革命后机械行业蓬勃发展，改变了传统的手工刺绣。1 8 2 8 年，j o s h u ah e i l m a n 生 产了第一台手摇绣花机。1 8 6 4 年，瑞士的g r o e b l i 将绣花技术与缝纫技术结合开发了“飞 梭绣花机”。1 8 8 7 年，g r o e b l i 将绣花技术结合在新机器的制造中，极大的提升了现代飞 梭绣花机技术，此后飞梭绣花机在生产中广泛应用，绣花产业在美国、欧洲、日本得到 快速的发展，改善了传统手工绣花的效率低下j 样式单一等缺点。 进入二十世纪七十年代，电子技术应用于飞梭绣花机，带来了绣花机技术的更新换 代。1 9 7 4 年，蔡斯克公司( z s k 公司前身) 推出电子多头刺绣机。1 9 7 6 年，美高公司 ( m e l c oi n d u s t r i e s ) 推出世界上首套电脑绣花打版系统d i g i t r a e ，并卖给了位于日本大阪市 的高达绣花公司( g o d ae m b r o i d e r y ) 。1 9 7 7 年，百灵达( b a m d a n ) 带i 造了其第一台全电脑多 头绣花机。第二年，日本田岛公司推出其第一台电脑多头绣花机，此后电脑绣花机产业 发展迅速1 1 6 j 。 二十世纪八十年代以来，高科技纺织品在整个纺织品市场中的比例不断增长。资料 显示，最近五年，发达国家高科技纺织品的市场份额增长了一倍多。在欧洲纺织品市场 上，高科技纺织品的市场占有率已达3 0 以上。全球纺织工业现在普遍采用电子、电脑 程序控制，从市场信息到产品的花型设计，颜色、织物结构的设计，到纺纱、织布、染 整等生产领域和管理领域都能找到电子计算机的身影。利用c a d c a m 等生产辅助手 段，可以实现小批量、多品种的市场需求，增强产品竞争能力，达到经济效益的最大化。 到目前为止，国际上的著名电脑绣花机品牌除了上面提到的日本田岛、百灵达、德 国蔡斯克( z s k ) p f ，还有日本兄弟( b r o t h e r ) 、韩国s w f 等品牌【18 1 。我国电出现了诸 如北方天鸟、深圳富怡、武汉佳美、上海标准、路桥飞亚，临海珠光、诸暨飞鹰、盛名、 宁波海纳、青岛鹰轮、饶美、日科、江苏通力等一批绣花机知名生产企业。 电脑绣花机是集机械、电子技术于一体的高科技产品，其机械结构设计和电控系统 的设计是相互协调的、相互发展的，因此要提高电脑绣花机的整体性能，可以从机械结 构和电控系统两方面入手。 在机械方面，目前电脑绣花机产品己形成规模效应，各项配套设备已经形成标准生 产，其成本几乎已达到最低。短时间内要在机械方面有较大的改进比较困难，不但要提 高成本，而且要做到各原配件生产厂商和电控器生产厂商以及电脑绣花机装配厂商之间 的充分沟通，这本身就需要消耗较多的成本和时间。因此从机械方面考虑提高电脑绣花 机的性能比较困难【】7 1 。 在电控系统方面，目前国内生产电脑绣花机电控部分的上市企业只有北京的兴大豪 和深圳的富怡两家公司，相比于电脑绣花机机械部分电控器有更大的市场需求。同时随 着电子技术和计算机技术，特别是嵌入式技术的发展，提高和改进电控系统的功能，使 气 1 绪论硕士论文 得电脑绣花机整机性能得到提高并有效降低产品成本成为可能。 目前很多绣花机械控制器的主控制电路进行了升级换代，由原来的单片机换成性能 更高的a r m 芯片。本文设计所采用的系统是更为先进的a r m 芯片，比主控板采用1 6 位单片机的控制系统运算速度更快，效率更高；系统的存储容量与普通电脑绣花机相比 扩充了一倍以上，系统里面可以存储将近千个花样。 1 3c p l d f p g a 技术在电脑绣花机中的应用 本文研究的绣花机电控系统由a r m ( 主处理器) 加c p l d ( 协处理器) 协处理器 为核心的电路构成主控制电路，并辅助以其它驱动电路板实现对绣花机的控制。使用 c p l d 为协处理器的原因有三：一是减轻c p u 的负荷，使c p u 能实现更实时的响应： 二是可以对绣花机反馈来的信号和发送给绣花机的信号进行预处理，使系统清晰安全， 避免相互干扰，容易调试；三是由a r m 和c p l d 组成的系统也具有更好的灵活性、扩 展性和可移植性。 