（检测技术与自动化装置专业论文）Ⅰ型工业绣花机控制器的性能改进与代码优化.pdf

摘要 摘要 题目：i 型工业绣花机控制器的性能改进与代码优化 作者：赵涛涛 导师：白瑞林教授 专业：检测技术与自动化装置 基于a r m 和u c o s - i i 的l 型工业绣花机控制器初步研制成功，在硬件系统已经完成的前提下， 必须确保控制系统软件的流程清晰，代码作用明确，才能保证系统运行稳定，易于升级维护。然而， 在i 型工业绣花机控制器软件开发过程中，随着对绣花机功能需求了解的深入，原工作思路被频繁 修改，无序增加代码导致软件结构混乱，系统运行稳定性、代码可读性和可维护性大大降低。 本文针对以上问题，在全面掌握绣花机工作原理基础上，通过分析控制器硬件工作时序和软件 视图，对绣花机软件流程和各种控制策略进行了改善或重新设计，提出了一套较为清晰、有效的软 件设计思路。 控制系统的软件视图是指从软件开发人员的角度观察到的控制器模型。通过对绣花机功能和控 制系统硬件电路工作原理的分析，本文提出了工业绣花机控制器主要功能的软件视图，并根据该软 件视图进行有效的软件设计。 在保留原先控制系统软件流程宏观设计思路的前提下，对运动控制任务的软件架构进行了调整， 对运动控制作业进行了重新规划。完善了主轴电机和步进电机的驱动策略。对拉杆中止移框处理和 错误处理策略都进行了改良。 在运动控制任务软件架构和各种控制策略已经定型的基础上，进行了运动控制任务软件的详细 设计。针对原先软件设计中刺绣与空走分离的缺陷，对前进和回退流程进行了重新设计。随后，为 适应新的软件流程，对取针、换色和跳针算法都进行了分析和重新设计。 为满足不同材质布料的刺绣需求，本文在分析平包针特性和平包针补偿原理的基础上，提出了 一种简单有效的平包针补偿方法。 最后，对研究和开发中的一些问题进行了总结归纳，并对i 型工业绣花机控制器下一步研究和 开发的方向进行了展望。 本文提出的绣花机软件架构和代码设计思路已经在i 型工业绣花机上实现，经生产部门实地生 产运作证明，本文提出的软件架构和代码设计提高了系统运行稳定性，有效降低了断线率，提高了 绣作效率。电机运行平稳，为i 型工业绣花机的市场化创造了良好条件。 关键词：工业绣花机：运动控制；u c o s i l ；平包针补偿； a b s t r a c t w i t ht h es u c c e s so nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r es y s t e mo fi n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n e t y p ei ，t h es o f i w a r em u s te n s u r et h a tt h ep r o c e s si sc l e a ra n dt h ec o d ei sd e f i n i t e , t oe n s u r es t a b i l i t ya n d s c a l a b i l i t y h o w e v e r , i nt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n et y p eic o n t r o l l e rs o f t w a r e , 诵t l l t h ei n c r e a s i n gu n d e r s t a n d i n go ft h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fe m b r o i d e r ym a c h i n e ，t h eo r i g i n a li d e a sw e r e f r e q u e n t l yr e v i s e d , t h es o f t w a r es t r u c t u r ew a sc o n f u s e db yt h ed i s o r d e r l yi n c r e a s ei nc o d e , t h es y s t e m s t a b i l i t y , s o f t w a r er e a d a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yw a sg r e a t l yr e d u c e d i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，o nt h eb a s i so fm a s t e r i n ge m b r o i d e r ym a c h i n ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ev i e w , t h es o f t w a r ep r o c e s s e sa n dv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sa