基于LPC4357的嵌入式电脑棉袜机控制系统设计

吕双庆,张团善,胡秀芳,张 峰,杨楠楠

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

嵌入式高速电脑提花棉袜机作为我国轻工针织业一种重要的织袜设备,是集合了计算机技术、电子技术、针织技术、机械加工技术于一体的高度自动化的棉袜针织机械[1].世界上著名的电脑棉袜机生产企业有意大利罗纳蒂、圣歌、韩国兄弟等,以上公司生产的电脑棉袜机代表着当今世界棉袜机的最高水平.其中意大利的罗纳蒂公司牢牢占据着棉袜机械生产加工的高端市场.国内的轻工业由于起步较晚,导致目前国产棉袜机的电控系统在稳定性、扩展性、可移植性等各个方面同国外同类产品相比存在较大差距,很多棉袜机械生产厂家为提高产品质量直接从国外购买成套电控系统,因此研发具有自主知识产权的棉袜机电脑控制系统已经成为当务之急[2].

本设计以Cortex-M4架构的32位工业级处理芯片LPC4357作为主控制器,以ARM Cortex-M0内核的32位微处理器STM32F072RBT6作为CAN总线在选针驱动、电磁阀驱动、步进和伺服驱动板上的从节点控制器.LPC4357作为主控制器不仅主频高达204MHz,而且自带的LCD控制器不再需要扩展其他LCD控制芯片;STM32F072RBT6工业级处理芯片带有一个CAN通信接口且性价比极高.设计改变了原来主控板及所有驱动板都密集地放置在一个机箱并通过复杂的线缆连接驱动部件的现状，把所有驱动模块和其所驱动的部件放在一起,CAN总线只需两根线缆即可实现主控板和驱动板之间的通信,结构更为简单,接线更为便捷,从而构建出一个全新的电脑棉袜机控制系统.

1 系统结构与工作流程

本文提出的电脑棉袜机控制系统采用三级递阶控制系统,包括组织级、协调级和执行级[4],结构框图如图1所示.LPC4357主控制器作为控制系统的组织级,是CAN分布式控制系统的主节点.组织级主要实现人机接口、数据存储、花型数据处理、针筒的针位检测、CAN总线网络管理等工作.STM32F072RBT6处理器作为控制系统的协调级,是CAN分布式控制的从节点,接收从组织级发送来的数据,产生动作数据去控制相应的执行部件,同时也将该功能模块的重要运行参数发送给组织级.执行级根据协调级给定的动作数据,通过各个功能模块的驱动电路控制选针器、气阀、针筒伺服电机、步进电机等执行部件的动作.

系统上电后,主控制器首先读取链条文件和花型文件数据,经过数据的提取和分离后生成系统所需的编织控制数据,将这些控制数据通过LPC4357的两个CAN模块发送给相应的功能模块.编织控制数据包括针控制数据和圈控制数据,其中针控制数据主要为选针控制;圈控制数据包括编织循环圈数、步序号、伺服电机数据、吸风电机数据、升降电机数据、压针电机数据、三角控制数据、送纱电机数据、纱嘴控制数据.当功能模块收到相应的控制数据,并在针同步命令信息帧和圈同步命令信息帧的触发下发出相应的动作信号给执行机构[5].针筒伺服电机控制节点收到速度指令后,电机转动并直接给主控制器反馈针位信号.主控制器收到反馈信号后,判断当前针筒针位,再根据针位把相应的编织控制数据发送给各个执行机构,从而控制各个执行机构进行相应动作.考虑到棉袜机的高转速细针距,无法实现每经过一个针位主控制器就给每个选针器发送选针数据,于是本设计采取主控制器预先发送三圈的花型数据缓存到选针器控制节点处理器的内存中,当收到针同步信号后再将花型数据进行简单计算后产生选针数据去控制选针器工作.

图1 嵌入式电脑棉袜机控制系统框图

2 控制系统设计

2.1 设计要求

设计的棉袜机机型参数如下:针筒直径为102mm(4″),针数96N,6个电磁选针器,提花速度400r/min,最高转速600r/min,具有4路提花功能,每路16级电子选针都有三功位(成圈、集圈、浮线)选针功能.每行可织入一个主色和4个辅色,每一只袜可织入16个颜色.同时设计7寸(800*480)LCD显示界面,移植emWin图形库提供有效、稳定的图形用户界面.可编织的花纹和组织为平纹网眼、斜纹网眼、添纱提花、提花图案等,可生产的棉袜类型为短袜、运动袜等.

