（机械电子工程专业论文）大纹针数电子提花机控制系统的设计与实现.pdf

浙江理工人学硕士学位论文 摘要 本文在分析了国内外电子提花技术的发展状况的基础上，针对大纹针数电子提花机控 制系统的需求，提出了一种新型电子提花机控制系统的实现，该系统采用a r m 9 2 0 t 内核 的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器作为主控制微机和q n x 作为嵌入式实时操作系统，在提花控制的稳 定性、实时性和可扩展性方面有一定的特点，为大纹针数的高速电子提花机控制系统的设 计提供了一种新方法和新途径。 本设计采用模块化设计方法，实现了主控制微机、网络通讯、人机界面、可移动花版 存储、选纬信号输出、织机信号检测、c a n 总线光纤接口以及选针控制驱动等的模块化配 置。q n x 独特的微内核内存保护机制使系统以进程为运行单位保证了各进程独立的功能， 实现了功能的模块化，提高了系统运行的可靠性。微内核通过消息传输机制与系统各模块 进行通信，使其可以满足电子提花机控制的实时性要求。本设计使用c a n 总线光纤网络 拓扑结构，不仅实现了主控制微机模块和选针控制驱动模块之间的实时高速通信，而且根 据电子提花机的纹针数量要求，进行选针控制驱动模块的灵活组配。 本文第一章主要概述了提花机技术的概况：第二章介绍了电子提花机控制系统模块化 设计的方案；第三到五章为本文的重点，分别介绍了本控制器的硬件设计、c a n 现场总线 光纤网络的设计和主控制器与选针驱动从控制器的的软件设计；第六章介绍了控制系统的 抗干扰设计和运行调试；最后还介绍了课题的总结与展望。 关键词：电子提花机；$ 3 c 2 4 4 0 a ；c a n 总线光纤网络；q ( ；模块化组配；大纹针数 浙江理： 大学硕十学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f e l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n ec o n t r o l s y s t e mw i t hh u g e a m o u n th o o k s a b s t r a c t t h et h e s i sd e a l sw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rc o n t r o l l i n gh u g en u m b e ro fn e e d l e sa c t i o ni n e l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n e 、析t han e wc o n t r o ls y s t e mo nt h ei n v e s t i g a t i o nw h e nt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cj a c q u a r da th o m ea n da b r o a di sm a d ea t f u l ll e n g t h t h ec o n t r o l s y s t e m , w h i c hc h o o s e sa ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 、析t ht h ek e r n e lo fa r m 9 2 0 t a s t h em a s t e rc o n t r o lc o m p u t e ra n dq n x 舔r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，i sn o to n l y c h a r a c t e r i s t i ci ns t a b i l i t y , r e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n de x p a n s i b i l i t yb u ta l s op r o v i d e san e w a p p r o a c hf o rt h ed e s i g no fh i g hs p e e de l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mw i t hh u g e a m o u n th o o k s t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o di sa d o p t e db yt h i ss y s t e mt or e a l i z et h ec o n f i g u r a t i o no f m a s t e rc o n t r o lc o m p u t e r , e t h e r n e ta p p l i c a t i o n , m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n , m o