（信号与信息处理专业论文）电子提花机嵌入式系统设计(1).pdf

电子提花机嵌入式系统设计 论文摘要 随着人民生活水平的不断提高，人们对提花织物的需求急增，同时对提花织 物的质量提出了更高的要求，从而迫使织造厂进行技术改造，购置中高档织机， 配置与其速度相适应的提花装置。 本课题是我校与国内某公司合作进行，研发高速智能提花机的项目的组成部 分。本项目已用工控机在w i n d o w s 操作系统下初步开发成功，但离产业化的要求还 有很大的距离。原因有：一是成本过高；二是缺乏完善的测试手段：三是w i n d o w s 操作系统不适合实时控制，而且经常会出现非正常关机引起的问题。 本课题根据项目目前的情况，首先在工控机w i n d o w s 操作系统下设计出测试系 统，以方便现有合作公司的生产需要。继而给出了具体的提花机嵌入式系统硬件 设计，软件移植，应用程序结构与开发方法。在提花机嵌入式系统中，由于使用 u s b 端口作为花样文件的输入端口，本文给出了u s b 模块的硬件系统设计，实现了 u s b 主控制器驱动和部分的上层驱动软件。 关键词：电子提花机，嵌入式系统，a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，s l 8 1 i n s ，u s b 协议，嵌 入式u s b 主机，u s b 主控制器驱动 电子提花机嵌入式系统设计 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i f e ，p e o p l eh a st h ed e m a n df o rm o r e a n db e t t e rt e x t i l e s ot h et e x t i l em a n u f a c t u r e rh a st or e f o r mt h e i ro u t d a t e dt e c h n o l o g i e s a n db u yh i g h - l e v e lw e a v e r sw i t 1t h ea p p r o p r i a t ej a c q u a r d t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to f t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f h i g h - s p e e da n di n t e l l i g e n t j a c q u a r d ”，w h i c hs h a n g h a iu n i v e r s i t ya n dac o m p a n y o f z h e j i a n gp r o v i n c ec o o p e r a t et oa c c o m p l i s h i nt h ep r e v i o u st i m e ，w eh a v ec o m p l e t e d t h ej a c q u a r dd e s i g no nt h ep l a t f o r mo fi n d u s t r i a lp ca n dw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m b u ti tc a n n o tb ei n d u s t r i a l i z e df o r3r e a s o n s ：1 “t h ec o s ti ss oh i g hw h i c hi sn o t e s s e n t i a l ；2 删t h el a c ko f t e s t i n gm e t h o df o rt h ew h o l es y s t e m ；3 珥w i n d o w sk e r n e l w h i c hi sc o n c e a l e d i sn o ts u i t a b l ef o rt h er e a l t i m ec e n t r e la n da l s o1 e a dt os h u t - d o w n a b n o r m a l l ys o m e t i m e b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t u so ft h ed e v e l o p m e n tw o r k ，f i r s tw ed e s i g n t h et e s t i n gs y s t e mf o rn o to n l yt h ew h o l es y s t e m ，b u tt h ee v e r yp a r to f i ta l s o a n dt h e nw ed e s i g nt h ee m b e d d e ds y s t e mo fj a c q u a r d ，p o r tt h es o f t w a r e o nt h ew i n d o w st ot h ee m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e rg i v e st h es t r u c t u r eo ft h e s o f t w a r ef l o wa n dt h ed e