2.2 控制对象

电脑棉袜机是通过传动系统、送纱系统、编织系统和密度系统之间的相互协调动作进行编织的,因此主要的控制对象为气阀、步进电机、选针器、交流伺服电机等,这些执行机构配合检测单元产生的信号来完成编织所需的各个特定动作[3].整个控制系统的执行机构包括:1个针筒伺服电机,4个步进压针电机,4个送纱电机,1个步进生克电机,1个步进升降电机,1个步进吸风电机,6组16级的电磁选针器,64路气阀输出.

2.3 设计过程

由于本课题需要控制的执行机构较多,仅选用带有一个CAN控制器的芯片无法完成任务,故选择LPC4357特有的双CAN控制器作为整体控制的基础,以此实现整个电控系统的各个执行机构之间的任务调度、管理和通信.

嵌入式高速提花电脑棉袜机的主控程序主要包括多任务程序调度和中断服务程序响应,其中多任务程序包含了初始化任务、菜单任务、编织任务、异常处理任务、显示任务等[6].这些控制任务有优先级别高低之分,为了确保控制程序的最优实现,就需要合理安排各个任务之间的调度关系和优先级顺序,任务优先级列表如表1所示.另外，中断服务程序包括伺服编码器捕获中断、触摸屏输入中断、键盘输入中断、CAN接收中断、定时器中断等.系统上电后,首先执行主函数,进行LPC4357的系统初始化、LCD显示初始化、管脚配置等,之后进行功能模块配置并快速复位,然后创建初始化任务.运行初始化任务,继续进行一系列初始工作,把配置信息、花型文件、链条文件等从Flash区拷贝到内存并完成数据解析,之后创建菜单任务和显示任务,完成初始任务之后开始进入图形界面主菜单,准备运行菜单任务,此时等待用户输入,可进行参数设置和系统测试,同时界面显示任务包括棉袜机运行状态的人机界面显示和触摸屏、按键的处理.待系统设置完毕,用户选择开始编织,则创建编织任务和错误处理任务,并挂起菜单任务.编织任务开始运行后进行棉袜机的编织控制,一旦编织控制任务检测到错误就会立即停机并挂起编织任务,同时记录下错误类型并显示到液晶屏幕上,等待用户进行相应的错误处理,待错误处理完毕后重新操作,再一次开始运行编织任务.编织完毕后挂起编织任务,重新运行菜单任务.

主控制器LPC4357基于ARM Cortex-M4核设计,M4内部的NVIC(可嵌套向量中断控制器)可及时控制系统的异常及外设中断,拥有8个可编程的中断优先级,最多可实现52个中断.

表1 多任务及优先级列表

3 功能模块设计

3.1 显示及触摸控制模块

显示控制模块由主控制器LPC4357和7寸LCD液晶屏组成,LPC4357内部的LCD控制器提供了显示分辨率可编程的功能,可控制LCD液显屏的分辨率，包括但不限于:320×200、320×240、640×200、640×240、640×480、800×600 和1 024×768,所以本设计中所使用的7寸液晶屏为点阵800×480LCD完全适用.LCD控制器提供了用于访问帧缓冲区的AHB总线主机接口,通过单独的AHB从机接口来进行设置和控制.LPC4357固有的LCD中断连接至NVIC编号为7的中断插槽,使应用于类似应急停车的系统响应更为方便快捷.7寸液晶屏型号为AT070TN92,使用16位像素点数据格式即RGB565来控制LCD的液晶显示,通过TSC2046芯片控制触摸屏.

3.2 伺服电机控制模块

由于棉袜机针筒转速高且针距细密的特点,其最高转速为600r/min,针距为1.0mm,因此对伺服电机的控制速度、精度和稳定性都提出了严格的要求,伺服电机控制技术是否能满足要求直接决定了电控系统能否成功.伺服驱动节点收到主控制节点发送来的速度指令,然后通过STM32F072RBT6单片机内部的高级定时器生成六路PWM信号驱动交流伺服电机的驱动电路,再通过编码器将反馈信号传回主控制器进行位置闭环控制,实现了棉袜机针筒位置的控制.

3.3 步进电机控制模块

本棉袜机共需4种步进电机,其中，升降电机用于控制针织密度,生克电机用于提高编织速度和质量,吸风电机用于吸风控制,每路都有一个压针电机控制弯纱深度.另外采用积极送纱方式,每路配置一台KTF(纱线张力控制器)控制纱线的张力,虽然KTF内部为步进电机,但KTF内已集成步进驱动模块,因此主控制器仅向KTF发送控制信号即可.

