（机械电子工程专业论文）基于无线网络的横机集散控制技术研究.pdf

浙江理t 大学硕士学位论文 摘要 横机的自动化、高速化、智能化水平在不断提高，但现有横机控制系统忽略了系统的 开放性，其结果是系统的集成度较低，网络功能差，大量的生产信息难以共享。针对现有 横机自动控制中存在的问题和不足，本文在深入比较分析现有横机控制系统的基础上，引 入集散控制技术的概念，对横机集散化控制技术进行了研究。 本文提出了基于无线网络的横机集散控制的解决方案。首先概述了横机发展的历程和 电脑横机控制技术的发展趋势，对横机集散化控制的需求进行了分析，明确了开发目标。 根据横机集散化控制需求和横机编织工艺要求，本文将横机集散化控制分为：监控层、人 机交互层、实时控制层和机头控制层的四层体系结构，重点分析和研究了监控层和人机交 互层的体系结构、通信方法及相应控制方法。 整个系统包括以下三个方面： 监控系统的设计：充分发挥主控计算机运行稳定、处理速度快、人机交互能力强的特 点，完成横机生产运行数据的储存、处理、动态监视、状态显示、打印输出等功能，实现 对系统的实时监控，并对横机的生产管理进行优化。 通信网络的研究：在介绍了w i f i 通信协议的基础了，阐述了本文采用的s o c k e t 编程 及系统通信协议设计。 人机交互层系统设计：在硬件上，人机交互层系统以s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器为核心，外 围包括：s d r a m 、f l a s h 、l c d 、触摸屏、s d 卡、u s b 等模块。在软件上，为w i n d o w sc e 嵌 入式操作系统，提出了面向横机的s o c k e t 编程协议，详细论述了状态监控和花型传输模 块的软件设计，并进行了相关测试。 横机集散化控制解决了横机信息共享难的问题，具有一定的先进性和代表性，具有广 阔的应用前景。 关键词：横机；嵌入式；集散控制；w i f i ；w i n d o w sc e 浙江理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to f 踟协m a t i o n ，1 1 i g i ls p e e d 锄dl e v e lo fi n t e l l i g e n t ，t l l ep e r f 0 册锄c eo f n a tk i l i t t i n gm a c h i n ei 1 i l p r o v e ss t e pb ys t 印h o w e v c l l r r e n tc o 砷r o ls y s t e mo fn a tk m t t i n g m a c l l i i l ei g i l o r e st i l eo p e i l i l e s so ft h es y s t c m ，、 ，h i c hl e a d st 0l o w c rm e 鲥饥p o o r e rn e t 、7 l r o r k 矗m c t i o na n de v e nh a r ds h a r i i 唱o fl a 唱ei n f o m a t i o n b 嬲eo nt l l ec o i l 仃o lp r o b l e m 龇1 dd e 印l y s t l l d y i n go fn a tk m t t i n gm a c l l i n e ，a ts a m et i i l l e ，n r o d u c i n g 恤c o n c 印to fd i s t r i b u t e dc o n 仃d l t e c h j l o l o g y ，t i l et e c l l l l o l o g yo fd i s t r i b u t e dc o n t r o l i sf m t l l e rr e s e a r c h e di nt l l i sp a p e r w h a t sm o r c ，晰r e l e s sm 铆o r kl ( 1 1 j t t i i l gd i s t r i b u t e dc o r l 仃o l ，as o i u t i o ns c h e m ei sp r o p o s e di n t h j sp a p e r f i r s u y ，t h e1 1 i s t o 巧强d 仃e n dd e v e l o p m e n to ff l a tk r l i t t i n gm a c h i n ei si n 仃o d u c e d t h e d e m a n do fn a tl ( i l i t t i n gm a c h i n ed i s t r i b u t e dc o n 咖li s 锄a l y z e di no r i d e rt 0m a k eac l e 盯 d e v e l o p m e n tg o a l a c c o r d i i l gt 0t h er c q u i r e m e n to fd i s t r i b u t i i 培k m t t i n gc o n l p u t e r i