采用高速串行总线的圆纬机选针驱动器设计

史伟民，郭波锋，彭来湖，袁嫣红

(浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江 杭州 310018)

采用高速串行总线的圆纬机选针驱动器设计

史伟民，郭波锋，彭来湖，袁嫣红

(浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江 杭州 310018)

目前针织机械用压电陶瓷选针器都采用并行总线结构组网控制，提出了一种基于RS-485高速串行总线的选针驱动器设计方法。在一条波特率为4 M的RS-485总线上，并联多个基于RS-485总线的数字选针器。设计一主多从的多节点总线架构和总线仲裁机制，实现主机和从机间的相互通信。测试结果表明，这种控制方法能解决目前长线传输效应较易产生的信号间相互串扰，抗电磁干扰性能差，提花编织控制时容易出现错花等不稳定现象，满足选针实时性要求，可提高数字选针器的稳定性。

圆纬机;RS-485总线;总线仲裁机制;多节点;数字选针器

随着电子技术的飞速发展，机械式提花已不能满足圆纬机的织造要求，电子提花技术［1－2］应运而生，选针器是圆纬机电子提花技术中最重要的执行器之一，用于控制织针的运动轨迹，使圆纬机实现成圈、集圈、浮线等动作。目前应用在圆纬机上的选针控制系统主要有日本WAC三功位或两功位选针系统，以及国产鲲鹏和创达的三功位或两功位选针系统［3］。这些选针系统都是以并行总线的方式控制选针器，提花编织时经常出现错花等不稳定现象，严重影响圆纬机生产品质。

深入分析其原因，发现主要是由于并行总线本身的缺陷造成选针器误动而导致编织乱花。并行总线存在速率越快越易相互串扰，传输长度越长越容易产生长线传输效应和抗电磁干扰能力弱等问题。针对此问题，本文提出一种基于RS-485［4］高速串行总线的选针器控制方法，从根本上解决并行总线存在的问题。并根据选针实时性要求，用高性能Cortex-M3［5］内核的ARM芯片对该驱动器进行模块化设计。

1 选针驱动器高速串行总线构架

1.1 压电陶瓷选针器

目前应用最多的选针器有电磁式选针器和压电陶瓷式选针器，电磁式选针器工作时耗能大，断开时产生的反电动势会对电路造成很大的伤害［6－7］，而压电陶瓷选针器在电能转换成机械能的过程中不会产生任何磁场，并且响应速度快，工作频率高，体积小，非常适合在针织圆纬机上工作［8－9］，所以选用200 V的压电陶瓷选针器作为研究对象。

1.2 RS-485总线节点要求

圆纬机根据机型大小不同配有数量不同的选针器，小圆机一般在20个左右，大提花圆机有72个，甚至108个，这就要求驱动器能支持100多个节点。

RS-485标准没有规定总线上允许连接的收发器数量，但规定最大总线负载为32个单位负载，可通过增大收发器输入阻抗来扩展总线节点数量［10］。收发器输入阻抗可设计成≥24 kΩ、≥48 kΩ、≥96 kΩ，相应的节点数可增加到64、128、256 个，考虑到圆纬机选针控制系统的通用性及可扩展性，本文采用节点数为256个的方式进行设计。

1.3 RS-485总线速度要求

以中国台湾凹凸WD/1.4F-SACJ双面变色电脑大提花机为例，其转速为 W=15 r/min，筒径为864mm，机号E为0.945针/mm，选针器个数n为48，则针距G为1.058mm，移过每针的时间为

式中:V为针筒的线速度;W为圆机转速;r为圆机半径。因此只要在1560 μs内完成数据的发送和驱动器数据解析，即可满足控制要求。

发送数据的多少与选针器个数有关，假设总线速度为A Mbps，选针器个数为n，那么RS-485发送的数据量为(n+6)个字节，6个字节中包括2个起始字节和4个CRC校验字节，因此发送时间为

