（机械电子工程专业论文）剑杆织机嵌入式控制系统硬件研究与开发.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 i m i i j h l l lk l l l l l l ll l l l q l l l l l l l l l l l l l l l l l l i y 2 13 6 0 3 1 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。除文中己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：l 、武 日期： 2 0 f7 年，月日 附件二： 东华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。本人授权东华大学可 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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 | 不保密切。 学位论文作者签名： 声 日期：。f f 年，月p 日 指导教师签名 日期：驯年弓月丽 东华大学学位论文 摘要 剑杆织机嵌入式控制系统( 硬件) 研究与开发 摘要 剑杆织机是目前纺织行业应用较为广泛的一种织机，其朝着高织 造速度、操作简单、界面人性化和模块化的方向发展。目前国外先进 织机的工作速度已达到6 5 0 r m i n 以上，整个系统在c a n 总线的基础 上进行模块化设计，主控系统以3 2 位微处理器作为核心，及时进行 更新换代。而国内的剑杆织机大多工作速度较低，以p l c 和8 位控 制器为主，总线通讯技术未能成熟运用，产品升级较慢。在这样的环 境，研发可与国外先进织机相匹敌的具有自主知识产权的剑杆织机成 为必然之举。 剑杆织机是集机械设计制造、微电子技术，传感器技术、通讯技 术，液压技术，操作系统等于一身的高度自动化装备。可以根据需要 设计不同的花样，调整工艺参数，完成不同种类的织造物。 论文首先对剑杆织机的工作原理和五大运动进行了了解，并在此 基础上研究了现代剑杆织机的模块组成及各部分的工作原理。将织机 划分为多臂机、储纬器、选纬器、主轴及引纬、打纬部分、电子送经、 卷取、润滑系统、人机界面、机件按钮、制动结构等几个部分，同时 对各部分的信号进行了梳理。 在对织机机械结构及模块确定的基础上，分析了国外先进织机的 整体设计方案，提出了在目前所掌握的技术条件下，适合国内生产实 际的高速度、高可靠性、成本较低的织机控制系统硬件设计方案。将 控制系统划分为输入信号处理系统、输出信号处理系统、电源系统、 主控系统、上下母板几个部分；使用c a n 总线进行通讯，将各部分 连接起来，完成高速率、高可靠性的双向通讯；选用f r e e s c a l e ：全司 的3 2 位微处理器m c f 5 2 3 5 作为控制系统输入信号处理模块及主控系 统的控制芯片。 根据功能的需要，以m c f 5 2 3 5 为核心，设计了控制系统的硬件 电路。输入信号处理模块扩展了1 6 m b y t e s 的f l a s h 模块，1 6 m b y t e s 东华大学学位论文摘要 的s d r a m 模块；留有c a n 接口、r s 2 3 2 通讯接口；设计了7 8 路开 关信号的扫描电路、2 路模拟信号采集电路、绝对式光电编码器的信 号采集及比较电路；同时设计了b d m 下载接口、系统时钟电路、译 码电路、总线收发电路、电源等保证系统能够正常工作并容易调试。 通过对输入信号处理模块的电路及工作环境地深入分析，在对 p c b 设计知识及电磁兼容技术深入研究的基础上，完成了输入信号处 理模块的p c b 设计。在确定p c b 加工工艺参数的情况下，首先结合 输入信号处理模块的硬件电路设计情况，规划了板层的分配；根据电 路的工作特性，进行了输入信号处理模块p c b 布局的工作；最后在 布线原则的指导下，完成p c b 布线及覆铜等设计任务。 课题的研究对国内开发现代剑杆织机具有重大意义，对设计先进 织机具有前瞻性的作用。 