采用高速串行總線的圓緯機選針驅動器設計

史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

采用高速串行總線的圓緯機選針驅動器設計

史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

目前針織機械用壓電陶瓷選針器都采用并行總線結構組網控制，提出了一種基于RS-485高速串行總線的選針驅動器設計方法。在一條波特率為4 M的RS-485總線上，并聯多個基于RS-485總線的數字選針器。設計一主多從的多節點總線架構和總線仲裁機制，實現主機和從機間的相互通信。測試結果表明，這種控制方法能解決目前長線傳輸效應較易產生的信號間相互串擾，抗電磁干擾性能差，提花編織控制時容易出現錯花等不穩定現象，滿足選針實時性要求，可提高數字選針器的穩定性。

圓緯機;RS-485總線;總線仲裁機制;多節點;數字選針器

隨著電子技術的飛速發展，機械式提花已不能滿足圓緯機的織造要求，電子提花技術［1－2］應運而生，選針器是圓緯機電子提花技術中最重要的執行器之一，用于控制織針的運動軌跡，使圓緯機實現成圈、集圈、浮線等動作。目前應用在圓緯機上的選針控制系統主要有日本WAC三功位或兩功位選針系統，以及國產鯤鵬和創達的三功位或兩功位選針系統［3］。這些選針系統都是以并行總線的方式控制選針器，提花編織時經常出現錯花等不穩定現象，嚴重影響圓緯機生產品質。

深入分析其原因，發現主要是由于并行總線本身的缺陷造成選針器誤動而導致編織亂花。并行總線存在速率越快越易相互串擾，傳輸長度越長越容易產生長線傳輸效應和抗電磁干擾能力弱等問題。針對此問題，本文提出一種基于RS-485［4］高速串行總線的選針器控制方法，從根本上解決并行總線存在的問題。并根據選針實時性要求，用高性能Cortex-M3［5］內核的ARM芯片對該驅動器進行模塊化設計。

1 選針驅動器高速串行總線構架

1.1 壓電陶瓷選針器

目前應用最多的選針器有電磁式選針器和壓電陶瓷式選針器，電磁式選針器工作時耗能大，斷開時產生的反電動勢會對電路造成很大的傷害［6－7］，而壓電陶瓷選針器在電能轉換成機械能的過程中不會產生任何磁場，并且響應速度快，工作頻率高，體積小，非常適合在針織圓緯機上工作［8－9］，所以選用200 V的壓電陶瓷選針器作為研究對象。

1.2 RS-485總線節點要求

圓緯機根據機型大小不同配有數量不同的選針器，小圓機一般在20個左右，大提花圓機有72個，甚至108個，這就要求驅動器能支持100多個節點。

RS-485標準沒有規定總線上允許連接的收發器數量，但規定最大總線負載為32個單位負載，可通過增大收發器輸入阻抗來擴展總線節點數量［10］。收發器輸入阻抗可設計成≥24 kΩ、≥48 kΩ、≥96 kΩ，相應的節點數可增加到64、128、256 個，考慮到圓緯機選針控制系統的通用性及可擴展性，本文采用節點數為256個的方式進行設計。

1.3 RS-485總線速度要求

以中國臺灣凹凸WD/1.4F-SACJ雙面變色電腦大提花機為例，其轉速為 W=15 r/min，筒徑為864mm，機號E為0.945針/mm，選針器個數n為48，則針距G為1.058mm，移過每針的時間為

式中:V為針筒的線速度;W為圓機轉速;r為圓機半徑。因此只要在1560 μs內完成數據的發送和驅動器數據解析，即可滿足控制要求。

發送數據的多少與選針器個數有關，假設總線速度為A Mbps，選針器個數為n，那么RS-485發送的數據量為(n+6)個字節，6個字節中包括2個起始字節和4個CRC校驗字節，因此發送時間為

式中:A為485波特率;n為選針器個數。

只要T1＜＜T，就可以滿足控制要求，取n=48，經計算得 A＞＞0.346 Mbps。

選針器控制芯片選用ST公司的基于Cortex-M3內核的STM32F103，該芯片主頻可達72 M，串口的波特率最高可達4.5 Mbps。考慮到實時層還要協調眾多執行器以及系統的可擴展性，因此RS-485采用4 M波特率。

