基于单片机的新型提花机控制器.pdf

第2 8 卷第7 期 2 0 0 7 年7 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 7 J u l 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 7 0 1 1 2 0 4 基于单片机的新型提花机控制器 孙雷，卢建刚，孙优贤 ( 浙江大学工业控制技术国家重点实验室，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要为解决基于单片机的电子提花机所面临的问题，提出一种新的基于单片机W 7 8 E 5 1 6 B 的嵌入式提花机控 制器，包括硬件电路和单片机软件。分析了控制器实际中遇到的及可能遇到的技术问题，提出相应的对策。用u 盘代替软盘输入花样数据，解决了花样纬数受限制的实际问题。控制器实现了意外停机保护功能，且意外停机后 可以快速恢复生产，文件管理系统经过反复拷贝删除也不会产生碎片。经在多家工厂运行，结果表明使用该控制 器的提花机动作简洁、准确。 关键词提花机；控制器；单片机；u s B ；文件管理 中图分类号：啦7 3 文献标识码：A An e wk i I I do fj a c q 腑r dc o n t r o l l e rb a s e do nM C U S U NL e i ，L UJ i a I l g a n g ，S U NY o u ) 【i a n ( 砒呵肠6 D m 幻删w c 啦Z m r D z ，l o 蛔，劢巧缸n g 讹M 毋，月矗n g z b u ，z 蚝洳昭 3 1 0 0 2 7 ，吼i 耽) A b s t r a c tI no r d e rt os o l V et h ep r o b l e m sc o n f r o n t e di nd e s i g n i n gt h ej a c q u a r dM C Ub a s e dc o n t m U e r ，an e w m e t h o di sp r e s e n t e dt od e V e l o pj a c q u a r dM C UW 7 8 E 5 1 6 Bb a s e dc o n t r 0 1 l e r ，i n c l u d i n gh a r d w a I ea n ds o f t w a I e B o t ht h ee n c o u n t e r e da n dp o t e n t i a lt e c h n i c a lp r o b l e m si nt h er e a l i z a t i o no ft h ec o n l r o l l e ra r ea n a l y z e d ，a n d c o I T e s p o n d i n gm e a s u r e sa I _ ep m p o s e d B yr e p l a c i n gt h et m d i t i o n a ln o p p yd r i v ew i t hU S Bi n t e I k e ，t h ep I o b l e m 0 fw e f tn u m b e rr e s t r i c t i n gt h ep a t t e mi ss o l V e d F u r t h e H n o r e ，o u r 印p r o a c hc a np m t e c tt h ed a t aa tu n e x p e c t e d s h u t d o w n ， s ot h a ta f t e ra na c c i d e n ti tc a nm a k er a p i df e s u l p t i o no fp m d u c t i o n ，a n dp I D d u c e sn os c r a pf i l ei n s p i t eo ff b q u e n td e l e t i o na n dc o p y ，w h i c hi se n s u r e db yt 1 1 e6 l e sm a n a g e rs y s t e m T h i sc o n t r o U e rh a sb e e np u t i n t o 叩e m t i o ni ns e v e r a lI I l i U s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t “w o r k ss m o o t h l ya I l da c c u m t e l y K e yw o r d sj a c q u a r d ；c o n t r o l l e r ；M C U ；U S B ；f i l e sm a n a g e r 电子提花机揉合了现代电子技术，配合凸轮式 提针结构实现了高速无纹板提花¨2 1 。