（机械电子工程专业论文）基于arm9的横机控制器研发.pdf

浙江理j = 大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活方式的改变，针织服装铃衣化、时尚仡、舒适化、个性化已成为世界潮 流，这就对横机编织工艺提出了新的要求。基于嵌入式可重组的横机控制系统是横机控制 系统更新换代的一个重要发展方向。 本文分析了横机的发展现状，提出以a r m 9 和l i n u x 操作系统构建横机主控制模块， 通过现场总线技术接入各功能模块，实现对各功能模块的控制管理，满足电脑横机各种功 能的控制要求。 嵌入式模块核心板采用商业产品f s 2 4 1 0 ，核心c p u 为s 3 c 2 4 1 0 ，扩展板则是横杭控制 系统嵌入式模块的各功能电路的集合，包括u a r t 、u s b 、l c d 、触摸屏、网络、j t a g 等接 墨，实现计算机网络的通信功畿；提供入机接口；花型数据的读取和存储：总线通信；横 机运行的控制与监测。提花控制模块以m c s 5 1 为主处理器，c p l d 为协处理器：实现对导纱、 三危提花电磁铁的控制；选针器的控制；总线通信；规头使置、边纱、天线等信号的检测。 电机控制模块以m c s 5 1 为主处理器，c p l d 为协处理器：实现通过变频器控制主传动电机； 步进趣机的多段选择控制；直流电机控制等。设计方案预黧一定数量的i o 霹以备特殊工 艺的要求。 建立嵌入式l i n u x 开发环境；通过详细分析u - b o o t 著作为嵌入式l i n u x 的b o o t l o a d e r ； 修改l i n u x 2 6 1 4 内核的配置，移植内核到嵌入式硬件平台，添加网络接阴芯片c s 8 9 0 0 的驱动程穿，编写tc a n 总线的驱动程廖；黠花型文件进行解析，分解遗电机数据和行程 数据；采用q t e 进行图形界面设计，在q t o p i a 平台中添加横机应用程序；嵌入式l i n u x 的s h e l l 采用小巧的b u s y b o x ，文件系统选用j f f s 2 、n f s ，其中n f s 用手系统的测试。子 系统单片机软件设计包括：数据接收、参数设置、7 0 6 4 片选译码功能的软件设计等。 经过对样机测试，系统实现了预期的功能。本横枫控制器与传统的基予m c u 或工控机 的控制器相比，具有集成度高，通用性强，有较大的应用前景。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 ；u - b o o t ；电脑横机；控制系统；q t 浙江理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec h a n g eo fl i f e s t y l e ，t h ec l o a ko fk n i t t e da p p a r e l ，f a s h i o n , c o m f o r t ，p e r s o n a l i t yh a s b e c o m eat r e n do ft h ew o r l d ，w h i c hs e tf o r t hn e wr e q u i r e m e n t so nt h ek n i t t i n gp r o c e s so ff l a t k n i t t i n gm a c h i n e u s i n ga l le m b e d d e da n dr e c o n f i g u r a b l es y s t e mh a sb e e na ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o ru p g r a d i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo ff l a tk n i t t i n gm a c h i n e 强ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ef l a tk n i t t i n gm a c h i n ei sa n a l y z e da n dam e t h o da d o p t i n g a r m 9a n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mf o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h em a i nc o n t r o lm o d u l e sw h i l eu s i n g f i e l db u st oa c c e s sa l lt h ef u n c t i o n a lm o d u l e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt or e a l i z et h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to fa l lf u n c t i o n a