关键字：剑杆织机，控制系统，电磁兼容，总线通讯，电路设计 t h eh a r d ，a r es t u d ya n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo fr a p i e rl o o m a b s t r a c t r a p i e rl o o mi so n eo fl o o m st h a th a v eb e e n u s e dm o s ta b r o a d ，t h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti s h i g hs p e e d ，e a s yt ou s e ，h u m a n i t yi n t e r f a c ea n dm o d u l a r i z e t h ew o r ks p e e do ff o r e i g na d v a n c e d r a p i e rl o o mh a v eb e e ng o tu pt o6 5 0 r m i n t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g no f e n t i r es y s t e mi sb a s e do n c a nb u s ，t h em a i nc o n t r o ls y s t e mu s e3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o ra si t sc o r e ，a n du p d a t et h es y s t e mi n t i m e w h e r e a s ，t h es p e e do fr a p i e rl o o m st h a td e s i g n e di nd o m e s t i ci sl o w e rm a i n l y , u s ep l ca n d 8 - b i tc o n t r o l l e r , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fb u sc a l ln o tb e e nu s e di np r a c t i c e ，a n du p d a t e t h es y s t e ms l o w l yu n d e rt h ec o n d i t i o n ，w en e e dt od e v e l o pt h en e wg e n e r a t i o nr a p i e rl o o m st h a t h a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n de q u a lt ot h ea d v a n c e dl o o m si nf u n c t i o n r a p i e rl o o mi st h ea u t o m a t i o nt h a th a sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，m i c r o - e l e c t r o n i c ，s e u s o r s ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , h y d r a u l i cp r e s s u r et e c h n o l o g y , o p e r a t i o ns y s t e ma n ds oo n i tc a n p r o d u c ed i f f e r e n td e s i g na c c o r d i n gt ot h en e e d , a d j u s tt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r , g e td i f f e r e n tk i n d s o ff a b r i c f i r s t l y , t h ew o r kd i s c u s ss o m e t h i n ga b o u tf i v em o v e m e n t so fr a p i e rl o o ma n di t sw o r kt h e o r y , t h e ns t u d yt h em o d u l a t i o n so fl o o m d i v i d et h el o o mt op a r t st h a tc o n