r er e - d e s i g n e d ，a n da m o r ec l e a ra n de f f e c t i v es o f t w a r ed e s i g ni sp r o p o s e db yt h i sp a p e r s o f t w a r ev i e wi st h a to ft h ec o n t r o l l e rm o d e lf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs o f t w a r ed e v e l o p e r s t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ef u n c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep r i n c i p l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h e s o f 蕾w a r ov i e wo ft h ei n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l l e r sm a i nf u n c t i o n ，s ot h a te f f e c t i v es o f t w a r e d e s i g nc a nb el u n c h e d o nt h er e s e r v a t i o no fo n g i n a lt h o u g h to ft h es y s t e ms o f t w a r e ，t h i sp a p e ra d j u s t st h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo fm o t i o nc o n t r o lt a s k , a n dr e - p l a n st h ed r i v e ns t r a t e g yo fs h a rm o t o ra n ds t e pm o t o r s f r a m e s t o p p i n go nt h ed r a w b a r sa n de r r o rh a n d l i n gs t r a t e g i e sa r ea l s oi m p r o v e d t h e n ，t h ed e t a i l so ft h es o f t w a r eo fm o t i o nc o n t r o lt a s kw a sd e s i g n e d a g a i n s tt h ed e f e c to ft h e s e p a r a t i o nb e t w e e nn o r m a le m b r o i d e r i n ga n di d l i n gi nt h eo r i g i n a ls o f t w a r e ，t h ef o r w a r da n db a c k w a r d p r o c e s s e sw e r er e - d e s i g n e d t oa d a p tt o t h en e ws o f t w a r ep r o c e s s e s ，t h ea l g o r i t h mo fg e tn e e d l e s ， c o l o r - s w i t c ha n dj u m p - n e e d l e sw e l q br e - d e s i g n e d o nt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fs a t i ns t i t c h e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa s i m p l ea n de f f e c t i v es a t i ns t i t c h e sc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，t om e e tt h ed i f f e r e n tn e e d so fe m b r o i d e r yc l o t h m a t e r i a l s f i n a l l y , s o m eo ft h ep r o b l e m so ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h en e x ts t e p s o ft h el a t i n gd e v e l o p m e n tw e r eo u t l o o k e d n ee m b