（机械电子工程专业论文）基于arm处理器的横机控制系统的设计与实现.pdf

浙江理上大学硕士学位论文 基于a l c m 处理器的横机控制系统的设计与实现 摘要：电脑横机是一种多种技术集于一体的重要针织设备，其技术水平的高低决 定了针织产品的竞争力。当前国内针织品行业的发展，对国内针织横机设备提出 了新的要求：必须有新型的，高适应性的横机设备替代传统的老式设备。 嵌入式系统在工业控制领域已经占主导地位，其特点是开发方式灵活，采用 模块化的结构，便于后续开发和利用。把嵌入式控制系统引入到横机的控制当中， 摆脱了传统横机采用单片机设计方案中开发模式的不足；结合a r m 9 处理器。可 以提供单片机设计方案无法比拟的性能。相对于工控机设计方案，保证性能与可 靠性的前提下，成本优势明显；系统设计方案性价比与适用性都很高。 本设计把嵌入式控制系统开发模式引入到横机控制器的开发当中来，突破传 统横机控制器开发横式，是本设计的刨新点之一。实现这样一套控制系统是本文 的主要研究内容。 硬件结构规划，采用了a r m 9 + f p g a 的设计方案。处理器采用了三星a r m 9 处 理器$ 3 c 2 4 1 0 ，f p g a 采用l a t t i c e 的l f x p 3 c 。功能结构上划分为主处理单元与 协处理单元的结构：a r m 为主处理部分，负责花型数据读取与解析、编织工艺控 制、人机接口的实现；f p g a 负责解码a r m 送来的控制命令，映射成为各种输出， 控制机电部件的具体动作时序：负责采集当前运动位置信息、报警信息，送给 a r m 。两部分通过总线互联。 针对现有嵌入式控制系统设计规划的缺陷，a r m 只负责高速部分的数据处理， 通过向f p g a 发送命令编码；编织动作控制完全由f p g a 来完成。这样的主、协处 理单元的划分，避免了a r m 因处理低速控制时序浪费命令周期；充分发挥f p g a 并行处理的功能。在不增加硬件成本前提下，系统效率和性能提高。这是本设计 的创新点之二，也是工作的重点。 采用l i n u x 操作系统，在设计的硬件平台上作移植，提高系统的稳定性和软 件的结构化，方便设备管理和扩展。这也是本设计的主要：作之一。 本设计有效的提高了系统的运行效率和稳定性，实现了高适应性的设计目 标，具有很好的应用前景，也对今后新设备的发展起到了积极的引导作用。 浙江理t = 大学硕士学位论文 关键词：电脑横机，嵌入式系统，a r m 9 ，f p g a ，开发模式，结构规划，$ 3 c 2 4 1 0 l f x p 3 c ，主处理单元，协处理单元，l i n u x 操作系统，移植 新扛理工大学硕士学位论文 f l a tk n i t t e rc o n t r o l l e rd e s i g na n dd e v e l o p m e n tb a s e do na r m a b s t r a c t ：t e c h n o l o g yl e v e lo f c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t e ri sv e r yi m p o r t a n t t ok n i t t i n g i n d u s t r y , s i n c ei ti n t e g r a t e sd i f f e r e n tt e c h n i c a lf i e l dk n o w l e d g e w i t hd e v e l o p m e n to f c h i n e s ek n i t t i n gi n d u s t r y , i t sh i g ht i m et od e v e l o par o wt y p ek n i t t i n ge q u i p m e n tt o r e p l a c e t h e t r a d i t i o n a lk u i t t c r t o e n h a n c e t h e c o m p e t e n c e o f c h i n e s e k n i t t i n g p r o d u c t e m b e d d e ds y s t e mh a st a k e nl e a d i n gs t a t u si ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d i ti sv e r y c o n v e n i e n tf o ra p p l i c a t i o nd e s i g nw h i c hb s e sm o d u l a r i z e dc o n s t r u c t i o n u s i n g e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi nk n i t t e re q u i p m e n t , w h i c ha b o r t st h eo l dm c uc o n t r o l s y s t e m i nt r a d i t i o n a lk n i t t e r e