由于其结构 简单，速度高，质量好，在国内外已得到广泛应用。 当前以英国B o n a s 、法国s t a 杜b l i 、德国G m s s 公司研制 的产品最具代表性，但价格昂贵。国产提花机多使 用单片机控制，也有采用嵌入式方案或直接P C 机 控制方案¨o ，但因其功能和稳定性无法与国外同类 产品相比，磁盘输入方式时间太长，电子盘因反复操 作产生碎片，而有待改进。 为解决国产提花机的上述问题，本文提出了一 种基于单片机的新型提花机控制器。它用u 盘代 替软盘实现花样的快速输入，同时也解决了花样纬 数受限制的问题。控制器可与P C 机通讯，并可根 据需要实现车间联网。花样存储采用n a s h 电子盘， 数据不易丢失且容易扩展，新的文件管理系统使电 子盘不会产生碎片。通过软件技术实现了从花样信 息的提取、存储、传输、校验、输出等一系列功能，而 且提花方式可以任意组合，可与6 7 2 针、l3 4 4 针、 26 8 8 针的各种型号有梭、无梭织机相配套，从而降 低了生产成本，提高了工作效率，大大提高了纺织提 花控制系统的数字化水平。 收稿日期：2 0 0 6 1 0 0 7修回日期：2 0 0 7 一0 2 1 2 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 6 0 5 7 4 0 1 9 6 0 4 7 4 0 4 5 ) ；浙江省院士基金资助项目( 2 0 0 5 A 1 0 0 1 1 3 ) 作者简介：孙雷( 1 9 8 0 一) ，男，硕士生。研究方向为嵌入式系统、机器学习、复杂工业过程控制系统等。卢建刚，通讯作者， E m a i l ：j g l u i i p c z j u e d u c n o 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第7 期孙雷等：基于单片机的新型提花机控制器 · 1 1 3 · 1 设计思想及工作原理 提花机控制器的设计思想：通过u 盘接口把花 样信息读入控制器或者控制器上的n a s h 电子盘，花 样信息中包含经纱上下、纬纱颜色以及布匹走动的 信息。通过单片机及扩展接口输出这些信号以驱动 继电器和电磁阀，从而实现对提花机龙头和织机的 控制。 如图l 所示，利用单片机向龙头送出时钟 ( c l k I ) 、数据( D a t I ) 、数据锁存( s t d ) 和输出使能 ( 0 e n I ) 4 路信号。数据信号就是龙头上用于控制经 纱上下的信号，锁存信号在信号没有输出之前将数 据锁存。为检验传输的准确性，将数据再读回来 ( D a t 0 ) 与原数据比较无误或龙头给出可输出信号 ( O p 珊) 后，单片机送出选色( 即控制纬纱颜色的信 号) 及使能信号( O e n I ) ( 即输出龙头数据信号) 以实 现对经纱的控制，从而使龙头和织机配合完成一梭 工作。当系统确认龙头和织机处于正常后，即进入 下一梭的运行。 1 1 ：! D a ! ! ：! a k I 宙 ! ! ：! s t r I 崎 旦! ：Z o e n I-转成 高 爱 差分 富 信号 阡 图1电子提花的工作原理和过程 F i g 1w o r k i n gp r i n c i p l e 粕dp m c e s so fj a c q u a r d 2 控制器硬件设计 本文主要介绍主控板、串口通讯以及u 盘接 口，其余可参见文献 4 。 2 1主控板 以往电子提花机控制器运行不稳定的主要原因 是接触器点火干扰，线路驱动能力不足等H 1 。据此 设计新型控制器，控制电路板简图如图2 所示。 采用w 7 8 E 5 1 6 B 作为主控制板的C P u 是一种低 功耗、高性能、与8 9 C 5 2 完全兼容的8 位微处理器， 负责与P C 机通信，处理外部信息，显示机器状态， 提供提花数据。