r o i d e r ym a c h i n es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g no ft h ec o d eh a v ea l r e a d yb e e nr e a l i z e di n t h ei n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n et y p eib yt h ep r o d u c t i o ns e c t o r r e s u l t so fo p e r a t i o n so ff i e l dp r o d u c t i o n t e l l st h a tt h i sp a p e r ss o f h a r ea r c h i t e c t u r ea n dc o d ed e s i g nh a v ei n c r e a s e dt h es y s t e ms t a b i l i t y , e f f e c t i v e l y r e d u c e dt h el i n ed i s c o n n e c t i o nr a t e , a n di n c r e a s e dt h ee f f i c i e n c ya n ds t a t i o n a r i t yo fm o t o r s a l lo ft h a t c r e a t eag o o dm a r k e tc o n d i t i o n sf o ri n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n et y p el k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le m b r o i d e r ym a c h i n e ；m o t i o nc o n t r o l ；u c o s i i ；s a t i ns t i t c h e sc o m p e n s a t i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 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谢意 签 名：赵琏透 e l 期： 碰组幽 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 导师签名： 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论弟一早殖化 我国的传统工艺刺绣在世界上享有广泛声誉，深受各国人民的喜爱。近年来刺绣产品越来越受 欢迎，需求越来越大，给国内外纺织、装饰等行业提供了广阔的市场起初绣花主要用于服装，后 来则不断向鞋帽、家居用品及其它领域扩展。手工刺绣已远远不能适应市场的需求，这为工业绣花 机行业提供了发展机遇。 工业绣花机是随着电子技术、计算机技术、精密机械技术的发展和应用逐渐成熟起来的一种高 自动化、高生产效率的光、机、电结合的刺绣设备【l 】。工业电脑绣花机于2 0 世纪7 0 年代在国外兴 起，能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、 多功能、统一性和完美性”的要求，是一种体现多种高新科技的机电产品。目前世界上著名的工业 绣花机品牌有日本田岛( 1 = a j 眦) 公司、百灵达( b a r i m a n ) 公司、兄弟( b r o t h e r ) 公司， 德国蔡斯克( z s k ) 公司、百福( p f a f f ) 公司，韩国的日星( s w f ) 公司等【2 】。 我国轻工业行业通过消化吸收国外各种先进机型的优点，结合我国刺绣、服装、鞋帽、针织等 行业的实际需要，在八十年代末研制出国产的工业电脑绣花机控制系统。目前国内工业绣花机生产 企业众多，但是在机械结构的用材、加工精度和工艺水平、控制系统上和国外同类机种相比尚有一 定的差距，主要表现在平均无故障时间、机器寿命、刺绣适应性、刺绣效果、主轴转速、机器噪音 以及操作维修是否方便等方面。国际上有实力的大公司凭借其雄厚的技术基础和强大的开发能力、 牢牢掌握着各种核心技术和开发自主权，国内企业由于缺乏技术基础和对缝纫机及服装发展趋势的 研究，加上“价格战”使企业盈利不高，因此与世界先进水平的差距没有实质性的突破。中国加入 w t o 以后，国产纺织机械行业面临新的机遇和挑战，工业绣花机生产厂家增至3 0 0 多家，产量也急 剧增加，但是由于绣花机的核心技术仍掌握在国外绣花机厂商手中，国产工业绣花机的市场占有率 不高，产品质量和服务质量与国外相比都有一定的差距，因此，采用新技术开发高质量低成本的绣 花机成为国产工业绣花机机占领国内外市场的必然需求【3 1 。 