1 3 1c p l d f p g a 的介绍与区别 ，c p l d 和f p g a 是2 0 世纪8 0 年代中后期出现的，a l t e r a 公司和x i l i n x 公司分别推 出了类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准 门阵列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，它们都具有体系结构、逻辑单元 灵活、集成度高、适用范围宽、用户可编程等特点。利用c p l d f p g a 芯片，电子系统 设计工程师可以在实验室中设计出专用i c ，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发、 上市的时间，降低了开发成本。此外，c p u ) f p g a 还具有静态可重复编程或在线动态 重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变 得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。 c p l d 和f p g a 都是可编程的，二者有许多相似的地方，但二者也有显著的本质区 别【1 2 1 。二者之间的区别主要在于： ( 1 ) c p l d 更适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑，例如 触发器多的电路结构适合使用f p g a ，而c p l d 适用于触发器少而乘积项多的电路结构； ( 2 ) c p l d 的内部组成结构决定了它的时序延迟是均匀和可预测的，而f p g a 的 组成结构决定了它的延迟是不可预测的； ( 3 ) 在编程上f p g a 比c p l d 更具有灵活性，c p l d 通过修改具有固定内连电路 的逻辑功能来编程，而f p g a 主要通过改变内部连线的布线来编程； ( 4 ) c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l d 的编程采用e e p r o m 或f l a s h 技 术，掉电可以保存数据和程序，所以无需另外的外部存储器芯片来存放程序和数据，使 用起来简单；而f p g a 内部使用的是s d r a m ，掉电后会丢失编程信息，所以需要外部 4 硕士论文电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 存储器，使用方法复杂： ( 5 ) 在编程次数上，c p l d 使用e e p r o m 或f l a s h ，编程次数可达1 万次左右， 而f p g a 使用s d r a m 编程，所以其编程次数为无限次；c p l d 的优点是系统掉电编程 信息不丢失； ( 6 ) c p l d 保密性好；f p g a 保密性差； ( 7 ) 一般c p l d 的功耗比f p g a 要高，集成度越高越明显。 基于以上的区别，考虑到系统的电路设计中绝大部分是算法和组合逻辑，而且期望 系统简单可靠，所以采用c p l d 作为协处理器。 1 3 2 使用c p l d 作为协处理器的优点 c p l d 作为c p u 的协处理器，代替c p u 处理了很多任务，不仅减轻了c p u 的负担， 而且使系统更加可靠稳定，也更具有灵活性和可扩展性。 ( 1 ) 由于c p l d 的采用，减少了芯片的数量，从而减小了控制器的体积和故障源， 增加了系统可靠性，软件设计更加方便灵活，可根据控制对象的不同进行系统重构； ( 2 ) 嵌入式系统的开发通常采用“宿主机目标机 方式。首先；利用宿主机上丰 富的资源及良好的开发环境来仿真调试目标机上的软件；然后通过串行口或网络将交叉 编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并利用交叉调试器在监控程序或实时内核 操作系统的支持下进行实时分析和调度。最后目标机在待定的环境下运行。 ( 3 ) 电脑绣花机电控系统需要较多的通信端口，而a r m 板本身并没有这么多的口， 所以要进行扩展。传统的方法可以选择进行扩展，但是并不能完成复杂的逻辑编程，给 增加了很多负担。而c p l d 是可编程器件，通过硬件语言编程，可将实现的功能转移至 c p l d 中实现，这样既可以减轻c p u 的负担，又可以使得功能更加灵活。