基于嵌入式技术的毛巾剑杆织机控制系统设计

金永敏

（浙江工业职业技术学院 浙江 绍兴　321000）

基于嵌入式技术的毛巾剑杆织机控制系统设计

金永敏

（浙江工业职业技术学院 浙江 绍兴321000）

为了设计一套适应广的毛巾剑杆织机控制系统，文章在分析毛巾织造工艺与织机机械部件运动时序的基础上，提出一套以32位嵌入式处理器为硬件基础，基于嵌入式实时操作系统软件μC/OS-Ⅱ开发平台的剑杆毛巾织机控制系统的软硬设计方案。实现了电子送经、伺服卷取、变纬密等功能。同时，该控制系统还具有24路电子龙头控制与8色电子选纬功能。

剑杆织机；控制系统；LPC1766；μC/OS-Ⅱ

近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，市场竞争也越来越激烈，需要不断更新和开发产品［1］。在此背景下，文章在分析毛巾织造原理与织机机械部件运动时序的基础上，提出一套以32位嵌入式处理器为硬件基础，基于嵌入式实时操作系统软件μC/OS-Ⅱ开发平台的剑杆毛巾织机控制系统的软硬设计方案。该控制系统在技术上达到了以下指标：1）开发的控制系统适用于主轴最高转速为300 转/分钟的剑杆毛巾织机。2）具有电子送经、伺服卷取功能，能实现变纬密、织物须长停车自走与定位停车后补偿等功能。3）具有24路电子龙头控制与8色电子选纬功能。4）织物起毛高度在设计范围内连续可调，能够实现波浪型花纹编织。5）具有软件自动寻纬功能。6）毛巾剑杆织机工作状态实时检测功能，并在LCD液晶上显示。同时，该系统还具备各类故障报警功能。

1　毛巾剑杆织机核心运动部件与控制时序

根据剑杆毛巾织机的机械结构与毛巾织造工艺，确定了毛巾剑杆织机的核心运动部件：电子龙头开口控制装置、引纬装置、起毛伺服机构、打纬装置、送经装置和卷取装置等；辅助装置包括：主轴旋转角度检测装置、启动离合控制装置、刹车离合控制装置、断经纱与断纬纱检测装置、8色电子选纬装置等。由于开口、引纬、起毛、打纬、送经和卷取等6大运动都是以织机主轴转动一周的时间为运动周期［2］。因此，可以采用以主轴旋转角度来确立毛巾剑杆织机的基本控制时序，即控制各种运动与织机状态检测的开始，结束时间、织机各种运动的相互协调关系、控制信息操作时间节点等［3］。毛巾剑杆织机的基本控制时序如图1所示。

图1　毛巾剑杆织机基本控制时序图

2　毛巾剑杆织机控制系统总体设计

毛巾剑杆织机控制系统以LPC1766芯片为核心，从电路的功能看可以划分为两大模块，即LPC1766主控模块与各种外围信号接口模块。其中LPC1766主控模块包括：LCD液晶显示与键盘接口电路、USB接口电路、数据存储电路、电源模块、CPU最小系统、RS232通信接口电路、状态量输入输出接口电路。外围接口电路包括：经纱检测信号接口电路、纬纱检测信号接口电路、24路电子龙头接口电路、8色选纬接口电路、织机工作状态开关量输入接口电路、卷取伺服控制接口电路、主轴转速信号控制接口电路、启停与故障保护电路、起毛伺服控制接口电路以及其他控制信号输入输出接口电路。毛巾剑杆织机控制系统的结构框图与信号传输方向如图2所示。由于毛巾生产车间的电磁环境比较恶劣，毛巾剑杆织机控制系统的各种外围接口电路与LPC1766的主控制电路采用的电气隔离的方法来增强系统的抗干扰性能。系统的电气隔离主要采用光电隔离方案实现。