c P u 内部的6 4Kn a s h 作为程序存 图2 控制电路板简图 F i g 2 C o n t m lc i r c u i tb o a r dd i a F a m 储器，另扩6 22 5 6 作为数据R A M ，利用1 3 8 扩展3 2M B I Tn a s h 电子盘用来存储花样。通过7 4 L S 2 4 5 ( 1 ) 控 制外部花样存储电子盘的读写方向，同时也提高数 据端口驱动能力的要求。通过1 3 8 ( 2 ) 对键盘、液 晶、u 盘接口以及2 片8 2 5 5 进行片选。7 4 L S 2 4 5 ( 2 ) 的 作用主要是提高驱动能力。2 个82 5 5 芯片用于扩展 颜色卡、扩展地址口、龙头保护接口、状态指示口和 数据检验接口¨o 。 2 2 串口通讯 为实现与P c 机的通讯，电平转换芯片采用 M a x i m 公司的R s 一2 3 2 发送接收器M 1 。利用此通讯 端口，可通过P c 机对提花机进行实时监控，并可与 工厂的局域网连接，以实现提花机群控制系统的网 络化。 2 3U 盘接口 为解决花样传输过慢及纬数受限问题，花样输 入由传统的软盘改为u 盘输入，控制芯片是c H 3 7 5 。 C H 3 7 5 是一种u s B 总线的通用接口芯片，可以方便 地挂接到单片机的系统总线上。在u s B 主机方式 下，c H 3 7 5 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、 串行输出和中断输出与单片机连接。 由于u s B 支持动态插拔，u 盘内部都有电源退 耦电容。当u 盘刚插上时，由于电容两端电压不能 突变，所以导致主机端的电源电压v c c 突降，这个 突降过程虽然可能只有几十微秒甚至几百纳秒，但 一旦被C H 3 7 5 或u P 监控电路检测到，就会被当作 电源上电或下电，从而导致c H 3 7 5 和单片机复位。 为解决这个问题，采用了2 项措施：在u 盘与u S B 插座之间加入u S B 延长线，当u 盘通过u s B 延长线 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · 11 4 · 纺织学报第2 8 卷 插入时，由于延长线本身的寄生电阻及电感，从而减 少了对主电源的影响；在U 盘口的电源端并联较大 的储能电容，在u 盘刚插入时提供足够的瞬时电 能，减少对电源电压的影响。在实际应用中，采用了 4 7 0 “F 的钽电解电容。需特别指出的是，虽然普通 电解电容的容量更大，但其寄生电感较大，不能提供 足够的瞬时电能。 2 4其它 为进一步提高可靠性，利用M A x 8 1 3 给单片机 ( a ) 主程序流程示意图 安装了“看门狗”，此外，还在硬件上给R A M 装了电 池，以便实现断电保护功能。 3 单片机软件设计 控制器主要程序流程示意图见图3 。有关内容 可参见文献 4 ，本文主要介绍文件管理系统及u 盘接口驱动程序。 文件管理系统实现了包括u 盘文件的读姆作 世 麟 挺 撑 读取U 盘花样 选定生 产花样 删除电子 盘花样 格式化 电子盘 操作结束 ( b ) 花样操作子程序 流程示意图 ( c ) 设置子程序流程示意图 审7 一 I 端 洲 结束 ( d ) 测试子程序流程示意图 ( e ) 运行子程序流程示意图 图3 程序流程示意图 F i g 3 P r o g r 8 mn o wd i a g 姗( a ) M a i np r o 归n ；( b ) 0 p e r a t i o ns u b p r o g r a m ；( c ) s e t t i n gs u b p m g r a m ； ( d ) T e s ts u b g r o g r a m ；( e ) R u n i n gs I l b p m g r a m 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第7 期孙雷等：基于单片机的新型提花机控制器 · 11 5 · 以及F l a s h 文件的读、写和删除操作。鉴于目前u 盘相对于电子盘容量都是足够大的，暂没有支持对 u 盘的写入和删除操作。由于C H 3 7 5 已经内置u s B 海量存储设备的部分协议，u 盘相关的外部程序非 常精简。控制器使用由供应商提供的精简子程序库 及自编的代码只占7k B 空间，占用9 0 字节的内部 R A M 和5 1 2 字节的外部R A M ，支持F A T l 6 文件 系统。 电子盘管理方式设置：将4 M 字节的n a s h 分成 6 4 块，每块分成2 5 6 页，每页为2 5 6 字节。第0 块用 来存放整个文件系统的除文件具体内容以外的各种 信息。其中，第0 3 页用来存放文件名、大小和存 放位置，每个文件占用1 6 个字节；第4 7 页存放 r o o t 表，即存放文件具体在n a s h 中占用了哪些块， r o o t 表中每个文件也是占用1 6 个字节；第8 页存放 u s e d 表及文件总数，即标记哪些块已被占用。u s e d 表只用了第8 页的第0 。6 3 个字节，每个字节代表1 块，0 表示空，1 表示占用，第6 4 个字节存放文件总 数。文件具体内容则由第1 块开始存放。u s e d 表 中第0 字节始终为1 ，且在程序的操作中采取了保 护措施，目的是防止其被误写为0 而使第0 块数据 遭到破坏。在对n a s h 进行写或删除操作时，每次须 将操作数据所在页先全部读到R A M 中，在R A M 中 执行所需操作后再写入原来所在页，这是由电子盘 所用芯片本身决定的。 系统对文件数目和单个文件大小都有限制，即 文件数不能超过6 4 ，单个文件不能超过1M 。在实 际应用中这些已足以满足绝大多数情况的需求，且 用户还可以选择直接从u 盘读数据进行提花作业， 从而避免了上述限制。 4 运行结果与分析 在排除电磁干扰及机械方面的问题后，将提花 机控制器连续运行7 2h ，并反复进行各种操作测试， 均未发现异常，。运行结果令人满意。与国内外同类 产品相比，新型控制器运行稳定，功能完善。所控制 的提花机动作简洁、准确；u 盘输人数据大大提高了 输入速度和存储容量。与传统控制器的比较数据见 表l 。 表l 传统控制器和新型控制器参数对照表 T a b 1 C o m p a r eb e t w e e nt r a m 廿佃a la n dn e wj a c q 岫r dc o n t r o l I e r 控制器 花样拷贝时间羹蒿薷 错梭率 集銎耋萎蓁季 传统控制器约5 I l l i n ，1 0 0K有约I ，1 00 0 0 无 是 新型控制器小于0 2s ，2 4 0K 无 约l ，l o oo o O 有否 5结语 本文研制的新型提花机控制器工作温度为 一5 4 0 ，工作湿度小于9 0 ，无凝结，工作电源 为2 2 0V 、5 0H z 正负1 0 ，接地电阻小于4Q ，防尘 防水是按照I P 5 4 规定。该产品经多家用户的现场 运转，可广泛用于各种织机。黼 参考文献： 1 P h i l l i ps t a n l e yM a r b e U ， R a d uM a r c u l e s c u M o d e l i n g ， a J l a l y s i s ， a n ds e l f - m 粕a 嚣e m e n to fe l e c t r o n i ct e x t i l e s J I E E E7 r r a n s a c t i o n so nC o m p u t e r s ，2 0 0 3 ，5 2 ( 8 ) ：9 9 6 1 0 1 0 2 D i a n am a r c u l e s c u E l e c t r o n i ct e x t i l e s ：ap l a t f 0 瑚f o r p e n r a s i v ec o m p u t i n g J P m c e e d i n g so ft h eI E E E ，2 0 0 3 ， 9 1 ( 1 2 ) ：1 9 9 5 2 0 1 8 3 沈炜，王弋，王伯奇通用电子提花机控制系统设计 方案 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 5 ) ：1 1 3 1 1 4 4 项功宏，陈奇基于单片机的提花机控制系统的设 计 J 机床与液压，2 0 0 5 ( 1 2 ) ：1 5 3 一1 5 5 5 张培仁基于c 语言编程的M C s 5 l 系列单片机原理 与应用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 3 ：7 3 1 0 5 6 M a r kN e l s o n 串行通信开发指南 M 北京：中国水 利水电出版社，2 0 0 1 ：3 6 8 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark