應用頻閃原理的選針器頻率檢測系統設計

李 軍， 朱方明， 周 炯， 于慶豐

(杭州師范大學 信息科學與工程學院, 浙江 杭州 311121)

應用頻閃原理的選針器頻率檢測系統設計

李 軍， 朱方明， 周 炯， 于慶豐

(杭州師范大學 信息科學與工程學院, 浙江 杭州 311121)

選針器是圓機電子提花技術中的關鍵執行機構，其工作性能的好壞將直接影響到圓機提花的準確性和可靠性,為此，針對現有電子選針器檢測系統檢測效率低、可靠性差、成本高等問題，利用頻閃成像原理，運用嵌入式控制技術并采用模塊化設計方法，設計了一種基于嵌入式處理器STM32和可編程邏輯器件的選針器頻率檢測系統。實際檢測效果表明，該系統可實現對選針器刀頭故障的有效檢測，并且具有良好的穩定性、可靠性和并行控制能力。目前該檢測系統已經在選針器生產企業實際應用。應用效果顯示，該檢測系統可提升電子選針器的穩定性、可靠性和生產效率。

選針器檢測系統； 頻閃成像； 閃爍頻率； 嵌入式處理器； 可編程邏輯器件

近些年來,隨著電子控制技術在針織圓機提花技術上的推廣應用，針織提花圓機在計算機控制提花、大圓機雙面提花、電子選針系統等方面都得到了較大的發展[1-2]。選針器[3-5]是圓機電子提花技術中的關鍵執行機構，其工作性能和頻率等參數都將直接影響提花的準確性和可靠性，從而影響整機的性能。選針器的非正常工作會使織物出現花型錯亂和變形，甚至還可能引起執行機構的錯誤動作，導致機械損壞。

選針器性能的檢測一直是該研究領域的技術難題之一。目前國外的研究工作有利用嵌入式系統結合USB、以太網總線等接口與通信技術實現在線檢測功能，以及根據壓電陶瓷性能設計具有電壓反饋功能的驅動電路實現檢測等。上述研究都依賴于控制系統本體，通用性比較差。國內的檢測技術有的是利用電磁脈沖反饋加以實現，通用性強但精度不高，且測試結果帶有隨機性，無法為后續的維修提供幫助。也有一些檢測技術基于電壓反饋機制來實現檢測[6]，采集的信號是驅動電路的輸出端電壓，無法最終確認刀頭的工作是否正常。常規的人工肉眼檢測手段不僅效率低，而且因過度依賴個體經驗而降低了可靠性。因此，研究和開發針織圓機的電子選針器檢測系統，確保選針器準確可靠工作，對保障現有針織圓機的運行性能的穩定性、提高其生產效率，具有十分重要的作用。

本文利用頻閃原理，采用嵌入式控制技術設計一種基于嵌入式處理器STM32和可編程邏輯器件(CPLD)的選針器頻率檢測系統。

1 檢測原理與方法

1.1 頻閃成像的基本原理

眾所周知，當燈光閃爍的頻率與電風扇轉動的頻率相同時，肉眼看到的電風扇就是靜止的，這就是由頻閃效應[7-8]造成的。頻閃效應就是物體在人的視野中消失后能留一定時間的視覺印象，即視后效。在物體一般光度條件下，視后效的持續時間約在1/20～1/5 s的范圍內。如果來自被觀察物體的視覺刺激信號是周期信號，每2次間隔都少于1/20 s，則視覺來不及消失，從而給人以連貫的假象。此時，如果用頻閃的光來照明周期運動的物體，當物體的運動頻率與閃光頻率相等時，則相當于物體被“凍結”在某個位置上，這樣，通過閃爍的燈光，人的肉眼就能得到物體的運動狀態，如圖1所示。當頻閃光對著不同的圖案，人眼所看到的圖案就會是3個不同的圖案，當頻閃時間只停留在1個圖案上，看到的就只有這個圖案了。

圖1 頻閃成像原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of stroboscopic imaging principle