c l u d ed o b b ym a c h i n e ，w e f t f e e d e r , w e f ts e l e c t i o n ，s p i n d l e ，w e f ta n db e a t i n g ，e l o ，e t u ，l u b r i c a t i o ns y s t e m ，m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，b u t t o n s ，b r a k es t r u c t u r ea n ds oo n ，t h e nc l e a nu pt h es i g n a l so ft h e s ep a r t s a n a l y z et h ee n t i r es o l u t i o no fa d v a n c e dr a p i e rl o o mt h a tb a s e do ns t r u c t u r eo fm a c h i n e g i v e o u tah i g h s p e e d ，r e l i a b i l i t ya n dl o w - c o s th a r d w a r es o l u t i o no fr a p i e rl o o mc o n t r o ls y s t e mt h a t a d a p tt ot h ep r o d u c tf a c to fd o m e s t i c d i v i d et h ec o n t r o ls y s t e mi n t oi n p u ts i g n a ls o l v i n gm o d u l e ， o u t p u ts i g n a ls o l v i n gm o d u l e ，p o w e rs y s t e m ，m a i nc o n t r o ls y s t e m ，a n du p ，l o w e rm o t h e rb o a r d t h e s em o d u l e su s ec a nb u st oc o m m u n i c a t e ，a n dt h es y s t e mc a nw o r ku n d e rh i g ht r a n s f e rs p e e d a n dm o r er e l i a b i l i t y t h ed e s i g nu s e3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o rt h a td e s i g nb yf r e e s c a s l ec o m p a n ya s t h ec o r eo fi n p u ts i g n a ls o l v i n gm o d u l ea n dm a i nc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ef u n c t i o n ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i to fi n p u ts i g n a ls c + l v i n g m o d u l ew i t hm c f 5 2 3 5a si t sc o r e i te x t e n d16 m b y t e sf l a s hm o d u l e ，16 m b y t e ss d r a mm o d u l e ， k e e pc a nb u si n t e r f a c e ，r s 2 3 2i n t e r f a c e ；d e s i g n7 8 一w a ys c a nc i r c u i to fs w i t c hs i g n a l ，2 - w a y c o l l e c t i o nc i r c u i to fa n a l o gs i g n a l ，s i g n a lc o l l e c ta n dc o m p a r ec i r c u i to fa b s o l u t ep h o t o e l e c l r i c i t y c o d e r ；a n dd e s i g