自動刷花機的嵌入式控制系統設計

陳益飛

CHEN Yi-fei

（鹽城工學院，鹽城 224051）

1 概述

刷花機是在研究多種運動合成的基礎上開發生產的毛絨后整理設備。刷花是利用鏤空花紋滾筒內的毛刷不停地轉動，對正在加熱的熱塑性纖維絨面進行刷或壓的處理，達到使絨面呈現凹凸分明的立體毛茸花紋。適用于化纖、混紡織物、長毛絨、絲絨及短毛絨的梳毛及刷花后處理。毛絨表面經刷花定型后形成各種規格的花紋，美觀大方，且不易變形。

刷花機控制箱的發展是伴隨著嵌入式技術的發展而不斷發展的。在單片機的時代里，出現了單片機實現的控制箱，但隨著企業要求的提高，如性能、穩定性、界面等問題，單片機己經不能滿足用戶的需求，隨著嵌入式的發展，32位的嵌入式處理器被廣泛應用，因此我們所做的基于ARM S3C2410控制系統。自動刷花機正是在這一背景下產生的，它解決了微型機和單片機的缺點，有功能強大，成本低等。

2 自動刷花機原理

自動刷花機由機架、緊布部分、織物牽引部分、刷花部分、氣定型部分、烘干部分、走布傳動和控制部分。它配置氣蒸噴裝置，通過上下、橫向的復合運動，使毛絨成球狀，其表面經定型后形成滾球絨。它通過調整螺栓來控制氣缸的行程來調節刷花壓力，不同毛高間距不同，不同的刷花轉速刷出的花形蓬松度不同。

機架：兩側箱體為鋼板結構，由四根橫撐進行連接，機架、立柱及橫梁均采用12號槽鋼，由橫撐進行連接。

圖1 刷花機工作原理結構簡圖

緊布部分由支撐、緊布輥、棘輪等組成，織物穿布后，由緊布裝置來調整織物的緊布力。

織物牽引部分：織物由前后牽引帶動，牽引輥外表面裹粒面橡膠，兩牽引輥之間用鏈條等速比剛性傳動，主動力由電磁離合器機構傳入。

刷花部分：刷花頭由齒輪及同步帶傳動，變頻調速。各部件采用的銅鋁或采用防銹處理，毛刷材料為不銹鋼或棕毛。刷花頭的旋轉運動由一個變頻器控制兩臺電機，通過同步帶傳動帶動四根齒輪軸轉動，從而帶動所有刷花頭做旋轉運動。刷花座的縱橫向運動。刷花座的橫向運動分為兩種：一種為間歇運動；另一種方式為連續運動。刷花座的縱向運動比較簡單，它主要用于當刷花座橫向運動為間歇運動時，在偏移前先使刷花頭離開織物，防止造成織物花型混亂，同時該項動作也可用于織物縫頭的避讓。

氣定型部分：由氣室，銅制噴嘴及墊板組成，刷花架由氣缸（或電機）帶動往復運動，刷花頭與布面的接觸壓力由限位機構來實現。

烘干部分：有烘干室、通風機及加熱裝置等組成，烘干室由2mm鋼板焊接而成，通風由熱風循環風機完成，風量由風門可調節，加熱裝置由三根電加熱管組成。

走布傳動：變頻調速電機通過電磁離合器帶動擺線針輪減速機實現走步動作的變換。

控制部分：安裝在右側的控制器來完成，面板有操作開關和按鈕等，操作方便。

3 自動刷花機嵌入式控制系統方案設計

根據目前刷花機功能特點，應用最新人機界面設計成果，將刷花機的功能、狀態全部顯示在屏幕上，為用戶提供良好的工作界面，并具有在線幫助功能。刷花機嵌入式系統除了體積小、資源受限等特點外，還需要滿足快速啟動、圖形界面、實時控制、特殊設備驅動等要求。綜合考慮系統的功能、研發成本及自主技術等因素，系統基礎軟件選擇WINCE 操作系統。

3.1 顯示器界面信息的設計

刷花機花樣的走向在屏幕上以圖的形式表示，用兩種顏色交替走動；而對刷花頭步長、轉速等用數值來表示。例如，刷花機的六大功能在屏幕左邊排列；設備的狀態信息在屏幕底行排列，包括電機故障、開車保護、產量、電機速度等。

3.2 輸入控制鍵的設計

考慮到用戶操作方便，所以本系統選用觸摸和按鍵相結合的方法實現。屏幕界面的設計質量影響人的視覺，而鍵盤的設計水平影響信息輸入的質量，設計的合理會減少輸入的錯誤。例如∶ 刷花頭步長、刷花座的運動、走布速度、溫度等數據增加選用↑鍵，減少選用↓鍵；對刷花機的功能的選擇用F1到F6鍵。

3.3 花樣形成技術

刷花座作橫向間歇運動，可在織物表面形成周期性交替的直線型渦旋狀花紋。刷花座作橫向連續運動，在走布運動的共同作用下在織物表面形成周期性地類似于正弦曲線的花紋形狀。當走布運動為間歇運動時，若刷花座相對不動，可在刷花機上獲得普通的擰花效果，若刷花座橫向間歇運動，可在織物表面形成周期性交替的直線型渦旋狀花紋；當走布運動與刷花座橫向運動均為連續運動時，可在刷花機上獲得正弦曲線狀的渦旋狀花形，具有汽蒸定型機上的某些花形效果。

