基于LPC4357的嵌入式電腦棉襪機控制系統(tǒng)設計

呂雙慶,張團善,胡秀芳,張 峰,楊楠楠

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

嵌入式高速電腦提花棉襪機作為我國輕工針織業(yè)一種重要的織襪設備,是集合了計算機技術(shù)、電子技術(shù)、針織技術(shù)、機械加工技術(shù)于一體的高度自動化的棉襪針織機械[1].世界上著名的電腦棉襪機生產(chǎn)企業(yè)有意大利羅納蒂、圣歌、韓國兄弟等,以上公司生產(chǎn)的電腦棉襪機代表著當今世界棉襪機的最高水平.其中意大利的羅納蒂公司牢牢占據(jù)著棉襪機械生產(chǎn)加工的高端市場.國內(nèi)的輕工業(yè)由于起步較晚,導致目前國產(chǎn)棉襪機的電控系統(tǒng)在穩(wěn)定性、擴展性、可移植性等各個方面同國外同類產(chǎn)品相比存在較大差距,很多棉襪機械生產(chǎn)廠家為提高產(chǎn)品質(zhì)量直接從國外購買成套電控系統(tǒng),因此研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的棉襪機電腦控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當務之急[2].

本設計以Cortex-M4架構(gòu)的32位工業(yè)級處理芯片LPC4357作為主控制器,以ARM Cortex-M0內(nèi)核的32位微處理器STM32F072RBT6作為CAN總線在選針驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、步進和伺服驅(qū)動板上的從節(jié)點控制器.LPC4357作為主控制器不僅主頻高達204MHz,而且自帶的LCD控制器不再需要擴展其他LCD控制芯片;STM32F072RBT6工業(yè)級處理芯片帶有一個CAN通信接口且性價比極高.設計改變了原來主控板及所有驅(qū)動板都密集地放置在一個機箱并通過復雜的線纜連接驅(qū)動部件的現(xiàn)狀，把所有驅(qū)動模塊和其所驅(qū)動的部件放在一起,CAN總線只需兩根線纜即可實現(xiàn)主控板和驅(qū)動板之間的通信,結(jié)構(gòu)更為簡單,接線更為便捷,從而構(gòu)建出一個全新的電腦棉襪機控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

本文提出的電腦棉襪機控制系統(tǒng)采用三級遞階控制系統(tǒng),包括組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級[4],結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.LPC4357主控制器作為控制系統(tǒng)的組織級,是CAN分布式控制系統(tǒng)的主節(jié)點.組織級主要實現(xiàn)人機接口、數(shù)據(jù)存儲、花型數(shù)據(jù)處理、針筒的針位檢測、CAN總線網(wǎng)絡管理等工作.STM32F072RBT6處理器作為控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級,是CAN分布式控制的從節(jié)點,接收從組織級發(fā)送來的數(shù)據(jù),產(chǎn)生動作數(shù)據(jù)去控制相應的執(zhí)行部件,同時也將該功能模塊的重要運行參數(shù)發(fā)送給組織級.執(zhí)行級根據(jù)協(xié)調(diào)級給定的動作數(shù)據(jù),通過各個功能模塊的驅(qū)動電路控制選針器、氣閥、針筒伺服電機、步進電機等執(zhí)行部件的動作.