nt h eb d md o w n l o a di n t e r f a c e ，c l o c kc i r c u i t ，e n c o d e rc i r c u i t ，t r a n s c e i v e rc i r c u i t ， p o w e ra n ds oo nt ok e e pt h eb o a r dc a nw o r kn o r m a la n dd e b u ge a s i l y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc i r c u i ta n de n v i r o n m e n tt h a ti n p u ts i g n a ls o l v i n gm o d u l e w o r ki n d e s i g nt h ep c bt h a tb a s e do nt h es t u d yo fe m c u n d e rt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gt h ep a r a m e t e ro f p r o d u c et e c h n i c s ，d i s t r i b u t et h el a y e ro fp c b ，d i s t r i b u t et h ec o m p o n e n ta n dl a y o u tt h a tb a s e do n t h ec i r c u i ta n dt h e np l a c et h ec o p p e r t h et a s ki se s s e n t i a la n dl o n gs i g h tt ot h ed e v e l o p m e n to fn e wg e n e r a t i o nr a p i e rl o o mo f d o m e s t i c c h e nc h e n g ( m e c h a n t r o n i c se n g i n e t m n g ) s u p e r v i s e db yp r o f h ey o n g k e yw o r d s ：r a p i e rl o o m ，c o n t r o ls y s t e m ，e m c ，b u sc o m m u n i c a t i o n ，c i r c u i td e s i g n i i i 东华大学学位论文 a b s t r a c t i v 东华大学学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外剑杆织机的现状与发展趋势1 1j 1 1 2 1 国际剑杆织机的现状与发展趋势1 1 2 2 国内剑杆织机的状况和发展趋势一2 1 3 国际和国内剑杆织机机电一体化的技术水平3 1 3 1 国外剑杆织机控制系统4 1 3 2 国内剑杆织机控制系统4 1 4 剑杆织机机电一体化的近期发展趋向5 1 5 课题的研究目的、意义和主要内容6 1 5 1 课题研究的目的和意义6 1 5 2 课题的研究内容6 第二章剑杆织机的工作原理及结构8 2 1 剑杆织机基本工作原理及五大运动8 2 2 剑杆织机模块化装置1 1 2 2 1 电子开口装置1 1 2 2 2 电子送经、卷取机构一1 2 2 2 3 电子选纬装置1 2 2 2 4 储纬装置1 3 2 2 5 启制动机构1 4 2 2 6 断经自停、断纬白停装置1 4 2 3 本章小结1 5 第三章控制系统结构设计。1 6 3 1 现代剑杆织机整体结构1 6 3 2 控制系统模块划分1 6 3 3 控制系统子系统设计1 7 3 3 1 电源系统设计1 7 3 3 2 输入信号处理模块设计18 3 3 3 主控系统设计一1 9 3 3 4 输出信号处理模块设计一2 0 3 4 嵌入式控制系统m c u 选择2 0 3 5m c f 5 2 3 5 内核及芯片配置2 2 3 5 1 处理器流水线机制一2 2 3 5 2 芯片配置模块一2 3 3 5 3 芯片复位配置2 3 3 5 4 启动设备选择一2 5 3 5 5 驱动能力一2 5 3 5 6 时钟模式2 6 3 5 7 复位控制模块2 6 东华大学学位论文目录 3 5 8 系统控制模块2 7 3 6 本章小结2 7 第四章控制系统信号传输。