z e dc o n t r o l 觚dk n i t t i n gw e a v i n gp r o c e s s ，i tw i ub em v i d e di n t of 1 0 l l rl a y e r ss y s t e ms 饥l c t u r e ：s u p e i s o 巧 c o n 们l l e v e l ，m 锄- m a c h i n ec o i l l 】叭m i c a t i o nl a y e r ，r e a lt i m ec 0 n n d l l a y e ra i l dd i eh e a dc o n 加l l a y e r t h es y s t e m 鼬n l c t l l r c ，c o m m u i l i c a t i o nm e m o d 锄dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o do f s u p e i s o 巧c o n t r o l l e v e lw i t l lm 觚- m a c l l i n ec o m n m i l i c a t i o nl a y e ra r ee m p h 嬲i s 锄a l y z e di nt l l i s p a p e r n l ew h o l es y s t e mi i l c l u d e sm ef o l l o w i n gt l l r e e 嬲p e c t s ： t h ed e s i g no fm o n i t o 血g 撒1 dc o n t r o ls y s t e mn e e d sm c rm a i nc o n t r o lc o m p u t e r ：r u n n i n g s t a b i l i 饥l l i 曲- s p e e dp r o c e s s i n ga n ds 骶n g t l lo fm a i l _ m a c l l i n ec a p a c i 饥w l l i c hh 嬲肌a d v 趾c e d 劬c t i o nt o c o m p l e t en a tk n i t t i n gm a c m l l eo p e r a t i o nd a t as t o r a g e ，p r o c e s s i r 培，d y n 锄i c m o i l i t o d n g ，s t a t u sd i s p l a y ，p r i l i t i n g ，锄do m e r 向n c t i o n s t m sw i i la c m e 、他r e a l - t i m em o l l i t o d n g t ot l l es y s t e m a n dt l l eh o r i z o n t a lm a c h i n ep r o d u c t i o nm 锄a g e m e n ti so p t i m i z e da ts a m et i r m t h er e s e a r c ho fc o n u l l u 芏l i c a t i o nn e 咖r k ：o nt l l ei i l t r o d u c t i o no fw i f ic o n l m u n i c a t i o n p r o t o c o lb a s i s ，t h i sp a p e rd e s c 舶e ss o c k e tp r o g 眦n m i n g 锄dm cc o 删c a t i o np r o t o c o lo f s y s t e md e s i g n h m id e s i 驴：i nh 缸d w a r e ，s 3 c 2 4 4 0 am i c r o p r o c e s s o ri sm ec o r eo fh m i ni sp e r i p h e r a l s c o n t a i l l ss d r a m ，f l a s h ，l c d ，t o u c hs c r e e n ，s dc a r d ，u s ba r l do 也e rm o d u l e s i i ls o m a r e ，n o t o i l l yu s i n gw i n d o w sc ee m b e d d e d 叩e r a t i n gs y s t e m ，b u ta l s op r o p o s em es o c k e tp r o g r a m m 咄 i i 浙江理工大学硕士学位论文 p r o t o c o l6 竹t l l en a t 埘t t i n gm a c i l i n e a tt l l es 锄et i i n e ，d i s c u s s e d i nd e t a i lm ec o n d i t i o n m o l l i t 0 血g 锄dp a n e m t r a n s f e rm o d u l eo fs o r w 鹏d e s i 印，t l l 肌c