v e a b l ej a c q u a r d p a t t e r nd a t am e m o r i z e r , w e f ts e l e c t i n gs i g n a lo u t p u t s ，w e a v i n gm a c h i n e ss i v ad e t e c t i n g ，c a n b u si n t e r f a c e 、衍mo p t i c a lf i b e ra n de l e c t r o m a g n e t i cj a c q u a r dm e c h a n i s md r i v e q n x su n i q u e m i c r o k e r n e la n ds y s t e mm e m o r yp r o t e c t i o nm e c h a n i s me n s u r e st h ep r o c e s s e sr u ni n d e p e n d e n t l y i no r d e rt or e a l i z et h em o d u l a r i z a t i o no ff u n c t i o na n di m p r o v er e l i a b i l i t yo fs y s t e m m i c r o k e m e l m e e t st h er e a l - t i m er e q u i r e m e n to fe l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e mb yc o m m u n i c a t i n gw i t h m o d u l e st h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m t h en e t w o r kt o p o l o g yf r a m e w o r k o fc a nb u so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd o e sn o to n l yr e a l i z et h er e a lt i m ea n dh i 【g hs p e e d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e rc o n t r o lc o m p u t e ra n de l e c t r o m a g n e t i cj a c q u a r dm e c h a n i s m d r i v em o d u l e ，b u ta l s oc o n f i g u r et h e e l e c t r o m a g n e t i cj a c q u a r dm e c h a n i s md r i v em o d u l e a c c o r d i n g t ot h eq u a n t i t yd e m a n do fh o o k s t h eo v e r v i e wo ft h ej a c q u a r dt e c h n o l o g yi sp r o v i d e di nc h a p t e r1 t h em o d u l a r i z a t i o n d e s i g nm e t h o do f j a c q u a r de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s c r i b e dc h a p t e r2 c h a p t e r3t oc h a p t e r 5a r et h ek e yo ft h i sp a p e rw h i c hi n t r o d u c et h eh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o l l e r , c a nf i e l db u s f i b e r - o p t i cn e t w o r ka n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fm a s t e rc o n t r o lc o m p u t e ra n ds l a v ed r i v e n 浙江理工人学硕士学位论文 c o n t r o l l e r t h ea n t i - j a m m i n gd e s i g ni nt h ec o n t r o ls y s t e ma n do p e r a t i o no fd e b u g g i n gi s i n t r o d u c e dc h a p t e r6 f i n a l l y , t h es u m m a r ya n dp r o s p e c to ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep a p e rw e r e i n t r o d u c c d k e yw o r d s ：j a c q u a r dm a c h i n e ；$ 3 c 2 4 4 0 a ；n e t w o r kt o p o l o g yo fc a nb u s ；q n x ； m o d u l ea s s e m b l y ；h u g ea m o u n th o o k s i i i 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。 强 捷r 磊移 钒月者f 懈降 姗呷 刨： 学期 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：房丞生曳 日期：砷年；月亿日 年解密后使用本版权书。 1 酗 日期：如前年弓月i 浙江理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 中国纺织机械行业经过几十年的发展，有了很大进步。伴随着纺织工业的迅速发展， 中国纺织机械行业也借势发展成为全球最大的纺织机械制造及消费国。纺机产品出口以亚 洲为主并远销全球1 5 0 多个国家和地区。随着技术进步和产业升级，国产纺织设备在参与 国际市场竞争中，竞争能力不断增强。2 0 0 0 年，我国纺织设备出口2 9 亿美元，到2 0 0 7 年已经达到1 5 2 8 亿美元，7 年问增长了5 倍以上。但与世界先进技术相比，纺织机械总 体技术水平较低，产品自主开发和创新能力薄弱，制造技术落后，研制开发资金投入不足， 企业技改力度不够f 1 1 。 从长期发展看，随着世界和中国纺织业的迅速发展，对纺织机械的需求必然越大越来。 然而，从2 0 0 8 年上半年的数据看，受出口税率上调、人民币升值、原材料涨价等诸多不 利因素的影响，今年我国纺织机械行业的发展速度明显放缓。对我国纺织机械行业发展来 说，这既是机遇更是挑战。因此，为了提高我国纺织机械的市场额度，我们一定要利用先 进的科学技术提高我国纺织机械行业的竞争力，由过去数量的增加转向产品质量和技术含 量的提升，给中国的纺织机械行业带来美丽的将来。 提花机织物属于花纹织物的一种，花纹织物在向大花纹、织物个性多样化等方向发展。 花织物的用途也从以前的服饰用为主，向工业和装饰用途转变，而装饰的提花织物则以大 花纹需求为主。另一方面，随着生活物质水平的提高，人们对于服饰用织物趋于个性化， 这就要求花纹织物生产周期短，对市场反应快，以迎合市场的要求，而电子提花机具有满 足人类社会对花织物提出的上述新的要求的特点。 1 2 电子提花系统的发展历史与现状 1 2 1 电子提花系统的发展历史 提花织物是利用各种颜色的经纱和纬纱的编织形成具有图案的织物，提花织物的图案 主要由经纱的提升和不提升的不同组合而获得。提花机通过控制各种颜色的经纱的沉浮和 梭子的动作实现提花织造 2 1 。 提花织物的生产从纯手工到机械式提花机，发展到今天的电子提花机，经历了一个漫 长曲折的过程。几个世纪以来，织造提花织物都是由人工以手提脚踏的方式来完成的，不 浙江理丁大学硕士学位论文 但工作辛苦，而且效率低，直至1 8 0 5 年，法国人约瑟夫研制了首台可控制的提花机，采 用可更换的打孔纹板储存提花的花纹信息，控制经丝的提升。1 8 8 4 年，另一位法国人韦多 尔研制了读取装置，用较轻薄的纸板来替代纹板，使设计更节省空间，这种精巧的纸板直 至今天仍在传统的提花机上广泛应用1 3 j 。 电子提花是提花开口技术的重大发展。电子提花机采用电子计算机控制技术和机电控 制装置代替原有的花筒、纹板等装置，控制每根经纱的升降顺序，节省了制作纹板的大量 劳动，花型的设计及生产周期大幅度缩短，生产效率得到了很大提高。同时，使机器的结 构大为简化，显著提高了提花织机的车速。电子提花技术开拓了一条织物花纹设计与c a d 工作站相结合的道路，可将织物花纹图案通过扫描转换成数据存入只读存储器( e p r o m ) 或 其他存储介质( 如计算机软盘，u 盘等) 代替庞大的穿孔纹板，并通过计算机可以便利、 快速地对所存储的花纹图案信息作改动或修正。因此，改换品种快捷方便，纹样经纹织c a d 编辑后，立即就能织出纹织物。特别适合小批量、多品种、要求快速交货的现代纺织品市 场的需求。 电子提花机开口融合了现代微电子技术和电磁、光电技术，在纺织c a d 系统和提花 机构的配合下，实现了高速无纹板提花。电子提花机没有通常意义上的纹针，机上排列着 许多电磁阀，每个电磁阀下都有一个挂钩，可挂一个通丝把，控制经线提升。根据行业习 惯，一般把一副电磁阀和相应的挂钩称为一枚电子纹针。由纹织c a d 系统编制好的电子 纹板数据可以通过优盘或网络传送至提花机，用电子信号控制每一枚电子纹针，进而控制 每一根经丝的升降运动，从而编织出丰富的花纹图案【4 】。 随着电子技术的发展和计算机控制技术在纺织领域中的推广应用，提花织物的设计与 织造逐步开始利用计算机系统取代手工作业，1 9 8 3 年，在米兰国际纺织业联合会上，英国 b o n a s 公司推出了世界上第一台电子提花机，织制速度最高达到每分钟1 3 0 0 棱。