嵌入式電子賈卡控制系統設計

賴森財， 任 雯， 劉永桂

(1. 三明學院 機電工程學院， 福建 三明 365004； 2. 華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣東 廣州 510641)

嵌入式電子賈卡控制系統設計

賴森財1， 任 雯1， 劉永桂2

(1. 三明學院 機電工程學院， 福建 三明 365004； 2. 華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣東 廣州 510641)

針對結構復雜、多板卡級聯形式的傳統經編機電子賈卡控制系統存在可靠性低、占用物理空間大、安裝與檢修困難等問題，設計了一種將微控制器、花型數據存儲器、賈卡驅動電路、升壓電路以及通信接口功能模塊高度集成在賈卡導紗針塊內部的嵌入式電子賈卡控制系統，電子賈卡導紗針塊采用了全雙工、低功耗的MAX488實現串行菊花鏈式通信模式。在系統分析壓電陶瓷賈卡提花工作原理和特點的基礎上，給出了嵌入式電子賈卡控制系統的系統架構、硬件電路的設計和實現方法。測試結果表明，該系統無需額外接入高壓電源就能夠獨立工作,性能穩定，可靠性高，功能完備，抗干擾能力強。

經編機； 壓電陶瓷賈卡提花； 電子賈卡； 嵌入式控制系統

賈卡是經編生產中一種重要的提花方法。經編機的賈卡控制方式從早期的機械龍頭式、電磁綜絲式發展為壓電陶瓷式[1-2]。壓電賈卡控制系統可通過壓電效應精確地控制每根壓電陶瓷賈卡針的偏移動作實現賈卡提花[3]，通常多個壓電陶瓷賈卡針構成一把賈卡導紗針塊[4]。傳統的壓電賈卡控制系統一般由PLC控制器、通信中繼板、壓電驅動板、賈卡導紗針塊等多個分離的電子板卡組成[5-7]。由于經編車間生產環境惡劣，結構復雜、多板卡級聯形式的傳統賈卡控制系統存在可靠性低、檢修困難等固有問題，限制了經編賈卡提花控制技術的大規模、產業化發展。本文針對這一現狀，設計了一種嵌入式集成電子賈卡控制系統，將賈卡控制功能集成于傳統賈卡導紗針塊內部，提高了系統的可靠性。通信方式采用一種逐級激勵總線型拓撲(下行)和環形拓撲(上行)相結合的新方法，在保證通信實時性的同時，兼顧通信的可靠性和容錯性。所提出的內部集成有控制系統的賈卡導紗針塊，能被看作是一種新的具有分布式控制架構的嵌入式電子賈卡導紗針塊，即將經編機賈卡提花控制功能分散到能夠獨立脫機運行的各個嵌入式電子賈卡導紗針塊，使得硬件系統結構積木化、簡單，維護方便，可靠性高。

1 壓電賈卡控制系統原理

壓電賈卡控制系統的關鍵技術是根據花型設計的要求對賈卡導紗針進行快速、獨立驅動，控制原理[8]為：將2片采用玻璃纖維層或金屬片絕緣隔離的壓電元件(高精度陶瓷應變片)貼在每根導向針(導紗針)的兩側，構成賈卡導紗針。當給兩側的壓電陶瓷應變片的電極交替接入±200 V電壓信號后，在壓電效應作用下，壓電陶瓷應變片會彎曲變形，使得賈卡導紗針偏移，并可根據工藝要求保持這種偏移。

賈卡導紗針和電纜、罩板、定位塊構成安裝于經編機上的賈卡導紗針塊[9](典型的有E14、E16、E18、E24、L24(長梭節)等)。根據經編機的機號,不同數量的賈卡導紗針塊組合成規格不同的賈卡導紗梳。經編機壓電賈卡控制系統根據CAD軟件設計的花型文件，獨立控制每個賈卡導紗針塊中的導紗針產生偏移或保持不動，從而實現經編機提花功能。

2 嵌入式集成系統設計方案

當前，典型的經編機數控系統組成如圖1所示。其中提花功能采用傳統電子賈卡控制系統,圖中E24表示采用的E24型賈卡導紗針塊。

本文提出的嵌入式電子賈卡控制系統采用模塊化設計：將微控制器(MCU)、花型數據存儲器、賈卡驅動電路、升壓電路、通信接口等集成于傳統賈卡導紗針塊的頭部，構成嵌入式電子賈卡導紗針塊，如圖2所示。

