（机械制造及其自动化专业论文）基于多处理器的剑杆织机主控系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘 要 纺织业的飞速发展使得织机向高速、 宽幅、 高适应性方向发展。 剑杆织机作 为无梭织机的一种， 以其灵活多变的品种适应性深受用户的青睐。 在剑杆织机的 研制过程中，控制系统的设计对于织机系统功能的实现有着非常大的影响。 高速织机对主控制系统数据处理的实时性要求较高， 因此目 前不少织机生产 厂商采用比 较昂贵的工控机作为控制核心。 为了 解决控制系统性能和价格之间的 矛盾， 本文在设计剑杆织机主控制系统时， 借鉴了国内外先进高速织机控制系统 的设计思路， 提出了多处理器的控制方案。 这种控制方案满足了实时控制的要求， 提高了数据的综合处理速度， 降低了控制软件的设计难度， 减少了控制系统的制 造成本。 本文的研究内容就是剑杆织机多处理器主控系统控制方案的设计、 实现和测 试。主控系统设计方案中使用了两片8 位微处理器作为控制核心。根据两片微处 理器在系统中的作用不同， 将主控系统分为两个子系统: 主处理器系统和协处理 器系统。 主处理器系统包括主处理器同协处理器的接口电路、 同 送经卷曲部分的接口 电路、同显控部分的接口电路、 同接口 板的数据传输电路等。 其中主处理器同协 处理器的接口电路实现了织机控制软件的并行运行， 提高了系统控制能力。 同显 控部分的电路实现了生产参数的传输存储和织机状态的实时显示。 同送经卷曲部 分的电路实现了对织机送经卷曲动作的监控。 同接口板的数据传输电路实现了织 机各种状态的检测和动作的控制以及状态报警等功能。 协处理器系统包括电源监控电路、 各接口板电源状态监控电路、 主轴编码器 接口电路和系统时间控制电路等。 协处理器主要负责主轴位置的确定和各接口板 状态监控及时间保持等辅助信息的处理。主控系统实现了状态数据的实时处理， 满足了织机控制的高速、高精度要求。 关键词:多处理器， 数据交换， 控制系统， 剑杆织机，电源监控 西北工业大学硕士学位论文 abs tract t h e t e x t i l e i n d u s t ry i s d e v e l o p i n g a t a v e ry f a s t s p e e d , w h i c h m a d e l o o m d e v e l o p in g t o w a r d s h i g h s p e e d , w i d e b r e a d t h a n d h i g h a d a p t a b i l i t y . t h e r a p i e r l o o m i s h i g h i n c u s t o m e r s f a v o r f o r i t s fl e x i b le a d a p t a b i l i t y . i n t h e e x p l o i t a t i o n o f t h e r a p i e r l o o m ; t h e d e s ig n o f it s c o n t r o l s y s t e m i s v e r y im p o r t a n t . a c c o r d i n g t o t h e d e v e l o p m e n t o f l o o m c o n t r o l s y s t e m , w e d e s i g n e d a m u l t i p r o c e s s o r s y s t e m t o c o n t r o l r a p i e r l o o m . i n o u r p r o j e c t , t h e r e a r e f o u r p r o c e s s o r s w o r k i n g t o g e t h e r . t w o e i g h t b i t e m b e d d e d p r o c e s s o r s w o r k a s m a i n c o n t r o l l e r a n d t w o o t h e r t h i r t y - t w o b i t p r o c e s s o r s w o r k a s s u b s i d i a r y c o n t r o l l e r . t h e y c o l l e c t a n d e x c h a n g e d a t a t h r o u g h s e v e r a l i n p u t a n d o u t p u t p o rt s . t h e c o n tr o l l e r s a n d u o p o rt s c o n s i s t o f t h e w h o l e c o n