4 嵌入式系統體系結構

嵌入式控制系統采用嵌入式控制器＋運動控制子系統的結構，如圖2所示。

圖2 嵌入式控制系統結構

嵌入式控制器用于處理圖像顯示、文件管理、任務調度等，可采用較為通用的嵌入式軟硬件；而運動控制子系統主要是接收數據并實時控制機電部件，因此需要采用專業化運動控制部件及相關軟硬件技術。基于該體系結構的刷花機嵌入式系統主要具有以下幾個特點：1）嵌入式控制器采用ARM高性能嵌入處理器S3C2410，運動控制子系統采用專用控制芯片，如FPGA、CPLD 等；2）主、從系統通過通信接口實時通信，協同完成縫制任務；3）控制器采用嵌入實時操作系統作為基礎軟件平臺；4）嵌入式控制器支持網絡化、圖形化數據加載與刷花任務管理等。

5 應用程序設計與實現

嵌入式軟件是設備的控制核心，負責接收用戶操作行為，驅動各硬件構成要素在系統的監控下完成相應的功能。嵌入式軟件劃分為：主控制系統軟件、運動控制和溫度控制三塊，如圖3所示。

主控制系統軟件面向用戶，以應用為中心，是刷花機嵌入式系統軟件的主體部分。本系統開發環境為Window XP操作系統，軟件運行環境為通過Windows CE.NET 4.2的 Platform Builder 4.2定制的WinCE 操作系統。內核裁減的主要工作在于確定應用需求，并完成應用需求與內核選項的映射。根據刷花機嵌入式系統的圖形化啟動、模塊實時加載、網絡化支持、串口通信、文件存儲與管理等功能，在裁減過程中需要支持核心運行庫支持，C Libraries and Runtimes；顯示驅動支持，Geode/Media GX；標準輸入設備（鼠標鍵盤等）支持，Input Devices；USB總線支持，USB Host；文件系統支持，Fat file system；串行通信支持，Serial等選項，并對其相關子項進行細化。

主程序入口WinMain，如觸摸屏有信息反饋，則調用MAINLOOP 處理該信息；如觸摸屏沒有信息反饋，則依次檢索輸入信號并做出對應處理。主循環程序MAINLOOP，在沒有錯誤信息的情況下對觸摸反饋信息進行處理，進行用戶界面的管理。

對液晶屏進行觸摸操作,判斷界面的按鍵響應是否在定義的按鍵范圍之內,若為真,則在消息處理程序WndProc中處理響應的消息。按鍵消息處理經判斷為真后，進入主循環MAINLOOP，在該界面執行界面調用程序。接下來，在該界面中執行觸摸屏的按鍵消息響應和消息，在各界面均按該設計流程進行循環操作。

應用軟件的運動控制和溫度控制軟件是應用平臺基于eMbedded Visual C++ 4.0開發，為滿足輕量級、高可靠、可配置等要求，采用WIN32API組件開發，可在占用最少資源的情況下達到最大效率。 在開發中運用動態鏈接庫的方式，預留對擴展功能的支持，實現了直觀、友好、易操作的圖形應用界面。應用程序主流程圖如圖4所示。

應用軟件提供用戶對于刷花機的各種功能需求。當用戶所選功能需要執行機構響應時，應用軟件將用戶操作轉化為向運動控制器發出的一系列命令，通過監視執行機構的反饋狀態可以感知設備的運行狀況，在需要的時候可以對執行動作進行校正。這樣，在應用軟件的監控下，整個控制系統形成“閉環”回路，從而保證了系統的穩定、可靠運行。其溫度控制流程如圖5所示。

圖3 嵌入式系統軟件構成

圖4 應用程序流程圖

圖5 溫度控制程序流程圖

刷花機集光機電氣等多種技術于一體，外圍I/O設備種類豐富，因此擴展操作系統內核實現對非通用硬件的驅動非常重要。目前，主要采用內核模式和模塊模式方式來擴展操作系統。為提高系統穩定性，采用內核方式支持擴展設備。在內核模式下，每次添加新的軟件功能時均要求開發人員修改操作系統源碼并重新編譯、生成新的內核。在核心態模塊中，依照WINCE系統的驅動模型，開發人員通過編程可以完成對特定設備I/O、中斷、時鐘等的驅動。實際應用證明，基于該方式的WINCE內核功能擴展非常有效。

6 結束語

采用ARMS3C2410自動刷花機加工織物, 刷毛輥速度、溫度、布速等得到比較精確的控制，獲得較高的控制精度，織物花型的持久。嵌入式自動刷花機的設計的方案不僅應用于全自動刷花機，它完全可以應用到電子織帶機等其他紡織機器，實際上它完全可以直接應用到電子商標機上。開發人員只需要修改機器上的刷花原理就可以應用到其他機器上，而基本的顯示、鍵盤、網絡完全可以參考本系統的方案。

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