1 9 8 5 年， 法国s t a u b l i 公司着手研究和开发了新型的电子提花机c x 8 6 0 ，这是一次提花机的革命，电 磁化的设计，使提花机占用的空间更少，对织造程序管理更趋容易【4 羽。2 0 世纪的中后期， 电子提花机形成商品化，现已得到广泛应用。现代电子提花技术突破了传统机械式提花的 纹针数( 最大为2 6 8 8 个提花针) 的限制，使得织物纹样可以更复杂，对产品数量的限制 更小，从而满足了多品种，少批量和个性化的需求。 目前，国外先进的电子提花机的车速可达到6 0 0 r p m 以上，单机可实现万针以上的提 花密度；现代电子提花机还设计了实时监控和工艺数据下载的网络接口，使提花织物生产 的远程控制成为现实，花型更新方便简捷，实现高品质的纺织品制造。 2 浙江理下大学硕寸：学位论文 尽管，国际上电子提花机的种类各异，规格型号也不少，但它们具有共同的的时代特 征：转速高、运转平稳、各道监察和全电脑操作控制。 1 2 2 国外电子提花系统的发展现状 从2 0 世纪8 0 年代初，国外开始了电子提花机的开发与应用，目前己形成规格型号相 对齐全的系列产品，主要的生产厂家有：德国g o r e s 公司、英国b o n a s 公司、法国s t a u b l i 公司。下面介绍最具有代表性的s t a u b l i 公司的电子提花机。 s t a u b l i 公司是一家从事织造开口装备设计、开发和制造的的专业公司。自1 9 8 4 年起 开始开发电子提花机系列产品，1 9 8 7 年该公司推出的c x 8 6 0 型电子提花机是提花织造业 发展史的一个里程碑 2 1 。c x 8 6 0 型电子提花机采用复动式全开口提刀开口、固定电磁铁控 制刺爪进行选挂竖针、弹簧复回。提刀的运动由共轭凸轮控制，通过对共轭凸轮提综刀箱 之间连杆的调节，可得到平行开口或v 行梭口开i ；3 t 6 1 。 近2 0 多年来，s t a u b l i 公司不断采用机电控制新技术，更新和提高电子提花机的性能， 在2 0 0 8 年的亚洲国际纺织机械展览会上，s t a u b l i 展示了其最新开发的3 款开口设备，其 中包括特别适合于喷水织机、上置式安装的s 1 3 5 2 积极式凸轮开口装置，用于在极高速下 织造各类轻薄型织物的l x e1 6 0 2 新型电子提花机，以及适配于各类针织机的规格为1 9 2 针的提花机c x1 8 0 t 1 1 。除此之外，s t a u b l i 公司的传统机型还有d x 系列，l x 系列，以及 u n i v a l1 0 0 2 0 0 等，型号极多，设计多样化，每一种设计适应各自相关用途，例如小至 4 8 枚竖钩微型提花机c x l 7 2 用于字边的织造i s ；大至1 8 4 3 2 枚竖钩的超大型提花机 l x 3 2 0 2 ，用于织造各种复杂花纹的装饰布等【9 】。 s t a u b l i 公司配置在各类型提花机上的j c 系列控制箱，是整个提花系统的控制中心。 目前已经有j c 4 ，j c 5 ，j c 6 等数代产品。j c 5 是目前功能齐全、技术先进的电子提花控制 系统，它以3 2 为微处理器为核心，设计了人机交互界面友好的触摸屏操作。控制箱的主 要作用是管理、准备并将花纹输送给位于提花机内的扣钩控制卡。如果机器在连网的情况 下，控制箱负责与织机或者中央计算机通信。 j c 5 控制箱包括一块中央微处理单元卡，通过一相应的软件来控制所有的运行；一个 容量为2 g i g a b y t e 的硬盘，用来存储花纹数据；一个容量为1 4 4 m e g a b y t e 的3 5 英寸通用 磁盘驱动器，用于读花纹或保存花纹在磁盘上；一个用于人机对话的触摸屏；一块输入输 出控制卡，以及一块因织机而异的适配卡，这块卡用于纬选针器及有关功能的电子控制； 块以太网络的连接卡与中央计算机进行通信。该控制器的功能包括：当前织造，用于选 择所希望进行制造的花纹，并显示当前织造的参数；花纹操作，用于对花版文件进行修改、 浙江理工大学硕十学位论文 格式转换等操作；织造程序，用于建立和修改织造程序；系统功能，用来设置电子提花机， 测试j c 5 的各个部分，定制控制箱的各个部分以及导出或引入设置文件；安全性功能，用 于根据使用者的身份来确定是否允许让其访问j c 5 的不同菜单【1 3 1 。 1 2 3 国内电子提花系统的发展现状 我国虽然早在1 2 世纪初就有织造大花纹织物的大型拉花机，但在现代工业发展进程 中，我国在电子提花机方面的研究和生产起步较晚，提花机的发展研制速度还远落后于国 外【1 0 1 。近几年来，虽然国内有关科研机构、纺机企业开发了一些电子提花机，例如杭州奇 汇电子提花机有限公司、烟台宋和宋科学技术应用工程有限责任公司、杭州恒天纺织科技 有限公司、常熟纺织机械厂有限公司等均有电子提花机产品。 