基于嵌入式Linux的模板缝纫机控制系统设计

张团善 吴德文 张晨

摘 要

针对模板缝纫机上位机控制系控制面板单一、人机交互性能差、整体水平不高的问题，提出一种基于ARM Cortex-A7架构的i.MX6UltraLite低功耗处理器并搭载嵌入式Linux系统的模板缝纫机上位机控制系统。该系统软件采用嵌入式Ubuntu16.04系统并通过跨平台软件Qt5.6.3搭建人机交互界面系统。实现人机界面、花型打版、图形编辑、文件管理、机器报警监控、机器参数设置、系统升级等功能。并通过调试和试运行结果表明，所设计的模板缝纫机上位机系统缝纫运行可靠，缝纫线迹优美。具有快速、高精度、操作方便等优点。而且其扩展性强，便于后期系统升级功能拓展。

关键词

模板缝纫机;Linux;Qt;人机交互

中图分类号：  TP316.81;TP309              文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.074

Abstract

Aiming at the problems of single control panel，poor human-computer interaction performance and low overall level of upper computer control system of template sewing machine，this paper proposes an i.MX6UltraLite low-power processor based on ARM cortex-a7 architecture and embedded Linux system for upper computer control system of template sewing machine.The system software adopts embedded Ubuntu16.04 system and builds the human-computer interaction interface system through cross-platform software Qt5.6.3Man-machine interface，pattern printing，graphics editing，file management，machine alarm monitoring，machine parameter setting，system upgrade and other functions.The results of debugging and trial operation show that the upper computer system of the designed template sewing machine has a reliable sewing operation and a beautiful sewing thread.It has the advantages of fast，high precision and easy operation.And its expansibility is strong，facilitate late system upgrade function expansion.

Key Words

Knitting hosiery machine;Linux;Qt;Human-computer interaction

0 引言

隨着智能化控制的发展，机械自动化技术也在进行升级换代，模板缝纫机是基于传统的手工机械式缝纫机的工作原理上进一步改进升级的产物[1]。传统的缝纫机虽然价格成本低廉、使用占地面积小，但是每台设备都需要熟练的操作工人，且缝纫线迹不稳定工作效率低下[2]。而模板缝纫机是高速高精自动化缝纫设备，其工作效率比普通缝纫机高达数倍，且无须缝纫技巧[4]。既节约人工成本也无须担心缝纫工人的技术熟练问题[3]。模板缝纫机的最终目的是取代缝纫车工实现“机器换人”的目标，从而高效快速地进行花样图形的缝制。国外比如德国的蔡斯克（ZSK）、百福（PFFAFF），日本的田岛（TAJIMA）、三菱（Mitsubishi）、兄弟（brother）这些公司起步早，经过多年的技术升级换代都有相对较为成熟和完备的模板缝纫机控制系统[4]。国内的模板化缝制技术刚刚兴起，自动化设备不太完善，一些企业也是引进技术，几乎没有自主知识产权，模板缝纫机控制系统的研究工作落后于世界先进水平[5]。模板缝纫机控制系统要求能够稳定、准确、可靠地进行运动控制，同时具有强大的人机交互系统和图形处理能力、便于操作使用。本文针对模板缝纫机的机械结构和工作原理，提出了一种可行性的模板缝纫机上位机控制系统设计方案，选用ARM Cortex-A7架构i.MX6UltraLite芯片作为主处理器搭载嵌入式Linux系统并采用Qt图形界面程序设计，完善模板缝纫机上位机控制系统。

1 总体设计

本次设计模板缝纫机控制系统采用分级控制方式，分别由组织级、协调级、执行级构成。其中基于ARM Cortex-A7架构的i.MX6UI芯片为组织级上位机控制主芯片，以实现上位机的人机交互界面、花型文件打版、文件数据存储、缝纫数据处理以及系统功能等。下位机采用FPGA协助ARM工作，并使用STM35F405芯片为CAN总线分布系统的主节点，通过SPI通信传输起协处理器作用，实现协调工作数据、下位机监测以及CAN总线管理等功能。通过利用ARM数据处理能力和FPGA运算速度快的特点，实现模板缝纫机的快速缝纫工作。

当模板缝纫机正常工作时，上位机主控制器读取花型文件和工作数据通过SPI传输到下位机控制芯片，下位机接收并解析花型文件数据。缝纫数据主要包括花型数据，主轴电机数据、X轴伺服电机数据、Y轴伺服电机数据、Z轴伺服电机数据等。当上位机发送缝纫指令时，机器进入缝纫状态时下位机STM32控制器通过CAN总线将工作数据发送到协调级中对应的模块。各伺服电机系统接收到数据后，根据相应数据信号协调各个模块收到动作信号时，将数据发送到执行级，执行级执行相应动作，最后完成织物的缝纫。同时在工作是协调级可通过CAN总线将自身状态反馈到STM32控制器中，STM32控制器通过SPI传送到上位机主控制器中，上位机主控制器接收并解析数据帧，完成对机器状态监控以及报警处理等功能。