步进电机控制芯片同样为STM32F072RBT6,驱动芯片采用BD63860,每个步进电机CAN节点收到报文后读取步进电机控制数据.步进电机采用的都是两相步进电机,为了实现步进电机速度和位置的精准控制,通过STM32内部定时器产生方向信号和脉冲信号发送给BD63860,进而产生驱动电流带动步进电机转动,实现步进电机位置和速度的精准控制,步进电机控制原理图如图2所示.

3.4 选针器控制模块

本设计中选针器采用电磁式选针器,通过电磁铁的极性变化来控制选针器选针.使织针分别运行在不同的轨道,即用抄针法完成选针[7].本课题的棉袜机控制系统有6路成圈系统,采用6个16级的选针器,一共96个选针刀片.每个选针器分离并采用独立驱动控制,驱动芯片为STM32F072RBT6,与总控制器LPC4357采用CAN总线进行通讯,共需6个CAN节点.电磁选针器的工作原理为通过改变选针器线圈电流的方向来改变磁场方向,进而改变选针刀片的动作.

以前的选针器驱动模块集合在一块电路板上,由于选针器需要控制的选刀刀片较多,导致所需驱动I/O口众多,96个选针刀片共需要192路控制信号来控制电磁线圈,不仅需要扩展单片机的I/O口,还导致选针器驱动模块与选针器之间的接线繁杂.本设计的选针控制方案使每个选针器都单独“霸占”一块驱动,作为一个CAN节点接收主节点传送来的花型数据进行处理后生成选针数据,然后将选针数据直接通过STM32F072RBT6生成控制MOS管通断的信号进而控制电磁线圈、选针刀片,完成选针.STM32F072RBT6直接控制MOS管通断进而控制选针刀片的原理图如图3所示.

图2 步进电机控制原理图 图3 选针器控制原理图

3.5 气阀驱动模块

气阀的控制与电磁铁的控制原理相同,都是采用电压驱动方式.本设计方案的控制系统一共需要驱动64路气阀,每个控制气阀的CAN节点也是负责16路输出,所以整个气阀控制系统共需要4个气阀控制CAN节点.气阀控制CAN节点收到控制数据后将气阀动作数据发送到相应的气阀输出口,考虑到气阀电磁线圈的过流保护,在设计时对电磁线圈电流进行采样之后传入控制气阀的单片机进行过流检测,当发生过流时相应的单片机进行报警并可将检测结构通过CAN总线传回主控制器.

3.6 传感器输入模块

传感器输入模块通过CAN总线连接到主控制器,接收主控制器发送来的读取信号,回传当前各个传感器的状态.传感器输入信号包括:针筒伺服电机编码信号、哈夫圈同步信号、供油系统检测信号、气压检测信号、手柄检测信号、针舌探针检测信号、断针探针检测信号、三角位置检测信号、KTF(纱线张力控制器)检测信号、出袜检测信号、废纱检测信号,除伺服电机编码器外总共有26路数字量传感器输入信号,用于检测针位的伺服电机编码信号则直接由主控制器通过中断方式获取.

4 结 论

(1) 设计的基于双CAN控制器LPC4357的嵌入式电脑棉袜机控制系统采用分布式递阶控制系统,充分发挥了棉袜机对各种袜型花型针织工艺的处理功能,简化了控制流程,增强了系统的灵活性,同时节约了成本.

(2) 通过CAN总线的应用提高了控制系统的可靠性和实时性.实践证明,这是一种合理有效的控制系统设计.

参考文献：

[1] 王辉.电脑袜机成圈机构的分析与研究[D].杭州：浙江理工大学,2009:1-3.

[2] 张盼盼.基于嵌入式电脑袜机控制系统[D].西安：西安工程大学,2013:1-2.

[3] 张团善,时剑,魏彬. 新型电脑横机控制系统设计[J].西安工程科技学院学报,2007，21(4):441-444.

[4] 李志祥.电子提花技术与产品开发[M].北京:中国纺织出版社2000:15-17.

[5] 张团善,罗富文,吴辉.基于ARM的嵌入式电脑丝袜机控制系统设计[J].针织工业,2014(1):22-25.

[6] 张露露.大针数电子提花机控制器的设计[D].杭州：浙江理工大学，2009:46-58.

[7] 唐彪.一种新型选针器的结构及选针原理[J].针织工业,2013(1):21-22.