lm o d u l e sa n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fa l lt h ef u n c t i o n s 嚣l ec o m m e r c i a lf s 2 4 1 0i ss e l e c t e df o rt h ec o r eb o a r da n ds 3 c 2 4 1 0f o rt h ec o r e ( 碧u t h e e x p a n s i o nb o a r di st h ef u n c t i o n a lc i r c u i ti n t e g r a t i o no fe m b e d d e dm o d u l ea g a i n s tc o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gi n t e r f a c e ss u c ha su a r t , u s b ，l c d ，t o u c hs c r e e n ，n e t w o r k sa n dj t a ge t c 。确e e x p a n s i o nb o a r dw i l lr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no ft h ec o m p u t e rn e t w o r k s ，p r o v i s i o no f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，r e a da n ds a v eo ft h ed a t e ，b u sc o m m u n i c a t i o n , a n dm o n i t o r i n go ft h e o p e r a t i o na g a i n s tf i a tk n i t t i n gm a c h i n e f o rt h ec a r r i a g ec o n t r o lm o d u l e ，m c s - 51i ss e l e c t e da s t h em a i np r o c e s s o ra n dc p l da st h ea s s i s t a n tp r o c e s s o rt oa c c o m p l i s ht h ec o n t r o lo ft h ef e e d e r , t r i a n g l ej a c q u a r de l e c t r o m a g n e ta n dn e e d l es e l e c t i o nm a c h i n e ，b u sc o m m u n i c a t i o n 私w e l la s ， m o n i t o r i n gt h es i g n a lo ft h ec a r r i a g ep o s i t i o n , y a r na n da n t e n n a a n df o rt h em o t o rc o n t r o l m o d u l e ，m c s 一51i ss e l e c t e da st h em a i np r o c e s s o ra n dc p l da st h ea s s i s t a n tp r o c e s s o rt o a c c o m p l i s ht h ec o n t r o lo ft h em a i nd r i v em o t o rv i ai n v e r t e r , m u l t i p l ec h o i c eo f t h es t e p p e dm o t o r a n dd cm o t o lac e r t a i nn u m b e ro fi oi n t e r f a c e sa r er e s e r v e df o rt h er e q u i r e m e n to fs p e c i a l p r o c e s si nt h e 曲s i g n 。 w i t l lt h ee s t a b l i s h m e n to ft h el i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，c h o o s i n gu - b o o t 勰t h e b o o t l o a d c ro ft h ee m b e d d e dl i n u xb a s e d0 1 1t h ed e t a i l e da n a l y s i so f u - b o o t ，t r a n s p l a n t a t i o no f t h ec o r et ot h ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h ea d d i t i o no ft h en e t w o r k sc h i pc s 8 9 0 0a s t h ed r