2 9 4 1 控制系统通讯种类2 9 4 1 1 子系统通讯2 9 4 。1 。2 控制系统与伺服电机通讯3 0 4 1 3 主控系统与其它模块通讯3 0 4 1 4 人机交互3 0 4 2 系统通讯方案选择3 1 4 2 1 工业以太网与现场总线的比较3 1 4 2 2 国外先进织机通讯解决方案3 2 4 2 3 通讯解决方案3 3 4 3c a n 总线介绍3 4 4 3 1c a n 总线位的数值表示3 4 4 3 2 帧格式3 4 4 3 3 帧类型3 5 4 4f l e x c a n 控制器3 8 4 4 1f l e x c a n 简介3 9 4 4 2f l e x c a n 操作模式3 9 4 4 3f l e x c a n 的应用4 0 4 5 本章小结4 4 第五章硬件电路设计。4 5 5 1 控制系统硬件电路4 5 5 2 输入信号处理模块结构4 5 5 3 系统配置模块4 7 5 4 时钟和复位模块4 9 5 4 1 时钟模块一4 9 5 4 2 复位模块4 9 5 5b d m 下载模块5 0 5 6 总线收发器模块5 0 5 7s d r a m 模块5l 5 7 1r a m 种类的选择5l 5 7 2s d r a m 硬件电路设计5 2 5 8f l a s h 模块5 4 5 8 1f l a s h 的选择5 4 5 8 2f l a s h 硬件电路设计5 4 5 9 译码模块5 6 5 1 0r s 2 3 2 通讯模块5 6 5 11c a n 通讯模块5 7 5 1 2 信号扫描模块5 8 5 1 3 刹车信号采集模块5 9 5 1 4 光电编码器信号采集模块5 9 5 】4 1 光电编码器信号转换电路5 9 5 1 4 2 光电编码器信号处理电路6 0 5 1 5 电源模块的设计6 2 东华大学学位论文 目录 5 1 6 本章小结6 3 第六章p c b 设计6 4 6 1p c b 分层设计6 4 6 1 1 输入信号处理模块p c b 分层策略6 4 6 1 2 输入信号处理模块p c b 板层设计6 5 6 2 输入信号处理模块p c b 布局6 5 6 3 电源及地层的分割6 7 6 4 布线及关键电路e m c 设计6 9 6 4 1 输入信号处理模块p c b 布线顺序6 9 6 4 2 输入信号处理模块关键电路e m c 设计7 0 6 5 本章小结7 3 第七章总结和展望7 4 7 1 总结7 4 7 2 展望7 4 参考文献。7 6 攻读硕士学位论文期间发表的学术论文7 8 j $ 【谢7 9 东华大学学位论文 1 1 引言 第一章绪论 剑杆织机是无梭织机中应用数量最多的一种织机。在无梭织机中，剑杆织机 是织制小批量、中批量、品种翻改的花色织物通用和最可靠的织机，价格比片梭 织机低廉。近年来，随着引纬机构的改进，引纬速度提高了，而加速度的变化却 比较缓和，加持纬纱的剑头，其构造可适用于不同原料和结构的纱线，在0 7 3 3 0 0t e x 之间不需调换剑头。 剑杆织机虽然入纬率在无梭织机中不是最高，但其功能完善、品种适应性广、 价格性能比优越等特性，在销售数量上一直居于无梭织机前列，预计今后剑：汗织 机的销售数量还将继续扩大。 国外的剑杆织机已经发展的比较成熟了，技术上也远远优于国内的剑：汗织 机。国内的剑杆织机大多速度慢，可靠性低，只能织制质量低等的织物。我国作 为纺织产品加工的大国，对剑杆织机的需求量是巨大的，提高我国剑杆织机的技 术成为国内纺织行业进步的必然选择，只有设计出与国外先进织机相匹敌的织机 才能进一步降低我国纺织产品的成本，提高产品竞争力，进一步巩固我国纺织产 品的地位。 1 2 国内外剑杆织机的现状与发展趋判1 】 1 2 1 国际剑杆织机的现状与发展趋势 自2 0 世纪初期代替梭子引纬的各种原理被提出，今天，无梭织机的技：术已 十分成熟且实用化，并经历着从有梭到无梭、机电一体化、人机工程学原理拘应 用。在这一转变中，剑杆织机始终是被采用的主要机型之一。 自1 9 6 3 年汉诺威国际纺织机械展览会首次展出了商业性剑杆织机以来，剑 杆织机的工艺性能日趋完善。到了8 0 年代末，剑杆织机已进入了全盛时期，如 今国际上，著名织机制造国家如德国、意大利、比利时等，其织机性能仍遥：遥领 先，中国台湾、韩国、印度等过去纺机器材水平与我国相当，而今也纷纷崛起， 部分纺机产品水平已经比我们有所提高。目前国际上柔性剑杆织机引纬率己上 升到2 0 0 0 m m i n 以上。 