杭州的奇汇电子提花机有限公司的提花机产品包括：q h - a 高速电子提花机： q h l 5 3 6 a 、q h 2 6 8 8 a 、q h 6 1 4 4 a ，纹针数分别为1 5 3 6 针、2 6 8 8 针和6 1 4 4 针，最大开1 2 1 频率为4 5 0 次分钟；q h c 新型高速电子提花机：q h l 5 3 6 c 、q h 2 6 8 8 c 等，纹针数分别为 1 5 3 6 针和2 6 8 8 针，最大开1 2 频率为5 0 0 次分钟；q h d 普及型电子提花机是应用于市场 普及型产品，纹针数有1 5 3 6 针和2 6 8 8 针两种，最大开v i 频率为1 8 0 次分钟【1 4 】； 烟台宋和宋科学技术应用工程有限责任公司的电子提花机产品主要包括：布边系列、 织带系列、商标领带系列、装饰面料系列以及毛巾、地毯系列电子提花机等5 类，其中 s e j 3 2 0 1 系列高速电子提花机的最大纹针数为1 2 2 8 8 针，最大开口频率可以达到4 5 0 次分 钟【1 5 1 。 电子提花机的控制系统方面，早期的国产电子提花机控制系统基本上采用“单片机方 案”，可实现小纹针数( 2 6 8 8 针) 的选针器的简单控制。为满足电子提花机的复杂控制、 实现友好的人机对话、网络通讯和花版介质的要求，提高开发效率，近5 年来，不少国内 外的电子提花机控制系统采用了p c i 0 4 或工业控制计算机方案。 目前，国内生产的电子提花机的很多关键部件( 比如选针器、控制器等) 都是仿制国 外产品：并且大纹针数的电子提花机的工作速度也都在4 5 0 转分以下。高速的，大纹针数 的，特别是运行稳定的电子提花机还无法与国外同类产品相比，仍然大量从国外高价引进， 我国中小型企业难以承受如此高昂的投资费用，阻碍了中国由纺织大国向纺织强国的发 展。 随着电子、机械工业的发展以及纺织工业新型原料的开发应用，近几年来世界范围内 的电子提花机技术发展得很快，我国也需加紧步伐赶超世界强国。 4 浙江理1 大学硕士学位论文 1 3 电子提花机控制系统概述 目前在实际应用的电子提花机控制系统有三种方案：单片机方案、p c i 0 4 方案和嵌入 式微处理器方案。根据不同的应用需求可以有不同的选择，各种方案也具有各自的优缺点。 ( 1 ) 单片机方案 采用m c s 5 1 系列的单片机构成控制系统，该类控制系统主要用于对原有的机械提花 笼头的改进，所需要控制的纹针数也相对比较少。这种控制系统的主要优点有： 设计相对简单，开发周期短； 成本相对比较低； 控制箱的体积比较小，运行稳定。 然而这种控制系统由于受到单片机功能的局限性，功能不够丰富，主要体现在以下几 个方面： 由于没有操作系统，系统功能的扩展性不强，不容易升级； 网络功能薄弱，只能通过串行接口进行一些命令和运行状态信息等参数传递； 人机交互界面不够友好。 ( 2 ) p c i 0 4 方案 p c i 0 4 是嵌入式p c 的机械电气标准，其秉承了i b m p c 开放式总线结构的特点，为 嵌入式应用提供了标准的系统平台，为设计应用系统的工程师提供了标准的、高可靠的、 功能强大的、方便使用的系统组件，从而将人力从繁琐的基于芯片的设计中解放出来。这 种控制系统的主要优点有： 结构紧凑、功耗低、在软件和硬件上与标准p c 总线完全兼容； 作为工业级产品，具有低功耗和高可靠性等特点； p c i 0 4 系统本身已经提供基本的功能模块，开发也相对比较简单。 目前，国内的很多电子提花机控制都采用的p c i 0 4 + d o s 的方式。但这种方式由于d o s 操作系统本身功能的限制，尽管具有以上的优点，但是，其在花型存储、图形界面、网络 等方面仍然不能有质的飞跃。图形界面单调，要实现网络、u s b 等功能也相对困难。而且， 由于该控制方案的成本相对比较高，尽管目前在市场上占据一定的份额，但是并不多。 ( 3 ) 嵌入式系统控制方案 现代嵌入式系统以其强大的控制功能、小巧的体积、卓越的性价比在工业控制领域占 有非常大的比重，同时嵌入式芯片具有的丰富的外围电路和软件资源，大幅度缩短了产品 的开发周期。采用嵌入式系统控制方案还有一个显著的优点是整个系统的可移植性非常 浙江理工大学硕七学位论文 好、系统的弹性非常大，方便后期提花系统升级与改进。应该说嵌入式系统控制方案是今 后电子提花机控制系统发展的一个主要方向。 1 4 本课题研究意义 提花织物是提高纺织品档次、满足现代社会个性化需求、增加产品附加值的主要产品。 目前，我国高档提花织物生产所需的大纹针电子提花机仍然全部依赖进口。法国的s t a u b l i ， 德国的g r o s s 和英国的b o n u s 三家公司统治全球电子提花机市场的局面仍未被打破。 电子提花机是一种典型的机电一体化系统，其主要由控制器、提花电磁执行机构、电 控箱及机械传动机构组成。本课题为企业委托设计开发项目。针对国产电子提花机存在的 问题，通过对国外电子提花机研究分析，应用嵌入式计算机技术和数字化控制技术，开发 出既适合我国国情，又具备功能先进、性能可靠，可实现万针以上的提花控制的电子提花 机控制系统是本课题的主要任务。旨在打破国外在先进电子提花机的垄断，实现大纹针数 电子提花机的国产化。 1 5 本课题研究和设计的主要内容 本课题采用嵌入式系统控制方案，研究和实现了大纹针电子提花机控制系统，主要完 成了以下设计开发的工作： 提出了一种电子提花机控制系统的整体方案，其特点是通过模块化组配来实现大纹针 数电子提花机控制系统； 设计了控制系统的各个模块的应用电路，并制作出了主控制电路板、选针控制电路板 和选针驱动电路板； 在主控c p u 上构建实时嵌入式系统q n x ，其中包括人机界面设计；选针控制模块中 的m c u 的控制程序与驱动程序设计；主控c p u 模块和选针控制驱动模块之间的c a n 总线光纤通信网络及两者之间的通讯协议的应用设计： 完成了对系统的调试分析，提出了系统进一步的完善和改进方向。 