2 上位机控制系统设计

在嵌入式控制系统中，人机交互界面可以更友好的使操作人员对本机系统进行参数控制修改、动态监控系统的运行状态。嵌入式Linux系统是一种免费的开发源代码类Unix的操作系统，广泛应用于工业控制、交通管理、电子产品行业等。具有开源、可剪裁、易移植、性能高、安全可靠性高以及广泛的硬件支持等特点[6]。在Linux系统总多的发行版本中Ubuntu有良好的界面交互接口且操作简单，开发资料总多，便于缩短软件开发周期和后期维护。嵌入式系统中图形界面开发工具众多，其中Qt應用最为广泛。它是基于C++面向对象开发的图形界面GUI程序框架，具有良好的封装机制和丰富的API函数，能很好地支持Linux系统，具有良好的模块化。Qt的开发界面简洁而友好，它特有的信号与槽（signal/slots）机制有效的解决对象间的信息传递参数的正确性[7]。

2.1 主界面设计

在机器开机上电后，系统启动进入初始化界面并显示初始化开机进度条，如果初始化失败则显示初始化错误界面，并显示相应错误报警代码。同时对下位机状态进行检查，读取工作日志、报警错误信息等。当前的工作状态后，显示当前花并向下位机传输花型数据。下位控制板接收并执行工作，上位机实时监听接收下位机工作状态及接收下位机的工作数据。初始化成功完成后直接进入主界面，主界面显示当前缝纫花型、WIFI监控、GPRS状态、模板缝纫机状态、底线长度、当前生产量、底线剩余长度和总循环次数等关键参数。

2.2 文件管理

嵌入式人机交互界面系统中，文件管理是重要的组成部分。文件管理主要是对机器与U盘、移动硬盘或企业网络云盘之间的文件数据操作，进行花型数据的导入/导出、复制、删除及对已有文件进行编辑等。Qt提供QDir类、QFileInfolist和QListWidget类能实现对文件管理[8]，Qt还提供了FileSystemWatcher类可以检测文件、目录接口的改变，而Linux系统会对U盘或者移动硬盘插拔进行检测，当检测到U盘插入时，会创建文件目录并且挂载U盘。关键代码实现部分如下：

bool fileManage：：check_udisk（）{      //U盘插入检测

QDir dirU（"./Udisk"）;

dirU.cd（"./Udisk"）;

if（dirU.exists（））

if（ （dirU.count（））>=2）

return true; }

程序中当U盘挂载会在系统根文件目录下创建Udisk文件夹，并判断文件目录下文件数不小于2时即U盘挂载成功。

2.3 花型文件解析

花型是模板缝纫机所需缝制的花样图案。它既可以专业CAD制版软件打样生成文件，也可以在系统的花型打版中进行简单设计，将生成的花型文件保存为ntp格式文件。基本图案花样有直线、圆、圆弧、曲线、矩形等基本的几何图形，以及人字缝、加固缝、多重缝等缝纫类型;复杂花样图案则是由这些基本花样为基本元素进行相应的重复叠加组成的，对花型处理主要是花型文件解析和花型打版编辑，在上位系统中导入的花型文件主要经过三个阶段：解析、生成、显示。花型文件中包含缝纫控制数据以及压缩的花型数据。其中缝纫控制数据包括花型名称、针距、针速、针脚点等，花型数据中提取图元点集合信息，创建对应的图形链表信息。读取链表信息一次描点显示整个花型文件。而花型打版编辑是在解析花型后在根据需要对花型进行操作修改。

3 结论

针对模板缝纫机上位机控制系统，本文提出设计了一种基于嵌入式ARM模板缝纫机上位机控制系统方案，采用工业级的AMR Cortex-A7架构的i.MX6UltraLite芯片进行上位机控制系统设计。主要对控制系统的人机交互界面进行优化设计，实现文件传输、解析花型图案并进行打版修改的功能等。其上位机系统缝纫主轴速度可达到2800r/min且运行可靠。嵌入式Linux系统虽然为分时操作系统、功能强大。但是其实时性还不能很好地满足实时系统要求。后期需要更好系统优化。同时所设计系统能对花型进行解析设计，但在实际的工作情况下如果能对缝纫次序进行合理优化，找到最佳缝纫路径从而能够更好提高缝纫效率。

参考文献

[1]胡睿.缝纫机的现状与发展趋势[J].商业文化（上半月），2011（09）：316～317.

[2]谢斌.全自动模板缝纫机控制系统研究[J].纺织科学研究， 2015（03）.

[3]文中伟.CISMA2015：智能缝制风头健[J].纺织机械，2015，10：65～69.

[4]游达章，李芮秉，张业鹏，等.自动缝纫机嵌入式控制系统设计[J].现代电子技术.2018.11.1 41（21）.

[5]肖春华，张洪涛.嵌入式技术在特种工业缝纫机上的应用[J].电子设计工程.2014.04：22（7）.

[6]朱耀麟，刘慧琳.基于 Qt 的电脑横机上位机系统[J].计算机技术与发展.2017.04.

[7]董佳星，刘妹琴，樊臻，等.基于Qt的电子提花机控制器上位机控制系统软件设计[J].轻工机械，2018.11.1（41）.

[8]韩浏垚，朱耀麟，刁先举.基于ARM+Linux的横机上位机设计与实现[J].科技视界.2017.