i v ep r o g r a m ，t h ed r i v ep r o g r a mo ft h ec a nb u si sw r i t t e n , t h ef l o w e rd o c u m e n t si sa n a l y z e d ， a n dt h ed a t eo ft h em o t o ra n dd i s t a n c ei sd e c o m p o s e d 1 1 1 eg r a p h i c a li n t e r f a c ei sd e s i g n e dv i a q 疆，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sa d d e dt ot h eq t o p i ap l a t f o r m 孵s 2 ，n f sw h i c hi su s e df o rt e s t a l ec h o s ef o rt h ed o c u m e n ts y s t e m ，c a b i n e tb u s y b o xi ss e l e c t e d 鹊t h es h e l lo fl i n u x t h e s o r w a r ed e s i g no ft h es u b s y s t e mm c s 51i n c l u d e s ：t h er e c e i v eo ft h ed a t e , s e t t i n g so ft h e h 浙江理工火学硕士学位论文 p a r a m e t e r s ，s o f t w a r ed e s i g no f t h e t a b l e te l e c t i o nd e c o d i n gf u n c t i o n t h ep r o s p e c t i v ef u n c t i o no ft h es y s t e mi sj i i n a n yr e a l i z e da f t e rt h et e s to ft h ep r o t o t y p e 。t h e f l a tk n i t t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mh a sab r o a dp r o s p e c tf o ri t sh i 曲i n t e g r a t i o na n dg o o d u n i v e r s a l i t yc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lu s eo ft h em c u o ri n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：$ 3 c 2 4 1 0 ；u - b o o t ；c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ；c o n t r o ls y s t e m ；q t i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术邀德，崇尚严谨学风。历星交的学位论文，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。论文为本人亲鲁撰 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：留宗害 日期：础年弓周f 旨同 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 学位论文作者签名： 保密口，在 不保密。不保密彭。 c 衫尔之 闩期： 2 穆移缚弓月0 同 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 日期：力谚年 日 浙江理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 中国针织行业经近百年的发展，人们对针织产品的要求越来越高。己从传统的平纹、 简单的罗纹织物发展到现在的复杂提花以及多样化织物，手摇横机已经无法满足时代的要 求，直至2 0 世纪7 0 年代末电脑横机的出现，人们对多样化针织物的要求才得以解决。近 2 0 年来，电脑横机得到了广泛的发展，许多电脑横机部件不断得到改善，控制系统不断升 级，从事电脑横机开发和生产的厂家不断涌现。电脑横机技术的改进和提高，丰富了针 织产品的花样品种，加快了针织产品的更新换代，给设计师和商家提供了一片广阔的天地。 但是，国内电脑横机与国外相比还是有一定的差距，这需要在学习国外先进技术的基础上， 研发有自主知识产权的电脑横机控制器。 经过“十五 时期的发展，我国针织行业已具备了进一步发展的良好基础。随着纺 织工业“十一五 发展纲要颁布，针织机械产品方向重点发展电脑自动横机，要求做 到消化吸收与自主创新相结合，提高自主创新能力为目的，增强企业的可持续发展能力。f 2 0 0 6 年，中国市场对电脑横机的需求量已达世界总需求量的7 0 ，市场规模达到每年 8 0 亿元人民币，未来3 年内整个市场需求量将达到每年3 0 0 亿元人民币的规模乜1 。