o n d u c tt h er e l e v 删t e s t s d i s 仃i b u t e dc o 舳r o ll 粥s o l v e dt l l ed i 伍c u l tp r o b l e mo fi l 血n i l a t i o ns h 矾n gi l lf l a tk m t t i l l g m a c h i i l e d i s t r i b u t e dc o n t l o lh 嬲s o m ea ( 1 v a n c e da i l dr e p r e s e n t a t i o n a n di th 嬲b r o a d 印p l i c a t i o n p r o s p e c t s k q 唧o r d s ：n a t “t t i n gm a c l l i n e ；e m b e d d e d ；d i s 劬u t e dc o n 砌；w i f i ；w i n d o w sc e i i i 浙江理工人学硕士学位论文 1 1 横机及其控制技术概述 1 1 1 横机的发展历程 第一章绪论 横机即横编织机，是一种采用横向编织针床进行编织的平型纬编针织机，一直以来 它是生产羊毛衫的主要机种。自1 9 世纪中页到现在，横机的发展经历了手摇横机、电 动横机、电脑加针横机、电脑横机( 电脑织领机、单系统电脑横机、双系统电脑横机 等) 等几个阶段。最早的横机出现在1 9 世纪中页，它是一种钩针针织机，上面装有屋顶形 的针床。2 0 世纪初，横机的机械式控制技术得到了应用。在此后的7 0 多年中，大部分改 进工作都是逐步提高机器工作的可靠性，简化机器的操作，维护和改善机器的性能。随着 电子技术的发展，德国斯托尔( s t o l l ) 公司于1 9 7 3 年推出了世界上第一台电脑横机 ( c n c a 一3 ) 。此后，电子技术在横机上的应用越来越广泛。电子选针技术、电子程序控制、 花型准备系统不断涌现，横机的机械结构不断简化，操作更加简便。为了满足市场需要， 各个横机生产厂家在电脑横机上不断创新，陆续推出各种不同类型的横机，而且在不断使 其完善、更新，导致了针织工业的飞速发展晗1 。 计算机技术的迅猛发展，为横机的发展提供了广阔的天地。德国斯托尔( s t o l l ) 公司， 日本岛精公司等国际领先水平的企业新推出了具有可变针距、四针床、织可穿等多项功能 的电脑横机，将以前的几项单一技术集成在一台机器上，完善了机器的功能，扩展了可编 织结构与服装的种类口1 。同时，横机生产厂家也积极扩展电脑横机的网络化功能，推出了 横机的网络化管理系统，实现横机的集中控制、管理，数据共享。横机向着功能齐全化、 操作智能化、生产网络化、工作高效化的方向发展。 回顾整个横机发展的历程，从功能上来看，横机由简单提花编织向复杂整体编织发 展；从控制方式上看，横机由机械控制方式向电脑控制方式转变，由单机控制向车间级控 制的方向发展。 1 1 2 电脑横机控制技术的研究动向 目前，信息化时代的到来，必将为电脑横机的发展提供一片广阔的天地。现代全自动 浙江理工大学硕士学位论文 电脑横机是针织机械机电一体化、智能化的典范h 1 。国际著名的横机系列产品，如德国斯 托尔公司的c m s 系列电脑横机，日本岛精公司的s e s 系列电脑横机，瑞士斯坦格公司的 l i c b r 电脑提花横机，这些公司的横机操作灵活，简单易学，机械精密度高，功能日益齐 全。由于横机生产厂商不断创新，电脑横机控制技术也在飞速发展。目前，对电脑横机控 制技术的研究主要集中两个方面： ( 1 ) 完善单台横机的功能，提高其智能化、自动化水平，实现高速高效生产 更高的生产效率、更完善的功能一直是横机生产厂家的追求目标。近几年来，在这方 面涌现出很多的先进技术，如无机头技术、数控送纱技术、全成型织可穿技术等。无机头 技术由线性电机直接推动织针完成编织，而常规横机是以机头往复运动、三角推动织针上 下运动完成编织动作1 。一直以来，机头换向是限制横机运行速度的重要因素。无机头技 术不需要机头来执行往复运行，可以极大的提高横机的编织速度。数控送纱技术则主要应 用在编织高速编织弹性纱、强力较弱的羊绒纱等场合。在生产由高档原料制作的成型衣片 或是织可穿的衣物时，片与片、件与件之间有着严格的允差，这必须精确地控制针织物的 线圈长度。日本岛精公司开发的i _ d s c s + d t c 数控圈长系统，能够按照需要，自动控制纱 线输送和归位方向，达到了送纱在恒定张力条件下定长时喂入，实现了高品质的生产。全 成型织可穿技术代表了新型全功能电脑横机的发展方向，其技术已趋于成熟。如斯托尔c m s 3 4 0 和岛精的s w g 系列电脑横机都能一次性编织整件毛衫，并能将兜、扣眼、门襟、领子、 花边等直接织到毛衫上，不仅节省了原料，缩短了工序，而且提高了产品档次和生产效率。 ( 2 ) 研究电脑横机的集散控制技术、网络化技术 单台横机的自动化水平、可靠性、生产效率在不断提高。单台横机控制技术可发展的 空间有限，单台横机设备之间的差距越来越小，对电脑横机集散化控制的需求也因此被提 出来砸1 。横机生产厂家和毛衫厂都希望能以高新技术为核心，以综合自动化为手段，将横 机的自动化生产覆盖到从单台横机设备到车间级的控制、管理的各个层次，以方便对横机 进行集中监控、操作和管理。