控制流程為：1)微控制器通過通信接口1將上位工控機中由經編CAD軟件生成的花型工藝文件下載到花型數據存儲器；

2)同步傳感器檢測經編機的運行狀態產生同步信號，用于嵌入式電子賈卡導紗針塊與經編機保持同步工作；

3)根據實時同步信號，微控制器將花型工藝文件中當前步賈卡針偏移數據輸出到賈卡驅動電路；

4)賈卡驅動電路將接收到的賈卡針偏移數據直接轉換成高壓(+200 V)驅動信號，從而驅動賈卡導紗針塊偏移，其中高壓(+200 V)電源由內部升壓電路提供。

采用嵌入式電子賈卡導紗針塊的經編機的嵌入式電子賈卡控制系統如圖3所示。與傳統系統相比，嵌入式電子賈卡控制系統具有集成度高、結構簡單、可靠性高的特點。

3 系統硬件設計

3.1 微控制器

微控制器采用高性能、低功耗的8位STC微處理器STC15F2K60S2，是嵌入式電子賈卡控制系統的核心部件。STC15F2K60S2采用增強型8051內核，速度是傳統8051單片機的8～12倍[10]。內部集成高精度R/C時鐘(±0.3%)，范圍設置寬(5～35 MHz)，可徹底省掉外部晶振和復位電路，提高集成度。內置2 K字節大容量SRAM、60 K字節內部Flash程序存儲器、8路高速10位A/D轉換(30 000次/s)、3路PWM、2組高速異步串行通信接口(可同時使用)等，內部資源豐富。

3.2 花型數據存儲器

一般經編機上需要配置上百個賈卡導紗針塊(數千根壓電陶瓷賈卡針)，每根壓電陶瓷賈卡針都需要快速、獨立驅動，因此賈卡花型數據文件比較大。綜合以上因素，本文選用美國Ramtron公司生產的具有高可靠性、高速/高耐久性數據讀寫、低功耗、抗輻射等優點的512 K非易失性FRAM(Ferro-electric RAM)芯片作為花型數據存儲器。FM24C512的總線頻率高達1 MHz，重寫次數可達1010次，寫入速度快(Flash的1 000倍以上)，非常適用于賈卡控制需要的非易失性，且需要頻繁、快速存儲數據的要求。

3.3 同步傳感器

同步傳感器用于檢測經編機的運行狀態以產生同步信號，采用工控系統中常用的接近開關。根據其提供的同步信號，嵌入式電子賈卡導紗針塊能夠自動、智能地與經編機保持同步運行。根據用戶的需要，同步傳感器產生的同步信號可發送到上位工控機，再由工控機通過串行接口依次發送給嵌入式電子賈卡導紗針塊(同步方式1)；也可通過專用信號線直接并行發給所有的嵌入式電子賈卡導紗針塊(同步方式2)，使之能夠脫離上位機獨立工作。

3.4 升壓和賈卡驅動電路

升壓和驅動電路原理如圖4所示。由于嵌入式電子賈卡導紗針塊采用壓電效應產生形變，因而驅動導紗針的輸出功率較低。故設計時將由升壓變壓器組成的升壓電路模塊集成于嵌入式電子賈卡導紗針塊內部，使得在提供嵌入式電子賈卡導紗針塊的低壓工作電源(+5 V)的情況下，為賈卡驅動電路提供高壓(+200 V)電源，避免為嵌入式電子賈卡導紗針塊額外敷設大量繁瑣的用于驅動壓電陶瓷賈卡針的高壓(+200 V)供電電纜，進一步提高了嵌入式電子賈卡導紗針塊的集成度和功能完整性，有效減少施工周期、材料成本和維護費用。

驅動電路采用低壓串口-高壓并口轉換芯片HV507完成。HV507內置一個64位移位寄存器/鎖存器，能夠實現低壓輸入，64路高壓并行推挽式輸出，滿足常見賈卡導紗針塊(E14、E16、E18、E24、L24等)的驅動。