剑杆织机是无梭织机中使用最多的一种织机。在无梭织机中，剑杆织机是织 造中小批量、品种翻新频繁织物的通用织机。剑杆织机加工织物的范围比较广泛， 从中厚织物到轻薄织物，从服装面料到产业用织物，从单层织物到毛圈及双层起 东华大学学位论文第一章绪论 绒织物都属于剑杆织机织造的范围。近年来，随着引纬机构的改进，引纬速度提 高了，而加速度的变化却仍然比较缓和，夹持纬纱运动的剑头，其构造可适用于 不同原料和结构的纱线，在0 7 3 3 0 0 t e x 之间不需要调换剑头。剑杆织机的性 能在不断提高，首先织造产品的幅度从窄幅发展到阔幅，其次织造的速度不断提 高，现今剑杆织机的最高入纬量已突破1 5 0 0 m m i n ；纬纱的选色也从单色发展到 最多达1 6 色。这是其他几种无梭织机所不可比拟的。近几年生产的剑杆织机， 普遍应用微处理器，这不仅可对设备的运行情况和各项工艺参数进行检测和显 示，并且结合高速电子多臂、电子提花等开口机构，还能在运行中快速方便地更 换织物组织和纬纱颜色。在微处理器控制下，电子送经机构能自动调节经纱张力， 使经纱张力从满轴到空轴保持恒定：同时开车经纱自动补偿技术的应用也大大减 少了开车横档产生的几率：这些都极大地提高了织物的质量。储纬器的使用能对 纬纱张力进行有效控制，从而允许织造速度的进一步提高。 总体来说国外剑杆织机的发展趋势是：适应小批量、多品种；高速运行、高 质量、高性能、高附加值；符合剑杆织造工艺要求，增加引纬可靠性，提高织机 效率及简化机构、操作维修方便、调节便利、占用空间更小为目的；节约能源， 有利环保。 1 2 2 国内剑杆织机的状况和发展趋势 根据织机的性能、技术的复杂程度、入纬率及织机的价格等因素，可以把国 产剑杆织机分为高档、中档和低档三个档次( 以公称筘幅1 9 0 c m 记) ，见表卜1 。 从现有的生产、社会需求、用户需求来看，划分这三档是符合实际的，已被广泛 接受。 国内高档剑杆织机的生产，一种是通过国外独资企业和合资企业直接引进技 术，或用技术合作等形式进行生产制造，主要机型有：比利时必佳乐( 苏州) 公 司的g t m a 型、g t m - a s 型、g t x p l u s 型，意大利意达( 上海) 纺织机械有限公 司的k 一8 8 型，上海中国纺织机械股份有限公司技术合作、消化吸收设计的新龙 型，济南鲁思达纺织机械公司引进法国i c b t 公司，授权国内独家生产的l s d 4 0 0 型。 另一种是通过消化吸收和移植国际织机技术，结合我国实际状况，改型设计 后进行生产制造。这种机型主要可分两大类。一类机型总体设计类似意大利舒美 特公司的s m 9 2 型、s m 9 3 型以及t h e m a - - u 型织机，主要机型有g a 7 3 1 一b 型、 g a 7 3 1 一c 型、c r l 0 0 0 型。另一类机型总体设计类似比利时必佳乐公司的g t m 型、 g t m a 型，主要机型有g a 7 3 7 型、k t 5 6 6 型、k t 3 9 8 型等等。 表1 1 国产剑杆织机的档次划分 东华大学学位论文第一章绪论 项目 车速产品适应范围质量保证功配置 黝 ( r m i n ) ( 棉、毛、丝、麻)能 档次 高档 3 8 0 5 0 0广 有电子多臂、电子送经 中档 2 1 0 2 4 0专用 部分有上置式多臂、四色 低档1 8 0 2 0 0 窄 无 上置式多臂、四色 我国纺织机械生产企业的自主研发能力普遍还很弱，可以说是“大而不 强”，不具备独立设计能力，且缺乏自主知识产权。抄袭仿造国外技术导致：大量 侵权行为屡有发生，且测绘的零部件稳定性不高。一般以引进大量先进设备形式， 以市场换技术的方式取得技术。但近几年来，市场换技术的路越走越窄，而且由 于研发能力的不强，导致与国际间的差距越来越大。尤其值得注意的是，当前机 械产品市场竞争愈来愈激烈，需要不断更新和开发产品。同时，我国重返“关贸 总协定 之后，对于引进国外产品不允许照搬照抄。因此，机械运动方案设计的 重要性，愈来愈被广大科技人员所认识。今后纺织机械的发展应当从开发中i 葛档 产品、增加产品附加值，增强产品可靠性、加快产品更新，降低产品成本和提高 性价比入手，努力研发具有自主知识产权的产品技术，尽快填补国内纺织机械中 高档产品的空白。所以我国剑杆织机的发展方向是：依靠自主创新，加强自主开 发，生产出具有自主知识产权的中高档织机。 