1 2 国内外研究现状 i 2 1 工业绣花机的现状 工业绣花机品种繁多，规格各异，以机头的多少来分，可分为单头与多头机( 1 2 4 头) ，头数越多 可刺绣的同一花样数越多；以每一头所含机针的多少来分，可分为单针与多针( 3 1 2 针) ，针数越多颜 色数就越多可绣的花样就越复杂；以工业绣花机的主轴驱动方式可分为交流伺服驱动、步进驱动、 滑差驱动等；按线迹可分为平缝绣、链缝绣、毛巾绣；按绣品可分为平绣、筒绣、成衣绣等，特种 绣也越来越多。如日本的田岛、北京的天鸟、青岛的鹰轮、临海的珠光、杭州的经纬等企业，分别 推出了各不相同的绣花机。在一般绣花机上，只要增加一些装置，就可以进行绳绣、珠片绣、雕孔 绣、扁金线绣、卷带绣、卷绣、挖孔绣、羽状针迹绣、扁形带与粗线立绣等。为了增加绣花式样， 日本田岛公司和北京天鸟公司都推出了激光切割装置h 1 ，可以对绣花材料进行雕刻、表面切割、完 1 江南大学硕士学位论文 全切割和雕孔切割，使绣花产品具有了新的特色哺1 。 目前在国内市场上虽然绣花机厂家与日俱增，但大多都是采用简单装配的模式，这些厂家并不 直接生产零部件，大多采用配件订购的方式，技术含量低。对于技术要求比较高的控制器没有研发 能力，也是购买现成的控制器。虽然绣花机销量越来越大，但国内控制器研发的力量不足，目前市 场上主要有北京的兴大豪和深圳的富怡两家公司，而且价格非常昂贵。 现在市场上的国内工业绣花机控制器，一般都采用一片或多片8 位、1 6 位单片机来实现哺1 n 1 阳1 。 由于微处理器的处理能力的局限性，各方面性能很难满足用户的要求，比如在拷贝、显示花样时速 度非常慢。 1 l2 2 一些新技术在工业绣花机中的应用 1 a l 蝴处理器 嵌入式产品的飞速发展对处理器的速度要求越来越快。传统8 位单片机在众多场合已经力不从 心，各种各样的3 2 位处理器陆续登场。a r m 就是其中最抢眼的一种3 2 位r i s c 架构处理器【9 1 ，它在1 9 9 9 年市场占有率超过了5 0 ，至u 2 0 0 1 年初，a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器市场占有率已经超过了7 5 ， 并有逐年递增的趋势【1 0 1 。 a r m 处理器采用r i s c 指令集和多级流水线结构，使得大多数的指令只需要1 个时钟周期，从而 带来了高效率、高性能和低价格的统一。a r m 处理器是按照3 2 位设计的，但也配备1 6 位指令集， 可以允许软件编码为更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ， 并且保留了3 2 位系统的优势。 a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a r m ll 和s e c u r ec o r e 【1 1 1 。 其中a r m 7 最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a i t m 7 2 0 t 和支持的j a v a 的a r m 7 e j 等。 由于a r m 的性能远远超过一般的8 、1 6 位单片机，而且当前a r m 芯片价格并不高，选用一款合 适的a r m 处理器作为绣花机的中央处理器，可以大大提高绣花机的整体性能，而成本可以更低。 2 u s b 接口技术 目前，除了传统的软驱【1 2 】【1 3 】、光驱作为移动数据的存储和传输以外，通用串行数据传输总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) t 1 4 】【1 5 1 得到了日益深入的应用。u s b 与常用计算机接口相比，具有数据传输 速度快、即插即用、扩展方便、低成本等特点。 u s b 总线协议自1 9 9 4 年至今经历了u s b l 1 、u s b 2 0 、u s bo t g 三个主要阶段。u s b i 1 规范 支持1 5 m b p s 和1 2 m b p s 不同的传输速度：u s b 2 0 的推出使得最高传输速率可达4 8 0 m b p s ：为适应 点对点通信接口需求，最近提出的u s bo t g 规范为u s b 设备间以对等身份进行数据通信提供了支 持【1 6 1 。 目前，国内外在嵌入式u s b 主机开发方面还处于积极发展阶段，有越来越多的半导体公司提 供接口芯片，或直接就将其功能集合到m c u 中，如a t m e l 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 和三星的$ 3 c 2 4 1 0 芯片 都集成了u s b 主机端功能。基于u s b 的存储设备也层出不穷，u 盘已经非常普及。采用u 盘作为 绣花机花样文件的存储、传输介质将大大提高花样读取速度，花样数据保存的可靠性也大大地得到 提升。 2 第一章绪论 1 3 本课题的主要任务 基于a r m 7 芯片l p c 2 2 1 4 和嵌入式实时操作系统u c o s - i i 的i 型工业绣花机控制器在硬件上已 经研制成功，并快速构建了一套控制软件运行于其上。