基于LPC4357的嵌入式電腦棉襪機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂雙慶,張團(tuán)善,胡秀芳,張 峰,楊楠楠

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

嵌入式高速電腦提花棉襪機(jī)作為我國輕工針織業(yè)一種重要的織襪設(shè)備,是集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、針織技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)于一體的高度自動(dòng)化的棉襪針織機(jī)械[1].世界上著名的電腦棉襪機(jī)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(jī)代表著當(dāng)今世界棉襪機(jī)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(jī)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(dǎo)致目前國產(chǎn)棉襪機(jī)的電控系統(tǒng)在穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、可移植性等各個(gè)方面同國外同類產(chǎn)品相比存在較大差距,很多棉襪機(jī)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(shí)產(chǎn)權(quán)的棉襪機(jī)電腦控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急[2].

本設(shè)計(jì)以Cortex-M4架構(gòu)的32位工業(yè)級(jí)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(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)和伺服驅(qū)動(dòng)板上的從節(jié)點(diǎn)控制器.LPC4357作為主控制器不僅主頻高達(dá)204MHz,而且自帶的LCD控制器不再需要擴(kuò)展其他LCD控制芯片;STM32F072RBT6工業(yè)級(jí)處理芯片帶有一個(gè)CAN通信接口且性價(jià)比極高.設(shè)計(jì)改變了原來主控板及所有驅(qū)動(dòng)板都密集地放置在一個(gè)機(jī)箱并通過復(fù)雜的線纜連接驅(qū)動(dòng)部件的現(xiàn)狀，把所有驅(qū)動(dòng)模塊和其所驅(qū)動(dòng)的部件放在一起,CAN總線只需兩根線纜即可實(shí)現(xiàn)主控板和驅(qū)動(dòng)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(gè)全新的電腦棉襪機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)采用三級(jí)遞階控制系統(tǒng),包括組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)[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(jí),是CAN分布式控制系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn).組織級(jí)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、花型數(shù)據(jù)處理、針筒的針位檢測、CAN總線網(wǎng)絡(luò)管理等工作.STM32F072RBT6處理器作為控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí),是CAN分布式控制的從節(jié)點(diǎn),接收從組織級(jí)發(fā)送來的數(shù)據(jù),產(chǎn)生動(dòng)作數(shù)據(jù)去控制相應(yīng)的執(zhí)行部件,同時(shí)也將該功能模塊的重要運(yùn)行參數(shù)發(fā)送給組織級(jí).執(zhí)行級(jí)根據(jù)協(xié)調(diào)級(jí)給定的動(dòng)作數(shù)據(jù),通過各個(gè)功能模塊的驅(qū)動(dòng)電路控制選針器、氣閥、針筒伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行部件的動(dòng)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(gè)CAN模塊發(fā)送給相應(yīng)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(hào)、伺服電機(jī)數(shù)據(jù)、吸風(fēng)電機(jī)數(shù)據(jù)、升降電機(jī)數(shù)據(jù)、壓針電機(jī)數(shù)據(jù)、三角控制數(shù)據(jù)、送紗電機(jī)數(shù)據(jù)、紗嘴控制數(shù)據(jù).當(dāng)功能模塊收到相應(yīng)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(yīng)的動(dòng)作信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5].針筒伺服電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)收到速度指令后,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并直接給主控制器反饋針位信號(hào).主控制器收到反饋信號(hào)后,判斷當(dāng)前針筒針位,再根據(jù)針位把相應(yīng)的編織控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作.考慮到棉襪機(jī)的高轉(zhuǎn)速細(xì)針距,無法實(shí)現(xiàn)每經(jīng)過一個(gè)針位主控制器就給每個(gè)選針器發(fā)送選針數(shù)據(jù),于是本設(shè)計(jì)采取主控制器預(yù)先發(fā)送三圈的花型數(shù)據(jù)緩存到選針器控制節(jié)點(diǎn)處理器的內(nèi)存中,當(dāng)收到針同步信號(hào)后再將花型數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的棉襪機(jī)機(jī)型參數(shù)如下:針筒直徑為102mm(4″),針數(shù)96N,6個(gè)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(jí)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(gè)主色和4個(gè)輔色,每一只襪可織入16個(gè)顏色.同時(shí)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)襪等.