6 浙江理j f 大学硕士学位论文 第二章电子提花机控制系统模块化设计方案 电子提花机是一种典型的机电一体化系统，其主要由控制器、提花电磁执行机构、电 控箱及机械传动机构组成。本文主要讨论电子提花机控制器的开发。 2 1 电子提花机控制系统的工作原理 提花织物的图案主要是通过在引纬过程中，控制对应的经纱的提升与不提升，实现经 纬交织点的不同组合而获得的。而经纱的提升控制则是通过对选针机构的控制来实现的。 如图2 1 所示，电子提花机的选针机构的主体部分由电磁阀、提针部件( 由运动钩和通丝 组成) 以及开口提刀组成。对提针的控制是一个周期性运动控制过程，通过一定的控制流 程来完成，其中被控的电磁阀电磁力实现选针、提刀开口机构机械力实现经纱提升，即由 机械机构和电磁阀的机电配合来完成开口过程。 ( a ) ( c ) ) 固 l 霸 图2 1 提花机经纱提升原理 3 一弹簧4 一同定钩 5 一电磁阀6 一运动钩7 一连接件8 一通丝 9 一首线 l o 一同定点1 1 一滑轮1 2 、1 3 一提刀 7， 浙江理工大学硕士学位论文 如图2 1 所示，为选针器的顺序工作的过程。 位置a ：初始时，运动钩6 分别停在提刀1 2 、1 3 上，此时挂在提刀1 2 上的运动钩6 在最高位置，且将固定钩4 下端向外，上部靠向电磁问5 ，弹簧3 被压缩，此时电磁阀5 给电，复式滑轮1 1 处于低位，经纱处于下层经纱位置； 位置b ：第一次开口开始，运动钩6 随提刀1 2 和1 3 作向上、向下运动，因为此时电 磁阀5 给电，固定钩4 下端不挂住运动钩6 ，复式滑轮1 1 保持低位，经纱仍在下层经纱位 置： 位置c ：当提刀1 3 提升到满开位置时，运动钩6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹 簧3 被压缩，若此时电磁阀5 不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，竖钩6 被挂在固定钩4 上， 经纱仍在下层经纱位置： 位置d ：第二次开口开始，提刀1 2 、1 3 作向上、向下运动，复式滑轮1 1 以固定钩4 的爪为支点上升，经纱被向上提升。 位置e ：提刀1 2 升到满开位置，运动钩6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹簧3 被压 缩，电磁阀5 仍不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，运动钩6 被挂在固定钩上，复式滑轮1 1 处于高位，经纱位于上层经纱位置。 位置f ；第三次开口开始，提刀1 3 、1 2 作向上、向下运动，若此时电磁阀不给电，左 右运动钩6 均被挂住，复式滑轮1 1 保持在高位，经纱则仍在上层经纱位置；而若此时电磁 阀给电，则复式滑轮由于运动钩6 从固定钩4 上松开而下沉，使经纱下降。 通过以上的分析可知：电磁阀导通，就吸住了固定钩上端，则在提刀上下运动的时候， 经纱不提升；电磁阀不导通，就不能吸住固定钩上端，则在提刀上下运动的时候，经纱提 升。而电磁阀的导通与否是由控制信号来决定的1 3 1 。 控制器发送信号“0 ”，电磁阀得电导通，则经纱提升。控制器发送信号“1 ”，电磁阀失 电不导通，则经纱不提升。而控制器发送“0 ”还是“l ”由花版数据来决定，所以，花版数据 决定了提花织物的图案。 如表2 1 所示，黑色的经纱提升浮在白色的纬纱的上方，形成阿拉伯数字4 的提花织 物图案。表中列出了花版数据中的1 1 纬和1 1 针的花版数据，给出了花版数据与提花织物 图案之间的对照关系。表中只能列举一种颜色的纬纱，在实际生产中，可以根据需要配置 8 色或者1 6 色的选纬器，由提花机输出选纬信号，编制出彩色提花织物。 8 浙江理工大学硕- 二学位论文 表2 1 花版数据与提花织物图案之问的对照关系示意表 纬 花版数据 提花织物图样 号 123 4 56 7 891 0l l 1 1111111o1l1l 1 0l 1 11lo 1 1o 1 1 |i 91111oo11011 li 8l1l0olll0ll_ 秘 i 71l001l1l0ll i 口弱 i 6l0 0 l l 11 l0 l 1 50o11l1ll011 瞄臻豳霸l8 40o00o00o000 31llll111011 i譬 _ 冒 2l111llll011 i 111111111011 l誓 2 2 电子提花机控制系统设计的需求分析 该电子提花机要求适应剑杆、喷气织机工作，织机幅宽大于等于1 9 0 0 m m ；经线有效 开口高度：前区4 9 9 4 m m ，后区6 0 1 1 8 m m ；电子选针器功耗小于1 瓦针。结合现代化高品 质的纺织品制造要求，本课题设计的电子提花机控制系统需要满足的技术指标如下： ( 1 ) 系统性能指标： 单机纹针数： 1 2 2 8 8 针； 适应织机最高转速： 6 0 0 纬分。 ( 2 ) 工作稳定性指标： 单针选针器的平均无故障动作次数： 2 x 1 0 8 次； 实际织造无错花乱花面积( 任意抽取布样，花围数不少于2 个) 1 0 m 2 。 大纹针数电子提花机一般用于织造高支高密的单幅大花纹织物，一旦系统出现提花故 障引起错花，就会造成同一花围内的大量产品的报废。因此，大纹针数电子提花机控制系 统不仅在稳定性、可靠性上比普通电子提花机控制系统有更高的要求，而且需要满足如下 要求： ( 1 ) 这种织物一幅的纬向循环需要达到上万根，需要控制系统提供充裕的数据存储空 间来存储花版数据文件； ( 2 ) 随着花版数据文件的增大，花版数据更新频繁，要求有先进的花版数据传输方式， 比如通过网络、优盘、s d 卡等： o 浙江理工大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 大纹针数高速电子提花机对控制系统的实时性提出更高的要求，要求控制系统处 理速度更快，数据传输速率大于5 0 0 k b p s ； ( 4 ) 现代装饰用家纺产品要求提花织物的花纹图案表现更为细腻，色彩非常丰富，控 制系统需要提供1 6 色以上的选纬功能； ( 5 ) 以6 0 0 纬分织造纬密为8 0 支的织物为例，根据工作稳定性指标要求电子提花机 的平均无故障率为9 9 9 9 4 以上； ( 6 )电子提花机控制系统还需要具有花版数据保密、工况数据断电保护功能以及友好 舒适的人机交互界面等。 2 3 电子提花机控制系统开发方案的选择 在控制器设计工作的最初始，首先要选择控制系统的开发平台，然后基于所选定的软 硬件平台来定出控制器的总体方案，进而展开下一步的细节工作。 2 3 1 硬件开发平台的选择 选择硬件开发平台时，主要考虑以下几个因素： ( 1 ) 数字电路技术中的三最原则，器件种类最少、器件数量最少、连线最少。这也是 在嵌入式系统设计时的基本原则。 ( 2 ) 按需选型，根据需要完成的功能，选择相应的硬件开发平台。如只完成一些简单 的控制功能，并且没有大量的数据时，可选用单片机。如果有大量的数据计算， 可选用d s p ，或选用带d s p 功能的s o c 。 ( 3 ) 选择的处理器一定要是技术实力雄厚的公司，技术成熟而且还有大量供货的产 品，并且相应的配套开发工具齐全。 ( 4 ) 在性能方面，需考虑速度、功耗、集成度、所需资源等。 ( 5 ) 考虑应用环境。不同的环境，选择要求不同，比如系统的实时性要求，可靠性要 求等。 在后p c 时代，由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向应 用的突出特点，因此，嵌入式系统已被广泛的应用于军事、国防、电子信息、家电、网络 通信、工业控制等领域。而嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的 硬件单元。目前流行的体系结构包括m c u 、m p u 等1 0 多个系列。嵌入式处理器课分为： 嵌入式微控制器( e m c u ，e m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 、嵌入式微处理器( e m p u ， e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o rt j n i 0 、嵌入式d s p 处理器( e d s p ，e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a l 浙江理下大学硕七学位论文 p r o c e s s o r ) 、高度集成的嵌入式片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 。 嵌入式微控制器又叫单片机，它将c p u ，存储器和其它外设封装在同一片集成电路中， 广泛应用于工业控制场合，但是如前面所述，功能相对比较简单。随着技术的发展，8 1 6 位单片机的速度和内存的限制较难满足复杂的应用要求。嵌入式d s p 作为高速的数字信号 处理器主要的应用在声音、图像等需要大量的数据计算的领域，有着功耗小、运算速度快、 吞吐量大的特点。 而嵌入式微处理器以其卓越的性价比在工业控制领域占有非常大的比重，同时其丰富 的外围电路和软件资源大幅度缩短了产品的开发周期。电子提花机控制系统不仅对可靠 性、实时性有较高的要求，而且现代化的电子提花机控制系统对功能性方面也提出了更高 度要求，嵌入式微处理器在这几个方面都有很好的表现，因此选择嵌入式微处理器作为本 系统的硬件开发平台。 嵌入式微处理器是由通用的计算机c p u 演变而来，目前市场上主流的微处理器有 p o w e r p c ，3 8 6 e x ，m o t o r o l a 6 8 0 0 0 ，m i p s ，a r m 等，其中a r m 系列的芯片占据了市场上 约6 0 的份额，是目前最为流行的微处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构发展系列，极 小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能。而且可以根据嵌入的对象的不同进行 功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 a r m 嵌入式微处理器还具有调试开发方便、支持多种操作系统、主频高、运算处理 能力强等优点，而且随着a r m 嵌入式微处理器的应用范围越来越广，其相关的资源支持 也越来越丰富。