图2　毛巾剑杆织机控制系统结构图

根据控制系统的功能设计要求，所设计的毛巾剑杆织机控制系统具有以下的控制信息点：1）24路电子龙头控制信号；2）8路纬纱选色控制信号；3）8路织机工作方式控制信号；4）4路指示灯控制信号；5）2路离合器控制信号；6）3路主轴电机转速控制信号；7）10路织机工作状态信号；8）1路100 V辅助高压控制信号；9）2组伺服电机控制信号；10）1组RS232通信接口。其中第1至5项是开关量输出信号、第6 至8项是开关量输入信号、第9项至第10项是综合控制信号组，包含多个信号量的输入输出。

3　控制系统核心硬件电路设计

毛巾剑杆织机控制系统的硬件电路包含以LPC1766为核心的主控制电路与外围各类信号接口电路，其中主控制电路涉及的各种芯片及其外围电路都是典型应用电路，因此文章不对其展开讨论。毛巾剑杆织机控制系统使用到的各种外围接口电路，主要用于完成电气隔离型开关量信号输入与输出、8位数据总线型控制信息输出、启动离合器与刹车离合器以及辅助高压的控制［4］。同时，还包含了伺服电机的控制接口以及其它诸如隔离RS232通信接口电路。具体电路实现方案与功能如下所述：

1）隔离型开关量输入/输出电路

隔离型开关量输入电路用于毛巾剑杆织机控制系统的开关量输入与织机工作状态量输入，主要由P521光耦与施密特触发器74HC14芯片组成。开关量信号输入时，低电平有效。当信号输入时，将使P521光耦的输出端导通，从而改变施密特触发器74HC14输入端的电压，信号经整形后输入到LPC1766的数据端口，实现开关量信号的读入。为了增强抗干扰性能，在74HC14的输入端与地之间加一0.01 nF的陶瓷电容进行滤波。隔离型开关量输出电路与开关量输入电路类似，也采用P521光耦进行电气隔离，只是信号传输方向相反。

2）8位数据总线型控制信号输出

为了提高LPC1766端口的使用效率，对24路电子龙头控制信号、8路纬纱选色控制信号与8路织机工作方式控制信号共40路信号的控制采用8位数据总线方式实现［5］。该电路采用了 5片 74HC573和 5片 ULN2803芯片。其中74HC573芯片作为数据总线扩展端口与LPC1766的8位数据总线相连。各个74HC573芯片的/OE引脚相互连接后接到LPC1766的一根地址线，用于控制数据的输出。同时，各个74HC573芯片的LE引脚作为片选信号各占一根LPC1766的地址线。ULN2803作为总线驱动芯片，其输入端与74HC573的输出端相连，输出端连接到外部信号接口。

3）启动离合器与刹车离合器以及辅助高压控制电路

启动离合器与刹车离合器控制电路类似，LPC1766发出的控制信号通过P521光耦进行电气隔离后，通过IRF640N功率管控制外部离合器。2路功率管的S脚相连后，经过一个电流采用电阻接地。该电流采样电阻的参数为0.22 Ω/5 W，用于离合器驱动电流监测，防止电路电流过大［6］。100 V辅助高压用于提高离合器控制电路的驱动电压，高电压驱动可以加快外部离合器电磁铁的吸合速度，辅助高压在离合器吸合后撤销。100 V辅助高压的控制电路与离合器控制电路类似，由光耦P521与IRF640组成，该电路中的IRF640的S引脚通过一个 36 Ω的功率电阻与 FR307与离合器控制电路IRF640的D引脚相连。离合器电磁铁的维持电压为24 V，该电压通过6A10管子与100 V辅助高压控制电路IRF640的S脚相连。具体电路如图3所示。

图3　离合器与辅助高压控制电路

图4　织机运动机构控制与工作状态监测流程图

4　毛巾剑杆织机控制系统软件设计

毛巾剑杆织机控制系统的软件基于实时操作系统μC/ OS-Ⅱ开发完成，分为LCD液晶显示、数据输入输出与保存、按键处理、串口通信、U盘文件操作等任务模块。这些任务模块在实时操作系统μC/OS-Ⅱ的协调下完成对毛巾的织造过程中的纺机机械运动控制。控制系统软件的核心功能有：