本系统利用一+ 片c p l d 扩展了a r m 板的p c i 0 4 总线，并实现了光电编码器计数、外部中断等请求。 1 3 3c p l d 内部电路的设计和实现方法 一个完整的c p l d 的设计流程包括程序设计与输入、设计验证( 功能仿真、综合、 综合后仿真) 和设计实现( 布局布线、布线后仿真、下板调试) 三个部分【1 2 1 ，其完整的 设计流程如下： ( 1 ) 文本编辑根据工程师设计的方法，可用任何文本编辑器，也可以用专用的h d l 编辑环境，本系统使用q u a r t o si i 编辑环境进行编辑。通常v h d l 文件保存为v h d 文件， 。 v e r i l o g 文件保存为v 文件； ( 2 ) 功能仿真将文件调入h d l 仿真软件( q u a r t u s i i ) 进行功能仿真，检查逻辑功 能是否正确( 也叫前仿真，对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以后，进行时 序仿真) ； ( 3 ) 逻辑综合：文件调入逻辑综合软件( q u a r t u s i i ) 进行综合，即把语言综合成 s i 绪论硕士论文 简单的布尔表达式和信号的连接关系。逻辑综合软件会生成e d f 的e d a 工业标准文件； ( 4 ) 布局布线：将e d f 文件调入p l d 厂家提供的软件中进行布线，即把设计好的 逻辑安放到p l d 伊p g a 内； ( 5 ) 时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的 时序( 也叫后仿真) ； ( 6 ) 编程下载：确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。目前进行大型工程设计 时，最常用的h d l 设计语言是v h d l 和v e r i l o g 。它们的共同特点是利于由顶向下设计， 利于模块的划分和复用，可移植性、通用性好，设计不因芯片不同而变化，更利于向 a s i c 的移植。 1 4 本文的章节安排 本文首先介绍电脑绣花机的发展历程和现状以及其控制系统的发展背景。提出以嵌 入式a r mp c 1 0 4i 业控制计算机作为核心，嵌入式l i n u x 为操作系统，集管理和控制 于一体的电脑绣花机电控系统方案，在此系统的基础上进行电脑绣花机接口电路的总体 设计。 第二章介绍了绣花机电控系统的硬件整体结构；分析绣花机的刺绣原理和控制对 象；重点分析接口电路的控制需求；简单介绍核心控制板的硬件资源和p c i 0 4 总线。 第三章主要实现对换色动作和剪线动作的控制。根据绣花机的换色机械机构，利用 霍尔元件设计针位置检测电路，并以8 4 2 1 码形式输出。分析换色电机、剪线电机的控 制原理和控制方式，设计换色电机、剪线电机的启动电路以及制动电路。分析本文研究 的绣花机上所配备的扣线电磁铁和机头电磁铁，设计相应的驱动电路。 第四章首先根据断线检测的要求设计针位置译码电路，将针位信息从8 4 2 1 码翻译 成机头线夹上的针位信号。根据绣花机机头的机械部分，分析绣花机发生断线的机理和 原因，结合绣花机的刺绣原理和控制要求，设计机头断线检测电路。然后利用软件验证 机头断线检测电路逻辑的正确性。 第五章根据绣花机电控系统的控制信号需求，构思了基于c p l d 的端口扩展板的初 步设计，实现了绣花机控制信号的端口扩展和光电编码器的鉴相计数，并且给出端口扩 展板的功能仿真。 最后总结本文的研究成果，展望本文研究的电脑绣花机电控系统与接口电路的发展 前景。 硕士论文 电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 2 绣花机电控系统接口电路总体设计方案 绣花机电控系统是绣花机整机的核心系统，它控制着机械部分的运动，完成绣花功 能，因此绣花机的控制效果与刺绣效果在很大程度上都是由控制系统决定的。本文研究 的电脑绣花机电控系统由核心控制板( a r m 9 ) 、端口扩展板、外围接口电路和系列外 围控制设备组成。本章节从电脑绣花机原理、功能要求出发给出了电脑绣花机电控系统 接口电路的总体构架；然后分析了外围接口电路的控制对象和功能需求；最后简要介绍 了p c i 0 4 总线。 