考虑到电子提花机控制系统以后功能的提升和扩展的方便，在本课题中选 择了a r m 嵌入式微处理器作为系统的硬件开发平台。 2 3 2 软件开发平台的选择 在高速电子提花机控制系统的应用场合中，需要机械机构和电磁执行器的严格时序配 合来完成。这对电子提花机控制系统有很高的实时性和可靠性要求。本课题的控制器中， 涉及的硬件资源较多，中断服务的调用也很频繁，而且一些关键任务在触发时要求立刻被 响应执行。实时操作系统此时就可以很好地管理各部分的软硬件资源，对任务的及时响应 要求提供保障机制；而且对于系统以后的更新升级非常方便。考虑上述各个因素，本课题 采用实时操作系统来开发。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执 行的系统管理程序，应用程序则是运行在r t o s 基础上的多个任务，r t o s 根据各个任务的 浙江理工大学硕寸：学位论文 要求，进行资源管理、消息管理、任务调度和异常处理等。 嵌入式系统应用场景的丰富多彩导致了r t o s 的种类繁多，如q n x ，v x w o r k s ， r t - l i n u x ，以及w i n d o w sc e 等。使得在嵌入式系统设计时有了很大的选择余地，但选择 操作系统是否恰当对整个系统的开发有着举足轻重的影响。如表2 2 所示，列出了这四个 r t o s 在实时性、安全可靠性、多任务模式、网络应用、图形界面开发以及内核源代码开 放性等几个方面的比较【i 丌。 表2 2 各个r t o s 性能比较1 1 7 1 操作系统 q n x v x w o r k sr t l i n u xw i n d o w sc e 比较内容 实时性很好很好一般一般 极高( 机场空极高( 汽车a b s 安全可靠性一般一般 中交通控制) 系统、宇宙飞船) 多进程多线程，同 一进程内不同的 多进程多线多进程多线程， 多任务模式单进程多线程程，进程可以进程可以有不 线程可被分配不 同优先级 有不同优先级同优先级 有丰富的网有丰富的网非常丰富的网非常丰富的网 网络应用 络应用支持络戍j j 支持络应用支持络应用支持 图形界面支持可视化图 面向对象和平台 独立的图形化用 开发工具非常主要由微软提 开发工具形界面开发丰富供 户界面 内核源码 开放性 开放部分源码不公开开放不公开 通过以上的定性的分析和比较，实时操作系统q n x 和v x w o r k s 在实时性和可靠性上 均相对较优。对这两个操作系统的实时性和可靠性的比较，需要进一步的进行定量的分析 与比较。如表2 3 所示，为两个实时操作系统的中断反应时间和中断调度反应时间，该测 试是由比利时的d e d i c a t e ds y s t e m se x p e r t sa n dd e d i c a t e ds y s t e m sm a g a z i n e 完成的【1 8 1 。 表2 3 中断反应和中断调度反应时问测试结果 q n xr t o sv 6 1 v x w b r k sa e l 1 测试时间 平均值( 茚)最大值( i l s )平均值( “s )最大值( 肛s ) 中断反应时间 1 74 11 76 8 中断调度反应时间 1 82 11 98 4 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 另外还有 b i l l i o ni n t e r r u p t 测试【i g l ，通过产生1 0 9 次优先级一样的中断，计算有多少次 中断得到了有效的响应以及多少次中断“丢失”。中断“丢失”的情况是指产生下一次中断的 时候，本次中断服务程序还在运行或者被更高优先级的中断屏蔽掉。因此，这个测试也可 以测出实时系统在最糟糕情况下的中断延时情况，如表2 4 所示。 表2 4 “b i l l i o ni n t e r 珈p t ”测试结果0 1 8 i r t o s q n xr t o sv 6 1 v x w o r k sa e1 1 m a x i m u ms u s t a i n a b l ei n t e r r u p tf r e q u e n c y 1 0 茚2 5 幛 嵌入式操作系统对中断的反应时问和中断调度时间可以很好的体现实时操作系统的 实时性情况。该测试结果则体现了实时操作系统运行的可靠性。通过以上的定向分析和比 较，q n x 实时操作系统在实时性和可靠性上都优于v x w o r k s 。而且，v x w o r k s 实时操作 系统缺乏对容错和分布式应用的支持，对进程间通讯的支持也不够理想【1 9 1 。 因此，我们选用q 岖实时操作系统作为本设计的嵌入式软件开发平台。 2 4 电子提花机控制系统的模块化设计 如图2 2 所示为基于a r m + q n x 嵌入式系统配置的电子提花机功能模块结构图。 图2 2 电子提花机功能模块结构图 浙江理工火学硕十学位论文 所设计的电子提花机控制系统主要有以下9 个功能模块组成： ( 1 ) 嵌入式主控制微机模块 嵌入式主控制微机模块包括主控制m p u 、程序存储器、数据存储器、断电保护等基本 功能电路