1）通过移植周立功公司推出的ZLGUSB软件包，在毛巾剑杆织机控制系统中实现利用U盘读写FAT32文件操作，完成了对外部毛巾花型数据文件的读入与管理。

2）剑杆毛巾织机运动机构控制与工作状态监测，该项功能是控制系统软件设计的核心部分。在设计过程中，根据剑杆毛巾织机控制信息点、织机动作时序，控制时间节点等信息了编写正确的控制逻辑关系，完美的匹配了毛巾织造工艺，实现了织机的各个运动机构了的控制与运动协调，使得织机能准确完成毛巾布料的织造流程。其中引纬与打纬不需要控制。同时，还对织机各部件的工作状态进行了实时监控，确保织造过程的安全性。并预留了工艺调整接口，使得设计的毛巾剑杆织机控制软件能适用于更多机型。其设计思路如图4所示。

3）人机界面与控制参数输入模块，设计毛巾剑杆织机的人机界面，通过薄膜型按钮与LCD液晶显示屏配合，实现了2级菜单界面，可设置与查阅织机的控制参数、运行状态信息以及查看毛巾花型数据文件［7］。特别是能通过软件自由设置电机每转一圈返回的脉冲数、电子齿轮比与刺毛管周长系数，提高了控制系统的灵活性。

5　结论

设计完成后的毛巾剑杆织机控制系统，在合作单位提供的毛巾剑杆织机上，进行了软硬件联合调试，在修正了一些设计上的瑕疵后，达到了预定设计指标。实现了，电子送经、伺服卷取功能，变纬密、织物须长停车自走与定位停车后补偿、24路电子龙头控制与8色电子选纬、织物起毛高度在设计范围内连续可调，、波浪型花纹编织、剑杆毛巾织机工作状态实时检测与故障报警等功能。同时，通过适当的参数修改，该控制系统还可以应用于平布纺织。

［1］董春兰．浅议剑杆织机发展趋势［J］．机械管理开发，2012 （1）:37-40．

［2］章玉铭．毛巾剑杆织机的控制系统设计［D］．杭州：浙江工业大学，2011．

［3］章玉铭．毛巾剑杆织机的经纱张力控制系统［J］．西安工程大学学报，2011（6）:295-297.

［4］王庆九，陈宗农，詹建潮．电子多臂剑杆织机数据传输系统的研制［J］．机电工程，2005，22（3）:11-13．

［5］李春明，王钦若，肖华军．基于ARM和FPGA的剑杆织机控制系统设计［J］．自动化技术与应用，2010，29（6）:29-32．

［6］何勇，程宇昕．基于CAN总线的剑杆织机控制系统设计［J］.制造业自动化，2011（6）:135-137．

［7］张峰，张团善，吕双庆，等.emWin在LPC1788上的移植与应用［J］．电子设计工程，2015（6）:156-160.

Design of control system for towel loom based on embedded technology

JIN Yong-min
（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

In order to design a well-adopted control system structure of towels rapier loom，on the basis of analyzing towel weaving process and motion sequence of machine，a control solution for towels rapier loom was is put forward in this paper. The core chip of the hardware circuit of control system is lpc1766.The Control system software was development based on μC/ OS-Ⅱ.The main functions of the control system for towels rapier loom are electronic transfer of warp、Servo coiling、variable weft density and so on.In addition，the control system can control 24 Electromagnets of brown box and 8 color electronic weft selectors.

rapier loom；control system；LPC1766；μC/OS-Ⅱ

TN-9

A

1674－6236（2016）13-0161-03

2015-06-23稿件编号：201506210

浙江省教育厅科研项目（Y201329833）

金永敏（1978—），男，浙江仙居人，硕士，讲师。研究方向：嵌入式系统应用、控制理论与控制工程。