t a i l e dd e v e l o p m e n tm e t h o d i no r d e rt ou s et h eu s b i n t e r f a c et og e tt h ei n p u to fp i c t u r ef o rw e a v i n g ，w ed e v e l o pt h eu s bd r i v e r f o rt h es y s t e m k e y w o r d ：j a c q u a r d ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，s l 8 1 1 h s ，u s b ，e m b e d d e d u s bh o s t ，u s bc o n t r o l l e rd r i v e r 2 - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进 行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。 参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：一盟日期型t 型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印 件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 查塾 导师签名：! 丝! 幽 日期：丝：! ：! 电子提花机嵌入式系统设计 第一章绪论 提花机是一种控制纺织机织出花纹图案的设备。十九世纪以前，织造提花织 物是用人工以手提脚踏的方式来完成的，工作既辛苦，效率又低。 1 8 0 5 年，法国人约瑟夫贾卡创制了首台可控制的提花机，采用可更换的打 孔纹板储存提花信息，控制经线提升。1 9 8 3 年，在米兰i t 4 a 国际纺织业联合会上 英国博纳斯( b o n a s ) 公司推出了世界上第一台电子提花机，织造速度达到每分钟 1 3 0 0 梭。 1 1电子提花机系统介绍 提花织物的生产从纯手工到机械提花机，发展到今天的电子提花机，经历了 一个漫长曲折的过程。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 系统和新型机械机构的配合下，实现了高速无纹板提花，大大提高了 劳动生产率和产品质量。其中的电子提花控制部分的设计方案以通用微型机或工 控机作为控制主体，用磁盘文件、网络文件等形式的数据来源以适应不同织造环 境要求，研制相应的接口电路读取提花信息和产生时序信号，并把提花信息驱动 后发送至提花龙头，实施提花控制。该控制系统的框图如图1 所示。 多种故 障采集 图l控制系统框图 国际上对电子提花开口机构的研究始于二战后，到了7 0 年代，由于大规模集成 电路及电子计算机的应用与发展，电子提花机的研究取得了重大进展。1 9 8 3 年， 第一台电子提花机在米兰纺织机械展览会上作为样机展出，此后许多提花机制造 电子提花机嵌入式系统设计 商把它列入自己的发展规划，可以说从8 0 年代开始，纺机行业不断创新，发展 势头很好。电子提花机与其它机械控制提花机相比，在花样控制方面具有创造性 的变革，不同的电子提花机虽有不同的结构，但从原理方面分析，不外乎由以下 几部分组成。 ( 1 ) 电子程控装置：正确发出提综信息，可带有键盘、显示、打印等功能： ( 2 ) 电信号与机械量的转换机构：一般采用电磁铁，即将由程控装置发出的提 综信息转换成机械位移量来实现机械控制。 以上是电子提花机的基本介绍，下面来介绍我们开发的c c j b 一2 6 8 8 电子提花 机。 它由机械和电子两部分组成。机械部分是由提刀、提针、传感器、传动装置 等组成的，提刀在纺织的过程中进行重复的提拉提针的动作；电子部分有以下框 图的结构。 c c j b 一2 6 8 8 提花机的总体框图： 图2c c j b 一2 6 8 8 提花机总体框图 织机通过经线和纬线的编织形成织物的花样。经线与纬线的交织关系受磁铁 板控制。磁铁板上有很多的磁铁，控制经线的提起和压下，从而形成花样。花样 文件存储在p c 机上，花样数据是0 与1 的点阵，由p c 机通过i s a 总线、f p g a 板、 d r v 板、接口板，再发到磁铁板上，当数据为1 时，磁铁通电吸合提针，使得提 刀无法钩住提针向上提拉，那样经线没有被提起，被纬线压住；当数据为0 时则 相反，磁铁不通电，提针没有被吸合，提刀就可以拉起提针，从而提起经线，纬 线将从经线的下面穿过。这样在p c 机和磁铁板的控制下，织物上就形成了由花样 电子提花机嵌入式系统设计 文件所描绘的花纹图案。 p c 机的工作时序是受织机和传感器控制的，它接收来自织机的快车、慢车、 进纬、退纬等信号和传感器的允许( e n a b l e ) 信号，根据它们的逻辑组合将送数的 时序与织机的运转同步；同时，在向磁铁板发出数据的同时，还要检验磁铁板返 回的数据是否正确，如果有错，就要向织机发停机命令。 f p g a 板是p c 机输入、输出的接口，插在i s a 插槽里。由于p c 机的输入输出 口，无论任何一种的标准端口( 串口，并口等) ，能够用作信号引脚的都太少，所 以我们扩充了f p g a 板来做输入输出间接控制器。并且我们在f p g a 中，通过地址 译码器，建立了一些管理数据的通道，即从p c 到外部接口的双向数据管道。