这套控制软件充分验证了i 型工业绣花机在 硬件上的可行性和正确性，但在系统运行稳定性、代码流程清晰性、可读性、可维护性上还不能达 到形成有竞争力的产品的要求。要使本型号工业绣花机能够投入实际生产活动，实现经济效益，以 及以此为基础开发一系列功能更多、更强大的新型工业绣花机，目前要做的就是深入剖析绣花机工 作流程，研究如何设计软件架构，如何构思各种控制策略，才能充分发挥现有硬件系统的优越性能， 为产品市场化和进一步开发工作奠定基础。 出于以上考虑，本课题的主要任务是：在分析和掌握工业绣花机工作流程和整理现有控制软件 代码的基础上，通过分析i 型工业绣花机控制器的硬件工作原理，总结归纳绣花机主要机械部件和 电子器件完成关键动作的软件视图，在此基础上对原软件系统架构进行调整，对绣花机软件控制流 程和各种控制策略进行改善或重新设计，最终提出一套清晰、有效的软件设计思路并实现。具体有 以下几点： 1 编写软件视图。控制系统的软件视图是指从软件开发人员的角度观察到的控制器模型，即某 个功能如何由软件操纵硬件实现。只有先明确工业绣花机控制器主要功能的软件视图，才能进行有 效的软件设计。 2 架构设计。首先要摸清先前控制系统软件架构的设计思路，在此基础上，结合对工业绣花机 工作流程的理解，对先前运动控制任务的软件架构进行调整，对运动控制作业流程进行重新规划， 完善主轴电机和步进电机的驱动策略，对拉杆中止移框处理和错误处理策略进行改良，定型控制系 统软件的编写思路。 3 软件详细设计。在运动控制任务软件架构和各种控制策略定型的基础上，进行运动控制任务 软件的详细设计。针对原先软件设计中刺绣与空走分离的缺陷，对前进和回退流程进行重新设计， 实现各种作业状态之间的无错切换。为适应新的软件流程，对取针、换色和跳针这三个关键算法进 行分析和重新设计，提高控制系统的运行性能。 4 平包针补偿方法研究。在较厚较松软材质布料上进行平包针刺绣时，因绣线陷入布料中太多， 视觉上有针迹缩短的效果，这时需要进行平包针针迹长度展宽补偿，以满足不同材质布料的刺绣需 求。因此需要在分析平包针特性的基础上，设计一种简单有效的平包针补偿方法。 5 按设计结果编写运动控制任务代码，并在现场调试，根据调试反馈数据和现象，对各种设计 策略反复进行最优调整，最终达到系统稳定可靠、软件可读性、可维护性和可扩展性较先前有大幅 提高的效果。 3 江南大学硕士学位论文 第二章工业绣花机控制器的软件视图 2 1 工业绣花机的功能分析 2 1 1 工业绣花机的主要功能 工业绣花机的主要功能【l 刀包括： 1 屏幕显示：菜单的中英文显示、花样的图形显示、提示信息显示。 2 花样操作：包括存储花样、从磁盘输入花样、向磁盘输出花样、删除花样、读取花样数据、 修改和保存花样刺绣参数、花样编辑。 3 运动控制：包括主轴电机的驱动、移框步进电机的驱动【1 8 1 。 4 刺绣辅助：包括断线检测、换色、响应拉杆、响应键盘、响应限位开关信号【1 9 】。 这些功能模块互相配合，才能组成完整可用的绣花机控制系统。例如，显示花样时，必须屏幕 显示功能和花样读取操作配合才能完成；进行刺绣作业时，必须屏幕显示、花样读取、运动控制、 刺绣辅助功能四者协调才能进行；周边绣、机器自检等功能也是由各个功能模块的配合完成的。 本文只对运动控制和刺绣辅助进行研究，屏幕显示和花样操作不属于本文研究范围。 2 1 2 工业绣花机的工作流程 在刺绣作业时，用户进行键盘操作，并通过屏幕显示反馈，选择要进行刺绣作业的花样，系统 读取指定的花样的刺绣参数和针迹数据，然后用户进行键盘操作使绣花机进入刺绣确定状态，通过 响应右拉杆，绣花机控制系统开始进行刺绣作业，通过驱动主轴电机、驱动移框步进电机，并协调 两种电机的动作，完成刺绣作业。在进行刺绣的同时，在屏幕上实时显示已刺绣的花样图形、当前 的刺绣状态、绣框的坐标值、当前针杆号、当前主轴转速等数据，使用户随时了解刺绣的状态和进 度。通过响应键盘，用户可改变主轴转速，用户也可以通过在刺绣过程中右拉并抵住操作杆实现低 速刺绣。当需要换色时，绣花机控制器根据换色数据和当前针杆号，驱动换色电机转动，换到正确 的针杆号。当用户需要停止刺绣时，需左拉杆一次，系统会停止读花样，并停止主轴电机和移框步 进电机。当刺绣过程中绣框触到限位开关时，会立即停止主轴电机和移框步进电机并报警，此时用 户需取消刺绣确定并重新选择刺绣区域范围。当刺绣过程中断线时，系统会停止主轴电机和移框步 进电机，根据参数设置回退数针，并亮起机头红灯报警。当用户需要回退时，在不同的刺绣模式下 需左拉杆或左拉杆抵住，使移框步进电机按回退方向移框【2 0 1 。 工业绣花机一般t 作流程如图2 1 所示。 4 第二章工业绣花机控制器的软件视图 图2 - 1 工业绣花机流程图 f i g 2 - 1e m b r o i d e r ym a c h i n ef l o wc h a r t 2 2 工业绣花机主要功能的软件视图 控制系统的软件视图是指从软件开发人员的角度观察到的控制器模型，即某个功能由软件如何 操纵硬件实现。 运动控制任务在控制系统中的软件视图主要有：主轴电机视图、移框步进电机视图、拉杆和限 位视图、断线检测视图、换色视图、机头电磁铁视图。 