3.5 通信方式

一般情況下，經編機安裝有多個嵌入式電子賈卡導紗針塊，采用MAX488CSA芯片實現RS-485菊花鏈式通信方式，依次連接全部嵌入式電子賈卡導紗針塊，逐次傳輸上位工控機產生的花型數據或同步信號(同步方式1)，如圖5所示。

菊花鏈式通信方式具體為：

1)通信線路連接。上位機的RS-485通信接口連接到第1把嵌入式電子賈卡導紗針塊的RS-485通信接口1(MAX488(1))，再由第1把嵌入式電子賈卡導紗針塊的RS-485通信接口2(MAX488(2))連接到第2把嵌入式電子賈卡導紗針塊的RS-485通信接口1(MAX488(1))，以此類推直至最后一把嵌入式電子賈卡導紗針塊。基于上述通信線路連接方式，數據(花型文件或同步信號)采用逐級激勵的中繼方式快速向下傳送，使得通信系統在原有強抗干擾的差分式雙絞線物理傳輸機制的基礎上，可靠性得到加強。

2)下行數據傳輸。①花型數據傳輸，在經編機開始工作前，上位工控機中的CAD軟件生成的花型工藝文件采用逐級激勵的中繼方式快速向下傳送。為保證傳輸速度，上位工控機向下傳送花型文件時，不受各級嵌入式電子賈卡導紗針塊內微處理器的干預和控制， 邏輯表現為總線型拓撲結構。②同步信號傳輸，在經編機啟動運行后，上位工控機通過RS-485菊花鏈的下行總線通道僅需輸出同步信號到所有嵌入式電子賈卡導紗針塊，有效保證了通信的實時性。若同步信號采用同步方式2(無上位工控機)傳輸，則花型數據文件通過線下事先下載到嵌入式電子賈卡導紗針塊，即可在同步信號的驅動下獨立工作。

3)上行數據傳輸。下位嵌入式電子賈卡導紗針塊向上位工控機傳輸應答信號時，受各級嵌入式電子賈卡導紗針塊內微處理器的干預和控制， 邏輯表現為環型拓撲結構。

4 軟件設計

4.1 賈卡提花控制

STC15F2K60S2單片機從片外FM24C512讀取花型控制信息，經單片機端口串行傳送給HV507進行移位緩存，數據依次由高位到低位傳輸。傳送完花型數據后，單片機處于等待狀態。當上位機或同步傳感器向單片機發送同步信號時，則單片機對HV507發送使能信號，從而緩沖的所有數據并行輸出，壓電陶瓷賈卡針實現一次偏移動作。

4.2 通信控制

嵌入式電子賈卡導紗針塊采用全雙工的工作模式：從上位工控機下傳數據是采用硬件中繼的方式，上傳數據采用微處理器中繼，如圖5所示。上述通信工作模式具有下述特點：逐級激勵驅動能力強，擴展性好；下載數據速度快，同步信號傳輸延時短；上傳數據經由賈卡導紗針塊微處理器中繼，即可中繼下位機數據，也可向上位機上傳本針塊的狀態信息。

在每把嵌入式電子賈卡導紗針塊接收到上一把嵌入式電子賈卡導紗針塊發送的花型工藝文件后，會發回一個校驗碼表示確認成功接收到花型工藝文件；采用這種校驗模式有利于系統的擴展，即可在原系統菊花鏈尾部任意增、減賈卡導紗針塊。

在上位工控機向經編機上安裝的所有嵌入式電子賈卡導紗針塊下載完工藝文件后，由于不同的嵌入式電子賈卡導紗針塊中所需的工藝文件不同，微控制器根據工藝文件動態地給嵌入式電子賈卡導紗針塊分配一個隨機數，加上所在菊花鏈中的位置信息，組成一個唯一的ID號，以利于快速定位嵌入式電子賈卡導紗針塊。

采用上述通信控制方法，在保證花型文件可靠傳輸的同時，極大便利了故障電子賈卡導紗針塊的定位和快速檢修。

4.3 可靠性控制策略

由于經編車間現場復雜的電磁環境以及噪聲干擾信號的存在，工作環境相對惡劣，串行通信的可靠性受到威脅。此外，經編機運行過程中，嵌入式電子賈卡導紗針塊作高速的墊紗橫移運動會增大通信故障的概率，因此對嵌入式電子賈卡導紗針塊通信的抗干擾和容錯能力提出了較高的要求。根據賈卡提花工藝的特點，本文采用一種面向工程應用的通信機制，提高通信系統的可靠性和容錯性，具體如下。