2 1 电脑绣花机电控系统 2 1 1 电控系统接口电路的总体架构 电脑绣花机电控系统主控电路由核心控制板和端口扩展电路两部分组成。核心控制 板选用嵌入式a r mp c 1 0 4 工业控制计算机主板( f s p a m 2 4 1 0 e v e r l 2 ) ，端口扩展板 以c p l d 为核心进行i o 端口扩展和光电编码器的计数，二者之间通过p c 1 0 4 插槽相 连接。与主控电路连接的是一系列接口电路和外围设备，它们主要是完成绣花机的机械 运动，并且保证绣花机的正常运行，提高绣花机的安全性与稳定性，外围接口电路和设 备与主控制电路的连接如图2 1 1 所示。 图2 1 1 绣花机电控系统总体框架图 7 2 电脑绣花机电控系统接口i 乜路总体设计方案 硕士论文 2 1 2 绣花机的刺绣原理与控制对象 电脑绣花机是在缝纫机的基础上发展起来的，它的工作原理近似于数控系统，现在 流行的电脑绣花机都是将刺绣的花样先由打版师在p c 机上通过打版软件生成花样文 件，然后将花样文件存贮于软盘或其它介质。在主控制器里编写相应的花样读写程序， 绣花机在工作时，主控制器中的程序将自动读取存储于介质上的指定花样信息，按照一 定的规则解码，从而控制各电机协调运动，绣出各种花样。现在市场上流行的电脑绣花 机都包含主要的三个电机：控制针杆的主轴电机和控制绣框的x 、y 方向步进电机，其 中主轴电机通过传动机构带动主轴旋转，主轴通过凸轮机构进而带动针杆，针杆带着面 线上下运动；x 、y 轴的步进电机在绣针离开布面时带动绣框在x 、y 轴方向运动。在 正常刺绣时主轴电机一直在运动，针杆带动绣针不断地做上下运动。主轴的一端有一个 码盘，当主轴转动在某两个角度之间时，即在针离开布料到插入布料之间的时间内，x 、 y 轴步进电机才允许运动，绣布随绣框运动，面线与底线不断穿梭，从而在绣布上绣出 漂亮的图案。因此主轴带动针杆的运动和移框运动是绣花机最为重要的两部分，它们各 自独立又相互协调，共同完成刺绣过程。 通常在生活中看到服饰上的图案不可能是单一的颜色，每个花样都是由多种颜色组 成，这就要求绣花机具有自动换色功能。当需要进行换色时，主轴必须先停下来，然后 让换色电机转动，通过传动机构带动针杆箱移动，将穿有其它颜色线的针换上，然后继 续刺绣。刺绣完毕时，必须将面线剪掉，这个功能是由剪线电机、勾线电机和扣线电磁 铁配合完成的。首先扣线电磁铁吸合，将底线的旋梭扣住，勾线电机带动勾刀将面线钩 住，然后剪线电机带动剪刀将线剪断，勾刀将剪短的面线勾回到尼龙塔扣内。上述电脑 绣花机刺绣的原理如图2 1 2 所示： 图2 1 2 绣花机刺绣原理图 由上面分析的电脑绣花机的刺绣原理可知，电脑绣花机电控系统作为一个控制系 统，主要实现t ( 1 ) i o 设备输入输出控制。 ( 2 ) 主轴电机速度控制。 ( 3 ) x ，y 轴步进电机位置控制。 r 硕士论文电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 ( 4 ) 换色电机运动控制。 ( 5 ) 剪线电机、勾线电机的运动控制。 ( 6 ) 断线检测，电磁铁通断控制，行程开关控制，限位开关控制。 于是，可以归纳出电脑绣花机电控系统需要实现的基本控制功能有： ( 1 ) 人机界面包括键盘和显示器，提供基本控制输入和状态输出。并且显示当前 的花样信息以及绣花机工作状态。 ( 2 ) 软盘读入、输出，实现内存和外存数据交换( 软盘上文件格式一般为田岛格 式二进t i t - * d s b ) 。 ( 3 ) 主轴电机为伺服电机，主轴控制要求转速可调并且能够稳定转速，转速由主 控电路给定并且可以修改参数，还能够精确停车，停车位置为1 0 0 。 ( 4 ) 能够通过移位针杆箱来换色，也可以通过读取花样信息进行自动换色，换色 由换色电机控制。换色电机为特制单相异步电机，换色要求精确定位。 ( 5 ) 通过控制剪线电机来实现剪线，剪线的同时能够将主轴锁住。剪线到位后回 馈剪线到位信号给控制系统，让剪线电机尽快停止到初始位置。同时，勾线电机和扣线 电磁铁用来配合剪线动作。 ( 6 ) 能够检测断线，并且具有报警功能，通过译码接口电路可以判断出哪个针位 出现断线，并且在屏幕上显示。 ( 7 ) 能够控制每个机头是否下针。下针由机头电磁铁控制，电磁铁由电磁铁驱动 电路来驱动，驱动电路按照给定的控制信号触发。 ( 8 ) 最主要的功i l t i l 绣是由控制x 、y 轴步进电机的动作来完成的。依照软件所给 定的位置信息，经过运算之后分别给x 、y 轴步进电机发出控制脉冲，步进电机在两针 之间的时间间隙内完成移位( 这需要和主轴电机同步) ，这些功能由主控电路完成，同 时主控电路还需要控制和协调其它控制电路工作。 ( 9 ) 通过行程开关控制绣花机的开机、停机、慢动、回退等几个基本动作。 ( 1 0 ) 通过限位开关控制绣花机的x 、y 方向的运动位置，防止越框。当发生越框 时，电机停止转动，并且在屏幕上显示越框信息。 2 3 核心板的选择 本文研究的电脑绣花机电控系统采用的核心板是由北京飞旭科技有限公司设计开 发的f s n w 2 4 1 0 e - v e r l 2 计算机板。在该板中，主处理器基于三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a r m 处理器，其内嵌删9 2 0 t 核，带有全性能的m m u ，具有高性能、接口丰富、低功 耗、低成本、小体积等优点。f s p a m 2 4 1 0 e v e r l 2 计算机板是专门针对常温环境下的 嵌入式应用开发的一款a r m 计算机板，其接口比较丰富，非常方便我们进行各种低功耗 的设备应用开发。它的硬件资源【2 0 】如下表所示： 9 2 电脑绣花机电控系统接口电路总休设计方案 硕士论文 表2 3 1 核心板硬件资源 2 4 外围接口电路需求分析 ( 1 ) 针位检测与译码接口电路 绣花机自动换色功能与断线检测功能都与当前针位置有密切关系。换色电机通过凸 轮机构带动针杆做横向运动，针杆移动的距离跟换色电机转过的角度成一定的比例关 系，我们正是利用它们的比例关系来设计针位置检测电路，针位置检测电路把换色电机 每次换色到位时的角度转换成针位信息，传给主控制电路与断线检测电路。针位置译码 电路在接收到反映针位置信息的8 4 2 1 码后，将它转换成1 呻中对应位的针位信息，对 应9 根针位信号线，将当前工作针位对应的那根信号线置为高电平后发送给断线检测电 1 0 硕士论文 电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 路。 1 ( 2 ) 换色电机接口电路 自动换色运动是电脑绣花机的一个重要的机械运动，需要控制一台换色电机正反转 以完成换色运动。换色运动在主轴电机停车时才工作，由换色电机带动换色凸轮将旋转 运动转换成直线运动来实现针头的移动，将穿有其它颜色线的针换上，针杆间距为1 5 m l r l 。换色电机的启停控制需要根据当前针位和换色代码针位对比来判断换色是否成功。 换色电机控制电路与主控制电路通信的信息有换色电机正、反转和停止信号。换色电机 的控制接口电路在电源板上实现，控制信号来自于主控制电路。本文研究的电脑绣花机 所配备的换色电机为单相异步电机，型号y c j l 5 1 8 ，换色电机的参数：a c 2 2 0 v ，1 5 w ， 5 0 h z ，0 2 3 a 。 ( 3 ) 剪线部分接口电路 当刺绣完成或者需要换色时，必须先剪线。剪线动作是由扣线、剪线、勾线三个动 作完成，它的工作原理已经在前文叙述过。扣线是由扣线电磁铁来控制完成，剪线由剪 线电机控制，勾线由勾线电机控制。剪线电机带动剪线杆横向运动完成剪线，在剪线杆 上有一个接近开关，当剪线完成时会给主控制电路发送一个信号，此时主控制电路将会 发送剪线电机的制动信号，让剪线电机刚好停在初始位置。勾线电机带动勾线杆横向运 动，当剪线完成时将面线拉回尼龙扣。在勾线线杆上也有一个接近开关，当勾线完成时 接近开关会给主控制电路发送一个勾线回应信号，此时主控制电路将会发送勾线电机的 制动信号，让勾线电机刚好停在初始位置。勾线控制电路与剪线电机控制电路相似。剪 线电机、勾线电机和扣线电磁铁的控制电路都将在电源板中实现。 本设计用到的电磁铁是青岛海鹰电器厂生产的，型号m c x 0 1 3 4 g ，参数：d c 6 5 v 工作电压，反弹力矩1 0 0 g ，脉冲功率1 0 w 。剪线电机选用的是y n 8 0 ，2 5 ，参数：a c 2 2 0 v ， 2 5 w ，5 0 6 0 h z ，0 3 5 a ，1 3 0 0 1 6 0 0 r m i n 。勾线电机选用的也是y n s 0 2 5 ，参数：a c 2 2 0 v ， 2 5 w ，5 0 6 0 h z ，0 3 5 a ，13 0 0 16 0 0 r r a i n 。 ( 4 ) 断线检测接口电路 本文研究所使用的电脑绣花机具有6 个机头，每个机头上有9 个线夹，可以用来检 测是否断线。由于每个机头独立并行工作，互不影响，每个机头都必须安装个断线检 测板，装在机头的背部，当机头的面线发生断线时，将断线信号发送给主控制电路，让 主轴停车，在显示屏上显示断线，同时用指示灯警示。 ( 5 ) 主轴电机驱动 在国内外的高档电脑绣花机中基本都采用交流伺服电机作为主轴控制电机。交流伺 服电机的主要特点是惯量小，转矩大，控制精度高，可方便地获得与频率成正比的可变 速度，在低速运行时无爬行，无震动，调速范围宽，力矩频率特性好，同时电机轴 上自带有码盘和高分辨率的位置旋转编码器，可方便地将电机轴的实际转角以脉冲方式 2 电脑绣花机电控系统接口电路总体设计方案硕士论文 反馈给驱动器，在位置环方式下构成_ 个闭环位置控制，提高控制精度。另外交流伺服 电机结构简单，体积小，运行可靠，无需维护，与其配套的交流伺服驱动器控制方式灵 活，适合多种用途的全数字化驱动装置。 主轴电机使用的是安川电机( 上海) 有限公司的s g m g h 系列伺服电机，驱动器选 用的是三洋公司( s a n y od e n k i ) r s 系列伺服驱动器。所以无需另外设计伺服电机的 驱动电路，只要对主控制板发送的驱动信号进行隔离即可。 ( 6 ) x ，y 轴步进电机驱动 电脑绣花机绣框的驱动电机一般为步进电机，只有极少数国外某些种类的产品采用 了交流伺服电机，但是从电脑绣花机的工作原理来分析，我们认为绣框电机的驱动不要 求有很高的位置精度和速度精度，具体的定位精度在o 1 m m ，这在- 二般的机械导轨运动 中通过步进电机是不难实现的，只是要在绣针离开布面和绣针要扎到布面之间的时间间 隙完成移框动作，这在主轴的高速运转( 7 0 0 r p m 以上) 下，要求绣框电机频繁地完成 ，启动一运行一停止一启动 的动作。步进电动机的角位移与输入脉冲数严格地成正比 关系，步距误差不长期积累，具有控制灵活、精度高、定位准确、启停迅速、工作可靠、 易与计算机或其它数字元件接口、可以用数字信号直接进行开环控制等特点。 步进电机驱动器使用的是常州亨联光机电科技有限公司的b q s 3 1 系列驱动器，采 用双脉冲方式驱动。驱动器带有步进电机故障检测功能，可以提高绣花机的安全性与稳 定性。同样，无需另外设计步进电机的驱动电路，只要对主控制板发送的驱动信号进行 隔离即可。 2 5p c i 0 4 总线的介绍 p c 1 0 4 总线是嵌入式p c 机所用的总线标准。有两个总线插头。其中p l 有6 4 个引 脚，p 2 有4 0 个引脚，共有1 0 4 个引脚，这也是p c 1 0 4 名称的由来。p c i 0 4 有两个版本， 8 位和1 6 位，分别与p c 和p c a t 相对应。p c i 0 4 p l u s 则与p c i 总线相对应。 p c 1 0 4 模块本质上就是尺寸缩小为3 8 英寸x 3 9 英寸的i s a 总线板卡。它的总线 与i s a 在i e e e p 9 9 6 中定义基本相同。具有1 6 位数据宽度，最高工作频率为8 m h z 数 据传输速率达到8 m b s ，地址线2 4 条，可寻访1 6 m 字节地址单元。 所有p c 1 0 4 总线信号定义和功能与它们在i s a 总线相应部分是完全相同的。1 0 4 根线分为5 类：地址线，数据线，控制线，时钟线，电源线。简要介绍如下： ( 1 ) 地址线：s a o s a l 9 和l a l 7 l 心3 ：s a 0 s a l 9 是可锁存的地址信号，l a l 7 l a 2 3 是非锁存信号，由于没有锁存延迟，因丽给外 设插板提供了一条快捷途径。s a 0 s a l 9 加上l a l 7 l a 2 3 可实现1 6 m b 空间寻址( 其 中s a l 7 一s a l 9 和l a l 7 l a l 9 是重复的) 。 ( 2 ) 数据线：s d 0 s d 7 和s d 8 s d l 5 1 2 硕士论文电脑绣花机电控系统接口电路的研究与设计 其