中国品 牌的横机从无到有，正在以每年翻番的速度迅速崛起，成为整个电脑横机市场的重要力量。 浙江横机的生产和销售在浙江省的经济发展中是占有重要的位置，同时，浙江作为一个针 织业大省，发展国产中高档横机是全面提升我省织造水平的根本之路，是我省针织机制造 业的当务之急。 目前，横机设备在走过一段对低端产品的仿制阶段之后，很多企业已经意识到在针织 行业中，提高横机设备技术含量的重要性和必要性，开始走上自主研发能够适合并满足我 国行业需求的道路。目标是设计实现一种适用性强、性价比高、自主研发的控制系统。力 求能够在性能和成本上都有更大的优化脚。 全电脑横机是国内针织设备行业的一个技术热点，该产品的研发具有十分重要的技术 意义，而a r m 微处理器又是目前嵌入式系统研发的一个热点，因此结合起来形成的产品可 以取得很好的经济效益。正是在这样的背景下，我们提出了基于a r m 9 的电脑横机控制器 的研发这一课题，对国内针织行业的发展有很必要、很重大的现实意义。 1 2 国内外电脑横机控制技术研究现状与发展趋势 随着针织设备技术的日益发展，电脑横机已越来越多地被广泛使用。近年来，在各种 纺织机械展览会上，电脑横机不断以崭新的面貌出现，其创意革新和技术细节的改变，与 浙江理工大学硕士学位论文 其他针织机械相比尤甚，特别是伴随着计算机技术的迅猛发展，横机的全控制化成为一个 重要趋势h 1 。另外，横机编织的产品除服用要求的高品质、多花色款式外，正在向产业用 户方面发展。 1 2 1 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，横机正向着电脑化、高机号、多针距及 紧凑型、集成化、小型化方向发展。全球知名电脑横机的代表性厂家：斯托尔( s t o l l ) ， 岛精( s h i m as e i k i ) 和斯泰格( s t e i g e r ) 嘲。 德国斯托尔的最新的横机产品是c m s 4 2 0 e 针织横机，该设备具有高产能、高灵活性和 高可靠性的特点，c m s 4 2 0 e 通过采用i n t a r s i a k i t 技术，可以3 2 路嵌花喂纱。由于 i n t a r s i a k i t 技术是可以应用于所有型号、针距、工作幅宽的针织系统，因而不必配备嵌 花机。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。并且根据人体工学原理增加了用户友好处 理的功能。 日本岛精开发的n e ws e s l 2 2 f f 和n e ws e s l 2 2 s i 都是单机头、双系统的紧凑式机器， 带起针梳，可编织全成型产品，其中n e ws e s l 2 2 f f 是1 8 针的高机号设备，配置压脚，n e w s e s l 2 2 s i 是1 6 针以下机号，配置沉降片。n e ws e s l 2 2 s i 是该公司改进最大、最有特色的 机型，除了具有n e ws e s l 2 2 s 特点外，编织嵌花时不工作的导纱器升起来，因而有利于垫 纱的可靠性，在不编织嵌花时，就作为普通导纱器使用，因而无需更换导纱器。 ： 瑞士斯泰格公司研发的a r i e s - 3 型最大特点是取消了连接前后针床机头的桥臂，实现 了纱线的上喂给，从而使纱路更短。由于开放式机头，纱线可以从机头顶部毫无张力地直 接喂入编织区，即使采用最脆嫩的纱线，织物的质量稳定性也完全得以保证。各自电机驱 动、同步化的导纱器不再受机头行程方向的限制，其独立性更有利成型、嵌花、添纱以及 镶线技术机器采用辅助牵拉辊起头、牵拉，转速由程序控制，在距针床口2 厘米处便对线 圈起作用。 德国斯托尔公司生产的电脑横机主要特点是有起针梳，从而可同时起头编织两片全成 型产品：拥有织可穿功能和多针距技术。日本岛精公司开发的电脑横机同样具有织可穿功 能，采用关闭式沉降片，改进嵌花功能。瑞士斯泰格公司研发的电脑横机由其本身所带的 p c 键盘和屏幕，所有程度参数可直接在横机上编写和修改，方便管理生产。 目前，三家代表性企业均已进入中国，这标志着世界一流的电脑横机制造公司都已进 入中国阳1 ，使中国的横机使用者多了一个选择，这将有利于提高中国横机针织产品的开发 2 浙江理工大学硕士学位论文 与生产加工水平，同时也加剧了国内横机针织产品的市场竞争。 虽然这些产品质量可靠、技术领先，但其价格昂贵、维修困难，而且近年来随着电子 信息技术的飞速发展，电脑横机的更新换代也越来越快，使得我们光靠进口很难赶的上国 际技术发展的前沿，所以迫切需要研发有自主知识产权的电脑横机控制器。 1 - 2 2 国内研究现状与发展趋势 电脑针织横机是目前中国纺织服装机械中较为落后的机群。国内可以生产编织机和手 动横机的企业有很多家，但是国内企业对于电脑针织横机基本上还处于研制、消化、吸收 阶段。在品种、质量、电脑控制、机电一体化方面与国际水平差距较大，根本无法满足国 内针织产品生产的需求，国内使用的相关设备基本上完全依赖进口口3 。所以，国内企业开 始努力研究新技术新产品。 北方天鸟股份有限公司开发的t n m c l 2 0 电脑针织横机，可根据编织条件分段控制；特 殊电磁铁高效选针，任意8 段针脚选针；可进行浮线、集圈、成圈、翻针等混合编织，也 可单双面基本组织、提花组织、纹花组织及其他变化组织的编织；能实现同一横列中同时4 成圈、集圈和浮线的三针道编织。 