系統(tǒng)上電后,主控制器首先讀取鏈條文件和花型文件數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)的提取和分離后生成系統(tǒng)所需的編織控制數(shù)據(jù),將這些控制數(shù)據(jù)通過LPC4357的兩個CAN模塊發(fā)送給相應的功能模塊.編織控制數(shù)據(jù)包括針控制數(shù)據(jù)和圈控制數(shù)據(jù),其中針控制數(shù)據(jù)主要為選針控制;圈控制數(shù)據(jù)包括編織循環(huán)圈數(shù)、步序號、伺服電機數(shù)據(jù)、吸風電機數(shù)據(jù)、升降電機數(shù)據(jù)、壓針電機數(shù)據(jù)、三角控制數(shù)據(jù)、送紗電機數(shù)據(jù)、紗嘴控制數(shù)據(jù).當功能模塊收到相應的控制數(shù)據(jù),并在針同步命令信息幀和圈同步命令信息幀的觸發(fā)下發(fā)出相應的動作信號給執(zhí)行機構(gòu)[5].針筒伺服電機控制節(jié)點收到速度指令后,電機轉(zhuǎn)動并直接給主控制器反饋針位信號.主控制器收到反饋信號后,判斷當前針筒針位,再根據(jù)針位把相應的編織控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各個執(zhí)行機構(gòu),從而控制各個執(zhí)行機構(gòu)進行相應動作.考慮到棉襪機的高轉(zhuǎn)速細針距,無法實現(xiàn)每經(jīng)過一個針位主控制器就給每個選針器發(fā)送選針數(shù)據(jù),于是本設計采取主控制器預先發(fā)送三圈的花型數(shù)據(jù)緩存到選針器控制節(jié)點處理器的內(nèi)存中,當收到針同步信號后再將花型數(shù)據(jù)進行簡單計算后產(chǎn)生選針數(shù)據(jù)去控制選針器工作.

圖1 嵌入式電腦棉襪機控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 設計要求

設計的棉襪機機型參數(shù)如下:針筒直徑為102mm(4″),針數(shù)96N,6個電磁選針器,提花速度400r/min,最高轉(zhuǎn)速600r/min,具有4路提花功能,每路16級電子選針都有三功位(成圈、集圈、浮線)選針功能.每行可織入一個主色和4個輔色,每一只襪可織入16個顏色.同時設計7寸(800*480)LCD顯示界面,移植emWin圖形庫提供有效、穩(wěn)定的圖形用戶界面.可編織的花紋和組織為平紋網(wǎng)眼、斜紋網(wǎng)眼、添紗提花、提花圖案等,可生產(chǎn)的棉襪類型為短襪、運動襪等.

2.2 控制對象

電腦棉襪機是通過傳動系統(tǒng)、送紗系統(tǒng)、編織系統(tǒng)和密度系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)動作進行編織的,因此主要的控制對象為氣閥、步進電機、選針器、交流伺服電機等,這些執(zhí)行機構(gòu)配合檢測單元產(chǎn)生的信號來完成編織所需的各個特定動作[3].整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)包括:1個針筒伺服電機,4個步進壓針電機,4個送紗電機,1個步進生克電機,1個步進升降電機,1個步進吸風電機,6組16級的電磁選針器,64路氣閥輸出.

2.3 設計過程

由于本課題需要控制的執(zhí)行機構(gòu)較多,僅選用帶有一個CAN控制器的芯片無法完成任務,故選擇LPC4357特有的雙CAN控制器作為整體控制的基礎,以此實現(xiàn)整個電控系統(tǒng)的各個執(zhí)行機構(gòu)之間的任務調(diào)度、管理和通信.

嵌入式高速提花電腦棉襪機的主控程序主要包括多任務程序調(diào)度和中斷服務程序響應,其中多任務程序包含了初始化任務、菜單任務、編織任務、異常處理任務、顯示任務等[6].這些控制任務有優(yōu)先級別高低之分,為了確保控制程序的最優(yōu)實現(xiàn),就需要合理安排各個任務之間的調(diào)度關系和優(yōu)先級順序,任務優(yōu)先級列表如表1所示.另外，中斷服務程序包括伺服編碼器捕獲中斷、觸摸屏輸入中斷、鍵盤輸入中斷、CAN接收中斷、定時器中斷等.系統(tǒng)上電后,首先執(zhí)行主函數(shù),進行LPC4357的系統(tǒng)初始化、LCD顯示初始化、管腳配置等,之后進行功能模塊配置并快速復位,然后創(chuàng)建初始化任務.運行初始化任務,繼續(xù)進行一系列初始工作,把配置信息、花型文件、鏈條文件等從Flash區(qū)拷貝到內(nèi)存并完成數(shù)據(jù)解析,之后創(chuàng)建菜單任務和顯示任務,完成初始任務之后開始進入圖形界面主菜單,準備運行菜單任務,此時等待用戶輸入,可進行參數(shù)設置和系統(tǒng)測試,同時界面顯示任務包括棉襪機運行狀態(tài)的人機界面顯示和觸摸屏、按鍵的處理.待系統(tǒng)設置完畢,用戶選擇開始編織,則創(chuàng)建編織任務和錯誤處理任務,并掛起菜單任務.編織任務開始運行后進行棉襪機的編織控制,一旦編織控制任務檢測到錯誤就會立即停機并掛起編織任務,同時記錄下錯誤類型并顯示到液晶屏幕上,等待用戶進行相應的錯誤處理,待錯誤處理完畢后重新操作,再一次開始運行編織任務.編織完畢后掛起編織任務,重新運行菜單任務.

主控制器LPC4357基于ARM Cortex-M4核設計,M4內(nèi)部的NVIC(可嵌套向量中斷控制器)可及時控制系統(tǒng)的異常及外設中斷,擁有8個可編程的中斷優(yōu)先級,最多可實現(xiàn)52個中斷.

表1 多任務及優(yōu)先級列表

3 功能模塊設計

3.1 顯示及觸摸控制模塊

顯示控制模塊由主控制器LPC4357和7寸LCD液晶屏組成,LPC4357內(nèi)部的LCD控制器提供了顯示分辨率可編程的功能,可控制LCD液顯屏的分辨率，包括但不限于:320×200、320×240、640×200、640×240、640×480、800×600 和1 024×768,所以本設計中所使用的7寸液晶屏為點陣800×480LCD完全適用.LCD控制器提供了用于訪問幀緩沖區(qū)的AHB總線主機接口,通過單獨的AHB從機接口來進行設置和控制.LPC4357固有的LCD中斷連接至NVIC編號為7的中斷插槽,使應用于類似應急停車的系統(tǒng)響應更為方便快捷.7寸液晶屏型號為AT070TN92,使用16位像素點數(shù)據(jù)格式即RGB565來控制LCD的液晶顯示,通過TSC2046芯片控制觸摸屏.

3.2 伺服電機控制模塊

由于棉襪機針筒轉(zhuǎn)速高且針距細密的特點,其最高轉(zhuǎn)速為600r/min,針距為1.0mm,因此對伺服電機的控制速度、精度和穩(wěn)定性都提出了嚴格的要求,伺服電機控制技術(shù)是否能滿足要求直接決定了電控系統(tǒng)能否成功.伺服驅(qū)動節(jié)點收到主控制節(jié)點發(fā)送來的速度指令,然后通過STM32F072RBT6單片機內(nèi)部的高級定時器生成六路PWM信號驅(qū)動交流伺服電機的驅(qū)動電路,再通過編碼器將反饋信號傳回主控制器進行位置閉環(huán)控制,實現(xiàn)了棉襪機針筒位置的控制.

3.3 步進電機控制模塊

本棉襪機共需4種步進電機,其中，升降電機用于控制針織密度,生克電機用于提高編織速度和質(zhì)量,吸風電機用于吸風控制,每路都有一個壓針電機控制彎紗深度.另外采用積極送紗方式,每路配置一臺KTF(紗線張力控制器)控制紗線的張力,雖然KTF內(nèi)部為步進電機,但KTF內(nèi)已集成步進驅(qū)動模塊,因此主控制器僅向KTF發(fā)送控制信號即可.

步進電機控制芯片同樣為STM32F072RBT6,驅(qū)動芯片采用BD63860,每個步進電機CAN節(jié)點收到報文后讀取步進電機控制數(shù)據(jù).步進電機采用的都是兩相步進電機,為了實現(xiàn)步進電機速度和位置的精準控制,通過STM32內(nèi)部定時器產(chǎn)生方向信號和脈沖信號發(fā)送給BD63860,進而產(chǎn)生驅(qū)動電流帶動步進電機轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)步進電機位置和速度的精準控制,步進電機控制原理圖如圖2所示.

3.4 選針器控制模塊

本設計中選針器采用電磁式選針器,通過電磁鐵的極性變化來控制選針器選針.使織針分別運行在不同的軌道,即用抄針法完成選針[7].本課題的棉襪機控制系統(tǒng)有6路成圈系統(tǒng),采用6個16級的選針器,一共96個選針刀片.每個選針器分離并采用獨立驅(qū)動控制,驅(qū)動芯片為STM32F072RBT6,與總控制器LPC4357采用CAN總線進行通訊,共需6個CAN節(jié)點.電磁選針器的工作原理為通過改變選針器線圈電流的方向來改變磁場方向,進而改變選針刀片的動作.

以前的選針器驅(qū)動模塊集合在一塊電路板上,由于選針器需要控制的選刀刀片較多,導致所需驅(qū)動I/O口眾多,96個選針刀片共需要192路控制信號來控制電磁線圈,不僅需要擴展單片機的I/O口,還導致選針器驅(qū)動模塊與選針器之間的接線繁雜.本設計的選針控制方案使每個選針器都單獨“霸占”一塊驅(qū)動,作為一個CAN節(jié)點接收主節(jié)點傳送來的花型數(shù)據(jù)進行處理后生成選針數(shù)據(jù),然后將選針數(shù)據(jù)直接通過STM32F072RBT6生成控制MOS管通斷的信號進而控制電磁線圈、選針刀片,完成選針.STM32F072RBT6直接控制MOS管通斷進而控制選針刀片的原理圖如圖3所示.

圖2 步進電機控制原理圖 圖3 選針器控制原理圖

3.5 氣閥驅(qū)動模塊

氣閥的控制與電磁鐵的控制原理相同,都是采用電壓驅(qū)動方式.本設計方案的控制系統(tǒng)一共需要驅(qū)動64路氣閥,每個控制氣閥的CAN節(jié)點也是負責16路輸出,所以整個氣閥控制系統(tǒng)共需要4個氣閥控制CAN節(jié)點.氣閥控制CAN節(jié)點收到控制數(shù)據(jù)后將氣閥動作數(shù)據(jù)發(fā)送到相應的氣閥輸出口,考慮到氣閥電磁線圈的過流保護,在設計時對電磁線圈電流進行采樣之后傳入控制氣閥的單片機進行過流檢測,當發(fā)生過流時相應的單片機進行報警并可將檢測結(jié)構(gòu)通過CAN總線傳回主控制器.

3.6 傳感器輸入模塊

傳感器輸入模塊通過CAN總線連接到主控制器,接收主控制器發(fā)送來的讀取信號,回傳當前各個傳感器的狀態(tài).傳感器輸入信號包括:針筒伺服電機編碼信號、哈夫圈同步信號、供油系統(tǒng)檢測信號、氣壓檢測信號、手柄檢測信號、針舌探針檢測信號、斷針探針檢測信號、三角位置檢測信號、KTF(紗線張力控制器)檢測信號、出襪檢測信號、廢紗檢測信號,除伺服電機編碼器外總共有26路數(shù)字量傳感器輸入信號,用于檢測針位的伺服電機編碼信號則直接由主控制器通過中斷方式獲取.

4 結(jié) 論

(1) 設計的基于雙CAN控制器LPC4357的嵌入式電腦棉襪機控制系統(tǒng)采用分布式遞階控制系統(tǒng),充分發(fā)揮了棉襪機對各種襪型花型針織工藝的處理功能,簡化了控制流程,增強了系統(tǒng)的靈活性,同時節(jié)約了成本.

(2) 通過CAN總線的應用提高了控制系統(tǒng)的可靠性和實時性.實踐證明,這是一種合理有效的控制系統(tǒng)設計.

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