基于ARM和μClinux的经纱张力控制嵌入式系统设计.pdf

第2 8 卷第l l 期 2 0 0 7 年¨月 纺织学报 J o u m a o1 b x 谢eR e 髓a r e h V 0 1 2 8 N 0 v N ol l 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7J 1 1 0 1 2 4 0 4 基于A R M 和p C l i n u x 的经纱张力控制 嵌入式系统设计 江益，张森林 ( 浙江大学电气工程学院，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要为提高织机速度和织物质量，利用A R M 嵌入式处理器s 3 c 4 4 8 0 x 的丰富硬件资源和嵌入式操作系统 “c l i n u x 的高实时、多任务等优点，设计了一种用较低成本完成所需控制功能的经纱张力嵌入式系统。从系统硬件 架构设计与实现、应用程序设计与实现等方面介绍了整个系统同时研究了张力的控制策略。系统能使控制的经 纱张力恒定，反应快速，控制精度高也很好地解决了开车痕等同题。结果表明，开发的系统性能优越，解决了一些 控制难点。 关键词A R M 微处理器；经纱张力；送经卷取；“c l ；织机 中图分类号：T P 2 7 3文献标识码：A E m b e d d e ds y s t e mf o rw a r pt e I I s i o nc o n t r o lb a s e d 伽A R Ma n d 吵C H n l a r c h i t e c t u r e J I A N CY i 。Z H A N GS e n l i “ ( c o 如俨矿肼帅静D 铆肘酬昭，矗咖n f 溉竹，乩哗矾眦，z 砘汹昭3 l0 【】2 7 。m i 胁) A b s t r a c tT 0i m p r o v el kl o o m ss p e e da 1 1 dt h 。q 1 1 a l i t yo ft e x t i l e s ，粕e m b e d d e ds y 咖mh w 唧I e I l s i o n w h i c hc a nf u m Ut h er 。q u i r e dc o n n o lf u n c t i 蚰a tac o m p a 眦i v e l yl o wc o s ti sd e s i 印e d ，t a l c i “ga d v a I l l a g 髂o f s 3 c 4 4 8 0 x s 五c hh a r d w a r er e s o u r c e s 锄de m b e d d e d 叩e r a t i “g8 y s t e mp c l i n u x ，sh i g I lr e a lt i m ea l l dm u l t i p l e t a 8 k s 1 h ed e s c p t ；o no ft h es y 目t 哪i n c I u d e sm ed e s i 粤l 帅di m p I e m e n t a t i o n0 fh a r d w a r ea r c h i t e c 呲，t h e d e s i g na di 呷l e r I l e n t a o no fa p p l i c 撕o “p r o g m m 卸dt h ek e e pm e t h o d “w m pt e n s i 叽c o n t m l hc 蚰k e e p w r a pt e n s i 佃c o n s l a 呲a n d 硒p 明f a s tw i t hh i g hp 珲c i s i o n I li se 3 s yt o e l i n l i n a t es t a n 眦r k sa n do t h e r p m b l e m s 硼1 er e H u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n h 0 1s y s t e mc a nB e m es o m ed i m c u I tc o n t r o lp 曲l e I 腿蚰dh 鹏 a d v a n c e dl h n c t i 佣8 K e y 啪r d sA R M ；w 8 r pt e n s i o n ；t a k e 一”p 蚰dl e t 一硪；弘C l i n u x ；1 0 0 m 张力是影响纺织品生产质量和产量的重要因 素。目前国内织机的送经卷取控制系统大多采用机 械控制，不能满足高档织机的要求；还有部分采用价 格昂贵的P L c 或工控机作为主控器的电送电卷控 制系统，成本较高；也有采用8 位或1 6 位单片机作 为控制器，电机采用力矩或步进电机，但只能适应低 速织机。因此，自主研发高性能电子送经卷取控 制系统以精确控制织机经纱张力，可以提高我国织 造业自动化水平及纺织产品质量。 本文采用A R M 嵌入式处理器和多任务操作系 统“c h “设计了经纱张力控制系统。 1 送经卷取控制系统整体方案 电子送经卷取控制系统主要是接收来自张力传 感器的信号需采用一定的经纱张力算法来控制送 经电机和卷取电机，以保持经纱张力在整个织造过 程中的动态恒定。图1 示出本文设计的经纱张力控 收稿日期：2 嘶一0 2 2 8修回日期：2 鲫一0 6 2 7 基金项目：浙江省科学技术厅重太科技攻关唾目( 2 0 0 5 c 1 1 0 0 5 ) 作者简介：江苴( 1 9 8 5 一) 男硕士生。主要研究方向为嵌八武最纯谩计。张森棒通讯作者，E - r n 且i l ：8 【d n g 司u e d u 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第l l 期江益等：基于A R M 和p c l i m 的经纱张力控制嵌人式系统设计 1 2 5 。 制系统的整体框架。 图1 系统整体控制结构 F I g t 1 羁m o I ec o n h 日lf m m e w o r ko ft h e 掣l e m 控制系统将传感器检测到的张力信号( 模拟量) 经A ，D 转换成数字信号，然后计算出1 个周期内张 力的平均值”。1 ，与主c P U 内设定的张力进行比较 并通过一定的控制策略演算，得到一定数量的脉 申 信号，以此控制A c 伺服马达运行、停车、转速控制 和转向等确保每个织造周期均送出恒定的经纱长 度，保证恒定的经纱张力。同时，通过串口与上位机 交换工艺参数和控制参数，通过非易失存储器实现 各种参数的掉电保护。 由于在织机主轴的1 个回转周期内，因开口、打 纬、送经、卷取的作用会引起张力的变化，为了防止 于扰性和采样器不稳定。采用在织机运转1 个周期 内连续采样1 2 次，把采样值的算术平均值作为本周 期内所得的张力值。 2 系统硬件架构设计与实现 系统主要包括主控制电路和外围接口电路2 部 分。主控制电路采用s 3 c 4 4 肿x 作为主控芯片。 图2 示出经纱张力嵌入式系统的硬件架构图。 图2 系统的硬件槊构图 F i s 2 H a r d w B 地h m 哪k0 ft h eB y B t e m 系统扩展存储器包括n 怂H 和s D R A M2 部分， F L A s HR o M 具有非易失性，并且可轻易擦写。系统 采用的F L 鸺H 的大小为2 M 字节，由lMx 1 6 位数 据宽度的s s l 3 9 v F l 6 0 1 组成。s 3 c 4 4 B o x 自带的4 K B v t e 的c A s H 是远远不够的，系统中扩展的外部数 据存储器使用的是4 M ×1 6 位带宽的型号为 H Y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 H G 的s D R A M ，大小为8M 字节H o 。 由于经纱张力控制系统在运行过程中，涉及到 比较多的工艺参数，掉电之前都需要保存，考虑到数 据的频繁写入，选用性能较好的铁电存储器 F M 2 4 c L l 6 作为从设备。 由于“肿自带的1 0 位A ，D 转换器的精度不能 满足要求，系统采用1 2 位带并行微机接口的逐次逼 近型模，数转换芯片A D l 6 7 4 。其内部结构更加紧 凑，集成度更高，而且可以使设计板面积大大减小。 因而可降低成本并提高系统的可靠性。它可实时地 采集各传感器的模拟参量，以进行快速、精确的数据 转换并传给c P U 进行处理。 经纱张力控制系统的输入信号主要有编码器接 口、按钮信号( 卷取正转反转、送经正转反转、送经卷 取同时正转) 、停卷信号等。经纱张力控制系统的输 出信号主要有张力过大过小、送经方向和脉冲、卷取 方向和脉冲等。在此不详述具体的连接线路。 3 经纱张力的控制策略 由于开口高度、打纬过程、织轴直径等部对张力 的波动产生影响，所以织机系统存在着非线性和不 确定性，常规的P 整定方法不能达到很好的控制 效果，针对控制对象，设计了基于R B F 神经网络的 内模控制方案。内模控制具有能兼顾稳定性与鲁棒 性。同时较易获得良好的动态响应等特点。较之其 它神经网络，R B F 的识别能力更强，训练时间也大大 缩短“。7 】。二者相结合，可改善系统的控制特性。 图3 为内模控制结构图。 设非线性对象的类型为 y ( + 1 ) = 九y ( ) ，y ( 一I ) ，y ( t n + I ) ， “( 七) ，( 七一1 ) ，H ( 矗一m + 1 ) ( 1 ) 式中，“为输入变量；y 为输出变量；厂为适当的非线 性函数；m 。n 是输入和输出y 的维数。取 m = n = 2 。目标输出就是织机对象I + l 时刻的输 出y ( + 1 ) ，因此织机对象类型为 y 。( + 1 ) = 一y ( t ) ，y ( 一1 ) ，u ( ) ， H ( 矗一1 ) ( 2 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark ·1 2 6 · 纺织学报第2 8 卷 图3 基于R B F 神经网络的内模控制结构图 n s 3 F m m w 砒o ft h ei T l l e m lc o n I m l e d R B F u r a ln m r k s 构造R B F 网络，取目标函数： 昱= 去 y ( 女+ 1 ) 一y 。( + 1 ) 2 ( 3 ) 通过一定的学习算法，逼近函数，( - ) ，完成动态系 统的建模，使y ( + 1 ) = y 。( t + 1 ) 。其中y ( + 1 ) 为网络输出。由图4 可看出，系统具有更好的性能。 时向，s ( b 1 基于R B F 神经罔络的内模控制 图4P I D 控村和神经网络控制阶跃响应效果比较图 F i g 4C o m P a 喀t l l er 髓L I l t0 ft l l e 曲叩8 d m 山t i n g b e c w e e nP I Dc o n 酬( 8 ) 柚d 嘴u 瑚呻t w o r bc o n I m l ( b ) 4 应用程序设计与实现 “c l ；n “是多任务操作系统，支持多线程是它作 为嵌入式系统的一大优点。经纱张力控制器是一个 典型的多系统，需要支持的功能有：与上位机的通 讯，张力传感器数据采集通过一定的控制算法来进 行张力调节，液晶显示，参数保存，按钮处理，张力错 误和通信错误处理等，系统主要中断有编码器外部 中断，2 个硬件定时中断。 4 1 应用程序的结构 图5 示出系统多线程软件设计框架。 图5 系统多线程软件设计框架 F 唔5 f h m e w o f ko f 触埘td e 毹伊0 ft km u l t ；血e a d ；T l g 管理线程P t h m a d M “ a r ( ) 是整个应用软件的 管理中心，协调控制着各个线程之间的分工合作。 其具体功能为：每当织机运行1 梭，也就是织机主轴 转过1 圈，编码器就会产生一定量的中断，每次外部 中断服务程序结束后，都会唤醒n h n e a d M a $ r ( ) 线程，P t h r e a d M a n 媚e r ( ) 对织机当前状态下转过的 圈数进行计数。如果当前是点动或开车状态时，织 机每转过l ，8 圈，唤醒A ，D 采样进程，进行张力传感 器数据采集；织机每转过4 圈，唤醒控制算法调节张 力进程。如果当前是慢车状态，并且是正反转状态 下，开启送经卷取电机。 数据采集线程和数据处理线程共享1 个缓冲队 列，数据采集线程向缓冲区中写入数据，数据处理线 程从缓冲区中取数据，但二者在使用缓冲区队列时 保持互斥，否则可能会导致在写入时产生数据覆盖。 在读取时得到错误数据。本文利用p I h r e a d 多线程 及其互斥锁、条件变量来实现。 送经卷取控制器和织机之间通过串口进行编程， 所以通信线程的编程就是调用串口驱动实现的一些 函数。关于驱动程序的设计这里就不详细介绍。按 捌譬盎掣廿 遥霉蓝蠡晕辞 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第l l 期江益等：基于A R M 和“c l i n u x 的经纱张力控制嵌入式系统设计 。1 2 7 钮处理线程主要实现织机的前后送经卷取等功能，工 艺参数保存线程实现数据的掉电不丢失等问胚。 4 2 系统与上位机通讯协议的设计 1 个帧的结构如图6 所示。 巨正丑咽： ：叵叵 图6 帧结构示意围 F i g ，6S k 肿c h 瑚p 硝t l l e h “蚌n m c 山他 倒数第2 个字符是奇偶效验位，对所有从控制 帧开始到数据结束的数据与o o H 进行x O R 计算。 正常情况下织机控制器( L c ) 每隔E 向张力控 制器( T c ) 发一个问询信号。T c 必须在乃内回答 L c 特定的信息帧，表明此张力控制器所处的状态。 如果L c 向T c 发一特定帧，T c 必须在L 内回答I J c 所要求的信息帧。T c 收到来自L c 的问询后在瓦 内回答L c 所要求的信息。它从不主动向L c 发送 信息。 整个通讯协议是按时间限r 。、疋、L 、托等 来严格控制，具体的时间问隔根据实际情况而定。 一个通信过程由3 个部分组成，它们是等待线路、数 据交换、释放线路。 5 实验结果分析 本文分别进行了一般P I D 控制方法实验和基于 R B F 神经网络的内模控制方法的实验。实验中，初 始张力为24 5 0N ，目标张力为31 5 0N 。得到的控制 曲线如图7 所示。 34 5 0 32 5 0 冬3 0 s 0 震 蒜28 卯 2 6 5 0 2 4 5 0 l23 4567891 0 1 l1 2 1 3 1 4 1 5 采样点 图72 种不同控制方法的张力响应匿 F 培7T e n 8 i o n 瑚p 0 I 啪c h a l t0 ft w 0d i 舱m e t n h n I e t I m 山 从图中可以看出，该系统超调量更小，响应速度 快，能保持经纱张力动态稳定，且能很好符合生产的 要求。 6 结束语 本文设计的控制器通过断经断纬补偿等方法可 解决开车痕问题，如采用对重新开车后开始织人的 1 0 根纬纱进行补偿。当改变织物的纬密或纱线的 张力时，无须调整或更换机械部件，因此电子送经和 卷取系统可以在织机允许的车速和纱线状况下保证 高质量的织造过程。该控制系统实时性好响应快， 张力保持动态恒定，且纬密精确，能满足高档织机的 送经、卷取要求，具有较高的性价比。此套系统将在 国内多家企业获得生产应用配套的嵌入式织机控 制系统也将在现场获得应用。# 器( 碡 参考文献 朱海民。张森林基于”c ，o s 和A R M 的经纱张力嵌入 式智能控制系统设计 J 机电工程2 0 0 6 2 7 ( 4 ) ：9 1 2 陈宗农，蒋振磊，詹建潮，等基于P 比的电子送经和 电子卷取控制系统C J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 0 ) ：1 0 2 一 1 0 4 z h 删Q i l m “g ，H eY g 一，G u os h “，e td D s P - b a B e d i l l 忙i g 鲫t 旭啊；c 佃t I o u c r c ，H 讪D e m 时M k 聃y 邸e D 细dP a c k 硒n gM dc o n I p o m mF a i l u mA I l a l y 豳， 2 0 0 5c o n 6 I l c e 8 ，1 ： s n ，2 0 0 5 ：l 一4 田泽嵌入式系统开发与应用 M 】北京：北京航空航 天出版社，2 0 0 5 ：3 7 4 5 0 7 陆洪斌织机智能控制系统控制策略研究 D 杭州： 浙江大学，2 0 0 6 w a gc h u I l x i 叽g ，W 8 n gY o “字h a n g ，Y 蚰gR u q ；唱，e ta 1 R e 醴础o np r 郫i B 岫l 删面o nc o n t de y 栅h 蔓L B e d n e 啉l n e t w 耐【 J I E E ET r 卸呲i 岫8 仰h l d u m i a lE l h 锄i c B ， 2 0 0 4 。5 l ( 2 ) ：3 8 l 一3 8 6 j 姗| b S I I 且曲F 肿u “ f u 盘y8 y s l e mf o rl p e rt e m i 呻 。0 n 扭d m 坤u i B gH d l l B J c 佣咖IE ，l g i n 咖n gP h c 妇 删，1 3 ( 1 ) ：1 一1 3 1 2 3 4 5 6 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark