基于STM32F4 嵌入式的劍桿織機控制系統設計

葉太強，何 勇，沈小其，梁藝熒

（東華大學 機械工程學院，上海201620）

劍桿織機屬于無梭織機[1]，具有功能完善、產品適應范圍廣、織物質量優量、生產率高等優點，對紡織行業的發展有著舉足輕重的作用[2]。目前，意大利、德國、日本產劍桿織機處于領先地位，我國則主要生產并出口中低端劍桿織機，國產少部分高端機型在控制精確性、可靠性與穩定性方面，與國外相比仍差距明顯[3]。因此，研發高性能的劍桿織機是國產劍桿織機行業研發的重點[4]。

控制系統是高性能劍桿織機的核心。通常情況下，用于工業控制的控制器有PLC、工控機和單片機[5]。PLC 和工控機可靠性高，屬于在單片機基礎上針對工業環境的二次開發，成本較高；單片機控制系統，內核小，專用性強，具備系統實時性高、開發難度簡單等優點，因此在工業中得到廣泛使用[6-7]。此外，單片機嵌入式系統，可移植性好，可以根據具體工作需求修改，能高效解決生產中的問題。

在此，設計了一種基于STM32F4 控制器的劍桿織機控制系統。該系統具有成本低、實時性好、抗干擾能力強、可靠性高的優點，滿足600 r/min 轉速下穩定生產的能力。

1 劍桿織機設計方案

劍桿織機利用開口、引緯、打緯、送經和卷曲運動[8]等五大運動來形成織物。控制系統利用主軸角度協調五大運動，主軸旋轉1 周為1 個織造周期[9]。根據各自的運動角度，劍桿織機依次完成開口、引緯、打緯運動，同時通過送經和卷曲運動來保證織造動作的連續性。

控制系統采用基于STM32F4 系列單片機的雙核架構。CPU1 為系統控制核心，負責協調五大運動，布匹工藝參數傳輸，電子多臂控制，人機界面、經紗張力控制，各類異常錯誤的處理，伺服電機控制，等。CPU2 為系統輔佐控制器，負責主軸角度的檢測、經紗張力檢測、斷緯斷經檢測、頻閃儀以及輔佐織造信號的控制。CPU1 與CPU2 通過雙口RAM進行數據交換。系統的設計方案如圖1 所示。

圖1 劍桿織機控制系統設計方案Fig.1 Design scheme of rapier loom control system

2 控制系統硬件設計

依據織物織造原理和信號流向，結合模塊化思想，把整個劍桿織機控制系統分為五大子系統：主控子系統、輸入子系統、輸出子系統、電源子系統和制動離合子系統。劍桿織機控制系統的硬件結構如圖2 所示。各個子系統之間通過上下母板實現電氣連接，采用光電隔離實現可靠傳輸。

圖2 劍桿織機硬件結構框圖Fig.2 Rapier loom hardware structure block diagram

1）主控子系統 控制系統核心，主要負責協調各個子系統之間的通訊，解析織造工藝數據，監控運行狀態，并于人機交互屏通訊等。硬件電路設計主要包括數據存儲模塊、電源模塊、顯示屏控制模塊、USB 接口、鍵盤接口電路、掉電復位模塊和RS232，RS485，CAN，工業以太網等通訊接口模塊、時鐘電路、電子送經驅動信號、電子卷取驅動信號等。

2）輸入子系統 作為輔助控制器主要對各個輸入信號進行采集分析。包括主軸角度信號模塊、斷經檢測、斷緯檢測、經紗張力檢測、探緯探經檢測、頻閃儀以及一系列的輔助織造信號。得益于絕對式編碼器，織造過程中主軸角度能保持異常停車后的連續性，可以有效避免“開車痕”。通過中斷的方式傳遞主軸信號，以減少CPU2 芯片資源占用，提高系統實時性。同時利用此中斷信號驅動頻閃儀采集織機運轉速度，提高織機運轉的準確性。

3）輸出子系統 根據主控子系統控制指令，在輸出子系統中完成指令的解讀，從而驅動相應的執行機構完成織造；包括狀態指示燈輸出、儲緯器控制輸出、電子多臂信號、選色信號、慢速電機驅動以及一系列輔佐信號；并利用LM331 電壓頻率轉換模塊檢測輸出的制動離合電壓大小，其原理如圖3所示。

圖3 電壓頻率轉換模塊檢測Fig.3 Voltage frequency conversion module detection

CEL為制動離合反饋回來的電壓值，其范圍為0～15 V，途徑電壓頻率轉換模塊，根據

即可獲得與之對應頻率的波形，將該波形輸入單片機捕獲比較器進行計數，可以得到剎車力度值。

4）電源子系統 總輸入為380 V，50 Hz 交流電，根據每個子系統電源要求，電源子系統分配電源。在供電接口處，并聯與電壓匹配的瞬態抑制二極管與壓敏電阻，以降低浪涌沖擊的影響[10]。為提高電源子系統抗干擾能力，在各自子系統電路板上，于2個不同電源地平面邊界之間，每隔（30/Fmax）m 的距離（其中Fmax為電源地之間的最高頻率，MHz），利用0 Ω 電阻和0.01 μF 濾波電容相間排列，橋接2 個不同電源地[11-13]。

5）制動離合子系統 主要為大電流、高電壓的電磁離合信號，包括倒車齒式離合驅動、慢速離合驅動、主電機離合驅動等。

6）人機交互 采用威綸通公司的TK6071IQ 觸摸屏。其界面可以實時顯示織機織造角度與織造狀態、生產參數等信息。同時，支持手動更改織造參數菜單，支持按鍵點動開車、異常故障報警和雙鍵急停等功能。人機交互主界面如圖4 所示。

圖4 人機交互主界面Fig.4 Human-computer interaction main interface

3 控制系統的軟件設計

劍桿織機控制系統的主要任務是實現子系統的管理和織造運動的時序，在此采用FreeRTOS 實時操作系統，并設計了系統任務模塊、通訊任務模塊和定時器服務中斷任務模塊等3 個主要任務模塊。其中，定時服務中斷任務模塊是織機生產的基礎，用于實現快速織造、慢速定位停車、斷緯處理、斷經處理和異常報警處理這五大織造狀態的切換。系統利用定時器中斷，每隔5 ms 產生1 次中斷，并根據織造情況更新狀態標志變量RUN 的值，通過檢測到的RUN 值實現任務散轉。在各自的運動狀態下，操作系統調度相應的織造任務入口函數，同時向人機交互屏顯示織造參數。系統織造狀態切換示意如圖5 所示。

其中，快速織造為劍桿織機核心生產狀態，控制系統根據不同的織造材料，調用不同的主軸角度中斷鏈表，協調各個運動機構的動作。快速織造狀態下的織機系統織造流程如圖6 所示。

圖5 系統織造狀態切換Fig.5 System weaving state switching

圖6 劍桿織機系統初始化流程Fig.6 Rapier loom system initialization flow chart

在快速織造狀態下系統首先進行變量的初始化，接著根據布料的織造要求設置相關參數，再讀入輸入子系統相關信號，經解析之后，判斷各類參數是否異常。若異常，置相關標志位，并調用相應的異常處理模塊。在配置好各類織造參數的基礎上，調用快速織造主軸角度表，并驅動相應電機，同時向屏幕顯示織機狀態，控制相應指示燈，如此循環反復保證連續織造。

4 測試與分析

主控系統開發環境為KEIL5 MDK，基于C 語言開發的系統。控制系統硬件測試平臺如圖7 所示。

圖7 主控系統硬件測試平臺Fig.7 Main control system hardware test platform

4.1 系統通訊測試

利用人機交互屏和串口打印測試結果。經測試，RS232 通訊正常；RS485 與人機交互屏幕正常通訊；U 盤能良好讀寫FAT32 文件； 利用控制器的CAN1 通道，在環回模式下也能實現自收自發，說明CAN 設計良好。在以太網調試中，用網線將主控系統的RJ45 接口與PC 網口相連，設置好本地協議屬性后，用Windows 操作系統的ping 命令監控以太網通訊，結果如圖8 所示。

圖8 工業以太網驗證輸出Fig.8 Industrial Ethernet verification output

通過圖8（a）串口窗口中可以獲得網口相關信息，包括網口IP，MAC，子關掩碼及網關等；在圖8（b）ping 命令窗口中，網口通訊數據包發送量等于接收量，以及零丟失的情況。由此證明系統通訊功能良好。

4.2 系統測量精度測試

往輸出子系統電壓頻率轉換模塊輸入端分別輸入1 V 和2 V 電壓，通過示波器來檢測轉換精度。示波器采集模塊輸出端波形如圖9 所示。

圖9 剎車力度采集模塊輸出波形Fig.9 Brake force acquisition module output waveform

由圖9（a）可得，電壓輸入端為1 V 時，頻率為4.803 kHz，而理論頻率為4.78 kHz，誤差約為0.5%；由圖9（b）可得，輸入端電壓為2 V 時，信號頻率為9.366 kHz，理論頻率為9.56 kHz，誤差約為2.0%。由此證明系統能準確采集剎車力度值。

4.3 抗干擾測試

通過往主控子系統板外接雜波較大的電源模塊以測試其抗干擾能力。具體測試結果如圖10所示。

圖10 外置電源與主控子系統電源波形Fig.10 External power supply and power waveform of main control subsystem

由圖10（a）得到的外部電源波形雜亂、頻率無章；經過處理之后的結果如圖10（b）所示，即外部干擾信號得到了很明顯的過濾與凈化。同時，電磁干擾頻率約為6.406 MHz，符合德國規定的IEC BS 800 標準——電源頻率范圍為10 kHz～30 MHz[14]，證明抗干擾設計良好。

5 結語

劍桿織機作為關鍵紡織設備之一，擁有自主研發而高端劍桿織機，對我國成為紡織業強國有著重要意義。設計了一種基于雙核STM32F4 系列單片機嵌入式劍桿織機控制系統。該系統具有成本低、實時性好、移植性好，可靠性強等特點。通過利用模塊化設計思想，劃分硬件控制系統，更易于系統功能的擴展和配置。軟件上采用FreeRTOS 嵌入式實時操作系統，在確定系統實時性的同時，增強了系統工作效率。經測試，該系統在織機為600 r/min 轉速下運行穩定，對國產劍桿織機的高性能與可靠性的提升具有指導意義。