式中:A为485波特率;n为选针器个数。

只要T1＜＜T，就可以满足控制要求，取n=48，经计算得 A＞＞0.346 Mbps。

选针器控制芯片选用ST公司的基于Cortex-M3内核的STM32F103，该芯片主频可达72 M，串口的波特率最高可达4.5 Mbps。考虑到实时层还要协调众多执行器以及系统的可扩展性，因此RS-485采用4 M波特率。

发送多少字节与选针器的个数有关，本文的圆纬机有48个选针器，因此发送54个字节，包括2个起始字节和4个CRC校验字节。每个字节都有开始位和结束位，则4个数据包总共有540位，采用4 M波特率传输，得出发送54个字节的时间为135 μs，小于时间T，因此，该芯片可以满足数据传输、处理实时性等要求。并且ST公司为该芯片提供了库函数以及完善的开发文档，使产品开发周期大大缩短，并为后续的维护提供了方便。基于RS-485总线选针驱动器构架如图1所示。

图1 选针驱动器结构图Fig.1 Structure of needle selection actuator

2 选针驱动器硬件电路设计

2.1 选针器驱动电路设计

选针器工作时压电陶瓷片只有打上打下2种状态，但检测压电陶瓷片是否正常工作还需有居中检测的功能，因此本文采用2个IO口来控制驱动电路。

由于需要切换200 V和200 V GND这2个电压，本文采用双光耦并联的方式来驱动压电陶瓷片，电路图如图2所示。P1接压电陶瓷片，当S_In_A为高电平，S_In_B为低电平时，O1、O4光耦导通，O2、O3光耦不导通，A点输出200 V，B点输出0，压电陶瓷片打上;当S_In_A为低电平，S_In_B为高电平时，O2、O3光耦导通，O1、O4光耦不导通，A 点输出0，B点输出200 V，压电陶瓷片打下。如果周期性地切换S_In_A，S_In_B的电平状态，连接的压电陶瓷片就会由于逆压电效应发生周期性的形变，从而使选针器刀片发生周期性的震动。当需要对压电陶瓷片进行居中检测的时候，只要对S_In_A，S_In_B同时置于低电平就可以进行检测。

该驱动电路兼顾选针器工作和压电陶瓷片检测2种功能，因此当选针器安装在圆纬机上时，也可以对压电陶瓷片进行检测，观察压电陶瓷片是否已达到工作寿命，极大地方便了选针器的维护和更换。

图2 选针器驱动电路图Fig.2 Driving circuit diagram of needle selector

2.2 RS-485总线接口电路设计

RS-485总线用于选针驱动器与圆纬机实时控制单元之间的通信。由于选针器不仅要接收实时控制单元发送的数据，还要向实时控制单元反馈当前选针器的报警信息，因此，接口电路采用RS-485全双工四线制模式［11］，信号有(RXD_N、RXD_P、TXD_N、TXD_P)。为了实现256个节点全双工通信，实时控制单元采用SP3087E作为RS-485收发器，该收发器传输速率能达到20 Mbps，能满足4 M波特率的传输要求，并且该收发器最大支持256个节点，为后续选针器的扩展预留了大量的节点。选针驱动器通信电路采用SP490E作为RS-485收发器，该收发器传输速率能达到10 Mbps，满足控制要求。采用同一家公司的收发器芯片，保证了系统的稳定性和可靠性。

考虑到信号的衰减和稳定性，总线上信号的高电平应该在5 V，但控制单元中芯片的高电平为3.3 V，所以用光耦实现数字电平转化并增强抗干扰性。选用TLP113光耦，其最大延时为120 ns，符合4 M波特率的传输要求。R9和R10为终端电阻，起匹配总线阻抗的作用。

RS-485总线接口电路图如图3所示。

图3 RS-485总线接口电路图Fig.3 Circuit diagram of RS-485 bus interface

2.3 RS-485多节点总线仲裁电路设计

当选针器出现错误动作或者接收数据出错时，需要向实时控制单元反馈信息，由于在RS-485总线上有多个节点，当多个节点同时向实时层反馈数据时，会造成总线冲突，导致通信失败，因此本文设计了一套总线仲裁机制。