2.2 控制對(duì)象

電腦棉襪機(jī)是通過傳動(dòng)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(dòng)作進(jìn)行編織的,因此主要的控制對(duì)象為氣閥、步進(jìn)電機(jī)、選針器、交流伺服電機(jī)等,這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合檢測單元產(chǎn)生的信號(hào)來完成編織所需的各個(gè)特定動(dòng)作[3].整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:1個(gè)針筒伺服電機(jī),4個(gè)步進(jìn)壓針電機(jī),4個(gè)送紗電機(jī),1個(gè)步進(jìn)生克電機(jī),1個(gè)步進(jìn)升降電機(jī),1個(gè)步進(jìn)吸風(fēng)電機(jī),6組16級(jí)的電磁選針器,64路氣閥輸出.

2.3 設(shè)計(jì)過程

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

嵌入式高速提花電腦棉襪機(jī)的主控程序主要包括多任務(wù)程序調(diào)度和中斷服務(wù)程序響應(yīng),其中多任務(wù)程序包含了初始化任務(wù)、菜單任務(wù)、編織任務(wù)、異常處理任務(wù)、顯示任務(wù)等[6].這些控制任務(wù)有優(yōu)先級(jí)別高低之分,為了確保控制程序的最優(yōu)實(shí)現(xiàn),就需要合理安排各個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度關(guān)系和優(yōu)先級(jí)順序,任務(wù)優(yōu)先級(jí)列表如表1所示.另外，中斷服務(wù)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(shí)器中斷等.系統(tǒng)上電后,首先執(zhí)行主函數(shù),進(jìn)行LPC4357的系統(tǒng)初始化、LCD顯示初始化、管腳配置等,之后進(jìn)行功能模塊配置并快速復(fù)位,然后創(chuàng)建初始化任務(wù).運(yùn)行初始化任務(wù),繼續(xù)進(jìn)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(wù)和顯示任務(wù),完成初始任務(wù)之后開始進(jìn)入圖形界面主菜單,準(zhǔn)備運(yùn)行菜單任務(wù),此時(shí)等待用戶輸入,可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)測試,同時(shí)界面顯示任務(wù)包括棉襪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的人機(jī)界面顯示和觸摸屏、按鍵的處理.待系統(tǒng)設(shè)置完畢,用戶選擇開始編織,則創(chuàng)建編織任務(wù)和錯(cuò)誤處理任務(wù),并掛起菜單任務(wù).編織任務(wù)開始運(yùn)行后進(jìn)行棉襪機(jī)的編織控制,一旦編織控制任務(wù)檢測到錯(cuò)誤就會(huì)立即停機(jī)并掛起編織任務(wù),同時(shí)記錄下錯(cuò)誤類型并顯示到液晶屏幕上,等待用戶進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理,待錯(cuò)誤處理完畢后重新操作,再一次開始運(yùn)行編織任務(wù).編織完畢后掛起編織任務(wù),重新運(yùn)行菜單任務(wù).

主控制器LPC4357基于ARM Cortex-M4核設(shè)計(jì),M4內(nèi)部的NVIC(可嵌套向量中斷控制器)可及時(shí)控制系統(tǒng)的異常及外設(shè)中斷,擁有8個(gè)可編程的中斷優(yōu)先級(jí),最多可實(shí)現(xiàn)52個(gè)中斷.

表1 多任務(wù)及優(yōu)先級(jí)列表

3 功能模塊設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)中所使用的7寸液晶屏為點(diǎn)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(jī)接口,通過單獨(dú)的AHB從機(jī)接口來進(jìn)行設(shè)置和控制.LPC4357固有的LCD中斷連接至NVIC編號(hào)為7的中斷插槽,使應(yīng)用于類似應(yīng)急停車的系統(tǒng)響應(yīng)更為方便快捷.7寸液晶屏型號(hào)為AT070TN92,使用16位像素點(diǎn)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(jī)控制模塊

由于棉襪機(jī)針筒轉(zhuǎn)速高且針距細(xì)密的特點(diǎn),其最高轉(zhuǎn)速為600r/min,針距為1.0mm,因此對(duì)伺服電機(jī)的控制速度、精度和穩(wěn)定性都提出了嚴(yán)格的要求,伺服電機(jī)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(dòng)節(jié)點(diǎn)收到主控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的速度指令,然后通過STM32F072RBT6單片機(jī)內(nèi)部的高級(jí)定時(shí)器生成六路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,再通過編碼器將反饋信號(hào)傳回主控制器進(jìn)行位置閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了棉襪機(jī)針筒位置的控制.