1 3 国际和国内剑杆织机机电一体化的技术水平 随着电子行业的兴起，剑杆织机的设计生产中电子控制部分的地位也在逐渐 的提升，鉴于机械结构易磨损，动态响应慢，加工复杂，成本较高等因素，目前 大多数的剑杆织机均采用机电结合的设计思路，使用控制系统带动简单的机械结 构完成复杂运动和各模块之问的时序控制。但是国内； f - n 杆织机控制系统的j 水平 上存在较大的差距，下面就来讲述国内外剑杆织机控制系统的差别。 目前市场上流行的剑杆织机的五大运动除了引纬和打纬系统仍旧采用纯机 械结构外，其它三大运动( 开口、送经、卷取) 都实现了微电子控制及驱动。 剑杆织机对高效、高速、高产品质量、快速改变花色品种等性能的需求推动 了织机机电一体化水平的迅速发展。目前国际上先进织机的控制系统大多采用 3 2 位微处理器，具有双向通讯功能；意大利纺织集团的大多机型采用智能分布 式控制系统，采用了c a n b u s 现场总线技术；织机上普遍采用了电子送经、电子 东华大学学位论文第一章绪论 卷取、电子选纬、电子储纬器、电子纬纱张力器、电子多臂开口、电子提花开口、 电子绞边、电子剪刀等先进的电子装置。国内织机上也较为普遍地采用了电子选 纬、电子储纬器，部分机型采用了电子送经、电子卷取、电子多臂开口、电子提 花开口、电子纬纱张力器等先进的电子装置，但目前还鲜有采用电子绞边和电子 剪刀的。国产剑杆织机的机电一体化水平与国外先迸织机还存在着很大的差距， 但在一定程度上，有了一定的进步，如自主研发的步进电机式选纬器已经在主机 上配套使用，电子送经和电子卷取控制系统也逐渐成熟，走向实际应用。 1 3 1 国外剑杆织机控制系统 为了适应剑杆织机的高速要求，国外剑杆织机的控制系统目前采用3 2 位高 速m c u 分散处理，采用了微控制器作为控制核心，具有双向通讯功能，可与上位 机通讯。近期推出的剑杆织机趋向于采用智能分布式控制系统，织机各执行机构 运动相互独立，各自拥有自己的控制器和驱动电机，构成独立的传动系统，通过 多处理器协调各传动系统工作，完成织机的织造功能。织机已经成为由各类独立 伺服系统构成的智能分布式控制系统，并引入c a n 总线技术，提高了系统的通讯 功能和可靠性。欧洲织机制造商如德国多尼尔公司、意大利舒美特公司和范美特 公司、瑞士苏尔寿公司等生产的剑杆织机均已采用c a n 总线技术，目前已几乎成 为了行业的标准。 国际剑杆织机控制系统普遍采用了模块化设计，按功能来进行模块设计。如 德国多尼尔h t v 型剑杆织机分别有主传动模块、送经模块、卷取模块、多臂机和 选色模块以及主控模块，模块和模块之间采用总线方式联系，其中主控系统模块 配备彩色液晶大显示屏，采用图文显示方式，界面人性化，操作方便，使用软键 盘代替存储卡输入数据，控制柜实际上是工业控制计算机系统n 1 。 1 3 2 国内剑杆织机控制系统 国内剑杆织机控制系统主要有下面的三种类型。 1 采用8 位单片机为主组成的控制系统。8 位单片机控制成本较低，生产 制造容易，技术成熟，但稳定性、可靠性和抗干扰能力较差。这类机型大多是国 产中低档剑杆织机，主要是依据国外2 0 世纪8 0 年代中后期的控制系统和织机功 能而设计的控制系统。通常采用的单片机是早期的技术，在一定程度上仍受到成 本的制约，如上海、浙江等企业生产的一些织机还是采用这种控制系统。 2 采用p l c 可编程逻辑控制器组成的控制系统。p l c 控制系统最大的特点 就是可靠性和稳定性高，抗干扰能力强。它的许多功能是依靠软件技术( 梯形图) 来实现的，可较少外围硬件的数量，从而降低故障发生率。相对来说，p l c 控制 系统价格较高，对于功能简单的织机不一定适用，但鉴于近年来国内p l c 应用技 4 东华大学学位论文 术已趋于成熟，硬件质量性能稳定，故障率低，国产中高档剑杆织机大多数；6 r l 型 采用这样的控制系统，如江苏、山西、广东、河南等企业生产的织机。 3 采用p c c 可编程计算机控制器组成的控制系统。可编程计算机控制器 ( p c c ) 是总部位于奥地利的贝加莱公司( b & r ) 在1 9 9 4 年推出的新一代硬件平 台，由于采用多处理器技术，因而比p l c 的计算能力大大提高，其组网的灵活性、 系统平台的开放性及智能性可使复杂的控锘j j 项目得以实现。p c c 可编程计算机控 制系统目前是由上海贝加莱公司提供的奥地利产品，价格昂贵。该控制系统主要 应用在国产喷气织机、喷水织机上，上海中国纺织机械股份有限公司最新的新龙 型剑杆织机曾试用过该控制系统。 4 采用a r m 系列处理器等作为主控芯片的控制系统。