t r o l s y s t e m . i n t h i s p a p e r , t h e m a i n t o p i c i s t h e m a i n c o n t r o l s y s t e m . i n t h e m a in c o n t r o l s y s t e m , t h e r e a r e t w o e i g h t b i t z 8 4 c o 1 5 p r o c e s s o r s a n d s e v e r a l i / o p o rt s . o n e o f t h e p r o c e s s o r s i s w o r k a s a m a s t e r c o n t r o l l e r ; a n o t h e r i s w o r k a s a n a s s i s t c o n t r o l l e r . t h e m a s t e r c o n t r o l l e r p r o c e s s t h e s t a t e m e s s a g e o f w o o f - s e l e c t in g , b u t t o n - c o n t r o l 、 w o o f - d e t e c t i n g a n d j a c q u a r d - w e a v i n g c o n t r o l . t h e a s s i s t c o n t r o l le r p r o c e s s t h e m e s s a g e o f p o s i t i o n o f t h e m a i n a x e s , t h e s t a t e o f i / o b o a r d s , a n d c o n t r o l t h e c h i p o f t i m i n g . t h e m a i n p r o c e s s o r e x c h a n g e d a t a w i t h t w o m c 6 8 3 3 1 t h r o u g h d u a l p o rt h i g h s p e e d s t a t e r a m a n d s e r i e s 1 / o p o rt . k e y wo r d s : m u l t i p r o c e s s o r , d a ta - e x c h a n g e , c o n t r o l s y s t e m , e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , r a p i e r l o o m 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 . 1 引言 剑杆织机是无梭织机中功能最强， 使用最多的一种机型. 从世界范围看， 生产 剑杆织机的厂家总共有1 8 家， 目前主要生产柔性剑杆织机. 自 从我国加入w t o 以后， 纺织业又迎来了一个发展的高潮。 从面料市场的 情 况看， 无论是国内市场还是国际市场， 要求越来越高， 花色品种的变化也越来越 快，从而使织机对织物的适应性要强，生产效率要高。 通过对剑杆织机应用厂家的调查和分析， 我们发现: 用户不但要求织机具有 较高的可靠性和稳定性， 还对将来的织机提出了更高期望， 即高速剑杆织机运转 速度在6 0 0 r / m i n 以 上， 充分发挥剑杆织机的 特长。由于运转速度的成倍增长， 织机在价格上低于进口 喷气织机， 而在生产能力上接近喷气织机。 此类高档剑杆 加， 对电气控制的要求更高，并配有电子多臂、电子送经、电子卷取。高速剑杆 织机将成为纺机行业的最新发展趋势。 相信不久的将来， 在国内市场， 高速剑杆 织机将成为喷气织机强有力的竞争对手。 目 前我国的织机水平和国外发达国家相 比， 仍有很大的差距。 我国的 剑杆织机大都在中 低档水平， 运转速度在3 0 0 -4 0 0 r / m i n 左右。衡量一台织机性能的好坏，除了机械部分，电气控制水平是一个重 要的标志。 我们目 前主要的任务就在于如何提高国产织机的电器控制水平， 使织 机适应高速织造的需要。 如何应对日 益激烈的国际竞争， 是每个织机生产厂家的当务之急， 只有落后 的技术，没有落后的产品，我们只有不断地进行技术革新，才能立于不败之地。 1 . 2 剑杆织机发展趋势 目 前纺机产品继续向 连续机，自 动化， 智能化方向发展， 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” 。具体体现在以下几个方面: 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 . 