q u i p m e n td e s i g n a r m 9m i c r o p r o c e s s o rc o u l d p r o v i d em u c hm o r ec o m p l i c a t e da n da c c u r a t ec o n t r o lc a p a b i l i t yt h a nm c u c o u l d e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 na r m 9p r o v i d e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e8 i n d u s u yc o m p u t e rs y s t e mw i t hl o w c o s t t h i sa p p l i c a t i o nd e s i g np r o v i d e sh i g hr a t i o o f p e r f o r m a n c ea n dc o s t - t h i sd e s i g nu s e se m b e d d e ds y s t e mi nk n i t t i n ge q u i p m e n t ，a n da b o r t so l dd e s i g n m c t h o d ，w h i c hi st h ef i r s ti n n o v a t i o n r e a l i z a t i o nt h ed e s i g ni st h em a i nt a s ko ft h e a r t i c l e ， t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o nd e s i g nu s e sa r m 9a n df p g a t h ec p ui s $ 3 c 2 4 1 0 o fs a m s o n ga n df p g ai sl f x p 3 co fl a t t i c e t h ed e s i g nd i v i d e st r a c t i o ni n t om a i n p r o c e s s i n gu n i ta n da s s i s t a n tp r o c e s s i n gu n i t a r mi st h em a i nu n i ta n d f p g ai st h e a s s i s t a n c eu n i t m a i nu n i tt a k e sc h a r g eo fk n i t t i n gd a t ad e c o d i n ga n dp r o c e s s i n g ， k n i t t i n gl o g i cc o n t r o l ，d i s p l a ya n di n p u ti n t e r f a c e a s s i s t a n tu n i tt a k e sc h a r g eo f c o n t r o lc o m m a n dd e c o d i n g ，t r a n s f o r m i n gt h ed a t ai n t or e l a t i v ei m i n i n go u t p u t ，t i m i n g l o g i cc o n t r o l l i n g ，a n dc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o no fp o s i t i o n ，a l a r mf o rc p uu s i n g t h e t w op a r t sc o m m u n i c a t eb yd a t ab u s t h ed e s i g ni n n o v a t e st h ed i v i s i o no ff u n c t i o nt om o d i f yt h el i m i t a t i o no f e m b e d d e ds y s t e me m e r g e di nk n i t t e rn o w a r mo n l yp r o c e s s e sh i g hs p e e dd a t a , a n d s e n d sc o m m a n dc o d et of p g a a l lt h ek n i t t i n gc o n t r o l l i n gt i m i n gl o g i ci sf i n i s h e db y i 塑堑望三查兰堡主堂堡堡兰 一一一一 f p g a t h ed i v i s i o ni su s e f t df o ra r m t oa v o i ds p e n d i n gi n s t r u c t i o nc y c l e so nl o w s p e e dd a t ap r o c e s s i n g a n dm a k