南通市天元电脑横机制造有限公司开发的t y - 3 4 8 z 单机头三系统，可进行成圈、集圈、 浮线、翻针等混合编织，可同时完成前翻后、后翻前或前后对翻；江苏盛星针织机械有限 公司开发的d s x - i1 5 s 型编织横机采用单机头三系统，融入了全新的技术和设备包括沉降片 系统和副罗拉，步进电机控制密度调节和前后沉降片压纱，主传动和摇床采用伺服电机驱 动，不同组织花型经图样编辑后均可快速编辑为编织程式，可以编织各种幅宽的织物。 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，如宁波裕人针织机械公司、绍兴市越发机械制造 有限公司、杭州第二纺织机械有限公司、杭州嘉大精密机械有限公司等，都取得了一些成 功。宁波裕人针织机械有限公司“慈星刀品牌全电脑针织提花横编织机，以宁波裕人公司 最新的产品g e 2 4 5 s 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。产品具有自主知识产权，实现了我国电脑 针织横机国产化的夙愿。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。 随着我国电脑横机的发展和提高，在电脑多级选针，三功能编织，前后针床相互移圈， 齿形带控制变动程和变速传动，程序控制主、副拉辊牵拉，沉降片装置，程序控制针床横 移等功能已经齐全，但我国横机有些功能如起针梳机构没有跟上，辅助设计系统的功能性、 3 浙江理工大学硕士学位论文 先进性尚待改进，电脑软件的设计还有待提高。 从国内电脑横机的起源上看，我们知道在核心部分，也就是控制系统上，国内电脑横 机大多借助或者模仿于国外的控制系统技术，主流解决方案有：采用单片机系统，通用工 控机系统及d s p 控制系统等。 国内在自主研发的横机控制器中，大多数是采用单片机来实现的。采用单片机成本低， 所以采用单片机的解决方案在市场仍然占有相当的份额，但单片机系统有以下缺点：简单 的人机显示接口；同时由于单片机功能有限，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。 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。但由于成本太高而让用户望而却步。 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、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r 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铝i 。k 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。 因此，课题提出基于嵌入式模块化的横机控制系统的研发，各模块之间通过现场总线 相连，系统的扩展只依赖于新的设备驱动模块和一定量的应用程序模块，而无需对整个系 统的软硬件框架重新构建。系统具有良好的稳定性、友好的人机界面，以及低廉的后续维 护和扩展开发成本。伴随着嵌入式处理器及嵌入式系统在各行各业的应用，电脑横机控制 器的设计将迎来一个快速发展的时期。 1 3 课题的研究内容和关键技术 本课题在对喜利发s e 8 0 8 型电脑横机控制系统的结构和功能分析基础上，提出以基于 a r m 9 和l i n u x 操作系统的嵌入式平台构建横机嵌入式模块，以单片机为控制子系统的c p u 构成电机控制和提花控制模块，通过现场总线技术接入各功能模块，实现对各功能模块的 控制管理，满足电脑横机各种功能的控制要求。实现电子选针、机头位置和三角运动、密 度调节、针床移位、嵌花纱嘴动作、沉降片压入、牵拉系统、检测自停等高性能电脑横机 功能所需的控制要求。 4 浙江理工大学硕七学位论文 圭3 王课题的研究内容 课题主要是对基于a r m 9 的嵌入式横机控制器控制系统的模块化设计，进行控制功能 模块的划分，研究整体控制策略，并进行系统软、硬件筋设计，实现对横机编织过程的控 制与管理。 论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 横机控制系统结构研究：了解电脑横机编织工艺、机电控制部件，进行电脑横 机控制系统方案理论的研究。 ( 2 ) 硬件系统设计：以a r m 9 处理器为核心构建硬件平台，并根据系统的功能需求加 入专瘸模块，如c a n 通信模块，l c d 显示模块和触摸屏模块等，控制子系统选针器、电磁 铁等驱动电路的研究与设计，c a n 总线接口的软硬件设计，绘制原理图，制作p c b 。 ( 3 ) 横机控制器嵌入式l i n u x 系统开发：研究嵌入式l i n u x 的技术特点，建立嵌入 式l i n u x 开发环境，如启动s m b 、n f s 等；u - b o o t 分析，根据横机系统特点和需求对l i n u x 进行模块裁剪，配置和编写驱动程序，文件系统的制作，最后一起下载到目标板上。 ( 4 ) q t e 图形界面设计：q t e m b e d d e d 是用于嵌入式l i n u x 的图形用户界面系统， 研究嵌入式q t 的安装方法，及图形界面的设计，交叉编译之后添加到q t o p i a 平台上。 ( 5 ) 应用程序设计：针对横机控制系统的实际需求，编写控制系统应用程序。嵌入 式模块程序包括花型解析、传输，操作命令的解释等；子控制系统程序有花型接收和保存、 驱动片选信号e p m 7 0 6 4 的软件设计等。 1 3 2 课题的关键技术 课题研究的主控制系统模块由核心板加扩展板组成，采用s 3 c 2 4 1 0 作为主c p u ，移植 了l i n u x 操作系统，子控制系统模块是采用m c s 5 1 作为主处理器，c p 作为协处理器，各 模块通过c a n 总线进行通信。以下是课题中主要关键技术： ( 1 ) 裁剪合适的l i n u x 系统并移植到a r m 核心板上：针对横机硬件平台合适配置内 核，修改f l a s h 分区，添加网卡驱动、c a n 驱动，文件系统制作及系统的启动。 ( 2 ) s 3 c 2 4 1 0 在l i n u x 操作系统下的i o 口驱动程序设计：编写c a n 驱动并测试。 ( 3 ) 基予q t e 的图形系统设计、交叉编译和移植。 ( 4 ) 电磁铁、选针器、压针马达动作的一致性问题。 5 浙江理工大学硕士学位论文 1 4 系统设计总体方案 电脑横机的开发分为两大部分：硬件开发和软件开发。硬件开发分为机械部分和电路 部分，机械部分由杭州嘉大精密机械有限公司提供，电路包括主控制板c p u 核心应用系统 电路，液晶显示电路设计，触摸屏接口电路设计，步进电机驱动电路，选针、选纱电磁铁 驱动电路，罗拉电机控制电路等部分组成；软件开发主要包括设备驱动程序、启动引导程 序分析与移植、内核裁剪与移植、中断例程、文件系统，人机界面模块和主控制应用程序 等。最后分别对软件和硬件进行测试，可行后整机安装和综合调试直至目标要求。 1 4 1 硬件设计方案 硬件结构设计如图1 1 所示。 ：。7 一。l ! l l l l ；l l l l l l l 缀 n o rf l a s h l 蠡醌瓣嚣缀黝4 鼍i i $ e 。 。j、 l c d 接口 忙“簇，： 7 n a n df l a s h - 触摸屏接口h 瑟髫ls d r a m l - 豺 篆，i五7 - u s 嗾口卜v 、7 三u a r t 接口 - i ll 洲黼i 蜀口 ：t 魏徵搋黼“ 线 f 提花3 燃 一一一一 l c a n 糕2i 。，一一藿 么辫溺l 錾，? 引队瞄射l lr ? 引卧s n f l a s h 总线霎：一饕 幢，- 宇 c p l d c p l d 气二。簋 e p m 7 0 “ e p m 7 1 2 8 ：鳓幽刎黝 奉木奉奉嘲缀溯甲燃 l 么黪搦燃黪爨黧翳黪沥黧孥 ；墨黧拦型笼嬲必 图1 1 硬件设计结构图 系统的核心模块是嵌入式系统模块，要完成对计算机、网络的通信功能、提供人机图 形界面、花型文件的保存与传输、横机运行的控制与监测。提花控制板模块以m c s 5 1 为处 理器及c p l d 为协处理器，要完成对导纱与三角提花电磁铁、选针器的控制、总线通信。 6 浙江理工大学硕士学位论文 电机控制系统模块以m c s 51 为处理器，c p l d 为协处理器：要完成通过变频器控制主传动电 机、密度电机的多段选择控制、移床电机控制、罗拉电机控制等。 1 4 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，横机控制系统的软件设计可分为两部 分： 第一部分，基于a r m 9 与l i n u x 操作系统移植环境下的横机控制程序，包括： ( 1 ) 花型的保存与解析。 ( 2 )c a n 通信。 ( 3 )人机界面( o t ) 。 ( 4 ) l c d 与触摸屏。 ( 5 ) 运行状态监测与控制。 第二部分，基于单片机的横机控制程序，包括： ( 1 ) c a n 通信。 ( 2 ) 花型文件接收与保存。 ( 3 ) 电磁铁、选针器等执行机构的驱动。 ( 4 ) 机头动动位置监测。 软件系统的结构框如图1 2 所示： 图1 2 嵌入式软件系统的结构框图 7 浙江理工大学硕士学位论文 花型数据传输流程如图1 3 所示： 图1 3 横机花型传输流程图 1 5 论文的组织结构 论文共分六章，其组织结构说明如下： 第一章：“绪论 ，介绍课题的背景和意义、国内外研究现状及发展趋势，提出课题的 研究内容和关键技术；给出横机控制系统的整体架构，硬件层次结构和软件层次结构以及 数据传输流程图。 第二章：“基于a r m 9 的横机控制系统的硬件电路设计 ，讲述横机编织工艺流程，详 细叙述横机控制器硬件结构的设计与实现。整个硬件平台由基于a r m 9 的嵌入式系统电路 和基于m c s 5 1 + c p l d 的控制子系统电路，以及系统的外围驱动电路等组成。 第三章：“横机控制器嵌入式l i n u x 系统的开发，这一章从操作系统角度出发，主要 是针对横机硬件平台b o o t l o a d e r 的分析与移植、嵌入式l i n u x 内核的配置和移植、以及 文件系统的制作，驱动程序的编写和添加，并对移植后的系统进行测试。 第四章：“横机控制系统的软件开发 ，从软件角度出发，讲述基于q t e 图形设计系 统的安装，应用程序的设计、编译，q t o p i a 平台中应用程序的添加；花型数据的解析； e p m 7 0 6 4 软件设计；花型数据的接收；用户参数的设置等。 