1.2 檢測方法

基于該頻閃原理，選用高亮度的聚光LED燈來作為光源，通過調節LED燈的閃爍頻率達到和選針器刀頭擺動同樣的頻率，根據所看到的選針器的工作狀態來判斷選針器的準確性，這樣就可實現對選針器的檢測。具體方法為：選用高亮度的聚光LED燈作為光源，通過STM32控制單元控制LED燈的閃爍頻率和驅動選針器刀頭的擺動頻率，使得LED燈閃爍頻率和刀頭擺動頻率保持一致并同步。以同步信號為基準，LED燈在一個閃爍周期內延時△t后再點亮，而選針器刀頭的擺動頻率與幅度不變，此時因LED燈閃爍時間不同，通過人眼觀察到選針器刀頭靜止出現在不同位置，若選針器刀頭出現抖動、擺動不到位等現象，則極易被識別，從而達到檢測的目的。

其中，LED燈的閃爍頻率和選針器刀頭的擺動頻率f通過STM32控制單元的按鍵輸入電路輸入，并提供給STM32嵌入式微處理器。同時STM32嵌入式微處理器采集可調電位器上的電壓值Vin，根據下式可計算得到延時△t的值。

式中：△t為延時時間；Vin為電壓值；f為頻率值。

由STM32嵌入式微處理器將頻率值和延時△t值送入CPLD控制單元，由CPLD產生兩路頻率相同的脈沖信號，一路脈沖信號送給LED驅動電路驅動LED燈閃爍，另一路脈沖信號送給選針器驅動模塊驅動選針器刀頭工作。最后通過調節可調電位器，人眼就能觀察到選針器刀頭靜止出現在不同位置，以此可判斷出選針器刀頭抖動、擺動不到位等情況。

2 系統硬件設計

2.1 系統整體結構

選針器檢測系統由STM32控制單元、CPLD控制單元、LED驅動電路、選針器驅動電路等模塊組成，如圖2所示。其中，STM32控制單元是控制核心[9-10]。CPLD控制單元通過并行口與STM32嵌入式微處理器相連[11]，選針器檢測系統的脈沖發生程序通過燒寫的方式存儲在CPLD控制單元中。LED驅動電路和選針器驅動電路與CPLD控制單元的I/O端口相連。

圖2 系統結構框圖Fig.2 Diagram of system structure

2.2 系統硬件電路設計

2.2.1 STM32控制單元

STM32控制單元包括STM32嵌入式微處理器、按鍵輸入電路、可調電位器輸入電路和顯示模塊，其構成如圖3所示。其中，按鍵輸入電路與STM32嵌入式微處理器的I/O端口連接。可調電位器輸入電路中可調電位器的調節輸出引腳與STM32嵌入式微處理器的ADC接口連接。顯示模塊包括LCD顯示屏和LCD顯示驅動電路，LCD顯示屏通過LCD顯示驅動電路的I/O接口連接到STM32嵌入式微處理器的I/O端口。

圖3 STM32控制單元結構Fig.3 Structure of STM32 control unit

STM32嵌入式微處理器通過并行口和LCD顯示驅動電路連接，在LCD顯示屏上顯示輸入的頻率和延時△t的值，其中，輸入的頻率值為LED燈的閃爍頻率，即選針器刀頭的擺動頻率。

2.2.2 CPLD控制單元

CPLD控制單元的結構如圖4所示。由CPLD產生2路頻率相同的脈沖信號，一路脈沖信號送給LED驅動電路驅動LED燈閃爍，另一路脈沖信號送給選針器驅動模塊驅動選針器刀頭工作。

2.2.3 高亮聚光LED燈的驅動電路

LED驅動電路見圖5。輸入高低信號電平經過Q1一級跟隨驅動電路可提高LED驅動電路的帶負載能力，以此控制三極管Q2的開與關，使LED形成頻閃的效果。

圖5 LED驅動電路Fig.5 LED driver circuit

2.2.4 選針器驅動結構

選針器的驅動結構見圖6。采用大功率管進行功率驅動，可編程控制器作為邏輯控制、數據處理核心，執行機構與可編程控制器件之間采用光電耦合方式耦合，可起到很好的信號隔離效果。

3 系統軟件設計

檢測選針器的具體過程為：調整LED的頻閃頻率，使之與選針器刀頭擺動的頻率一致，同時調整頻率周期內延時△t,用肉眼觀察，若選針器刀頭靜止且無偏移，則表明選針器工作正常。若選針器刀頭有偏移，則表明選針器工作異常，有問題存在。

根據該檢測過程，設計檢測選針器的流程如圖7所示。程序首先進行初始化操作，輸出初始化頻率值，若該初始頻率值已經和選針器刀頭擺動的頻率一致則無需調整，若不一致可通過按鍵，步進調整頻率值，直至LED燈的頻閃頻率與選針器刀頭的擺動頻率相一致。