ef u l lu o f t h ep a r a l l e ld a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o no f f p g a t h ed e s i g np r o m o t e sk n i t t i n gs y s t e me f f i c i e n c yw i t h o u ti n c r e a s i n gc o s t t h i s i st h es c c o n di n n o v a t i o n , a sw e l la st h ei m p o r t a n t j o bs h o u l dd o i nt h ep r o j e c t u s i n gl u n i xo sc o u l di n c r e a s es t a b i l i z a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o nf o rs o f t w a r e d e s i g nw h i c hi sc o n v e n i e n tf o ra p p l i c a t i o ne x t e n t f o ru s i n g l u n i xo s ，t r a n s p l a n t i n g t h eo so nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ed e s i g ni st h ei m p o r t a n tj o bi nt h ep r o j e c ta s w e l l t h ed e s i g np r o v i d e sm o r ee f f i c i e n tk n i t t i n gf u n c t i o n ，a n dc o m p r o m i s i n gc o s t , w h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n db r o a d l yp r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n ，a n di sa n di n d e x f o rm o r ea d v a n c e dk n i t t i n ge q u i p m e n td e s i g n k e yw o r d s ：c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t e r , e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 9 ，f p a g gd e s i g n m e t h o d ，c o n s t r u c t i o nd e s i g n , $ 3 c 2 4 1 0 ，l f x p 3 c ，m a i np r o c e s s i n gu n i t ，a s s i s t a n t p r o c e s s i n gu n i t ，l i n u xo s ，t r a n s p l a n t i n g 2 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杏由喻闷1 日期：沙。1 年) 月1 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：每黼现j 日期：1 ，。年月11 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：矗诅 啦茸， 日期：劢印年月叼曰 f 。 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 开题的目的和意义 第一章绪论 2 0 0 0 年以来，我国针织行业经济运行状况稳中有升，取得了近年来的最好 成绩，针织工业规模以上企业的总产值从2 0 0 0 年起，平均年增长率超过1 2 “1 ： 针织行业产销增速加快，利润同步增长，经济运行质量继续有所提高。浙江针织 业生产和销售在全国占有相当重要的地位。针织行业也是浙江部分地区的支撑产 业。 虽然针织产品生产在总体上发展趋势非常强劲，但是也应该看到我国纺织机 械总体上还是落后国外产品，尤其相对于欧洲，日本的纺机设备，技术含量较低 的特征更为明显。装备相对落后。据对浙江省针织行业的调查显示，除海宁、绍 兴等地的部分经编企业技术装备水平较高外，多数地区主力机台总体水平不高， 占生产企业绝大多数的小企业相对装备的技术水平较低。1 。 ( 1 ) 技术力量缺乏，创新能力落后。 由于技术设备落后，或者先进设备硬件不配套、软件开发滞后等因素，造 成针织产品在创新、研制、设计开发能力上与国外同类产品在面料结构、后 整理效果等方面都有明显差距。小企业更是如此，由于缺乏经过训练的专业 人才，企业开发产品困难，加上目前对知识产权的保护措施有限，部分企业 重生产、轻开发，一些产品设计雷同，甚至是简单仿制。 ( 2 ) 低档次产品比重过大。 大量的规模以下小厂为了争夺市场份额，大多采取低价竞销，直接后果就 是以牺牲产品质量和档次为代价，在低水平上竞争。这就造成低档针织品所 占比重较大，影响着企业的经济效益，也严重制约整个行业的可持续发展。 ( 3 ) 企业用工形势目趋严重，劳动力成本增大。 舰模以下小厂主要依靠季节性过量生产获取利润，随着国家总体经济的平 的提高、工人劳动保护意识的增强、劳动保护法规的强制执行，依靠廉价劳 动力获取利润的机会越来越少。针织业在内的纺织行业，必须依靠高技术含 量的机械装备来加强自身竞争优势。 目前，横机设备在走过一段对低端产品的仿制阶段之后，很多企业已经意识 l 浙江理工大学硕士学位论文 到在针织行业中，横机设备提高技术含量的重要性和必要性，开始走上自主研发 能够发适合并满足我国行业需求的道路。新型横机设备的发展，不仅仅在花色编 织能力，成本，以及自动化程度都有很大的发展。 在这样的背景之下，本文提出了一种全新的横机控制系统解决方案，吸取现 有解决方案的优点，目标要设计实现一种适用性强、性价比高、自主研发的控制 系统。力求能够性能和成本上都有更大的优化。 国内在自主研发的横机控制器中，以前大多数是采用了单片机来实现的脚： 以8 位机为主流，功能简单，人机接口不方便。这样的控制器，只能使用在简单 的工艺流程里面：对于稍复杂的工艺，必须要有一种新的替代产品。这种新型的 控制器，要能够完成复杂工艺的控制，人机界面要直观、方便；同时成本不能提 高很多，这样才能满足我国纺织行业的工艺、操作、成本现状的实际要求。 采用3 2 位处理器，已经成为嵌入式系统的主流，它从功能上可以满足工艺 的要求，保证系统的稳定性，并且控制系统的成本，具有非常好的实用性；同时， 因为是针对单片机解决方案的全面替代产品，解决我国针织行业装备的工艺水 平、提高花色工艺；有效控制成本，增强行业竞争力。 1 2 国内外的研究现状 综合分析横机控制器发展现状以及未来我国针织行业的发展趋势，对帮助提 出更加合理的课题设计方案有非常重要的意义。课题的设计，就是要分析我国行 业的特点，吸收国外的新的、合理的设计经验，来转化、设计出适合我国行业特 色需求的适用性设备。 分析国内外现状，着眼于国外的新技术，国内行业的特色需求，分析我国针 织行业装备未来增强竞争力的立足点，这是课题设计的实用性的立足点。 1 2 1 电脑横机国外研究现状 随着电子技术在针织机械领域的应用和发展，近几年来电脑横机发展正向电 脑化、紧凑型、集成化、小型化方向发展主要表现在以下几方面“1 ： ( 1 ) 电子选针技术 传统的电脑横机是由电磁铁控制选针器，作用于选针片进行选针的。 浙江理工大学硕士学位论文 目前国外高档横机已逐渐采用无需驱动和触点的选针器；并且，选针也由三 位发展为五位：长短成圈、长短集圈，不编织、前后针床相互移圈和分针补圈。 德国斯托尔( s t o l l ) 公司的c m s 、t c 系列机采用双位无磨损电子选针技术。 不仅可以在整个编织区域宽度上达到更加一致的选针精度，而且还可清除传统选 针方式由于接触式选针产生的噪音。 ( 2 ) 机头与编织系统 常规横机是以机头往复运动，使编织范围内的织针经三角推动上下运动完成 1 糍教包括备种三舞、避鼍 + 器)2 钟扳 3 母炒嚣 图i i 横机机头结构 编织动作的，如图1 1 所示。图1 2 是横机的三角系统结构示意图。成圈三角系 ( 1 ) ( 2 ) 图1 2 横机三角系统示意图 统的数目，成为整个横机编制工艺性能的重要体现。 现代电脑横机机头系统数也越来越多，单机头从单系统到六系统，双机头从 单系统到双系统。编制工艺也是发展的更加复杂。 岛精公司的s e s 六系统横机有两个机头；每一个内都有三组系统组成。其中 两组双三角系统和一组编织系统，两个机头的六个系统可串连起来利用整个针床 来编织宽阔的大布片，机头可分开成两个三系统的机头来同时编织两片一样的布 片，分机头功能使横编机能发挥出两种功能，大大提高了用途和灵活性。 浙江理工大学硕士学位论文 而斯托尔公司的具有多针距经编技术的c m s 3 3 2 t c - m 电脑横机：双针床，双 机头2 2 系统，带有起针梳，机宽2 1 3 c m ；可同时编织两片全成形农片，可编 织7 1 4 针产品。因其机宽，在合并机头后可编织7 针”织可穿产品，在编织全 成型产品时。效率较高 ( 3 ) 快速收放针成型技术 为了有利于双面织物衣片的成型编织，斯托尔公司、岛精公司都分别推出 了四针床电脑横机。在两个编织针床的上方，增加了两个仅用于移圈的辅助针床， 上面安装移圈沉降片，辅助针床也可以横移，即在工作需要时从织针上接受线圈 或将已握持的线圈转移给织针，以完成收放针动作。 ( 4 ) 多功能织可穿编织技术 斯托尔公司还推出了多项功能的电脑横机。将以前的几项单一技术集成在一 台设备上，结构紧凑，扩大了编织结构与服装的种类。可变针距技术可使一块衣 片或一件服装的不同部位形成两种不同针距( 横密) 的效应，并在收放针部位形 成均匀良好的外观结构，可一次成型整体编织节省了原料，缩短了工序，提高了 产品档次。 1 2 2 国内发展现状与趋势 相对于国外横机，国内的横机发展时间虽然并不短，但是由于我国劳动力成 本较低廉，从一个方面也制约和影响了国产电脑横机的研制和发展，因此国内电 脑横机的研究开发相对国外起步较晚。同时，由于国内基础加工制造水平较低， 使得国产电脑横机研制和开发受到很大程度上的制约。我国针织企业急需性能与 国外同类机型相近，而价格相对较低的国产电脑横机的研制和开发。正是在这一 背景下，我国也出现了一批致力于电脑横机开发的企业品牌，其中公认比较成功 的有中国兵器工业集团北方天鸟公司、深圳市盈宁科技有限公司电脑横机分公司 的“富怡”等。 纺织业是浙江的传统产业，浙江企业在从事电脑横机的研制方面也有举足轻 重的作用，诸多浙江企业参与到电脑横机行业，如宁波裕入针织机械公司、富阳 山精机器制造厂、浙江慈溪兴发机械有限公司等，都取得了一些成功。宁波裕人 针织机械有限公司“慈星”品牌全电脑针织提花横编织机，产品具有自主知识产 4 浙江理工大学硕士学位论文 权，拥有六项国家专利。作为沿海发达地区，浙江市场上的横机情况，基本可以 代表我国电脑横机的总体水平。国内的电脑横机技术也可以通过以下几个方面进 行横向分析比较。1 ： ( 1 ) 电子选针技术 国产电脑横机主要还是采用传统的电磁铁驱动，机械式接触选针。即电磁铁 驱动内部有正反两个线圈，和一个永磁铁；通过向电磁铁两端通正反电流来对磁 缸冲磁，使选针刀片在两个工位上的摆动，以使织针进行预选针、一次选针、二 次选针，实现编织所需的成圈，集圈，浮线三个位置。国内横机大多是在选针器 上有6 1 2 把刀片，并相互独立控制。 由于是接触式选针，对织针和选针刀片的材料有较高的要求。 ( 2 ) 机头系统 国内电脑横机机头系统主要是单机头单系统。一些技术水平较高的企业，其 产品采用了单机头双系统。以宁波裕人公司最新的产品c x - - 2 2 8 8 为例，编织系 统采用单机头，双系统。针床移位，采用a c 伺服马达控制，移针范围2 英寸范围 之间，同时具有微调功能。单机头双系统也已经是国内横机发展的趋势。 ( 3 ) 电脑横机的控制系统 目前国内开发的电脑横机控制系统，在许多方式上都做了尝试。主流解决方 案有；采用单片枧系统，通用工控机系统。 单片机系统的缺点：简单的人机显示接口，比较复杂的按键输入，使用很不 方便：同时由于单片机功能有限，这样电脑横机能够实现的功能、工艺必然有限、 简单，无法满足复杂工艺要求，工作效率提高的有限。随着横机的发展，已明显 体现出后续开发周期长，开放性差等不足。 但是，单片机系统具有一个很大的优势一成本低，所以采用单片机的解决 方案在市场仍然占有相当的份额。 采用通用工控机的解决方案：通用工控机稳定性好，结合操作系统，通用性 强，后续开发方便；可以提供友好的人机接口，对使用者比较方便；能够完成复 杂的控制，可以实现复杂工艺、和功能；工作效率很高。 但是，通用工控机动辄几千、上万的成本让很多用户望而却步。 采用嵌入式控制系统解决方案，可以将性能和成本控制的更好。国内已有一 浙江理工大学硕士学位论文 些横机设备制造商采用了这种解决方案，做出了一些尝试。 一些设备采用d s p ( 数字信号处理器) 为核心的嵌入式控制系统；这类设备 一般采用专用d s p ，例如t i 公司的，a d i 公司的d s p 芯片。这些d s p 芯片运行速度高； 因为有专门针对数字信号处理的运算结构。数据运算吞吐量也大，提高了横机设 备的花色编制能力。 这种解决方案，设备编制能力有很大的提高，但是依然不能完全摆脱单片机 开发的那种设计模式：因为d s p 的数据运算方法是建立在每一种专用d s p 架构基础 上的，并不具有通用性；因此，代码很难具备可移植性。 现在，也已经有厂家在采用a r m 为核心处理器的解决方案了。a r i d 处理器有多 种操作系统的支持，开发模式具有可移植性，是未来低成本嵌入式控制系统的发 展方向嘲。把a r m 处理器引入横机设备，这种解决方案大多还是在摸索阶段，虽 然也有产品出来，但是控制器的设计并没有完全发挥出处理器的性能优势。 本文的设计采用a r m 9 处理器，对系统作合理的规划设计，来解决这一问题， 实现一种新的、性价比较高的解决方案。 1 3 本文的主要研究内容与研究方法 电脑横机是一种非常复杂的典型机电一体化产品，其设计和制造要遵循机电 一体化产品的设计和研制造程序规律，把机械、电子、计算机信息处理系统有机 地组合成现代机械系统，实现高性能、高效率、节能省料的目标。为了实现电脑 横机机械、电子和自动控制技术的有机结合和融合，需要探求电脑横机的工作原 理、运动规律，并深入掌握机电一体化的理论和方法”1 。 首先是电脑横机系统的总体构。为了从系统原理组成、机电、嵌入式系统软 硬件的配置等方面充分有效地发挥各自特长，必需首先了解横机的系统结构。一 套控制系统的设计是够合理、性能是否优良，最终还是体现在被控设备的运行状 况。因此，电脑横机的总体结构是本课题的第一个研究内容。 其次，电脑横机系统是一个机电一体化的复杂系统，强调机电结合中进行技 术集成，只有充分、深入地掌握嵌入式系统的设计开发，才能结合机械设备设计 并开发出机电一体化的产品和系统。所以，嵌入式系统的设计开发也是重要研究 内容。 6 浙江理工大学硕士学位论文 第三，提高电脑横机控制器的适用性和性价比，使自主研发的电脑横机更加 广泛的应用，就是要依靠系统的总体设计，如何能够合理的设计系统结构，使嵌 入式系统的控制与数据处理性能优势充分发挥，这是本课题要研究的内容。 1 4 课题的创新点、重点、难点和关键问题 1 4 1 创新点 全自动电脑横机是针织设备的发展趋势。