1 引言 剑杆织机是无梭织机中功能最强， 使用最多的一种机型. 从世界范围看， 生产 剑杆织机的厂家总共有1 8 家， 目前主要生产柔性剑杆织机. 自 从我国加入w t o 以后， 纺织业又迎来了一个发展的高潮。 从面料市场的 情 况看， 无论是国内市场还是国际市场， 要求越来越高， 花色品种的变化也越来越 快，从而使织机对织物的适应性要强，生产效率要高。 通过对剑杆织机应用厂家的调查和分析， 我们发现: 用户不但要求织机具有 较高的可靠性和稳定性， 还对将来的织机提出了更高期望， 即高速剑杆织机运转 速度在6 0 0 r / m i n 以 上， 充分发挥剑杆织机的 特长。由于运转速度的成倍增长， 织机在价格上低于进口 喷气织机， 而在生产能力上接近喷气织机。 此类高档剑杆 加， 对电气控制的要求更高，并配有电子多臂、电子送经、电子卷取。高速剑杆 织机将成为纺机行业的最新发展趋势。 相信不久的将来， 在国内市场， 高速剑杆 织机将成为喷气织机强有力的竞争对手。 目 前我国的织机水平和国外发达国家相 比， 仍有很大的差距。 我国的 剑杆织机大都在中 低档水平， 运转速度在3 0 0 -4 0 0 r / m i n 左右。衡量一台织机性能的好坏，除了机械部分，电气控制水平是一个重 要的标志。 我们目 前主要的任务就在于如何提高国产织机的电器控制水平， 使织 机适应高速织造的需要。 如何应对日 益激烈的国际竞争， 是每个织机生产厂家的当务之急， 只有落后 的技术，没有落后的产品，我们只有不断地进行技术革新，才能立于不败之地。 1 . 2 剑杆织机发展趋势 目 前纺机产品继续向 连续机，自 动化， 智能化方向发展， 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” 。具体体现在以下几个方面: 西北工业大学硕士学位论文 第一 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， 并且己经成为标准配置。 送经和卷曲 均为单独传动， 并应用微电脑和电子技术可 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 是日 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。 另外， 机械式纹边和机械式剪刀也已发展为电子绞边和电子 剪刀。 第四. 自 动处理断纬技术; 通过纬纱自 动处理装置， 从而减少织机停机时间， 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， 是高档剑杆织机的发展标志和趋势。 本课题吸收国外高档剑杆织机的先进 技术，设计剑杆织机机电控制系统的基础之上以及采用mo t o r o l a 的3 2 位嵌入式 芯片取代其他工业控制计算机和可编程序控制器， 使织机工作状态的调整， 监控， 及生产管理更为方便、 高效。同时， 利用伺服控制电子送经和卷曲系统取代机械 西北工业大学硕上学位论文 式结构， 实现对织造过程经纱张力的恒定控制和任意精度的纬密， 以 进一步提高 织物质量和织机速度。 利用触摸屏来显示织机运动参数的变化以 及纬密的变化， 设定各种生产参数。这有助于对织机的监督，管理和控制，提高自动化水平。 1 . 3 织机嵌入式系统研究背景及意义 我国纺织机械产业的总体情况在改革开放后的二十年间， 我国的纺织机械行 业取得到了举世瞩目 的成就，为中国的纺织工业做出了重大贡献，但是自9 0 年 代中期以 来， 中国的纺织机械行业却陷入了前所未有的困境， 许多企业举步维艰， 看着国外大量纺织机械涌入我国， 而没有能力研发自己的高档纺织机械产品。目 前我国的纺织机械及器材行业共有 3 0 2 2 家企业，数量不少，但能生产与国际先 进水平抗衡的却很少。 其原因 就在于我国 在织机的电气控制、自 动控制研究工作 方面起步晚， 织机机电一体化产品量少面窄， 总体水平不高特别是在自 动化控制 方面与国际先进水平还有相当大的差距。 但随着经济全球化趋势的发展和纺织工 业外向型产业的转变， 国产纺机器材远远不能满足纺织工业结构调整的需要， 每 年要向欧洲、日 本等发达国 家大量引进先进的纺织机械装备。1 9 9 3年我国纺织 机械进口额达3 6 . 6 5 亿美元， 9 4 -9 6 年三年间平均进口额2 5 -2 6 亿美元之间， 1 9 9 7 年纺机进口额下降为1 8 . 3 7 亿美元。2 0 0 0 年纺机进口额又上升到 1 9 . 1 3 亿 美元。 国内的高档织机市场主要被国外织机占有。 加入世贸组织以后， 纺织行业面临更大的机遇与挑战， 但是由于整个纺织行 业基础差， 所以面临的是挑战远大于机遇。 现状是:国有企业比重较大， 成为行 业亏损的主体; 技术装备水平落后， 技术力量薄弱，新产品开发不足; 企业信息 化程度不高; 、 原材料分散、 低水平重复建设。 