圖7 選針器檢測程序流程圖Fig.7 Program flow chart of needle selector

系統開機后，首先進行參數設置，主要完成閃爍頻率的初始值以及工作所需的各種參數的設置等功能。然后檢測是否按鍵，有鍵按下則對輸出閃爍頻率進行初始化，將其初始值設定為n，然后根據肉眼判斷選針器的工作狀態，并通過增減調整LED可調電阻值，即頻率周期內延時時間△t，最終使得選針器刀頭在對應位置靜止，從而檢測出選針器的準確性。

4 檢測性能測試

為檢驗系統的檢測性能，選取了5組選針器樣本進行了檢測測試，結果如表1所示。

表1 系統檢測結果

Tab.1 Test results of detection system

實驗序號選針器刀頭故障數目/個檢出故障數目/個檢出率/%1858296529287946378759624878496656360952

為進一步檢驗系統檢測的有效性和可靠性，還將系統在選針器生產車間進行了實際的生產檢測使用，結果顯示該系統同樣可實現對選針器刀頭的準確性檢測，提高了檢測人員的工作效率。由此證明，該檢測系統可實現對選針器的刀頭故障的有效檢測。與傳統的檢測手段相比，該系統具有以下特點：1)利用頻閃原理，采用閃爍LED燈照射選針器刀頭的方法，以人眼觀察選針器刀頭的運動狀況來方便判別選針器工作性能，從而克服了以往的檢測手段和檢查方法效率低、可靠性差、缺乏通用性等缺點，這是該選針器檢測系統在檢測手段和方法上的創新；2)采用STM32嵌入式微處理器作為控制核心，對系統進行功能模塊化設計，系統架構清晰，功能模塊配置靈活，提高了系統的可靠性和可擴展性，且具有友好的人機交互界面；3)采用CPLD復雜可編程邏輯器件技術，利用并行處理能力快速輸出脈沖頻率信號，驅動LED燈和選針器，發揮CPLD在并行控制及通訊方面的優勢，簡化電路設計，提高了系統的穩定性、可靠性和并行控制能力。

5 結 語

為解決現有檢測系統存在的問題，本文應用頻閃原理提出了一種以嵌入式微處理器為控制核心，可編程邏輯器件協同處理的選針器頻率檢測系統。該系統包括STM32控制單元、CPLD控制單元、LED驅動電路、選針器驅動電路等各個單元模塊，由STM32輸出控制CPLD單元，并由CPLD產生脈沖信號，分別驅動LED燈閃爍和選針器運行工作，通過調節電位器阻值，并配合人眼觀察，實現了選針器在離機狀態下刀頭抖動、擺動不到位等故障檢測。

通過對樣品以及實際工作的選針器的檢測，證明該系統可有效檢測選針器的刀頭故障情況。該檢測系統已經在選針器生產企業得到應用。實踐表明，檢測系統提升了電子選針器的穩定性和可靠性，提高了其生產效率，可進一步加以推廣應用。

FZXB

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Design of needle selector frequency detection systembased on stroboscopic principle

LI Jun， ZHU Fangming， ZHOU Jiong， YU Qingfeng

(SchoolofInformationScienceandEngineering,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou,Zhejiang311121,China)

Needle selector is the key actuator in the electronic jacquard technology, and its working performance will directly affect the accuracy and reliability of circular knitting machine. The existing electronic choosing needle detector systems have shortcomings of low detection efficiency, poor reliability, and high cost. Using stroboscopic imaging principle, and utilizing the embedded control technology and the modular design method, a needle selector detection system was designed based on an embedded processor STM32 and programmable logic device. The practical test results show that the system can realize the effective detection of the cutter head failure of the needle selector with good stability, reliability and parallel control ability. The detection system is applied in the needle selection device manufacturers, which shows improvement of the stability, reliability and the production efficiency of the needle selector.

needle selector detection system； stroboscopic imaging; flicker frequency； embedded processor； compatible programmable logical device

2016-03-17

2016-12-23

浙江省科技廳計劃項目(2012C21047)

李軍(1982—)，男，實驗師，碩士。主要研究方向為嵌入式系統的開發與應用。E-mail:20050040@hznu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160302805

TS 183.4

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