而且，机器设备的集散化、网络化控制是现代控制技术的发 展趋势口3 。从类似工业控制场合可以发现，横机集散化控制有着显著的优势：联网读花型 程序、配置编织参数、大大降低成本和相关人员工作量；准确地取得每台机器的运行状态， 进一步准确地取得每台机器的开机率；更准确地取得衣片的编织时间，更准确地安排生产 计划和计算工人薪资阻1 等。德国斯托尔公司、日本岛精公司都推出了自己的横机网络化管 理系统。如岛精生产报告，它不仅可以用来传送编织数据、保管文件、监视管理生产以 及远地操作，而且可以配合工厂的环境自订功能以及设定等。 2 浙江理t 大学硕+ 学位论文 1 2 集散控制技术概述 集散控制技术也称为分布式控制技术，一般采用多层分级的控制结构，综合了计算机 技术、网络通讯技术、自动控制技术、图形显示技术等先进技术，满足了现代化生产中控 制与管理需求阳1 。集散控制技术的出现，把原来封闭的、分散的控制系统采用计算机进行 了统一的管理，可以完成状态监控、报警显示、数据存储、文件传输等功能，同时在先进 的系统中，还具有生产指挥、调度和管理能力。集散控制技术源于现场总线技术、集中式 控制技术。与常规的集中式控制技术相比，集散控制技术有如下特点： ( 1 ) 实现了分散控制、可靠性高。将系统的危险因素分散到系统的各个层次，即使某 个层次发生了故障，也只是损坏该层。因此，集散控制技术能将危险性分散、系统可靠性 高。 ( 2 ) 便于集中监视、操作和管理。通过网络通信技术将现场级的数据信息传送到管理 级，管理级计算机凭借其强大的信息加工能力，实现数据信息的综合化系统化管理。 ( 3 ) 采用现场总线、工业以太网等网络通信技术。网络通信技术是沟通现场级和管理 级的桥梁，要求可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快，同时也便于系统的扩 充和升级。 传统的现场总线、工业以太网等网络通信技术都是采用有线方式，带来的麻烦是布线 复杂，现场受布线条件的限制。随着z i g b e e 、蓝牙、w i f i 等无线通信技术的广泛采用， 集散控制技术也在逐步采用无线通信技术取代传统的有线通信技术，其优势是不需要布 线，可以不受布线条件的限制，使用相对自由n 0 1 。 1 3 本课题的研究内容及意义 在深入分析比较目前主流横机控制系统的基础上，基于目前主流的三层分布式横机控 制系统( 人机交互层、实时控制层和机头控制层) ，将集散化控制的思想引入横机的控制 中。本文着重设计了横机人机交互层系统、监控层系统，并且研究了横机人机交互层系统 和监控层系统之间的无线通信方案。其中在横机人机交互层系统设计中，主要工作包括原 理图的设计、p c b 印制板的制作、开发环境的建立以及应用软件程序的编写。在无线通信 方案设计方面，比较分析了目前广泛使用的短距离无线通信技术，研究了w i f i 无线网络 的拓扑结构，设计了符合横机集散化控制需求的无线网络结构，制定了横机人机交互层系 统和监控层系统之间通信协议。在监控层系统方面，以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 3 浙江理工人学硕士学位论文 为平台，编写了面向横机的集散控制应用软件。最后验证了横机集散化控制的可行性。 传统的工业生产、制造、控制与计算机技术的结合是控制技术的发展趋势叭1 。将集散 控制技术应用于横机控制系统中，实现横机的集中监视、操作和管理，人机联系好，提高 了横机的自动化、智能化水平，具有广泛的现实意义。本论文针对横机控制系统所做的集 散化尝试与研究，为横机由单机控制向集散化、网络化控制的方向发展作了很好的铺垫， 代表了横机控制的发展潮流。本论文已经解决了横机集散化控制中状态监控、花型传输、 参数设置等基本问题，为今后改进完善工作奠定了基础。本研究具有广泛的适用性，不仅 适用于横机集散控制，对其它集散化的工控系统设计也有一定的参考意义。 1 4 论文组织结构 本文在研究了横机的编织原理以及横机控制系统的发展趋势和设计思想的基础之上， 分析比较了目前广泛使用的几种短距离无线通信技术实现方案，并根据横机集中监视、操 作和管理的需求，提出了基于w i f i 无线网络的横机集散化控制解决方案，制定了横机集 散化控制的总体设计方案。在该方案指导下，确定了横机人机交互层系统、监控层系统的 软硬件框架，设计开发了相应的软硬件模块，同时研究了横机人机交互层系统和监控层系 统之问的无线通信方案。本文主要内容有： 第一章：绪论。回顾了横机的发展历程，总结了现代横机控制技术的研究动向，介绍 了集散控制技术的概况。在此基础上，提出了论文的研究内容和研究意义，最后给出了论 文的总体结构。 第二章：横机集散控制系统总体设计。按照集散化控制的思想，分析了横机集散控制 的功能需求，明确了本文的研究方向，构建了系统总体结构和主要功能模块，并具体详细 分析了各个功能模块，同时明确了无线网络的通信方案。 第三章：横机集散控制系统的硬件设计。首先根据总体架构，围绕横机控制系统人机 交互层的c p u 芯片确定了系统的硬件框架，详细设计了电源电路、存储器接口电路、l c d 及触摸屏电路、u s b 接口电路、s d 卡接口电路等具体模块电路。对于w i f i 无线模块，给 出了硬件原理图。最后给出了监控层系统的设计。 第四章：横机人机交互系统的软件平台构建。