發送多少字節與選針器的個數有關，本文的圓緯機有48個選針器，因此發送54個字節，包括2個起始字節和4個CRC校驗字節。每個字節都有開始位和結束位，則4個數據包總共有540位，采用4 M波特率傳輸，得出發送54個字節的時間為135 μs，小于時間T，因此，該芯片可以滿足數據傳輸、處理實時性等要求。并且ST公司為該芯片提供了庫函數以及完善的開發文檔，使產品開發周期大大縮短，并為后續的維護提供了方便。基于RS-485總線選針驅動器構架如圖1所示。

圖1 選針驅動器結構圖Fig.1 Structure of needle selection actuator

2 選針驅動器硬件電路設計

2.1 選針器驅動電路設計

選針器工作時壓電陶瓷片只有打上打下2種狀態，但檢測壓電陶瓷片是否正常工作還需有居中檢測的功能，因此本文采用2個IO口來控制驅動電路。

由于需要切換200 V和200 V GND這2個電壓，本文采用雙光耦并聯的方式來驅動壓電陶瓷片，電路圖如圖2所示。P1接壓電陶瓷片，當S_In_A為高電平，S_In_B為低電平時，O1、O4光耦導通，O2、O3光耦不導通，A點輸出200 V，B點輸出0，壓電陶瓷片打上;當S_In_A為低電平，S_In_B為高電平時，O2、O3光耦導通，O1、O4光耦不導通，A 點輸出0，B點輸出200 V，壓電陶瓷片打下。如果周期性地切換S_In_A，S_In_B的電平狀態，連接的壓電陶瓷片就會由于逆壓電效應發生周期性的形變，從而使選針器刀片發生周期性的震動。當需要對壓電陶瓷片進行居中檢測的時候，只要對S_In_A，S_In_B同時置于低電平就可以進行檢測。

該驅動電路兼顧選針器工作和壓電陶瓷片檢測2種功能，因此當選針器安裝在圓緯機上時，也可以對壓電陶瓷片進行檢測，觀察壓電陶瓷片是否已達到工作壽命，極大地方便了選針器的維護和更換。

圖2 選針器驅動電路圖Fig.2 Driving circuit diagram of needle selector

2.2 RS-485總線接口電路設計

RS-485總線用于選針驅動器與圓緯機實時控制單元之間的通信。由于選針器不僅要接收實時控制單元發送的數據，還要向實時控制單元反饋當前選針器的報警信息，因此，接口電路采用RS-485全雙工四線制模式［11］，信號有(RXD_N、RXD_P、TXD_N、TXD_P)。為了實現256個節點全雙工通信，實時控制單元采用SP3087E作為RS-485收發器，該收發器傳輸速率能達到20 Mbps，能滿足4 M波特率的傳輸要求，并且該收發器最大支持256個節點，為后續選針器的擴展預留了大量的節點。選針驅動器通信電路采用SP490E作為RS-485收發器，該收發器傳輸速率能達到10 Mbps，滿足控制要求。采用同一家公司的收發器芯片，保證了系統的穩定性和可靠性。

考慮到信號的衰減和穩定性，總線上信號的高電平應該在5 V，但控制單元中芯片的高電平為3.3 V，所以用光耦實現數字電平轉化并增強抗干擾性。選用TLP113光耦，其最大延時為120 ns，符合4 M波特率的傳輸要求。R9和R10為終端電阻，起匹配總線阻抗的作用。

RS-485總線接口電路圖如圖3所示。

圖3 RS-485總線接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of RS-485 bus interface

2.3 RS-485多節點總線仲裁電路設計

當選針器出現錯誤動作或者接收數據出錯時，需要向實時控制單元反饋信息，由于在RS-485總線上有多個節點，當多個節點同時向實時層反饋數據時，會造成總線沖突，導致通信失敗，因此本文設計了一套總線仲裁機制。

取選針器上ARM芯片的一個IO口連接，見圖4。定義由這些IO口并聯的那根線為仲裁總線。默認上拉一顆電阻，以便確定IO口的默認狀態。規定當仲裁總線為高電平時，代表總線空閑，選針器可以發送錯誤信息;當仲裁總線為低電平時，代表總線繁忙，當前選針器不能發送錯誤信息。

圖4 仲裁總線示意圖Fig.4 Diagram of arbitration bus

3 RS-485多節點通信設計和實現

3.1 RS-485多節點通信協議制定

本文研究1次發送54個字節，每個選針器在同一時間都接收這54個字節數據，每個選針器根據不同的字節決定工作狀態。這樣就可以在發送1個數據包的時間內控制全部的選針器動作，與循環尋址的控制方式相比，大大節約了時間。