采用a r m 处理器自主研发嵌入式控 制系统；结合操作系统，整个系统具有良好的可扩展性，这是横机控制器的发展 方向。本设计结合了现有的横机嵌入式控制系统，进行了更加合理的创新设计。 第一，采用a r m 9 处理器加f p g a 的方式，结合操作系统，设计实现控制系统。 这种设计在横机控制器中，是一种比较新的设计方法。相对传统的设计方案，嵌 入式的设计方案，更具有通用性和性能、成本优势。高速处理器的可以提供编制 工艺，操作系统可以保证系统的稳定性。 第二，在嵌入式控制系统中采用f p g a 作协处理单元，功能结构设计为主处 理单元加协处理单元的方式。把机电控制部分的时序逻辑完全交给f p g a 来处理， c p u 只处理高速的数据解析和编织工艺逻辑，不再处理低速的针织时序，避免了 大量指令周期的浪费。这种设计方法在以往的嵌入式控制系统中是没有的。这种 设计规划，可以使处理器充分发挥性能优势，而不必因为低速的时序逻辑消耗指 令周期。f p g a 中实现控制时序的并行触发，性能要比由处理器来完成无论从资 源还是效率，都有很大的提高。 1 4 2 关键问题 电脑横机是一个机电一体化的复杂系统，要保证横机系统的可靠，需要多方 面知识来解决。在机械部分使用现有的机械架构，可以保证机械部分的可靠性， 省去重新设计的时| 日j 和经费。作为核心的控制器，性能好坏，直接决定了横机产 品的性能。要控制器部分，必须解决以下几个关键问题。 第一：建立可靠的硬件平台 本课题设计需要建立在一个可靠的硬件平台之上。硬件平台的设计合理，稳 定、可靠，成为后续工作的基础。因此，建立可靠的硬件平台是本设计的第一个 7 浙江理工大学硕士学位论文 关键问题。 关于硬件系统平台的解决方案，在前面图1 2 ，已经作了详细说明。 在a r m 处理器环境下，编写可靠稳定的横机控制程序直接决定了我们的电脑 横机的运行情况，因此，这是设计要解决的关键问题。 第二：操作系统的移植 本课题提出的目标，就是要自主研发性能达到通用工控板的替代系统，良好、 可靠的操作系统平台，是通用工控机软件模块通用性、稳定性的保证和标志；因 此，在硬件平台上面移植操作系统，也是一个关键问题。 1 4 3 课题实现方法和途径 通过前面的讨论，可以看到，横机控制器设计实现的技术门槛较高，性能优 良的电脑横机价格不菲，尤其是国外品牌。因此必须借鉴现有的国内外的相关设 计，吸收他们的优点，结合我国现有技术水平，提高适用性；自主研发，提高性 价比。 1 5 系统设计方案 本课题选取a r m 处理器作为核心，自主研发工控板。系统解决方案如图1 3 ： 系统中，花型系统完成对横机针织花型的设计与编译，形成机器数据之后， 传送给横机控制器。主控板是设计实现的核心，接收花型系统的数据，提供人机 界面：控制底层电气驱动板，完成对横机系统强电部分的控制，诸如电机、电磁 图1 3 铁、选针器等。目标性能设计达到通用工控机的性能参数。 8 浙江理工大学硕士学位论文 1 5 1 硬件设计方案 硬件设计的结构如图1 4 ： 系统的核心是a r m 处理器，要完成对计算机、网络的通信功能。提供人机图 形界面；数据的读取和存储；横机运行的控制与监测。 处理器的控制总线接一片f p g a ，用于对地址的译码、对电气驱动板的i 0 控制和数据传送；f p g a 同时作为处理器的协处理器，完成对传感器数据的采集， 数 图1 4 据打包，向处理器传送；并且要负责读入键盘值。数据的上传，采用申请中断的 方式，减少了处理器的等待时间，提高了系统工作效率。 1 5 2 软件设计方案 在硬件平台建立之后，软件部分开始成为核心，本系统的软件部分实现分为 两步： 第一部分，a r m 基本运行环境下的横机控制程序，包括： 横机控制逻辑 串行通讯 花型文件解析 运行状态监测与控制 键盘与显示 第二部分，操作系统移植之后的，软件运行系统，包括： 操作系统下的各种任务、服务 浙江理工大学硕士学位论文 a r m 基本运行环境下的横机控制程序 软件系统的结构框图如图1 5 甲早甲卜罕叫 i 圜圈操作系统嚣 l硬件平台 1 6 3 设计调试方案 图1 5 为了实现本设计方案，需要做出合理的调试方案，来保证每一步的进行，不 会将漏洞引入到综合调试部分。 第一，硬件平台的测试，依靠软件环境进行数据的可靠性测试。 第二，构建软件部分。首先要完成横机基本控制逻辑，可以做好运行逻辑框 图，先在模拟环境下进行功能测试，结合现有设备运行，进行对比。 然后上机进行全真测试，以保证控制逻辑准确无误。 第三，其他辅助部分的工作，做好通讯传输部分，花型文件解析等工作。 1 5 4 操作系统的移植 这一部分需要借助大量的资料和专门的调试工具进行。 以上就是本课题设计的完整框架方案。本文的设计工作都是建立在以上的框 架结构上面的。 1 6 本章小结 本章主要是分析了当前我国针织行业的总体状况，装备现状；现有的横机设 备的技术水平和针织行业竞争力。为课题的提出提供了实用性的前提依据。并且 针对当前国外先进的技术应用情况，结合我国的实际情况，将课题的技术层面的 可行性进行了论证。 当前，横机设备主要存在三种解决方案：单片机解决方案，工控机解决方案， 浙江理工大学硕士学位论文 嵌入式系统解决方案。嵌入式系统解决方案相对单片机解决方案，功能强大。更 具通用性；相对工控机解决方案，具有很好的成本优势。同时，又保持了这两种 解决方案的优点。本文就是要设计一种嵌入式控制系统，规划更加合理，充分发 挥控制与数据处理的性能优势，使性价比得以提高，设计实现一种高适应性的横 机控制器。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章电脑横机控制器的硬件设计 2 1 横机系统结构介绍 首先来了解一下横机的结构，通过对横机结构的分析来进一步分析控制过 程。横机，如图2 1 的实物照片所示： 图2 1 横机实物图 横机的针板上有间隔距离均匀的针槽，是用于放置织针的。织针一般若干 枚为一组，组成倾斜排列，主要是为了配合多段选针而设计的，织针排列如图 2 2 图2 2 织针示意图 机头是电脑横机关键的部分。它的作用是完成选针，调节编织物密度，控制 纱嘴的停靠位置，通过三角驱动织针完成编织动作，控制编织物的编织宽度鲫。 电脑横机动作时，机头通过导纱器来带动纱嘴作往复运动。 整个的针织过程，就是机头带动三角系统往复运动；三角系统在运动的过程 之中，根据运动到的位置，来按照设定的花型程序，通过选针器上面的选针电磁 铁推动或者释放选针刀片，来推出目标的织针，完成成圈。这样就完成一针的编 织过程。 浙江理工大学硕士学位论文 对三角系统的工作过程，可以参看图2 3 。 ( 1 ) ( 2 ) 图2 3 三角系统的工作示意图 机头从右向左移动，舌针先在起针三角a 和挺针三角b 的作用下上升到最高 点，此时旧线圈从针钩移到针杆上，随后舌针在压针三角的作用下开始下降，并 通过导纱器d 垫上新纱线，针在下降过程中，处于针杆上的旧线圈移到针舌上， 开始将针口封闭。舌针闭口后，继续沿压针三角下降，旧线圈移到针舌进行套圈， 形成一只新的线圈。 这就是针织一次的过程，在这个过程中，织针的控制是横机控制器的核心控 制部分。横机控制器，要通过运动的位置，来确定是否该动作相应位置上的织针， 如果需要动作织针，就要通过选针器选中织针刀片嘲。 首先来看看选针器的结构。 2 1 1 选针器原理 选针器的结构，见图2 4 ： 图2 4 选针器示意图 通过此图可以看出，对选针器的控制就是要控制刀片部分。一般都是通过电 卫 浙江理工大学硕士学位论文 磁铁来压动或者释放刀片，来达到选中或者释放织针的目的。 控制过程就如图2 5 所示“”，当选针器中的电磁铁通电状态实现的如( a ) 所 示，刀片摆动到其中一个位置：当电磁铁的通电状态如图( b ) 时，刀片摆到另一个 位置。如果刀片处于其中一个位置时能把针脚压下，如( c ) 的实线，该针便不会 被选中，相反的，如果刀片处虚线位置，不会把针脚压下，该针就被选中了。 2 1 2 选针器的驱动方式 ( c ) 图2 5 选针原理图 电磁式选针器的驱动方式一般采用斩波限流的电流控制法。从选针可靠的角 度和选针工艺出发，控制方式比较稳定，不会受温度的影响，见图2 6 的示意图。 图中( a ) 是控制电磁铁的电流，( b ) 是选针器刀片的动作时间。其中，t 1 、t 2 是通入大小电流的时间；i 是选针器响应时间，i i 是选针刀片的摆动时间，i i i 是选针的可靠作用时间“”。 选针控制对时序有要求，响应速度较慢，还需要有一定的延迟来确保选针的 可靠性。 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 3 机头运动位置的控制 图2 6 驱动方式示意图 机头运动的位置的确定，是通过读取由安装在机头上面的光电编码器通过读 取针床板边缘位置的定位齿条来实现的。 在机头上面，安装有光电编码器；在针床边缘安装有编码齿条。见图2 6 接收探头 翁翁 a b 齿条 | 发射源 。 图2 6 光电编码器 图2 6 中，黑色的齿状部分就是装在针板边缘的编码齿条。当机头运动的时 候，发射源发出的光被齿条上面的齿牙部分遮挡后变成了有序的光脉冲。安装在 编码齿条的另外一边的接收探头，可以接收光信号。接收探头有两个接收光电管， a 和b ；这两个光电管，在机头延不同方向运动的时候，接收到光脉冲信号的先 后顺序不同；当机头从右往左运动的时候，a 线接收到光信号；反之，b 先接收 到光信号。这样，光电编码器在接收光脉冲，计数可以得到机头运动的位置和速 度，并且根据a ，b 接收光脉冲的顺序，辨明了机头运动的方向。 2 1 4 其他同步机构 在横机的整个系统中，运行过程还有其他的同步机构，比如罗拉、导纱器等， 浙江理工大学硕士学位论文 也在机头的运行过程之中，一起有同步的运行和动作：这些也是由横机控制器来 控制完成的。 ( 1 ) 导纱器的控制 导纱器装置安装在机头顶端，随机头左右往复运动，通过其上的导纱器传动 杆上下运动带动导纱器，以实现不同的换梭要求。 导纱器装置的结构如图2 7 。 图2 7 导纱器结构图 图中，1 为传动杆，它在压簧2 的作用下始终有向下的趋势；但在复位状态 下，则由电磁铁3 的磁钢压下杠杆4 ，从而抬起1 ，使其不露出装置表面。在工 作状态下，电磁铁3 的磁钢被吸上去，传动杆l 在压簧2 的作用下义被压下，带 动导纱器垫纱。 纱嘴负责把纱线准确地喂入舌针的针沟里。每只导纱器均能被任意一种编织 系统使用。由计算机发出控制指令给相应的导纱器电磁铁，带动导纱器随机头运 动，从而即可编织出五颜六色的花型图案。 ( 2 ) 罗拉控制分析 罗拉通常都是通过一对牵拉辊进行牵拉如图2 8 ，以保证编织物上已经形成 的线圈能被及时的拉下，以免浮在针床上，影响后面线圈的形成质量。