按照嵌入式系统的开发过程，采用了 w i n d o w sc e 作为横机控制系统人机交互层的操作系统，并对w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 定制进行了的论述，详细介绍了系统中w i f i 无线驱动的添加。 第五章：横机集散控制系统的应用软件开发。采用多线程技术和s o c k e t 套接字编程， 4 浙江理工人学硕士学位论文 制定了主控计算机和横机人机交互层系统的通信协议，详细介绍了状态监控、花型传输、 参数设置等主要软件模块的设计和实现。 第六章：总结与展望。总结了本文的主要研究成果、经验以及不足，提出了今后完善 系统的改进意见。 5 浙江理工人学硕士学位论文 第二章横机集散控制系统总体设计 横机集散控制的需求分析 在将横机集散化控制分为：监控层、人机交互层、实时控制层和机头控制层的四层体 系结构基础上，本文重点是设计横机人机交互层系统和监控层系统，并研究两系统之间的 通信实施方案。因此，本章首先按照集散控制系统的开发过程，分析了横机集散化控制的 功能需求，然后构建了系统总体架构，设计了监控层和人机交互层系统的具体功能。这些 内容决定了整个控制系统的任务量、工作难度以及未来的设计方向。本章围绕上述内容对 横机集散控制系统进行了总体设计。 2 1 1 横机集散控制的功能需求 横机控制系统的自动化、高速化、连续化、智能化水平在不断提高，但现有横机控制 系统忽略了系统的开放性，其结果是系统的集成度较低，网络功能差，大量的生产信息难 以共享，使机器成为横机生产自动化体系中的“信息孤岛 n 剖。 本课题的主要任务是在已有的横机机械平台的基础上，设计具有开放性体系结构的横 机人机交互系统的硬件平台，开发位于监控层主控计算机软件和横机人机交互系统软件， 实现主控计算机和横机人机交互系统的数据共享，从而方便企业管理者对横机进行集中监 视、操作和管理。通过分析，本课题需实现如下具体功能： ( 1 ) 人机交互功能：设计友好的人机交互界面，通过界面设置横机织造工艺参数，并 实时显示横机运行状态数据。 ( 2 ) 实时监控功能：通过w i f i 无线网络，实现主控计算机和人机交互系统的通信， 实时监控机器的运行状况，统计机器的生产信息。 ( 3 ) 文件传输功能：组建主控计算机、横机车间局域网，完成花型文件等大容量数据 的传输。 ( 4 ) 参数设置功能：通过主控计算机的操作，直接设置花型起始针、间隔针数等参数 信息。 本设计将单台横机设备构成网络，实现横机织造的集约化生产，从而进一步节约人工、 能源，同时提高了生产质量，降低横机织造成本，在市场竞争越来越激烈的今天符合实际 生产的需要，符合现代工业控制的发展方向。 6 浙江理工人学硕士学位论文 2 1 2 横机集散控制的开发目标 立足于提高企业生产效率、降低工人劳动强度，系统设计提供了一种横机集散化控制 的整套解决方案。课题的成功实施，将实现以下三个目标： ( 1 ) 提高企业管理水平：主控计算机通过无线网络可以实时跟踪机器运行，掌握机器 的工作状况，统计评估机器的运行数据，如：根据不同机器、不同班次的统计评估；根据 停机次数、产量和花型的统计评估等。 ( 2 ) 降低工人劳动强度：生产管理者只需将花型文件存储到主控计算机，操作工人即 可在机器上直接从主控计算机下载花型并进行调试生产，大大降低了u 盘( 旧机型是软 驱，新机型是u s b 接口) 使用量和工人的工作量。 ( 3 ) 网络系统布线简单，价格低廉、操作简便。w i f i 技术具有自组网功能，不需要 布线，可以不受布线条件的限制，整个无线的络的搭建非常方便。 2 2 横机集散控制系统的总体结构 本文设计了一种基于w i f i 无线网络的横机控制系统，以实现对针织电脑横机的无线联 网、中央控制。该系统不仅能实现目前主流横机控制系统具有的功能，而且具有w i f i 无 线网络功能，能够与主控计算机共享生产状况、编织数据、花型参数等数据信息，从而方 便企业管理者对横机进行集中监视、操作和管理。 与以往的横机控制系统相比，该系统最大的不同是扩展了w i f i 无线模块，从而具有了 无线网络功能，实现了横机控制系统与主控计算机的w i f i 无线网络互连，数据信息共享n 钔。 横机控制系统把机器的运行状况、编织数据等信息通过w i f i 无线通讯模块发送到无线网 络，主控计算机接收信息便能够实时掌握机器生产运行状况。在控制终端，主控计算机通过 w i f i 无线网络将机器参数、花型数据等信息传递给横机控制系统。w i f i 技术的应用，使 横机控制系统的功能关联互助、信息共享互换、应用相互衔接，从而实现横机编织的各个 环节管理透明化、网络化、数据化，便于掌握，高效生产和节约成本。 2 3 人机交互系统的功能 横机执行部件多，控制复杂，一般采用分层控制方法n 副。本文根据控制任务的特点， 对横机控制系统进行了功能分层，共分三层：人机交互层、实时控制层和机头控制层。系 统结构如图2 1 所示。 7 浙江理工大学硕士学位论文 图2 1 横机三层分布式控制系统结构框图 人机交互层负责处理人机交互任务，包括：人机界面显示，u s b 花型输入控制，触摸 屏控制，以及与实时控制层之间的通讯。人机交互层系统采用三星公司的s 3 c 2 4 4 0 a 芯片 作为主控制器，以w i n d o w sc e 为嵌入式操作系统，拥有u s b 、s d 卡、l c d 与触摸屏等丰富 的外围接口模块，为操作者提供了一个人机交互友好的环境n 副。实时控制层负责实时控制、 驱动机身部分控制对象以及向机头驱动层发送控制指令。机头驱动层负责解析实时控制层 的控制指令，以及控制机头上所有控制对象的动作。本文主要是实现横机控制系统的w i f i 无线网络功能，因此本节重点介绍对人机交互系统。 人机交互系统是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话。 横机人机交互系统主要工作包括： ( 1 ) 人机交互界面显示。控制器驱动l c d 显示屏显示交互界面。显示信息包括：编织 状态信息、编织状态控制信息、工艺参数信息、工作参数信息等。 ( 2 ) s d 卡花形输入。控制器外扩s d 卡接口，以输入所要编织的花形文件。 ( 3 ) 花形文件、参数信息存储。控制器外扩一片或多片f l a s h 芯片以存储当前花形文 件、工艺参数信息和工作参数信息。 ( 4 ) 触摸屏控制。通过触摸屏以输入各种参数信息和编织控制指令。 ( 5 ) 无线网络功能。通过w i f i 无线网络，可以将机器的运行状况实时的传递给主控 计算机，同时可以从主控计算机下载花型文件。 浙江理j ：人学硕士学位论文 2 4 无线网络的设计 2 4 1w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 是i e e e ( i n s t i t u t eo fe 1 e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，美国电气和电子工程师协会) 定义的一个无线网络通信的标准， 属于短距离无线通信技术n 川。8 0 2 1 1 9 版的本该技术使用正交频分多路复用调制技术，工 作在2 4 g h z 的频段，工作频段不需申请频率使用许可证n8 | ，速率可高达达5 4 m b s 。w i f i 是有线以太网的一种无线扩展，具有通信速度快、距离远、抗干扰性强等优点。同时，w i f i 技术可将w i f i 与i n t e r n e t 服务融合起来，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本 更低h 。w if i 是由a p ( a c c e s sp oin t ，接入点) 和无线网卡组成的无线网络，a p 是无 线设备与无线设备，无线设备与有线设备的沟通纽带。因此，无线设备可以通过a p 去访问线网络上的资源瞳引。例如在一定区域内，只需配备个符合8 0 2 1 1 b 标准的无线 接入点，就可实现w i f i 网络的无线覆盖，笔记本电脑、p d a 、w i f i 手机均可透过a p 去访 问中心机房的资源，如图2 2 所示。 无 点 图2 2w i f i 网络拓扑结构 目前，8 0 2 1 1 9 已经是最常用的无线局域网技术之一，并且很多无线网络产品制造商 都选择8 0 2 1 l g 作为未来无线局域网的产品标准心。w i f i 技术的广泛使用源于其具有以 下几方面的突出优势： 9 浙江理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 无线电波的覆盖范围广，w i f i 的半径可达3 0 0 英尺左右约合1 0 0 米。 ( 2 ) 通信传输速度快，目前广泛采用的i e e e 8 0 2 11 9 可以达到5 4 m s ，完全满足人们的 影音娱乐需要。 ( 3 ) 无须布线，价格便宜。不需要布线，可以不受布线条件的限制。 2 4 2 无线网络的选择 目前广泛使用的短距离无线通信技术有无线局域网8 0 2 1 1 b g ( w i f i ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 和z i g b e e 等陇1 。各种短距无线通信技术都有其优点和不足，有的在传输速度、距离、耗 电量的突出优势；有的在功能上的扩充能力特别强，组网简便；有的因为技术上差异化， 符合特点应用的特定需求汹3 。表2 1 对几种广泛使用的无线通信技术做了详细比较。 表2 1 常用无线通信技术对比 名称 w i f i b l u e t o o t h z i g b e e 传输速度 11 - 5 4 m b d s 1 m b p s1 0 0 k b p s 通信距离直径) 2 0 2 0 0 米2 0 2 0 0 米2 - 2 0 水 频段 2 4gh z2 4gh z2 4g h z 安全性 低高中等 国际标准i e e e 8 0 2 1 1 b ，g l e e e 8 0 2 1 5 1 xi e e e8 0 2 15 4 功耗 1 良5 0 m a2 0 m a 5 m a 成本 5 03 54 0 尢线上蜩、t 业、i t 、多通信、l t 、多媒体、_ t 业、 主要应用无线传感器、医疗等 媒体等，应用广泛医疗、教育等，应用广泛 由上表可见，8 0 2 1 1 9 标准的w i f i 技术不仅可以获得较高的传输速率，而且在传输距 离、成本、功耗等方面也不逊于b l u e t o o t h 和z i g b e e 。事实上，w i f i 还有组网灵活、布 线容易等优点，已经是现有有线网络的有力补充，是目前最常用的无线局域网技术之一， 代表了局域网技术未来的发展方向口4 1 。 横机的集散化控制，不仅需要传输运行状态等小容量数据信息，更要传递花型文件等 大容量数据信息，对传输速度要求比较高，同时还要满足一定的通信距离要求。通过比较， 基于i e e e 8 0 2 1 1 9 标准的w i f i 在传输速度、传输距离和网络成本等方面都有明显的优势， 比较符合横机的集散控制的需求。 l o 浙江理j i ：大学硕十学位论文 2 4 3 网络拓扑结构 横机集散控制网络通信系统采用十分成熟的局域网组网技术，其网络拓扑结构如图2 3 所示。 酲瞳一。 公公公念公 ! 笪! 曼! 蔓匿 ! ! 邕一 一曩_ l一再曩 管冒矸_ 霉謦科_ 鼍冒研_ 黾昌矸霭宣雷露 图2 3 横机无线网络总体布局 考虑到横机安放位置的灵活性及远程实时监控的要求，采用i n f r a s t r u c t u r e 模式来 实现嵌入式横机控制系统的远程控制n 引，即多台嵌入式横机控制系统通过无线a p 接入同 一台主控计算机。这种横机控制器的组网模式既能满足局域网的控制需要，又可很方便的 横机控制系统接入到广域网中，而且为w i f i 无线技术具有自组网功能，整个网络不需要 布线，使横机控制较为灵活。监控计算机控制系统与嵌入式横机控制系统隔离开，可以提 高系统的安全性、实时性。 2 5 监控系统的功能 集散控制系统的主控计算机用来将横机人机交互层系统传送来的数据集中处理、显示、 打印，以文件形式存储在外部存储器上，并且还要将系统的控制参数发送给横机人机交互 层系统，以调整横机的工作状态。根据横机集散化控制的功能要求，在主控计算机中主要 运行监控程序，要具有以下功能： ( 1 ) 提供基本监控界面。显示横机设备运行状况及主要参数，如报警信息等，以及其 它诸如标准时间、日期，运行时间等信息。 ( 2 ) 提供单机设备监控界面。详细反映单台横机设备的各种运行信息，包括主电机速 度、密度马达速度、花板起始针、沙嘴落下提前量、针零位、机头回转距离态以及其它诸 如通讯状态、标准时问、日期等信息。 ( 3 ) 命令控制、文件传输。该功能实现主控计算机对横机的控制，传递参数、花型文 1 l 浙江理工大学硕士学位论文 件，大大降低了u 盘( 旧机型是软驱，新机型是u s b 接口) 使用量和工人的工作量。 ( 4 ) 报警、记录打印。在横机运行过程中，如遇机头撞针故障、断纱故障和机头超限 故障，均以设备报警信息提示，并保存信息供事后故障分析。 ( 5 ) 密码验证、用户登陆功能。主要为了确认操作员的权限，防止无关人员进入监控 系统。 2 6 本章小结 本章按照集散化控制的思想，分析了横机集散控制的功能需求，明确了本文的研究方 向，构建了系统总体结构和主要功能模块，并具体详细分析了各个功能模块，同时明确了 无线网络的通信方案。 1 2 浙江理t 大学硕+ 学位论文 3 1 核心板硬件设计 3 1 1 电源部分原理图 第三章横机集散控制系统的硬件设计 核心板中s 3 c 2 4 4 0 a 启动供电电压分别是直流3 v 及1 3 v 。其中，由外部开关电源直 接引入5 v 电源，通过s p x l l l 7 m 3 3 3 电源管理芯片及其电源转换电路得到3 3 v 供电电源， 通过s p x l l l 7 m _ c t l 3 电源管理芯片及其电源转换电路得到1 3 v 供电电源，转换电路如图 3 1 所示。 图3 13 3 v 和1 3 v 电源转换电路 电源电路性能的优劣会直接影响到系统运行的稳定性。选用的s p x l l l 7 系列芯片具有 输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低的特点，能满足c p u 的工作需要。同时，在图3 1 的电源转换电路中，通过在电源电路旁并联电容构成电源滤波电路以提高电源电路工作的 稳定性及抗干扰性。 3 1 2 微处理器原理图 嵌入式硬件核心部分以核心处理器的选型最为重要，它的好坏直接影响到整个嵌入式 系统的性能。针对现代横机的发展对人机交互系统的快速性、可扩展性及海量数据处理能 力的需求，本次设计的系统c p u 采用3 2 位的a r m 嵌入式处理器。目前市场上，基于a r m 浙江理工人学硕士学位论文 ( a d v a n c e sr i s cm a c h i n e s ) 的嵌入式系统处理器在嵌入式开发领域中应用较为广泛，其 高性能、低成本和能耗低等优点使其在工业控制、移动式应用等很多领域大受好评嘶1 。 s 3 c 2 4 4 0 a 的杰出特性源自于其核心处理，是一个3 2 位a r m 9 2 0 t 内核的r i s c 处理器。 a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构，具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个都是由具有8 字长的行组成啪1 。s 3 c 2 4 4 0 a 提供了一套完整的通 用系统外设，如总线控制器、s d r a m s r a m 、n a n df l a s h 、l c d 控制单元、摄像机接口、d m a 、 u a r t 、a d c 、1 2 c 、触摸屏、u s b 主机、u s b 从机、s p i 、s d 、通用口、定时器p w m 、j t a g 、 复位，时钟，电源等。高集成度、丰富的片内外围设备接口使s 3 c 2 4 4 0 a 处理器应用于范 围广大的高端产品中，用户可根据需求自行裁剪s 3 c 2 4 4 0 a 外围设备以降低开发成本、提 高开发效率。同时芯片采用2 5 6 引脚b g a 封装方式，面积很小，非常适合对性能、功耗和 体积有要求的系统。模块电路如图3 2 所示。 麓崖二 3 1 3s d r a m 原理图 图3 2s 3 c 2 4 4 0 a 模块电路 嵌入式系统设计一般都会用到存储器来存储数据文件、存放代码及变量等。存储器可 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 分为片内存储器和片外存储器。片内通常以r a m 或s r a m 为主，片外一般以f 1 a s h 和s d r a m 为主，在此主要介绍以s 3 c 2 4 4 0 a 为核心的片外存储器扩展。本系统的扩展存储器配置为 6 4 ms d r a m ，3 2 m bn o r f l a s h 及6 4 mn a n d f l a s h 。s d r a m 存取速度快，但掉电后不能保存数 据，通常作为程序的执行空间使用，系统运行后将代码调入s d r a m 运行以提高系统整体运 行速度乜 。 本系统采用三星公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 作为系统的s d r a m ，两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，总容量达到6 4 m b 。具体扩展电路如图3 3 所示，图中u 8 为低1 6 位片，u 9 为高1 6 位片，两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 作为一个整体配置连接到s 3 c 2 4 4 0 a 的s d c s n 信 号端，同时，两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 的c l k 、c k e 、r a s 、c a s 、w e 端都连接到s 3 c 2 4 4 0 a 的s d c l k 、 s d c l k e n 、r a s n 、c a s n 和s d w e n 辫。 两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 的地址总线和b a n k 选择信号b a l 、b a 0 都连接到s 3 c 2 4 4 0 a 的地址总 线。其中，u 8 片的数据总线d q o d q l 5 连接到s 3 c 2 4 4 0 a 数据总线的低1 6 位( d a 0 一d a l 5 ) ， u 9 片的数据总线d q 0 一d q l 5 连接到s 3 c 2 4 4 0 a 数据总线的高1 6 位( d a l 6 一d a 3 1 ) 。同样，u 8 片的u d q m 、l d q m 分别连接到s 3 c 2 4 4 0 a 的d q m n 1 和d q m n 0 ，u 9 片的u d q m 、l d q m 分别 连接到s 3 c 2 4 4 0 a 的d q m n 2 和d q m n 3 。本文采用两片半字( h a l f - w o r d ) s d r a m 器件 共同组成一个3 2 位数据宽度的s d r a m 系统，提高了其与c p u 的通信效率，更好的发挥了 s 3 c 2 4 4 0 a 芯片的潜能。 图3 3s d a m 模块电路 浙江理_ t 大学硕士学位论文 3 1 4n a s h 原理图 n o rf l a s h 和n a n df 1 a s h 是目前市场上两种主要的非易失性闪存技术啪1 。n o rf l a s h 存储器的容量小、写入速度慢。但因其随机读取速度快，因而在嵌入式系统中常应用在程 序代码的存储中，并且，程序可直接在n o rf l a s h 里运行。n a n df l a s h 的内部结构能够提 供极高的单元密度，可以达到很大的存储容量，并且写入和擦除的速度也很快。但n a n d f l a s h 存储器需要特殊的接口来操作，因此，它的随机读取速度不及n o rf l a s h 。 本系统中n a n df l a s h 选用三星公司k 9 f 1 2 0 8 u o c ，容量为1 2 8 m b ，n o rf l a s h 选用三星 公司2 8 f 6 4 型号存储芯片，存储容量为4 m b ，使用2 7 v 一3 6 v 的电源电压，功耗小。系统 存储器接口电路如图3 4 所示。图中u 2k 9 f 1 2 0 8 u o c 为8 位数据总线d a t a 0 一d a t a 7 连接到 s 3 c 2 4 4 0 a 的数据总线d a t a 0 一d a t a 7 ，c l e ，a l e 、n f w e 、n f c e 、n f r e 端也分另0 连接至0s 3 c 2 4 4 0 a 的c l e