取选针器上ARM芯片的一个IO口连接，见图4。定义由这些IO口并联的那根线为仲裁总线。默认上拉一颗电阻，以便确定IO口的默认状态。规定当仲裁总线为高电平时，代表总线空闲，选针器可以发送错误信息;当仲裁总线为低电平时，代表总线繁忙，当前选针器不能发送错误信息。

图4 仲裁总线示意图Fig.4 Diagram of arbitration bus

3 RS-485多节点通信设计和实现

3.1 RS-485多节点通信协议制定

本文研究1次发送54个字节，每个选针器在同一时间都接收这54个字节数据，每个选针器根据不同的字节决定工作状态。这样就可以在发送1个数据包的时间内控制全部的选针器动作，与循环寻址的控制方式相比，大大节约了时间。

这54个字节，包括2个起始字节，48个选针器字节，4个CRC校验字节。48个选针器字节1个字节对应1个选针器的动作，其中1个字节的信息包括第几把刀、刀的状态以及刀动作类型。此数据包的结构简单且便于扩展。采用4个字节的CRC校验机制，大大保证了接收数据的正确性，并提高了通信的可靠性。

3.2 RS-485多节点总线仲裁机制实现方式

仲裁机制实现方式如图5所示。采用二次读的方式来检测当前仲裁总线是否繁忙，进一步确保总线通信的正常进行。

3.3 选针器驱动程序开发

基于RS-485选针器驱动程序主要包括初始化，数据接收，数据发送3部分。考虑到54个字节的数据长度，若采用中断接收方式，会导致频繁跳进中断，影响主程序工作，并且增加了数据接收时间，因此本文采用DMA方式接收数据，大大减轻了CPU的负担，并可在短时间内完成数据的接收和CRC校验，更好地满足选针器控制实时性要求。选针驱动程序流程图如图6所示。

图5 仲裁机制示意图Fig.5 Diagram of arbitration mechanism

图6 选针驱动程序流程图Fig.6 Flow chart of needle driving program

4 测试

本文以圆纬机车速为15 r/min连续工作72 h作为测试条件，对系统的实时性和稳定性进行测试，采用RS-485总线监测仪实时捕获总线数据，RS-485总线发送数据波形图如图7所示。测试结果显示RS-485发送1个54字节数据包所需时间为155 μs，与理论值135 μs存在一定的误差，经分析，这个误差是由RS-485总线字节与字节之间存在延时造成的。在误差允许的范围内，测试结果符合理论值，并且远小于控制时间T，符合选针器系统实时性要求。

图7 RS-485总线波形图Fig.7 Waveform of RS-485 bus

在72 h内，通过对布匹的抽样检查发现，所织布匹符合花型数据文件，并且在15 r/min速度基础上逐渐提速到45 r/min，通过RS-485总线监测仪和对布匹的人工抽样检查。结果表明，总线上数据发送和接收正确，布匹符合花型文件，满足圆纬机选针实时要求。与原先选针器并行控制织造的布匹对比发现，漏针、瑕疵等现象得到了大大改善，进一步验证了本文所提出的方法在一定程度上可提高圆纬机编织的可靠性和稳定性。

5 结论

本文针对并行总线的缺陷提出了基于RS-485串行总线的选针驱动器设计方法，以多节点形式连接多个选针器，同时为了避免总线冲突设计了一套总线仲裁机制，大大提高了RS-485通信的实时性、通畅性、稳定性和可扩展性。运行结果表明，该系统满足圆纬机编织的实时性要求，运行稳定，并在一定程度上解决了并行选针器出现的不稳定现象。对于提升电脑圆纬机自动化控制技术具有重要的意义。

［1］ 雷宝玉.2012中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会圆纬机述评［J］.针织工业，2012(7):1－7.LEI Baoyu.Review of the circular weft knitting machines on the 2012 China International Textile Machinery Exhibition-ITMA Asia ［J］. Knitting Industries，2012(7):1－7.

［2］ 龙海如.纬编针织机械发展动态［J］.纺织导报，2010(9):50－54.LONG Ruhai.Developing trend of weft knitting machine［J］.China Textile Leader，2010(9):50－54.