第五章：“系统调试与运行，介绍在调试过程中碰到问题和解决办法。 第六章：“总结和展望 ，这里将对课题的研究成果和经验进行总结，同时也提出了有 待研究的工作方向。 8 浙江理】大学硕十学位论文 第二章基于删9 的横机控制系统的硬件设计 2 1 电脑横机的编织原理 电脑横机是一种采用舌针的双针床纬编型针织机，其编织原理是通过移动机头的三角 装置使其对舌针的针踵作用，迫使舌针上下运动，舌针进行退圈、垫纱、带纱、闭r 3 、套 圈、连囤、脱圈、弯纱、成圈牵拉从而完成编织过程。 机头是电脑横机关键的部分。它的作用是实现完成选针，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。电脑横机动作时， 机头通过导纱器来带动纱嘴作往复运动。参考图21 ( 图( a ) 为三角底板，图( b ) 为舌针 运动) 。 ( a ) ( b ) 图2 1 横机编织原理 机头从右向左移动，舌针先在起针三角和挺钊二角2 的作用下上升到最高点( 见图 b 中针 ) ，此时i l l 线圈6 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4 垫上新纱线5 ，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l 9 封闭( 见图b 中针 ) 。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( 见图b 中的针 ) ，然后进行脱圈，使旧线圈从针头脱下，在脱圈的同时，新纱线 被针钩弯曲，直至形成一个新的线圈7 。以后，在牵拉机构的作用下，将新形成的线圈拉 向针背，以避免下一成圈过程中针上升的旧线圈重新套在针钩之上。 在这过程中，织针的控制是横机控制器的核心控制部分。织针通过选针器来控制，所 以，选针器的结构、性能等都将直接影q 自选钉控制的准确性和可靠性。目前，在编织上常 用的选针器有电磁式选针器和压电式选针器，压电式选针器的特点是，响应速度快、发热 少，但在元件的受力和防冲击、震动等方面较逊色，容易发生压电元件失去记忆情况，电 磁式选针器具有动作可靠、不易损坏和容易制造等优点。本电脑横机采用电磁式选针器， 黼f 飞80 浙江理工大学硕七学位论文 选针器是依照织物花型组合的电信号依次驱动选针机件的换能器。选针工作原理如下，当 选针器中的电磁铁通电时，状态如图2 2 ( a ) 所示，当电磁铁通反向电流时，状态如图2 2 ( b ) 所示，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，如图2 2 ( c ) 中的实线，该针便不会被选中，相反的，如果刀片处虚线位置，没把针脚压下，该针就被 选中了。 “) 图2 2 选针原理图 电脑横机的一个特点在于能够编织出各种各样的针织产品，这些产品无论其结构如何 变化，大体都是由一些基本的针织物组织结构单元根据一定的花纹要求复合而成的n0 1 。这 些针织结构单元编织过程如图2 3 所示。 ；三赢迹 接圈的时走针轨迹 牟一 ( c ) 图2 3 编织过程 1 0 针轨迹 浙江理l 人学硕r 学位论文 浮线是织针不参加编程而形成的如圈23 ( a ) 所示：集圈是由旧线圈和悬弧一起形成 的针织物组织如图z3 ( b ) ，在电脑横机上，集圈编织采用的是完仝退圈法；移圈主要在 两个针床之间进行，移圈前，一个针床必须相对于另一个针床移动一定的针距，移圈时舌 针的走针轨迹如图23 ( c ) 所示，参加移圈的舌针同样要经过选针。 2 2 横机主控系统的硬件结构 确定横机控制系统的总体设计之后，如果硬件设计和软件设计都从零开始，则整个课 题的难度和时间都会增加。因此，采用目前通用的做法，即在开发板的基础上进行开发， 这样叮以加快f 发进度，降低系统难度，增加系统成功的概率。本课题选择了深圳优龙的 核心板f s 2 4 10 ，该核心板的核心c p u 为s 3 c 2 4 1 0 ，而且设计采用扩展i 0 的方法，这样 可以在这个核一t b 板的基础上进行扩展板开发。这种方式有利于降低成本加快硬件的设计 速度。 221 核心板 深圳优龙的f s 2 4 1 0 核心板可以看成是一个最小系统，它充分考虑接口的扩展问题， 它集成了s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器、6 4 d 字节s i r , 、2 mn o rf l a s h 和6 4 m 、i o m 网口、n a n df l a s h 、复位电路、7 t a g 调试接口、触摸屏接口等。通过四条双排6 8 针的 连接器，引出了外部扩展需要用到的全部数据、地址总线、各外设接口、l ，o 信号等，充 分扩展了$ 3 c 2 4 1 0 的硬件资源，便于产品的升级。实物如图24 所示。 图2 4f s 2 4 1 0 核心板实物图 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 扩展板 扩展板根据功能需求定义来设计，由于底板的大小没有限制，布局为二层板。