這54個字節，包括2個起始字節，48個選針器字節，4個CRC校驗字節。48個選針器字節1個字節對應1個選針器的動作，其中1個字節的信息包括第幾把刀、刀的狀態以及刀動作類型。此數據包的結構簡單且便于擴展。采用4個字節的CRC校驗機制，大大保證了接收數據的正確性，并提高了通信的可靠性。

3.2 RS-485多節點總線仲裁機制實現方式

仲裁機制實現方式如圖5所示。采用二次讀的方式來檢測當前仲裁總線是否繁忙，進一步確保總線通信的正常進行。

3.3 選針器驅動程序開發

基于RS-485選針器驅動程序主要包括初始化，數據接收，數據發送3部分。考慮到54個字節的數據長度，若采用中斷接收方式，會導致頻繁跳進中斷，影響主程序工作，并且增加了數據接收時間，因此本文采用DMA方式接收數據，大大減輕了CPU的負擔，并可在短時間內完成數據的接收和CRC校驗，更好地滿足選針器控制實時性要求。選針驅動程序流程圖如圖6所示。

圖5 仲裁機制示意圖Fig.5 Diagram of arbitration mechanism

圖6 選針驅動程序流程圖Fig.6 Flow chart of needle driving program

4 測試

本文以圓緯機車速為15 r/min連續工作72 h作為測試條件，對系統的實時性和穩定性進行測試，采用RS-485總線監測儀實時捕獲總線數據，RS-485總線發送數據波形圖如圖7所示。測試結果顯示RS-485發送1個54字節數據包所需時間為155 μs，與理論值135 μs存在一定的誤差，經分析，這個誤差是由RS-485總線字節與字節之間存在延時造成的。在誤差允許的范圍內，測試結果符合理論值，并且遠小于控制時間T，符合選針器系統實時性要求。

圖7 RS-485總線波形圖Fig.7 Waveform of RS-485 bus

在72 h內，通過對布匹的抽樣檢查發現，所織布匹符合花型數據文件，并且在15 r/min速度基礎上逐漸提速到45 r/min，通過RS-485總線監測儀和對布匹的人工抽樣檢查。結果表明，總線上數據發送和接收正確，布匹符合花型文件，滿足圓緯機選針實時要求。與原先選針器并行控制織造的布匹對比發現，漏針、瑕疵等現象得到了大大改善，進一步驗證了本文所提出的方法在一定程度上可提高圓緯機編織的可靠性和穩定性。

5 結論

本文針對并行總線的缺陷提出了基于RS-485串行總線的選針驅動器設計方法，以多節點形式連接多個選針器，同時為了避免總線沖突設計了一套總線仲裁機制，大大提高了RS-485通信的實時性、通暢性、穩定性和可擴展性。運行結果表明，該系統滿足圓緯機編織的實時性要求，運行穩定，并在一定程度上解決了并行選針器出現的不穩定現象。對于提升電腦圓緯機自動化控制技術具有重要的意義。

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Needle drive design of circular weft knitting machine based on high speed serial bus

SHI Weimin，GUO Bofeng，PENG Laihu，YUAN Yanhong
(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Machinery Technology，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China)

Currently the knitting machine of piezoelectric ceramic actuators are connected with a parallel bus network.This paper puts forward a needle selector control method of RS-485 based on high speed serial bus.At a baud rate of 4 M on the RS-485 bus，multiple digital needle selectors based on RS-485 bus are parallel.In order to achieve the communication between host and slaves，multi-node bus structure and bus arbitration is designed.The test results indicate that this method can solve the phenomenon of the parallel bus transmission disturbance when the speed is higher and the distance is longer.Also the phenomenon of some instabilities of needle selectors can be solved.This method meets the real-time requirements and improves the stability of digital needle selector.

circular weft knitting machine;RS-485 bus;bus arbitration mechanism;multi-node;digital selector

TS 103.7

A

10.13475/j.fzxb.20140403406

2014－04－10

2014－10－16

浙江省自然科學基金重點項目(Z1110750)

史偉民(1965—)，男，教授級高級工程師。主要研究方向為紡織機械機電控制技術。E-mail:swm@zstu.edu.cn。