1) 在經編機啟動前，采用如圖5所示的逐級激勵串行中繼方式將花型文件快速傳送至每一把嵌入式電子賈卡導紗針塊。優點1：經編機開機工作后，減少了嵌入式電子賈卡導紗針塊作高速墊紗橫移運動中的數據傳送量；優點2：所采用的逐級激勵中繼傳輸方式較之普通的總線式通信方式通信節點數大為增加(4 m寬幅的經編機需要嵌入式電子賈卡導紗針塊約100個左右)，保證了整個系統的通信要求。

2)采用全雙工的RS-485交互通信方式。在花型文件通過菊花鏈從上位嵌入式電子賈卡導紗針塊逐級向下位嵌入式電子賈卡導紗針塊傳遞的同時，下位嵌入式電子賈卡導紗針塊在收到花型文件后可及時上傳確認碼(或由于干擾未收到花型文件可上傳故障碼)，有效提高了通信的可靠性和下載花型文件的效率。

3)經編機啟動后，上位機只需實時將簡單的同步信號下傳至各個嵌入式電子賈卡導紗針塊，出錯的概率大為減少，系統的整體可靠性得以提高。

4)為進一步提高RS-485串行通信的可靠性，在傳輸的數據幀中插入CRC16校驗碼，對傳輸的數據進行高質量的檢錯，保證數據傳輸的準確率。

5 測試與工程實施方案

當前主流賈卡導紗針塊的寬度為25～58 mm(E14-E32)，所設計的嵌入式電子賈卡導紗針塊電路布局如圖6所示(單面布尺寸為30 mm×43 mm，如采用雙面布局，空間可進一步壓縮),因此可滿足安裝空間的要求。測試過程中，由于電路中的升壓變壓器尺寸及質量較大，在嵌入式電子賈卡導紗針塊低速運動時，工作正常；在高速運動情況下出現過脫落的情況，因此，在形成最終產品時將采用注塑整體封裝方法解決上述問題。

6 結 語

所設計的嵌入式電子賈卡導紗針塊將傳統的賈卡控制系統的功能集成于內部，集成的升壓電路使得無需額外敷設大量繁瑣的用于驅動壓電陶瓷賈卡針的高壓電源電纜，有效減少施工周期、材料成本和維護費用；先進的分布式控制架構將經編機賈卡提花控制功能分散到能夠脫離上位工控機獨立運行的各個嵌入式電子賈卡導紗針塊，使得硬件系統結構積木化，結構簡單，維護方便，可靠性高，具有廣闊的應用前景。

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Design of embedded electronic jacquard control system

LAI Sencai1， REN Wen1， LIU Yonggui2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,SanmingUniversity,Sanming,Fujian365004,China;2.CollegeofAutomationScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510641,China)

Aiming at the low reliability and maintenance difficulties problem of conventional warp knitting machine electronic jacquard control system with complex multi-card structure, this paper designed an embedded electronic jacquard control system, in which the microcontroller, pattern data memory, jacquard drive circuit, boost circuit and communication interfaces were integrated inside the piezo jacquard guide bar. The system with a distributed control architecture is called as the embedded electronic jacquard guide bar. The embedded electronic jacquard guide bar mounted in a warp knitting machine adopts two MAX488 chips with full-duplex and low-power to implement serial daisy chain communication mode. Based on the analysis of the principle and characteristics of piezoceramic jacquard patterning, the paper also provided the design and implementation methods of the architecture and hardware circuit of embedded electronic jacquard control system. Test results show that the designed system can work independently without access to high voltage power supply, and which stable performance, high reliability, full function and strong interference resistance.

warp knitting machine; piezoceramic jacquard patterning; electronic jacquard; embedded control system

2015-09-22

2016-04-05

福建省自然科學基金項目(2015J01667)；福建省工業引導性(重點)項目(2015H0034)；三明市科技項目(2015-G-5)。

賴森財(1963—)，男，副教授。主要研究方向為控制系統和電路設計。任雯，通信作者，E-mail:auwren@foxmail.com。

10.13475/j.fzxb.20150905306

TP 273； TS 183

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