2 2 1 主轴电机视图 在本项目中，工业绣花机的主轴电机是一台调速制动电机_ 滑差电机。它是由三相异步电机、 电磁转差离合器、电磁制动器组成三位一体的一种特殊电机【2 i 】。在硬件设计过程中，已经增加了硬 件p i 闭环控制调速控制环节【2 2 1 1 2 引。 i 型工业绣花机主轴控制部分电路包含了一块8 2 c s - 4 可编程定时计数器，以及众多外围光耦接 口器件和a p a 4 处理器上的部分p i n 口引脚。在主轴上接有一个光电编码器，在转动时发出的脉冲 经8 2 c 5 4 计数后提交给a r i v i 处理器，从而使处理器得知当前主轴角度。光耦接口电路实现了电机 控制信号和处理器输出控制信号的变换与隔绝。部分处理器p i n 口引脚实现了启动、刹车、角度判 断返回等控制功能。 主轴电机硬件电路如图2 2 所示。各个信号说明见下文。 5 江南大学硕士学位论文 8 2 c 5 4+ 5 v 图2 2 主轴电机硬件电路 f i g 2 - 2h a r d w a r ec i r c u i to fs h a f tm o t o r 从软件编写人员的视角观察主轴电机，只有启动、变速、刹车和角度判断4 种视图。 1 主轴电机的启动 由图2 1 可知主轴电机的启动信号s t a r t 由l p c 2 2 1 4 的p 1 1 7 发出，经光耦放大后传递给主 轴电机控制部件。主轴电机的启动信号为低有效，所以主轴电机的启动在软件上是通过将l p c 2 2 1 4 的p 1 1 7 引脚电平置低来执行的。 主轴电机启动代码如下： # d e f i n es 飞燃o x 0 0 0 2 0 0 0 0 o ic l r l = s t a r t ； 2 主轴电机的刹车 由图2 1 可知主轴电机的刹车信号b r e a k 由l p c 2 2 1 4 的p 1 1 6 发出，经光耦放大后传递给主 轴电机控制部件。主轴电机的刹车信号为低有效，所以主轴电机的刹车在软件上是通过将l p c 2 2 1 4 的p 1 1 6 引脚电平置低来执行的。 主轴电机刹车代码如下： # d e f i n eb r a k eo x 0 0 0 1 0 0 0 0 i o ! c l r i = b r a k e ； 3 主轴电机的变速 主轴电机的变速是通过向其控制接口s d j s p 发出不同频率的方波实现的，频率越高，转速越高， 频率越低，转速越低。不同频率方波的产生是利用可编程定时器计数器8 2 c 5 4 的t i m e r 2 实现的。 将8 2 c 5 4 的t i m e r 2 设置为工作方式3 ，并写入不同的计数初值，就可以产生不同频率的方波。 8 2 c 5 4 的3 个t i m e r 各自可以有6 种工作方式，其中工作方式3 可以根据计数初值和脉冲输入 产生一定频率的方波。 6 第二章工业绣花机控制器的软件视图 写入 写入 控制字初值4 丽 r 厂一 c l k 几几几几几f 几几几几几几几几 g a t e o u r ln nl nl 2 2 2 2 ： 图2 - 38 2 c 5 4 工作方式3 f i g 2 - 3c o u n t e rm o d e3o f8 2 c 5 4 8 2 c 5 4 的工作方式3 工作原理【2 】：当g a t e 端加高电平时，写入控制字c w 和计数初值后，o u t 输出为高电平，经过一个c l k 时钟脉冲开始减法计数过程。当c r 中的初值n 为偶数时，减法计数 过程变为减2 计数，即每来一个c u ( 脉冲，c e 内容减2 ，则经过n 2 个c l k 脉冲后，c e 就为0 ， 使o u t 输出为低电平，同时又将c r 内容装入c e ，并继续减2 计数过程，又经过n 2 个c l k 脉冲 后，c e 又为0 ，使o u t 输出又变为高电平，如此重复上述过程，在o u t 端上就输出对称方波。当 c r 中的初值n 为奇数时，当o u t 输出由低变高时，c r 内容先减l 后再装入c e 中，然后对c l k 脉冲实行减2 计数，直到c e 为0 时输出o u t 不立即变低，而在经过一个c l k 脉冲后才变为低电 平，此时o u t 保持高电平的时间为( n 1 ) 2 + 1 个c l k 脉冲周期之和；当o u t 输出由高变低时，c r 内容减l 后再装入c e 中，然后对c l k 脉冲进行减2 计数，直到c e 为0 时立即使o u t 输出变为高 电平，所以o u t 保持低电平的时间就为( n 1 ) 2 个c l k 脉冲周期之和。重复上述过程，在o u t 端 输出的波形就近似为方波。 因此，向8 2 c 5 4 的t i m e r 2 写入不同的初值，就会改变o u t 2 输出方波的频率，从而改变主轴 的转速。8 2 c 5 4 是1 6 位器件，其计数初值需分2 次写入，先写低8 位，再写高8 位。 