同时，保 持纱线一定的张紧力，使得纱线在导纱器放掉纱嘴于衣片两端时，依然可以保持 纱线不会下垂，从而绕上其他的障碍物。 图2 8 罗拉示意图 竖 浙江理工大学硕士学位论文 横机控制器对罗拉的控制，主要是通过输出控制电机来实现的。每当机头完 成一次针织往复动作的时候，横机控制器输出控制罗拉电机运转移动的角度，将 织物拉出。 不仅仅如此，如果纱线一旦发生断纱，或者纱线上有死结时，引线装置就会 产生中断信号，并上传给控制器。控制器在接收到报警信息的时候，立刻停车， 并记录当前的位置。这样可以由人工在排除故障以后，重新从故障中断的针织位 置继续进行编织。这样的工作过程，既保证了机器的安全运行；又不会因为纱线 断掉或者其他意外原因导致编织物废掉。 了解了横机的基本结构和机构工作的情况之后，就可以根据上面的分析有的 放矢的进行下一步的工作一硬件设计。 2 2 硬件设计 作为系统设计的基本载体，硬件平台的搭建至关重要。这是整个课题设计成 功与否的关键。本章要解决的问题就是硬件的搭建。 作为一套嵌入式系统的开发，处理器是其中的核心部件：因此，选择合适的 处理器，又是整个硬件平台的关键部分。 2 2 1 嵌入式处理器的介绍和选择 目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结 构包括m c u ，m p u 等3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半“”。对于选择适合 本课题设计的处理器，须考虑以下几个方面： ( 1 ) 性能：处理器必须有足够的性能执行任务和支持产品生命周期。 ( 2 ) 工具支持：支持软件创建、调试、系统集成、代码调整和优化工具对整 体项目成功与否非常关键。 ( 3 ) 操作系统的支持：嵌入式系统应用可以借助成熟、稳定、可靠的操作系 统来提高可靠性。因此，操作系统的支持情况，是一个要考 虑的问题。 ( 4 ) 成本，功耗，产品上市时问，技术支持等等。本课题就是从实用的角 度出发的，因此，必有要考虑到成本问题。 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 1 1a 跚处理器 a 跳( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了 大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、 成本低和功耗低的特点适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类多媒体、 数字信号和移动式应用等。a r m 架构是面向低预算市场设计的一款r i s e 架构微 处理器“”。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中 包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e e 、s o n y 、菲利浦这样的大公司。至于软件系统 的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。a r m 软件开发环境上有 众多的支持平台，包括a d s ，s d t 。k e i l 等开发环境。 a r m 处理器产品从a r m 7 发展到a r m i o ，并延伸出来一些专用领域的产品，如 x s c a l e ，s t r o n g a r m 等，如图2 9 。作为主流的a r m 架构的，a r m 9 架构得到了广 泛的应用，从图中可以看出，a r m 7 的三级流水线结构结合在线调试架构，衍生 出a r m 7 t d m i ，在结合了更加高级的5 级流水线结构，发展出a r m 9 架构处理器1 。 雀 图2 9 a r m 9 微处理器系列具有如下特点“”： ( 1 ) 具有嵌入式极低的功耗， ( 2 ) i c e - r t 逻辑，调试开发方便。 ( 3 ) 5 级整数流水线，存储器采用哈佛结构，指令执行效率更高，。主频 最高可达3 0 0 m i p s 。 ( 4 ) 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 等多种主流嵌入式 操作系统。 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 1 2 选择合适的处理器 嵌入式工控系统是嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够连续长期稳 定可靠工作的工业型计算机系统。a r m 用在工业控制器上，具有功耗低、性价比 高、体积小、成本低、可靠性高、人机界面友好、功能丰富、实时性强等优点， 现在a r m 在工控领域中占的份额越来越大 本课题设计中，选取了三星公司( s a m s u n g ) 的基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器芯片。这颗处理器芯片具有以下的特点“： ( 1 ) 基于a r m 9 2 0 t 的$ 3 c