嵌入式电子贾卡控制系统设计

赖森财， 任 雯， 刘永桂

(1. 三明学院 机电工程学院， 福建 三明 365004； 2. 华南理工大学 自动化科学与工程学院， 广东 广州 510641)

嵌入式电子贾卡控制系统设计

赖森财1， 任 雯1， 刘永桂2

(1. 三明学院 机电工程学院， 福建 三明 365004； 2. 华南理工大学 自动化科学与工程学院， 广东 广州 510641)

针对结构复杂、多板卡级联形式的传统经编机电子贾卡控制系统存在可靠性低、占用物理空间大、安装与检修困难等问题，设计了一种将微控制器、花型数据存储器、贾卡驱动电路、升压电路以及通信接口功能模块高度集成在贾卡导纱针块内部的嵌入式电子贾卡控制系统，电子贾卡导纱针块采用了全双工、低功耗的MAX488实现串行菊花链式通信模式。在系统分析压电陶瓷贾卡提花工作原理和特点的基础上，给出了嵌入式电子贾卡控制系统的系统架构、硬件电路的设计和实现方法。测试结果表明，该系统无需额外接入高压电源就能够独立工作,性能稳定，可靠性高，功能完备，抗干扰能力强。

经编机； 压电陶瓷贾卡提花； 电子贾卡； 嵌入式控制系统

贾卡是经编生产中一种重要的提花方法。经编机的贾卡控制方式从早期的机械龙头式、电磁综丝式发展为压电陶瓷式[1-2]。压电贾卡控制系统可通过压电效应精确地控制每根压电陶瓷贾卡针的偏移动作实现贾卡提花[3]，通常多个压电陶瓷贾卡针构成一把贾卡导纱针块[4]。传统的压电贾卡控制系统一般由PLC控制器、通信中继板、压电驱动板、贾卡导纱针块等多个分离的电子板卡组成[5-7]。由于经编车间生产环境恶劣，结构复杂、多板卡级联形式的传统贾卡控制系统存在可靠性低、检修困难等固有问题，限制了经编贾卡提花控制技术的大规模、产业化发展。本文针对这一现状，设计了一种嵌入式集成电子贾卡控制系统，将贾卡控制功能集成于传统贾卡导纱针块内部，提高了系统的可靠性。通信方式采用一种逐级激励总线型拓扑(下行)和环形拓扑(上行)相结合的新方法，在保证通信实时性的同时，兼顾通信的可靠性和容错性。所提出的内部集成有控制系统的贾卡导纱针块，能被看作是一种新的具有分布式控制架构的嵌入式电子贾卡导纱针块，即将经编机贾卡提花控制功能分散到能够独立脱机运行的各个嵌入式电子贾卡导纱针块，使得硬件系统结构积木化、简单，维护方便，可靠性高。

1 压电贾卡控制系统原理

压电贾卡控制系统的关键技术是根据花型设计的要求对贾卡导纱针进行快速、独立驱动，控制原理[8]为：将2片采用玻璃纤维层或金属片绝缘隔离的压电元件(高精度陶瓷应变片)贴在每根导向针(导纱针)的两侧，构成贾卡导纱针。当给两侧的压电陶瓷应变片的电极交替接入±200 V电压信号后，在压电效应作用下，压电陶瓷应变片会弯曲变形，使得贾卡导纱针偏移，并可根据工艺要求保持这种偏移。

贾卡导纱针和电缆、罩板、定位块构成安装于经编机上的贾卡导纱针块[9](典型的有E14、E16、E18、E24、L24(长梭节)等)。根据经编机的机号,不同数量的贾卡导纱针块组合成规格不同的贾卡导纱梳。经编机压电贾卡控制系统根据CAD软件设计的花型文件，独立控制每个贾卡导纱针块中的导纱针产生偏移或保持不动，从而实现经编机提花功能。

2 嵌入式集成系统设计方案

当前，典型的经编机数控系统组成如图1所示。其中提花功能采用传统电子贾卡控制系统,图中E24表示采用的E24型贾卡导纱针块。

本文提出的嵌入式电子贾卡控制系统采用模块化设计：将微控制器(MCU)、花型数据存储器、贾卡驱动电路、升压电路、通信接口等集成于传统贾卡导纱针块的头部，构成嵌入式电子贾卡导纱针块，如图2所示。

控制流程为：1)微控制器通过通信接口1将上位工控机中由经编CAD软件生成的花型工艺文件下载到花型数据存储器；

2)同步传感器检测经编机的运行状态产生同步信号，用于嵌入式电子贾卡导纱针块与经编机保持同步工作；

3)根据实时同步信号，微控制器将花型工艺文件中当前步贾卡针偏移数据输出到贾卡驱动电路；

4)贾卡驱动电路将接收到的贾卡针偏移数据直接转换成高压(+200 V)驱动信号，从而驱动贾卡导纱针块偏移，其中高压(+200 V)电源由内部升压电路提供。

采用嵌入式电子贾卡导纱针块的经编机的嵌入式电子贾卡控制系统如图3所示。与传统系统相比，嵌入式电子贾卡控制系统具有集成度高、结构简单、可靠性高的特点。

3 系统硬件设计

3.1 微控制器

微控制器采用高性能、低功耗的8位STC微处理器STC15F2K60S2，是嵌入式电子贾卡控制系统的核心部件。STC15F2K60S2采用增强型8051内核，速度是传统8051单片机的8～12倍[10]。内部集成高精度R/C时钟(±0.3%)，范围设置宽(5～35 MHz)，可彻底省掉外部晶振和复位电路，提高集成度。内置2 K字节大容量SRAM、60 K字节内部Flash程序存储器、8路高速10位A/D转换(30 000次/s)、3路PWM、2组高速异步串行通信接口(可同时使用)等，内部资源丰富。