它要实 现的功能有r s 2 3 2 、网络接口、u s b 接口、l c d 电路、触摸屏、c a n 接口电路以及i o 接口 电路等n 羽。功能示意图如2 5 所示。 图2 5 底板功能示意图 2 3 电源模块设计 横机控制系统所需的电源有交流2 2 0 v 和直流2 4 v 、1 2 v 、5 v 、3 3 v 。交流2 2 0 v 和直流 2 4 v 、1 2 v 由市电输入电源和开关电源提供。 颤匦 图2 65 v 电源转换电路图 图2 6 所示的电源转换电路，采用了l m 2 5 7 5 - 5 电源管理芯片，提供5 v 的稳压电源。 图2 73 3 y 电源转换电路图 图2 7 所示为电源部分，采用了l m l l l 7 - 3 3 电源管理芯片，提供3 3 v 的稳压电源1 3 1 。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 2 4l c d 和触摸屏模块接口设计 l c d ( 液晶显示) 模块是横机控制系统必不可少的部分，它可以显示汉字、字符和图像， 同时还具有低压、低功耗、体积小、重量轻和超薄等很多优点。随着嵌入式系统的应用越 来越广泛，功能也越来越强大，对系统中的人机界面的要求也越来越高。嵌入式在满足基 本功能的基础上，更要求人性化，随着现在处理器性能的日益强大，l c d 部分成为了嵌入 式系统必不可少的部分。 用触摸屏作为横机控制系统的输入设备，使操作更加简单明了，同时也提升横机控制 系统的档次。 2 4 1l c d 选型及接口设计 $ 3 c 2 4 1 0 a 内置的l c d 控制器支持s t n 和t f ，r 的各种规格l c d 屏，同时还具备了触摸屏 控制器。支持彩色t f t 时，可提供4 8 1 2 1 6 位颜色模式，其中1 6 位颜色模式可以显示 6 5 5 3 6 种颜色。本系统选用的l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 是s h a r p 公司的t f tl c d 器件n 制，其分辨率为 6 4 0 * 4 8 0 ，它与$ 3 c 2 4 1 0 的连接电路如图2 8 所示。 v d l 9 v d 2 3r 肚r 4 v d l m 加1 5g 0 j g 5 v d 3 - v d 7b 肛b 4 v c l klc k v d e ne n a b h s y n c h s y n c v s y n c v s y n c 图2 8l c d 接口示意图 为使l c d 显示屏能正常工作，一定要保证硬件正确连接，下面几个信号线路是$ 3 c 2 4 1 0 a l c d 控制器与t f t 显示屏的关键连接。 ( 1 ) v d 2 3 ：1 9 ，v d i - 1 5 ：1 0 3 ，v d 7 ：3 ：分别对应r ，g ，b 分色信息，一个r ，g ，b 共1 6 b i t s 的组合代表了一个象素的信息。 ( 2 ) v c l k ：数据传输时钟，在数据有效的情况下( v m ) ，l c d 控制器送出的数据在v c l k 的上升沿处送出，在v c l k 的下降沿处被l c d 驱动器采样。 ( 3 ) v l i n e h s y n c ：行同步信号，l c d 控制器在整个水平线数据移入l c d 驱动器后插入 浙江理工大学硕士学位论文 一个v l i n e 信号。 ( 4 ) v f r a m e v s y n c ：帧同步信号，l c d 控制器在一个完整帧显示完成后立即插入一个 v f r a m e 信号，并开始新的一帧。 ( 5 ) v m v d e n ：数据有效指示，该信号有效下的数据长度刚好为1 行。 2 4 2 触摸屏接口电路设计 触摸屏附在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐 标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图这种方式使操 作更加人性化。触摸屏按其技术原理可分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容式、红 外线式、表面声波式n 5 1 。电阻式触摸屏结构简单，成本低廉，透光效果好，工作环境和外 界完全隔离，不怕灰尘和水汽；它可用任何物体来接触，可用来写字画画；同时，电阻式 触摸屏具有高解析度，高速传输反应，一次校正，稳定性高，不漂移等特点，因此，电阻 式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。 $ 3 c 2 4 1 0 内置触摸屏驱动器，在触摸屏的四个连接端口x p ，) ( m ，y p 和1 l m 接入s 3 c 2 4 1 0 触摸屏接口前，它们都通过一个阻容式低通滤波器滤除坐标信号噪声。这里的滤波十分重 要，如果传递给s 3 c 2 4 1 0 模拟输入接口的信号中干扰过大，不利于后续的软件处理。在采 样过程中，软件只要给特殊寄存器置位，$ 3 c 2 4 1 0 的触摸屏控制器就会自动控制触摸屏接 口打开或关闭各m o s 管，按顺序完成x 坐标点采集和y 坐标点采集。接口电路如图2 9 所 示。 r 4 lv r m 3 v 图2 9 触摸屏接口电路图 1 4 浙江理t 大学硕士学位论文 2 5u