主轴变速代码如下： # ( k 疆i n c t i m e r 2 _ 8 2 5 3 _ a d d r ( * ( ( v o l a t i l ei n t 8 u ) 0 x x x x x x x x x ) ) t i m e r 2 _ 8 2 5 3 _ a d d r - - 0 x 2 1 ； 写入计数初值0 x 4 3 2 1 ， t i m e r 2 _ 8 2 5 3 _ a d d r = 0 x 4 3 ； 4 主轴电机的角度判断 工业绣花机与主轴电机相连的主轴杆的一端连接有光电编码器，主轴电机的角度判断就是通过 8 2 c 5 4 计算该光电编码器发出的脉冲来完成的。光电编码器有3 个输出信号端：a p l 、b p l 、o p l ， 其中a p l 和b p l 相位相差9 0 度，每转一圈两者各发1 0 0 0 个脉冲信号，每转一圈，o p l 发一个脉 冲信号。8 2 c 5 4 计算光电编码器的脉冲来确定主轴的角度。 8 2 c 5 4 的t m e r o 工作在工作方式0 ，t i m e r l 工作在工作方式1 7 江南大学硕士学位论文 写入 写入 控制宇 初值n = 5 一w r 厂 厂一 c l k 几几几几几n 几几几n 几 g a t e o u t 二 j inln nj n i 售i 三 詈i ! l ? i ：瞎l 图2 - 48 2 c 5 4 工作方式0 f i g 2 - 4c o u n t e rm o d e 0o f8 2 c 5 4 8 2 c 5 4 工作方式0 工作原理【2 4 】：当写入控制字c w 后，o u t 信号变为低电平。当将计数初值写 入计数初值寄存器c r 后，利用下一个c l k 脉冲的下降沿将c r 的内容装入计数执行单元c e 中， 再从下一个c l k 脉冲的下降沿开始，c e 执行减l 计数过程。在计数期间输出o u t 一直保持低电平， 直到c e 中的剩余计数值为0 时才能使o u t 变为高电平，并保持到重新写入计数初值或复位时为止。 在此方式中，g a t e 为高电平时开放计数，g a t e 为低电平时禁止计数。 写入写入 w r c l k g a t e o u t l n l n l n i n i nl ! i ! l ? l 0 i 嚣i ! l ! i 图2 - 58 2 c 5 4 工作方式1 f i g 2 - 5c o u n t e rm o d e1o f8 2 c 5 4 8 2 c 5 4 工作方式l 工作原理【2 】：当写入控制字c w 后，o u t 变为高电平，然后写入计数初值到 c r ，当g a t e 端产生一个由低变高的触发信号之后的下一个c l k 时钟脉冲信号的下降沿，才将c r 装入c e ，同时把o u t 端变为低电平，然后计数器对c l k 做减1 计数，o u t 端的电平将一直保持 到c e 中的数值为0 时再恢复到高电平。若在g a t e 端再一次产生由低变高的触发信号，则又将c r 内容装入c e ，重新开始计数过程。 由图2 1 看出，a p l 作为8 2 c 5 4 的c l k 0 信号，g a t e 0 信号同定接高电平，允许计数，计数 满后在o u t 0 输出信号。b p l 作为8 2 c 5 4 的c l k i 信号，o p l 作为g a t e l 信号，计数满后在o u t i 输出信号，每转一圈o p l 产生的脉冲都将t i m e r l 的计数初值重新装入，重新开始计数过程。o u t 0 和o u t l 相或后输出给l p c 2 2 1 4 的e i n t 3 ，作为中断。o u t 0 还连接到l p c 2 2 1 4 的p 3 2 8 ，l p c 2 2 1 4 接到e i n t 3 中断后先查p 3 2 8 ，若为高则认为是o u t 0 ，否则是o u t l 。 r 第二章工业绣花机控制器的软件视图 在e i n t 3 处理程序中，根据p 3 2 8 的电平确定是o u t 0 还是o u t i 发出了信号，并做响应处理。 由于断线检测准备、断线检测、针停下位和针离开布面都是在特定角度完成的，通过向8 2 c 5 4 的 t m i e r 0 写入不同的初值，然后计算a p l 的脉冲来实现对这些角度的检测。针触布面时是1 0 0 度位 置，用b p l 和o p l 来实现对其检测。 角度判断代码从略。 2 2 2 移框步进电机视图 由于步进电机的控制技术目前已经非常成熟，因此采用现成的步进电机驱动器，可以在保证可 靠性的前提下大大缩短开发时间，简化硬件电路设计。步进电机的控制脉冲由l p c 2 2 1 4 的片内定时 器发送，采用开环控制，通过光耦隔离变为高电平为1 2 v 的脉冲信号，直接发送到步进电机驱动器 即可实现对步进电机的控制幢引。 目前使用的步进电机驱动器有3 个信号输入端：c w 、c c w 和p d 。c w 和c c w 是定时器脉冲 输入端，当c w 输入脉冲信号且c c w 为低电平时，步进电机正转：当c c w 输入脉冲信号且c w 为 低电平时，步进电机反转。p d 是步进电机锁定信号。若p d 信号为低，则不论c w 与c c w 端有何 种信号输入，步进电机都不会转动，只有p d 信号为高时，步进电机驱动器才能对c w 与c c w 端的 信号作出反应。