3.3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

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

步進(jìn)電機(jī)控制芯片同樣為STM32F072RBT6,驅(qū)動(dòng)芯片采用BD63860,每個(gè)步進(jìn)電機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后讀取步進(jìn)電機(jī)控制數(shù)據(jù).步進(jìn)電機(jī)采用的都是兩相步進(jìn)電機(jī),為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度和位置的精準(zhǔn)控制,通過STM32內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生方向信號(hào)和脈沖信號(hào)發(fā)送給BD63860,進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置和速度的精準(zhǔn)控制,步進(jìn)電機(jī)控制原理圖如圖2所示.

3.4 選針器控制模塊

本設(shè)計(jì)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(yùn)行在不同的軌道,即用抄針法完成選針[7].本課題的棉襪機(jī)控制系統(tǒng)有6路成圈系統(tǒng),采用6個(gè)16級(jí)的選針器,一共96個(gè)選針刀片.每個(gè)選針器分離并采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制,驅(qū)動(dòng)芯片為STM32F072RBT6,與總控制器LPC4357采用CAN總線進(jìn)行通訊,共需6個(gè)CAN節(jié)點(diǎn).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(jìn)而改變選針刀片的動(dòng)作.

以前的選針器驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致所需驅(qū)動(dòng)I/O口眾多,96個(gè)選針刀片共需要192路控制信號(hào)來控制電磁線圈,不僅需要擴(kuò)展單片機(jī)的I/O口,還導(dǎo)致選針器驅(qū)動(dòng)模塊與選針器之間的接線繁雜.本設(shè)計(jì)的選針控制方案使每個(gè)選針器都單獨(dú)“霸占”一塊驅(qū)動(dòng),作為一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)傳送來的花型數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)進(jìn)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(jìn)而控制選針刀片的原理圖如圖3所示.

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖 圖3 選針器控制原理圖

3.5 氣閥驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式.本設(shè)計(jì)方案的控制系統(tǒng)一共需要驅(qū)動(dòng)64路氣閥,每個(gè)控制氣閥的CAN節(jié)點(diǎn)也是負(fù)責(zé)16路輸出,所以整個(gè)氣閥控制系統(tǒng)共需要4個(gè)氣閥控制CAN節(jié)點(diǎn).氣閥控制CAN節(jié)點(diǎn)收到控制數(shù)據(jù)后將氣閥動(dòng)作數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的氣閥輸出口,考慮到氣閥電磁線圈的過流保護(hù),在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電磁線圈電流進(jìn)行采樣之后傳入控制氣閥的單片機(jī)進(jìn)行過流檢測,當(dāng)發(fā)生過流時(shí)相應(yīng)的單片機(jī)進(jìn)行報(bào)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(hào),回傳當(dāng)前各個(gè)傳感器的狀態(tài).傳感器輸入信號(hào)包括:針筒伺服電機(jī)編碼信號(hào)、哈夫圈同步信號(hào)、供油系統(tǒng)檢測信號(hào)、氣壓檢測信號(hào)、手柄檢測信號(hào)、針舌探針檢測信號(hào)、斷針探針檢測信號(hào)、三角位置檢測信號(hào)、KTF(紗線張力控制器)檢測信號(hào)、出襪檢測信號(hào)、廢紗檢測信號(hào),除伺服電機(jī)編碼器外總共有26路數(shù)字量傳感器輸入信號(hào),用于檢測針位的伺服電機(jī)編碼信號(hào)則直接由主控制器通過中斷方式獲取.

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)的基于雙CAN控制器LPC4357的嵌入式電腦棉襪機(jī)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(jī)對(duì)各種襪型花型針織工藝的處理功能,簡化了控制流程,增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性,同時(shí)節(jié)約了成本.

(2) 通過CAN總線的應(yīng)用提高了控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性.實(shí)踐證明,這是一種合理有效的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

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