主要表现在: ( 1 ) 创新意识淡薄， 对产品研究和开发投入不足， 措施不力， 纺织机械人才缺乏，以致造成产品缺少 与国外相抗衡的竞争力; ( 2 ) 由于新型纺织机械研发能力不足， 大量生产低档织 机， 结果造成低档织机积压， 高档织机稀缺、 价格昂贵， 无序竞争， 竞相压价， 影响到产业整体的竞争力。 ( 3 ) 陈旧老化的织机难以满足日 益增多的纺织原料的 需求。 ( 4 ) 织机的适应能力较差，同一台织机在不同气候环境下织造性能存在显 著差异，无法适应标准化生产和产品出口。 因此国产纺机器材行业必须加倍努力， 奋起直追。要努力加快技术创新、 机 西北工业大学硕上学位论文 式结构， 实现对织造过程经纱张力的恒定控制和任意精度的纬密， 以 进一步提高 织物质量和织机速度。 利用触摸屏来显示织机运动参数的变化以 及纬密的变化， 设定各种生产参数。这有助于对织机的监督，管理和控制，提高自动化水平。 1 . 3 织机嵌入式系统研究背景及意义 我国纺织机械产业的总体情况在改革开放后的二十年间， 我国的纺织机械行 业取得到了举世瞩目 的成就，为中国的纺织工业做出了重大贡献，但是自9 0 年 代中期以 来， 中国的纺织机械行业却陷入了前所未有的困境， 许多企业举步维艰， 看着国外大量纺织机械涌入我国， 而没有能力研发自己的高档纺织机械产品。目 前我国的纺织机械及器材行业共有 3 0 2 2 家企业，数量不少，但能生产与国际先 进水平抗衡的却很少。 其原因 就在于我国 在织机的电气控制、自 动控制研究工作 方面起步晚， 织机机电一体化产品量少面窄， 总体水平不高特别是在自 动化控制 方面与国际先进水平还有相当大的差距。 但随着经济全球化趋势的发展和纺织工 业外向型产业的转变， 国产纺机器材远远不能满足纺织工业结构调整的需要， 每 年要向欧洲、日 本等发达国 家大量引进先进的纺织机械装备。1 9 9 3年我国纺织 机械进口额达3 6 . 6 5 亿美元， 9 4 -9 6 年三年间平均进口额2 5 -2 6 亿美元之间， 1 9 9 7 年纺机进口额下降为1 8 . 3 7 亿美元。2 0 0 0 年纺机进口额又上升到 1 9 . 1 3 亿 美元。 国内的高档织机市场主要被国外织机占有。 加入世贸组织以后， 纺织行业面临更大的机遇与挑战， 但是由于整个纺织行 业基础差， 所以面临的是挑战远大于机遇。 现状是:国有企业比重较大， 成为行 业亏损的主体; 技术装备水平落后， 技术力量薄弱，新产品开发不足; 企业信息 化程度不高; 、 原材料分散、 低水平重复建设。 主要表现在: ( 1 ) 创新意识淡薄， 对产品研究和开发投入不足， 措施不力， 纺织机械人才缺乏，以致造成产品缺少 与国外相抗衡的竞争力; ( 2 ) 由于新型纺织机械研发能力不足， 大量生产低档织 机， 结果造成低档织机积压， 高档织机稀缺、 价格昂贵， 无序竞争， 竞相压价， 影响到产业整体的竞争力。 ( 3 ) 陈旧老化的织机难以满足日 益增多的纺织原料的 需求。 ( 4 ) 织机的适应能力较差，同一台织机在不同气候环境下织造性能存在显 著差异，无法适应标准化生产和产品出口。 因此国产纺机器材行业必须加倍努力， 奋起直追。要努力加快技术创新、 机 西北工业大学硕士学位论文 制创新、引进技术、 消化吸收、自 主开发、 合资合作， 不断缩短与国际先进发达 国家纺机器材行业的差距， 为中国纺织工业提供更多的优质、 可靠的纺机器材新 产品。 从现在情况来看， 织机性能的高低主要取决于电气控制部分。 研制织机计 算机控制系统对提高我国纺织工业水平有着重要意义。 所以 剑杆织机微型计算机 控制系统的应用研究具有极其重要的现实意义。 1 . 4 本文主要研究内容 本文主要研究内容是: 主控系统m c u 主控板的设计 ( 包括硬件设计及部分硬 件调试软件设计) 。软件设计主要是硬件部分的调试软件和系统联调时的通讯的 调试软件。硬件设计主要就是主控板的设计，可以概括为以下几个部分: 【 川主控系统电源监控电路设计 仁 2 主控系统时钟电路设计 3 主处理器电路设计 ( 存储部分和接口部分) 4 协处理器电路设计 ( 存储部分和接口部分) 5 主控板 p c b 设计 6 主控系统硬件电路调试 了 主控系统接口电路调试 8 系统联机调试 西北工业大学硕士学位论文 制创新、引进技术、 消化吸收、自 主开发、 合资合作， 不断缩短与国际先进发达 国家纺机器材行业的差距， 为中国纺织工业提供更多的优质、 可靠的纺机器材新 产品。 从现在情况来看， 织机性能的高低主要取决于电气控制部分。 研制织机计 算机控制系统对提高我国纺织工业水平有着重要意义。 所以 剑杆织机微型计算机 控制系统的应用研究具有极其重要的现实意义。 1 . 4 本文主要研究内容 本文主要研究内容是: 主控系统m c u 主控板的设计 ( 包括硬件设计及部分硬 件调试软件设计) 。软件设计主要是硬件部分的调试软件和系统联调时的通讯的 调试软件。硬件设计主要就是主控板的设计，可以概括为以下几个部分: 【 川主控系统电源监控电路设计 仁 2 主控系统时钟电路设计 3 主处理器电路设计 ( 存储部分和接口部分) 4 协处理器电路设计 ( 存储部分和接口部分) 5 主控板 p c b 设计 6 主控系统硬件电路调试 了 主控系统接口电路调试 8 系统联机调试 一一一 ! 迷 t k ) * ql上 * a cy_ 第二章 织机控制系统总体框图 2 . 1 织机控制系统总体框图 卷 曲 电机 张力传感器 送经 电机 按钮控制 纬纱 检i r il 迭纬 停 王 提 花 经 制 驱动板 !i a j d转换 ii驱动板l j ol板 1 02 板1 j 03板 送经倦 曲微处理器 m c 6 8 3 3 1 主控板mc 7 双处理器z 8 4 c o i s 显7 - -, , o p t 处理器m c 6 8 3 3 1 i i d s t )m o8 rlt m cs 键 盘 监 视 器 记 忆 卡 多 臂 控 制 图2 . 1织机控制系统总框图 如上图所示， 织机采用多处理器的控制系统。 控制系统总体可以划分为五个 子系统:主控制系统m c u 、 送经卷曲控制部分e g 1 、显示控制部分o p t 、接口 板部分( 1 0 1 , 1 0 2 , 1 0 3 , d s t ) 和电 源部分m c s a 整个织机控制系统包括两片8 位z 8 4 c o 1 5 、 两片3 2 位mc 6 8 3 3 1 的嵌入式微 处理器。 四个微处理器协同工作， 实现对织机工作过程中的各种状态的控制。 其 中 主 控制器m c u上的 两片 微处理器z 8 4 c 1 5 担 任上位机角色 (2 6 1 ， 负责 系统总体 状态控制同其他各处理器进行数据交换，协调各处理器工作。 两片微处理器z 8 4 c o 1 5有主从之分，主处理器负责纬纱检测、按钮控制、 选纬、 停车、 提花控制等织机的各种状态信息的处理以及同送经卷曲控制器、 显 示控制器的通讯和数据交换; 协处理器负责主轴位置的确定和各接口 板状态监控 及时间保持等辅助信息处理2 2 1 。电 子送经/ 电子卷取控制系统中微处理器 m c 6 8 3 3 1 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 1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 (2 7 1 。 本 控制 系 统 的 特点 表 现 在: 反 应速 度快， 控 制精度高。 西北工业大学硕士学位论文 2 主控制系统原理框图 本文所要研究的织机主控制系统原理如图2 . 2 所示。 图2 . 2本主控系统原理图 主控制系统也就是主控板m g o ，由主处理器电路部分和协处理器电路部分组 。 主处理器电路部分负责织机状态数据处理和状态控制， 协调选纬、 引纬、 纬 2.成 纱检测、 打纬、 送经卷曲、 系统状态显示和系统故障报警等。 它通过串口通信同 显示o p t 交换数据， 实现织机的各 种状态参数的显示和设置。 主处理器同 送经卷 曲处理器的通信电 路主要传送当前的送经卷曲 状态和织机的部分状态数据。 送经 卷曲 部分e g 1 采集织机送经和卷曲时的状态数据， 控制送经卷曲电机转速， 使得 布匹张力恒定实现纬密的均匀。 这一部分同在同送经卷曲 部分的通讯中， 我们采 用了 双口高速静态r a m ，它能够很好的满足通信中数据快速可靠传输的需要。 主处理器在控制过程中， 通过数据总线将数据送到各接口 板的锁存器( 比如: 电子提花板、电子选纬选色板等) ，经过锁存的数据控制相应的部分动作。整个 主控系统的存储器地址分配和输入输出接口的口 地址分配都是通过通用可编程 逻辑阵列g a l 的组合逻辑来实现的。 为了提高织机工作的可靠性， 防止主控板意 外掉电产生不可预测的后果， 我们引入了电源监控模块， 通过它和主控板上的备 用电源的配合，提高电源发生故障时，数据的安全性。 西北工业大学硕士学位论文 协处理器主要负责各接口 板的电 源状况监控， 通过并行口 采集各接口 板和电 源板的电源状态， 如果发现某个接口 板电 源异常， 就会通过同主控c p u 的数据通 道一双口高速静态r a m 传送状态异常数据， 由主控c p u 进行异常处理。 协处理器 还负责系统时间的 控制。 操作员可以 通过控制面板来设定或者修改系统时间， 这 个过程是通过协处理器的并行口 进行的。 停机状态下时间芯片仍然可以通过板上 备用电源提供。 协处理器还有一个最重要的工作那就是对主轴位置进行编码， 主 轴的位置信息是织机所有动作协调的依据。 主轴编码器产生的编码脉冲信号通过 数据传输通道送入增量编码器编码， 编码后的数据输入协处理器， 协处理器将数 据送入双口高速r a n ，主处理器根据这些数据实现控制协调。 协处理器也是采用 通用可编程逻辑阵列g a l 的组合逻辑实现存储器和工 / 0 口 地址的分配， 也有专门 的电源监控芯片提供紧急备用电源。 2 . 3 主控制系统设计方法和设计流程 本文在主控系统设计中采取自 上而下逐层细化 的设 计方法2 。 从控 制系统总 体设 计要求出 发， 根据 处理器在主控系统中控制功能的主次， 将主控系统细 化为两个子系统:主处理器系统和协处理器系统。 主处理器系统又细化为若干接口部分: 主处理器 同送经卷曲处理器接口、主处理器同显示处理器接 口、主处理器同接口板接口等。 协处理器系统同样细化为若干接口部分: 协处理 器同主处理器接口、 协处理器对接口 板的电 源监控接 口、协处理器同时间芯片接口等。 主控系统设计流程如图2 . 3 所示， 首先进行总体 设计主控系统原理框图 厂 - - 一- - 一 ， 设计原理图、芯片选型 9k . n 9 n zait 用开发机进行调 一l 图2 . 3主控系统设计流程 的原理框图设计， 然后根据系统工作要求， 进行具体的原理图设计， 确定系统系 统功能实现所需要的芯片型号和要求。 接下来就是根据原理图进行印制板的p c b 图设计，根据设计的p c b 图制板后进行元件焊接，最后进行调试工作。 西北工业大学硕士学位论文 协处理器主要负责各接口 板的电 源状况监控， 通过并行口 采集各接口 板和电 源板的电源状态， 如果发现某个接口 板电 源异常， 就会通过同主控c p u 的数据通 道一双口高速静态r a m 传送状态异常数据， 由主控c p u 进行异常处理。 协处理器 还负责系统时间的 控制。 操作员可以 通过控制面板来设定或者修改系统时间， 这 个过程是通过协处理器的并行口 进行的。 停机状态下时间芯片仍然可以通过板上 备用电源提供。 协处理器还有一个最重要的工作那就是对主轴位置进行编码， 主 轴的位置信息是织机所有动作协调的依据。 主轴编码器产生的编码脉冲信号通过 数据传输通道送入增量编码器编码， 编码后的数据输入协处理器， 协处理器将数 据送入双口高速r a n ，主处理器根据这些数据实现控制协调。 协处理器也是采用 通用可编程逻辑阵列g a l 的组合逻辑实现存储器和工 / 0 口 地址的分配， 也有专门 的电源监控芯片提供紧急备用电源。 2 . 3 主控制系统设计方法和设计流程 本文在主控系统设计中采取自 上而下逐层细化 的设 计方法2 。 从控 制系统总 体设 计要求出 发， 根据 处理器在主控系统中控制功能的主次， 将主控系统细 化为两个子系统:主处理器系统和协处理器系统。 主处理器系统又细化为若干接口部分: 主处理器 同送经卷曲处理器接口、主处理器同显示处理器接 口、主处理器同接口板接口等。 协处理器系统同样细化为若干接口部分: 协处理 器同主处理器接口、 协处理器对接口 板的电 源监控接 口、协处理器同时间芯片接口等。 主控系统设计流程如图2 . 3 所示， 首先进行总体 设计主控系统原理框图 厂 - - 一- - 一 ， 设计原理图、芯片选型 9k . n 9 n zait 用开发机进行调 一l 图2 . 3主控系统设计流程 的原理框图设计， 然后根据系统工作要求， 进行具体的原理图设计， 确定系统系 统功能实现所需要的芯片型号和要求。 接下来就是根据原理图进行印制板的p c b 图设计，根据设计的p c b 图制板后进行元件焊接，最后进行调试工作。 西北工业大学硕士学位论文 第三章 主处理器系统硬件设计 3 . 1 主处理器系统功能 主处理器系统原理框图如下图所示。 epromy 5( firan r , tft 凡-一氏训一一一习一州 j一一 接口板 1 0 1 - 1 0 3 d s t . 0 p 7 m f 一 s . f g 1 k 卜 今缓冲器 瞬 又 令双口r a n 侣送经卷曲 译码器 一艺 李二 二 锁存器 主处理 器 扮 三 口 俪 祠 招 显示o p t 图3 . 1主处理器系统原理图 织机控制系统启动以后，各处理器首先初始化各功能模块的控制寄存器， 使其工作在设定的状态下。 主处理器通过接口板 工 0 1 、工 0 2 , 1 0 3 和电源板m c s 采 集分布在织机各部分的传感器送过来的信号， 确定当前织机的各种状态信息。 状 态信息经过处理后， 如果织机状态正常， 则允许织机启动。同时通过接口 板t o 1 控制各指示灯显示正常状态。 如果发现织机状态异常， 则不允许织机工作， 同时 由工 0 1 控制报警指示灯， 显示异常状况。 这相当于织机的自 检工作，自 检的各种 状态信息由主处理器通过串口传送到显示模块o p t ， 这样就可以在屏幕上面看到 织机自 检过程的各种参数包括织机状态异常时的各种出 错信息。 织机自 检通过后， 通过显示模块o p t 的触摸屏设置生产的各种参数， 包括纬 纱张力、 选纬程序等。 设置的参数被存入主控制器的存储器中，由主处理器根据 参数设置， 调用e p r o m中的程序开始工作。 其中引纬、 选纬、纬纱检测工作由接 口板 1 0 2 完成，电子提花由1 0 3 完成，电子多臂控制由d s t 完成，送经卷曲由 e g 1 完成。具体的各接口板功能细节我们将在下面的章节做详细的说明。 3 . 2 主处理器z 8 4 c o 1 5 简介 我们在主控系统的设计中 采用的两片c p u 均为z i l o g公司的z 8 4 系列单片 机。目 前这种单片机在市场上不是很常见， 而且芯片结构上和目 前流行的c 5 1 有 西北工业大学硕士学位论文 第三章 主处理器系统硬件设计 3 . 1 主处理器系统功能 主处理器系统原理框图如下图所示。 epromy 5( firan r , tft 凡-一氏训一一一习一州 j一一 接口板 1 0 1 - 1 0 3 d s t . 0 p 7 m f 一 s . f g 1 k 卜 今缓冲器 瞬 又 令双口r a n 侣送经卷曲 译码器 一艺 李二 二 锁存器 主处理 器 扮 三 口 俪 祠 招 显示o p t 图3 . 1主处理器系统原理图 织机控制系统启动以后，各处理器首先初始化各功能模块的控制寄存器， 使其工作在设定的状态下。 主处理器通过接口板 工 0 1 、工 0 2 , 1 0 3 和电源板m c s 采 集分布在织机各部分的传感器送过来的信号， 确定当前织机的各种状态信息。 状 态信息经过处理后， 如果织机状态正常， 则允许织机启动。同时通过接口 板t o 1 控制各指示灯显示正常状态。 如果发现织机状态异常， 则不允许织机工作， 同时 由工 0 1 控制报警指示灯， 显示异常状况。 这相当于织机的自 检工作，自 检的各种 状态信息由主处理器通过串口传送到显示模块o p t ， 这样就可以在屏幕上面看到 织机自 检过程的各种参数包括织机状态异常时的各种出 错信息。 织机自 检通过后， 通过显示模块o p t 的触摸屏设置生产的各种参数， 包括纬 纱张力、 选纬程序等。 设置的参数被存入主控制器的存储器中，由主处理器根据 参数设置， 调用e p r o m中的程序开始工作。 其中引纬、 选纬、纬纱检测工作由接 口板 1 0 2 完成，电子提花由1 0 3 完成，电子多臂控制由d s t 完成，送经卷曲由 e g 1 完成。具体的各接口板功能细节我们将在下面的章节做详细的说明。 3 . 2 主处理器z 8 4 c o 1 5 简介 我们在主控系统的设计中 采用的两片c p u 均为z i l o g公司的z 8 4 系列单片 机。目 前这种单片机在市场上不是很常见， 而且芯片结构上和目 前流行的c 5 1 有 西北工业大学硕士学位论文 较大差异， 为了能够更清楚地说明我们对该单片机的应用， 首先我们将对z 8 4 单 片机的结构和各功能模块做一个简单的介绍。 1 .芯片结构 控制 线 地址线 数据线 图 32 z 8 4 c o 1 5 处理器 我们采用了两片z 8 4 c o 1 5 作为主控系统的控制芯片。 z 8 4 c o 1 5 是z i l o g 公司 九 十年代 推出的高 性能 八 位 c m o s 微控制器ila 。 芯片功 耗很小， 在运行模式 ( 也 是最大耗电量情况) 下只需4 1 m a 。 工作电 压范围宽，可在4 . 5 至5 . 5 v电 压范围 内 正常工作。 其内核是一个高性能z 8 0 c p u ， 集成了c g c( 时钟产生控制器) 、 p 工 。 ( 并行输入输出口) 、s i o( 串行输入输出口) 、c t c( 计数器定时器) 、 w d t( 看 门 狗定时器) 。 具有上电 复位、 两路片选信号、 e v 模式以 及3 2 位c r c( 循环冗余 码校验)功能，其工作频率可为 6 m , i o m , 1 6 m 。我们的主控系统采用的是 i o m 的工作频率。 2 . 各功能模块工作模式及在主控系统中的应用 下面简单介绍一下各集成模块的性能和我们对各模块功能的使用情况: c g c 为c p u提供系统时钟。 它有四种工作方式:运行模式、空闲模式1 、空 闲模式 2 、停止模式。可以通过程序来选择不同的工作模式。运行模式中，c g c 为c p u 和外围器件提供时钟频率。 空闲模式i 中， 时钟频率仍然保持但是不提供 给c p u 和外围器件， 以达到节省功耗的目的; 这样还可以减少系统重新启动的时 西北工业大学硕士学位论文 间。空闲模式2 中，时钟频率只提供给c t c ，允许c t c 唤醒c p u ;同样这种工作 模式也有节省功耗和减少系统重现启动时间的功能。 停止模式中， c t c 不再产生 时钟频率， 系统操作停止。由于实际生产中织机大都运行在连续工作方式下， 因 此我们在本控制系统中设定c g c 工作在运行模式下。 c t c 是一种具有四个独立通道的可编程器件，为c p u 提供计数和定时功能。 每个通道都可由 程序选择是工作在定时方式还是计数方式， 且可用程序规定他们 的量程。其中通道0 , 1 , 2 具有 “ 计数器回零/ 时间到”输出 信号，能够驱动达 林顿管，可作为控制信号。可以由 程序安排当任一通道 “ 回零/ 时间到”时产生 中断请求。