a r m 处理器价格便宜， 使用广泛，但由于其本身是设计使用在消费类电子产品上，芯片无法工作在【业 恶劣环境下，抗干扰能力级别较低，稳定性也较差，一般将这类芯片运用在显示 模块上，但并不作为主控芯片使用。 随着计算机芯片集成技术的高速发展，多级高速c p u 芯片分散处理控制器、 数字信号处理器( d s p ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、高速可编程门阵列( f p g a ) 技术也将会逐渐应用到控制系统的设计中u 1 。 1 4 剑杆织机机电一体化的近期发展趋向 织机机电一体化的应用主要体现在对织机监控、运动机构电器化、生产管理 系统自动化三方面。自动化是织机的特点，计算机技术的应用使织机的自动化更 进一步发展。 ( 1 ) 以微处理器为核心的工业计算机控制，以电力电子技术为基础的新型驱 动技术，是剑杆织机电子技术应用的体现。剑杆织机各部分的运动过去是通过机 械传动得以协调，现在各部分运动都分别由各自的控制系统和执行器来完成，这 势必要有一个电脑系统来指挥，这就是以微处理器为核心的工业控制器。现：篚已 经应用在剑杆织机上的有8 位单片机、p l c 、p c c 以及多级高速c p u 分散处理等 控制器。而驱动各部分运动的执行机构有交流伺服电机、步进电机、开关磁阻电 机、直流无刷电机和线性伺服电机等。 ( 2 ) 工业网络技术是剑杆织机计算机技术应用的更高一个层次。以太网、c a n 总线甚至光纤通讯等组成局域网，可以实现剑杆织机群控；通过i n t e r n e t 可以 实现远程通信。以上技术在国际先进剑杆织机上已经具备，今后将随着计算机网 络技术的不断发展和成本的不断下降，剑杆织机的联网和群控必将会逐渐推广采 用。 东华大学学位论文 第一章绪论 1 5 课题的研究目的、意义和主要内容 1 5 1 课题研究的目的和意义 剑杆织机作为一个高度集成自动化设备的系统。模块化的设计思想使各部分 机构均采用模块化的控制系统来控制。各模块之间需要进行实时通讯与协调，各 模块可分离升级，开发并且最终能够相互兼容。为严格保证相互之间的通讯与时 序关系，就需要一个功能强大、时序严格并且高度稳定的控制系统来对各模块进 行综合协调控制，最终系统能够高效、正确的运转。 国际剑杆织机的控制系统普遍采用多c p u 分散处理，采用了3 2 位嵌入式微 处理器作为控制核心，具有双向通讯功能，并可与上位机进行通讯。近年来推出 的剑杆织机趋向于采用智能分布式控制系统，织机设计实行模块化单独设计，织 机各执行机构的运动相互独立，各自拥有自己的控制器和驱动电机，构成独立的 传动系统，通过多微处理器协调各传动系统工作，完成织机的织造功能。织机已 经成为由各类独立伺服系统构成的智能系统构成的智能分布式控制系统，并引入 c a n 总线技术，提高了系统的通讯功能和可靠性。而国产剑杆织机的控制系统大 多采用8 位单片机或p l c 可编程逻辑控制器。其控制表现自然远远落后于国际水 平。 鉴于此，本课题在对现有国内剑杆织机控制系统进行充分研究的基础上，使 用3 2 位嵌入式微处理器来设计主控系统。本课题研究的目的就是在目前织机模 块化设计的背景下，设计完成具有较高工作速度和稳定性的剑杆织机控制系统。 本课题研究成果能够在很大程度上提高我国织机控制系统的综合水平，并能提高 国产织机的产品附加值，提升国产织机的国际竞争力，打破国外织机在高档织机 领域的垄断地位，最终在一定程度上推动我国纺织工业的进步和发展。 1 5 2 课题的研究内容 本开题在对国内外剑杆织机研究的基础上，研发一款基于3 2 位微处理器的 剑杆织机控制系统。引入c a n 总线通讯技术，开发与国外先进织机相兼容的通讯 方案。研究e m c ( 电磁兼容) 技术，将此技术应用到剑杆织机控制系统的开发过 程中，提高控制系统的稳定性。 ( 1 )分析织物成形工艺和各子模块信号及时序。 设计、开发织机控制系统，首先必须对织物成形工艺有一定的了解，熟悉剑 杆织机主要结构及各子模块功能实现的方式。进一步对各模块动作配合及时序， 所控制的电机，开关，控制信号有准确的掌握。 ( 2 )设计剑杆织机控制系统的总体解决方案。 东华大学学位论文 在对目前国内外织机控制系统分析的基础上，提出剑杆织机控制系统新的总 体解决方案( 包括通讯方案) 。 ( 3 ) 研究m c f 5 2 3 5 微处理器的内核及外围控制器，完成硬件电路的设计。 在对c o l d f i r e 系列内核实现机制研究的基础上，进一步研究m c f 5 2 3 5 微处 理器的外围模块及硬件电路，完成基于3 2