［3］ 雷宝玉.第十六届上海国际纺织工业展览会圆纬机述评［J］.针织工业，2013(7):1 －8.LEI Baoyu.Review ofthe circular weft knitting machines on the 16thShanghai International Textile Industry Exhibition［J］.Knitting Industries，2013(7):1－8.

［4］ 范辉.RS485总线与CAN总线应用比较［J］.上海电机学院学报，2005(5):55－56.FAN Hui.Comparing the application of bus RS485 with that of bus CAN［J］.Journal of Shanghai Dianji University，2005(5):55 －56.

［5］ JOSEPH Yiu.ARM Cortex-M3权威指南［M］.宋岩，译.北京:北京航空航天大学出版，2009:1－263 JOSEPH Yiu.The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3［M］.SONG Yan，Translating.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2009:1－263.

［6］ 谢志敏，张一平.新型电脑针织横机选针器的工作原理及选型设计［J］.纺织器材，1999(1):26－28.XIE Zhimin，ZHANG Yiping.The design and theory of needle selection device with new computer flat knitting machine［J］.Textile Accessories，1999(1):26－28.

［7］ 徐刚，卢达.电脑横机选针器选型分析［J］.江苏纺织，2011(2):55－56.XU Gang，LU Da.Analysis of selection of needle selecting device for computer flat knitting machine［J］.Jiangsu Textile，2011(2):55 －56.

［8］ 王艳萍，夏小云，袁嫣红，等.压电陶瓷材料在提花机上的应用及存在的问题［J］.纺织机械，2011(6):6－7.WANG Yanping，XIA Xiaoyun，YUAN Yanhong，et al.Application and existing problems of piezoelectric ceramics in jacquard［J］.Textile Machinery，2011(6):6－7.

［9］ 张智明，梅顺齐，张建钢，等.基于压电陶瓷的电脑提花圆纬机选针器的研制［J］.针织工业，2007(11):6－7.ZHANG Zhiming，MEI Shunqi，ZHANG Jiangang，et al.Development of needle selection device of computer jacquard circular knitting machine based on piezoelectric ceramic［J］.Knitting Industries，2007(11):6 －7.

［10］ 程凯，孙克怡，曹伟，等.RS-485总线理论及应用分析［J］.今日电子，2003(6):18－19.CHENG Kai，SUN Keyi，CAO Wei，et al.The theory and analysis of RS-485 ［J］. Electronic Products，2003(6):18－19.

［11］ 李乐，郑宾，秦建斌.全双工RS485总线发送机制的研究［J］.中国仪器仪表，2008(2):41－43.LI Le，ZHENG Bin，QIN Jianbin.A mechanism of date sending in full duplex RS485 bus［J］.China Instrumentation，2008(2):41 －43.

Needle drive design of circular weft knitting machine based on high speed serial bus

SHI Weimin，GUO Bofeng，PENG Laihu，YUAN Yanhong
(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Machinery Technology，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China)

Currently the knitting machine of piezoelectric ceramic actuators are connected with a parallel bus network.This paper puts forward a needle selector control method of RS-485 based on high speed serial bus.At a baud rate of 4 M on the RS-485 bus，multiple digital needle selectors based on RS-485 bus are parallel.In order to achieve the communication between host and slaves，multi-node bus structure and bus arbitration is designed.The test results indicate that this method can solve the phenomenon of the parallel bus transmission disturbance when the speed is higher and the distance is longer.Also the phenomenon of some instabilities of needle selectors can be solved.This method meets the real-time requirements and improves the stability of digital needle selector.

circular weft knitting machine;RS-485 bus;bus arbitration mechanism;multi-node;digital selector

TS 103.7

A

10.13475/j.fzxb.20140403406

2014－04－10

2014－10－16

浙江省自然科学基金重点项目(Z1110750)

史伟民(1965—)，男，教授级高级工程师。主要研究方向为纺织机械机电控制技术。E-mail:swm@zstu.edu.cn。