这样 p c 的软件就可以利用访问外部端口的方式，来访问外部的接口。 由于f p g a 的信号电平是t t l 电平。而织机和传感器、磁铁接口板的电平与之 不一致，所以设计d r v 板来进行电平转换。 1 2 国内外发展状况 目前国际市场上电子提花机扮演的角色愈来愈重要，在这个领域唱主角的三 家公司是：瑞士s t u b li 公司，英国b o n a s 公司和德国g r o s s e 公司。为配合高 速织造工艺和满足对复杂花形的需要，他们各自设计出独特全新的机型。意大利 b o b b i o 公司生产的k r o m a 5 型机械提花机在国际市场上也有一定的地位，它将机 械设计的最新发展技术及今后的展望均包罗于此高性能的提花机型中。 我国虽然早在1 2 世纪初就有制织大花纹织物的大型拉花机，但提花机的发展 研制速度却远远落后于国外先进水平。为了研制开发适合我国纺织市场需求、且 能达到国外先进水平的国产提花装置，首先必须对国外先进技术有一全面透彻的 了解，从而才能通过技术引进、转化和创新研制国内新型提花机。下面分别就其基 本原理对以上几家公司的产品做一简要分析。 1 s t a u e b l i 公司较先进的高速电子提花机是c x 8 6 0 型，适用于片梭织机及剑杆 织机，属复动式提花机，采用固定式电磁铁控制棘爪进行选挂竖钩。弹簧复位， 提刀的运动由共轭凸轮控制，通过对共轭凸轮与提刀箱之间连杆的调节，可得 到平行开口或v 型梭口开口，弹性体回综。 2 英国b o n a s 公司于1 9 8 3 年首创世界第一台商标用电子提花机，随机在1 9 8 7 年又推出阔幅电子提花机，其独特的积极性选择原理( 英国b o n a s 专利) ，自 电子提花机嵌入式系统设计 1 9 8 3 年就一直以每分钟超过1 0 0 0 梭的速度运行，其中心是电磁阀电子板，每 个电磁阀( 或电磁件) 操纵两个灵活的富有弹性的钢质扁竖钩，而竖钩则通过 滑轮和绳子控制经纱，经纱的提升靠提刀来完成，v 型梭口。 3 德国g r o s s 公司的e 3 p 型电子提花机属于复动式提花机，利用固定电磁铁直接 选杆，竖钩恢复弹簧作用，v 型梭口，弹性绳回综，有固定托针板。 4 意大利b o b b i o 公司的提花机为复动式全清晰开口机，适应高速剑杆，片梭织 机提花织物的需求，为用户提供种新颖的高速成开口装置。 目前，国内的提花机都属慢速，转速在3 0 0 r p m 以下。无论从质量还是效率上 看，都无法适应市场的需要。通过上述国外电子提花机性能分析，可以看出高速 电子提花机的优点在于：一是车速高，可适应2 5 0 r p m 8 5 0 r p m 的各种剑杆、片梭、 喷水、喷气等织物，可提高生产效率2 3 倍；二是采用独立花纹设计系统，集中 控制车间现场电子提花机的花纹组织的改变，且从历年来的国际纺织机械展览会 上看，装有高速电子提花机的样机几乎占所有织机的6 0 ，而我国在这领域尚属 空白。据预测，国内纺织用户对该机的需求，会以每年3 0 的速度增长，目前国 内生产剑杆、喷气、喷水织机已形成批量生产能力1 7 万台年。以最保守预测配 备高速电子提花机3 计，则应有5 0 0 台年的市场需求量。因此将研究方向放在 高速电子提花机上，将有利于提高我国电子提花机的织造水平。 我们开发的浙江某集团的电子提花机类型接近于德国g r o s s 公司的k i p 型电子 提花机，也属于复动式提花机。 1 3 本课题的任务 在先前的开发过程中，我们已经完成了c c j b 一2 6 8 8 基于工控p c 平台系统的硬 件电路设计，软件程序设计工作。这一整套的系统已经可以进行正常的生产运作。 但离产业化的要求还有很大的距离。其原因如下： 一是缺乏完善的测试手段，调试完全凭技术人员的经验，不适合批量生产； 二是成本过高，工控机的标准配置并不是完全必要的；三是w i n d o w s 操作系统内 核未知，不适合实时控制，而且经常会出现非正常关机引起的问题。 本课题的最终目的就是研制测试系统，并要用嵌入式系统代替工控机，为产 业化创造必要的条件。具体工作如下： 电子提花机嵌入式系统设计 1 设计提花机的各硬件部分的测试设备 单板测试是指对f p g a 板、d r v 板和接口板分别测试。测试设备检测各板所 发出信号的正确性，由p c 机发出数据的序列，然后经所需测试的板，再经外接 的测试设备，由p c 机读回，根据所读回的数据与发送数据的比较可以得知器件 的好坏与否。 2 现有方案的改进优化 在改进方案中，准备采用嵌入式系统来代替p c 机，所以需要： 1 ) 设计嵌入式电子提花机； 2 ) 将工控p c 平台上的程序移植到嵌入式系统上去； 3 ) 开发嵌入式系统上u s b 接口的程序，用作花样文件输入接口。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论：简介提花机，以及本项目的情况 第二章系统分析与测试系统的设计：分析整个系统的构架情况，针对每一 部分硬件的设计测试程序 第三章嵌入式系统的设计：嵌入式系统介绍，嵌入式硬件平台简介，嵌入 式软件设计 第四章u s b 协议：u s b 协议介绍，分析u s b 分层结构 第五章u s b 主控制器驱动程序设计：s l 8 1 1 h s 芯片工作原理分析，在该 芯片上实现u s b 主控制器驱动程序。 电子提花机嵌入式系统设计 第二章提花机系统分析及测试系统设计 2 1 提花机系统分析 由于提花机系统的软硬件结构非常复杂，所以在所有工作( 测试系统设计、 嵌入式系统设计) 开始以前，有必要分析一下它的构架和设计原理。 2 1 1 单c p u 控制的设计原理 c c j b - - 2 6 8 8 电子提花机控制系统以工控机为核心，接收来自织机和磁铁执行 机构的多个状态信号，对织机和磁铁执行机构实行实时的控制，实质上是一个多 输入、多输出的自动控制系统，如图所示。由于计算机擅长复杂的数据处理和运 算，而硬件和单片机更适合于对现场的直接控制，一般的设计模式是计算机+ 单片 机。但因为织机的状态数量多、情况复杂，要求产生的控制信号和数据也很复杂， 如果采用双c p u 方案，对单片机的要求大大提高了，开发的代价将超出分工带来 的好处。因此我们采用了图2 的方案。该方案把硬件的资源降到了最低程度，使 软件系统的设计成为整个设计的关键和难点。 2 1 2c c j b 一2 6 8 8 电子提花机软件系统流程 c c j b - 2 6 8 8 电子提花机控制系统的软件是基于对话框的w i n d o w s 应用程序，由 与w i n d o w s 接口的应用模块、若干对话框界面模块、数据处理模块、运行模块等组 成。本控制软件系统是一个自动控制软件系统，主要由两个线程分别处理用户界 面的输入和实时织造的控制。c c j b 电子提花机控制系统流程图见图3 。 电子提花机嵌入式系统设计 图3界面线程流程图 开机以后，控制程序开始运行；在硬盘上的固定位置有初始化的配置文件， 该文件记录了工作的任务，磁铁板的数量和过孔信息。根据工作任务文件，可以 获得花样文件位置，将它读入内存中，并设置织造重复次数的数据变量。由于工 控生产环境较差，经常造成非正常的关机或任务停止，所以我们在f p g a 板上设置 有f r a m 以记录当前工作的状况，它记录了具体工作到工作单中的第几个花样文 件，重复第几次，织到第几纬。由此在读入了工作单中的花样文件后，要再从f r a m 中将上次织造情况的信息读回，设置工作变量。 如果前面的操作不成功，则进入主控制界面，提示要求重新设置工作的要求， 电子提花机嵌入式系统设计 等待下步的命令。如果操作成功，就进入硬件检查部分。硬件检查将通过 c h e c k l 0 0 函数，向磁铁板上发送信息，并将信息读回，以此判断磁铁板是否存在 问题。 如果硬件有问题，则进入主控制界面，提示要求检查硬件安装，等待下一步 的命令。如果硬件没有问题，则正式启动实时工作线程，该线程的流程情况如下。 扩 读取各输入端口状态 否 适多 是厂否 歆搬按钮界习l 散假按钮界鼍l 00 根据织机状态，送数据和控制信息 写存储器保存现场数据 发消息、更新显示的纬数 + 数据传输校验 r。 r 1r 电源检测 织造故障检测 + ， s e p t e m b e r2 7 ，2 0 0 2 1 3 霍妍孟凡荣，七款嵌入式l i n u x 操作系统，2 0 0 4 1 1 1 6 ， w w w c c i d e n t c o m 1 4 k u r tw a l l 著，张辉译，g 矾，i r m x 编程指南，清华大学出版社，2 0 0 2 1 5 a l e s s a n d r or u b i n i j o n a t h a nc o b r b e t 著，魏永明骆刚姜君 译，( l i n u x 设备驱动程序，中国电力出版社，2 0 0 2 年 1 6 j e f f p r o s i s e 著，m f cw m d o w s 程序设计，北京博彦科技发展有限责任 公司译，清华大学出版社，2 0 0 1 9 1 7 马伟编著，计算机u s b 系统原理及其主从机设计，2 0 0 4 年 1 8 王云飞邵贝贝，u s b 系统研究，2 0 0 1 年5 月 1 9 h t t p ：，w 帆i s a o r g j o u r n a l s i n 2 t e c h f e 咖r “，a p r i l ，2 0 0 0 2 0 a r ma r c h i t e c t u r er e f e r e n c em a n u a l ，w w w a r m c o m 6 8 殳 邑 l & 吼 m n 屹 电子提花机嵌入式系统设计 2 1 m a x 2 3 2 d a t a s h e e t w w w m a ，x 、i m c o m 2 2 s 3 c 4 4 b o xd a t a s h e e tw w w s a m s u n g c o m 2 3 h y 5 7 v 6 4 16 2 0d a t a s h e e t h t t p ：w w w h y d i x c o k r 2 4 s s t 3 9 v f l 6 0 d a t a s h e e t h t t p ：w w w s s t c o m 2 5 u n i v e r s a ls e r i a lb u s s p e c i f i c a t i o n1 1 ，w w w u s b o r g 2 6 u n i v e r s a l s e r i a lb u sm a s s s t o r a g e c l a s s s p e c i f i c a t i o no v e r v i e w , w w w u s b o r g 2 7 u n i v e r s a ls e r i a lb u sm a s s s t o r a g e c l a s s b u l k - 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