将p d 信号置低的动作称为开p d ，将p d 信号置高的动作称为关p d 。 。 ，l 一厂。 - i 光耦l - c c wx 。一。 刮x 方向移桫迸电机 定时器o 一r 一叫光耦卜- p dx 。一一一- j r 一一。 l c p 2 2 1 4 步进电机 一光耦卜_ i _ j c wy 驱动器 r 一1 一光耦卜_ c c wy 。 定时器l 一 r 一一 刮y 方向移框步进电机 一光耦卜_ p dy 。_ j r - i 光耦i - l 一i j 图2 - 6 移框步进电机硬件图 f i g 2 - 6h a r d w a r ec i r c u i to fs t e pm o t o r s 移框步进电机的软件视图有：启动、移动、停止三种。 步进电机的启动在软件上要做3 件事：配置定时器工作方式、开p d 和启动定时器。 步进电机的移动分为2 种，一种是移动预定距离，刺绣时步进电机带动框移动一针的距离就是 这种情况；另一种是一直移动，直到发生某种事件才停下来，比如用户按键盘移框，断电框恢复和 保护等都是这种情况。前一种情况可将移动距离保存在某变量中，在每走一个脉冲时都进入中断处 理程序，将变量减l ，一直到该变量为0 再_ 关闭步进电机。后一种情况则可在启动电机后，一直保 持步进电机运转，直到用户停止按键或绣框碰到限位开关等事件到来才关闭步进电机。 步进电机的停止在软件上也要做3 件事：关闭定时器、关p d 和将c w 、c c w 置为某特定电平。 在本系统中使用的步进电机驱动器，要求当步进电机停止运转时，c w 、c c w 引脚必须为低电平。 步进电机驱动示意代码从略。 9 江南人学硕士学位论文 2 2 3 拉杆和限位视图 拉杆和限位信号首先通过一个与门向a r m 处理器发出中断信号，a r m 处理器随后读取锁存器 的值，判断出是哪个信号，提供给中断处理程序。在锁存器的值中，每个信号各占l b i t 。其硬件示 意图如图2 7 所示。 图2 7 拉杆和限位硬件图 f i g 2 - 7h a r d w a r ec i r c u i to fd r a w b a r sa n dl i m i ts w i t c h 工业绣花机一般在机器下方安装一个数米长的拉杆，拉杆两端各装有一个行程开关。在绣框的 导轨的极限位置也装有行程开关，防止由于参数设置错误导致绣框超出刺绣范围。拉杆向左右拉， 以及绣框压到行程开关时都能产生中断信号。中断信号是开关闭合时产生的下降沿，因此在硬件设 计中将这六个中断信号合并，通过与门电路接到微控制器的一个中断管脚上这样可以节省宝贵的 中断资源。当有中断产生时，在中断服务子程序里扫描对应信号，判断具体是哪个行程开关产生的 中断1 。 通过判断硬件电路图，可以得知，当中断到来时，处理器l p c 2 2 1 4 读取锁存器的值，按位从低 到高分别是：左限位、右限位、上限位、下限位、左拉杆、右拉杆。 拉杆和限位判断代码如下： # d e f i n e o v e r _ j 瞄j e f l 1，左限位吖 # d e f i n eo v e rp o s _ n g h t2右限位， # d e f i n e o v e r _ p o s _ u p 4 ，上限位， # d e f i n e o v e r _ p o s d o w n 8下限位i # d e f i n e p o l c _ l e r o x l o左拉杆宰， # d e f i n e p o l e _ f i g h t o x 2 0，右拉杆 已在中断中读取了中断源，放在m a c h i ni n 缸pn u n l 中， i f ( m a c h i n _ i n t r p _ _ n u m o v 玎p o si 嘲 左限位 i f ( m a c h i n _ i n t i p _ n u m o v e rp o s g h t ) ，右限位 i f ( m a c h i n _ i n t r p _ n u m o v e r _ _ p o s _ u p ) 上限位， i f ( m a c h i n _ i n t r p _ n u m o w r _ _ p o sd o w n ) ，下限位， i f ( m a c h i n _ i n u p _ n u m & p o l c _ l c t t ) 左拉杆， i f ( m a c h i n _ i n t r p _ n u m & p o l e _ r i g h t ) 右拉杆 1 0 第二章工业绣花机控制器的软件视图 2 2 4 断线检测视图 绣花机正常工作时机器可自动检测到断线并停车报警。该功能在机械上是通过每个机头的挑线 簧实现的，当针下扎时，缠绕在挑线簧上的线绷紧，带动挑线簧离开挑线铜座，此时断线检测信号 为高电平，如果产生断线，那么挑线簧将始终接触铜座，断线检测信号为低电平嘶1 。因此在针下扎 带动跳线簧绷得最紧的时候，判断挑线簧有没有接触铜座就可以判定该机头有无断线了1 。 经过推算和测试，主轴在转动