c t c内部能够完成链型优先权中断逻辑。我们在系统中使用的是c t c 通道的定时器功能， 把 “ 时间到”的输出信号作为串口 通讯的收发时钟。 p i o 是一个双通道可编程并行i / 0 缓冲器。 两个独立的8 位通道具有四种可 选择的工作方式:输出方式、输入方式、双向 方式、位控方式。p i o的突出特性 就是它通c p u 之间的全部数据传送是在中断控制下实现的。 它包含实现中断所需 要的所有逻辑， 包括两个通道的中断请求和中断允许触发器， 链式优先权电路及 能提供中断向量。 我们在系统中把p i o 设定工作在输入方式、双向方式、输出方式。 p i o 负责 从接口板采集数据和传送c p u 发出的数据。 s i o 是一种可编程的双通道通用的异步/ 同步通讯接收/ 发送电路。 两个独立 的全双工通道能实现异步或者同步通讯，也可以实现 s d l c通讯规格。s i o在我 们的系统中主要用来同显示部分o p t 进行串口 通讯。 3 . z 8 4 芯片内 部各模块地址分配 z 8 4 内部集成了上述各种功能模块， 在需要使用某个功能模块时，我们可以 根据实际需要设定该功能模块的工作方式。 模块工作方式的设定需要将控制命令 字写入该模块通道 (c a 或b )的命令地址， 保存在相应的控制寄存器中。当我们 需要从该通道中 读取外部数据或者通道状态数据时， 我们可以 用输入语句 ( i n , o u t 等指令) 从该通道的 数据地址中读取数据。 上述这些工作的进行都是建立在通道的数据和明令地址己经知道的情况下。 我们使用的微处理器z 8 4 c o 1 5 中， 这些地址都是已 经给出的， 为了 方便各功能模 块的使用，我们将这些地址归纳如表3 . 1 : 西北工业大学硕士学位论文 功能模块通道i ! 0 地h 卜 10111111 z 1 2 1 1 s 1 3 1 1 811洲川阳 八数据地址 a命令地址 b数据地址 b命令地址 训川川阳 a数据地址 a命令地址 b数据地址 b命令地址 表 3 . 1 c p l内部模块地址分配 3 . 3 主处理器系统接口电路设计 3 . 3 . 1 主处理器同 显示模块串 行通讯接口电 路设计 织机运行过程中的各种状态参数或者报警时的故障提示等， 由o p t 系统显示 出 来。 这些数据都是由 主控系统的 主处理器通过串口 传送给o p t 2 。 串口 通讯实 现的核心就是对串口控制和状态寄存器的设置。 串口寄存器结构很复杂， 我们先 从整体上介绍s i o口的结构， 然后重点介绍我们在串口 通讯中 用到的寄存器， 并 且跟据需要，进行了相应的寄存器设置。 1 .串行接口 通道s i o 总体结构和寄 存器结构 ( 1 ) s i o口 总体结构 如图3 . 3 所示， s 工 0 有两个独立的全双工通道a 和b ， 通过总线缓冲器与c p u 相接口。凡是c p u 与外设通讯的数据， c p u 写往s t o 的命令字和从s 1 0 读出的状 态都要通过8 条双向数据总线传送。 c p u 的6 条控制信号线也同这部分接口，通 过内部总线传送给内 部控制逻辑电 路， 实现对s i o内 部各种操作的控制。 内部控 制逻辑部分控制s t o 内部的各种操作， 包括通道和寄存器的选择， 读写控制， 复 位操作等。 中断控制部分有各种中断源的中断请求和屏蔽寄存器， 有内部的和外 部的链式优先权电路和产生中断矢量的电路。 s t o 通过通道同外设接口，每个通 道都有接收器部分和发送器部分。s t o的每个通道都有一个写寄存器组， c p u 在 t 1 西北工业大学硕士学位论文 功能模块通道i ! 0 地h 卜 10111111 z 1 2 1 1 s 1 3 1 1 811洲川阳 八数据地址 a命令地址 b数据地址 b命令地址 训川川阳 a数据地址 a命令地址 b数据地址 b命令地址 表 3 . 1 c p l内部模块地址分配 3 . 3 主处理器系统接口电路设计 3 . 3 . 1 主处理器同 显示模块串 行通讯接口电 路设计 织机运行过程中的各种状态参数或者报警时的故障提示等， 由o p t 系统显示 出 来。 这些数据都是由 主控系统的 主处理器通过串口 传送给o p t 2 。 串口 通讯实 现的核心就是对串口控制和状态寄存器的设置。 串口寄存器结构很复杂， 我们先 从整体上介绍s i o口的结构， 然后重点介绍我们在串口 通讯中 用到的寄存器， 并 且跟据需要，进行了相应的寄存器设置。 1 .串行接口 通道s i o 总体结构和寄 存器结构 ( 1 ) s i o口 总体结构 如图3 . 3 所示， s 工 0 有两个独立的全双工通道a 和b ， 通过总线缓冲器与c p u 相接口。凡是c p u 与外设通讯的数据， c p u 写往s t o 的命令字和从s 1 0 读出的状 态都要通过8 条双向数据总线传送。 c p u 的6 条控制信号线也同这部分接口，通 过内部总线传送给内 部控制逻辑电 路， 实现对s