3.2 花型数据存储器

一般经编机上需要配置上百个贾卡导纱针块(数千根压电陶瓷贾卡针)，每根压电陶瓷贾卡针都需要快速、独立驱动，因此贾卡花型数据文件比较大。综合以上因素，本文选用美国Ramtron公司生产的具有高可靠性、高速/高耐久性数据读写、低功耗、抗辐射等优点的512 K非易失性FRAM(Ferro-electric RAM)芯片作为花型数据存储器。FM24C512的总线频率高达1 MHz，重写次数可达1010次，写入速度快(Flash的1 000倍以上)，非常适用于贾卡控制需要的非易失性，且需要频繁、快速存储数据的要求。

3.3 同步传感器

同步传感器用于检测经编机的运行状态以产生同步信号，采用工控系统中常用的接近开关。根据其提供的同步信号，嵌入式电子贾卡导纱针块能够自动、智能地与经编机保持同步运行。根据用户的需要，同步传感器产生的同步信号可发送到上位工控机，再由工控机通过串行接口依次发送给嵌入式电子贾卡导纱针块(同步方式1)；也可通过专用信号线直接并行发给所有的嵌入式电子贾卡导纱针块(同步方式2)，使之能够脱离上位机独立工作。

3.4 升压和贾卡驱动电路

升压和驱动电路原理如图4所示。由于嵌入式电子贾卡导纱针块采用压电效应产生形变，因而驱动导纱针的输出功率较低。故设计时将由升压变压器组成的升压电路模块集成于嵌入式电子贾卡导纱针块内部，使得在提供嵌入式电子贾卡导纱针块的低压工作电源(+5 V)的情况下，为贾卡驱动电路提供高压(+200 V)电源，避免为嵌入式电子贾卡导纱针块额外敷设大量繁琐的用于驱动压电陶瓷贾卡针的高压(+200 V)供电电缆，进一步提高了嵌入式电子贾卡导纱针块的集成度和功能完整性，有效减少施工周期、材料成本和维护费用。

驱动电路采用低压串口-高压并口转换芯片HV507完成。HV507内置一个64位移位寄存器/锁存器，能够实现低压输入，64路高压并行推挽式输出，满足常见贾卡导纱针块(E14、E16、E18、E24、L24等)的驱动。

3.5 通信方式

一般情况下，经编机安装有多个嵌入式电子贾卡导纱针块，采用MAX488CSA芯片实现RS-485菊花链式通信方式，依次连接全部嵌入式电子贾卡导纱针块，逐次传输上位工控机产生的花型数据或同步信号(同步方式1)，如图5所示。

菊花链式通信方式具体为：

1)通信线路连接。上位机的RS-485通信接口连接到第1把嵌入式电子贾卡导纱针块的RS-485通信接口1(MAX488(1))，再由第1把嵌入式电子贾卡导纱针块的RS-485通信接口2(MAX488(2))连接到第2把嵌入式电子贾卡导纱针块的RS-485通信接口1(MAX488(1))，以此类推直至最后一把嵌入式电子贾卡导纱针块。基于上述通信线路连接方式，数据(花型文件或同步信号)采用逐级激励的中继方式快速向下传送，使得通信系统在原有强抗干扰的差分式双绞线物理传输机制的基础上，可靠性得到加强。

2)下行数据传输。①花型数据传输，在经编机开始工作前，上位工控机中的CAD软件生成的花型工艺文件采用逐级激励的中继方式快速向下传送。为保证传输速度，上位工控机向下传送花型文件时，不受各级嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的干预和控制， 逻辑表现为总线型拓扑结构。②同步信号传输，在经编机启动运行后，上位工控机通过RS-485菊花链的下行总线通道仅需输出同步信号到所有嵌入式电子贾卡导纱针块，有效保证了通信的实时性。若同步信号采用同步方式2(无上位工控机)传输，则花型数据文件通过线下事先下载到嵌入式电子贾卡导纱针块，即可在同步信号的驱动下独立工作。

3)上行数据传输。下位嵌入式电子贾卡导纱针块向上位工控机传输应答信号时，受各级嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的干预和控制， 逻辑表现为环型拓扑结构。

4 软件设计

4.1 贾卡提花控制

STC15F2K60S2单片机从片外FM24C512读取花型控制信息，经单片机端口串行传送给HV507进行移位缓存，数据依次由高位到低位传输。传送完花型数据后，单片机处于等待状态。当上位机或同步传感器向单片机发送同步信号时，则单片机对HV507发送使能信号，从而缓冲的所有数据并行输出，压电陶瓷贾卡针实现一次偏移动作。

4.2 通信控制

嵌入式电子贾卡导纱针块采用全双工的工作模式：从上位工控机下传数据是采用硬件中继的方式，上传数据采用微处理器中继，如图5所示。上述通信工作模式具有下述特点：逐级激励驱动能力强，扩展性好；下载数据速度快，同步信号传输延时短；上传数据经由贾卡导纱针块微处理器中继，即可中继下位机数据，也可向上位机上传本针块的状态信息。

在每把嵌入式电子贾卡导纱针块接收到上一把嵌入式电子贾卡导纱针块发送的花型工艺文件后，会发回一个校验码表示确认成功接收到花型工艺文件；采用这种校验模式有利于系统的扩展，即可在原系统菊花链尾部任意增、减贾卡导纱针块。

在上位工控机向经编机上安装的所有嵌入式电子贾卡导纱针块下载完工艺文件后，由于不同的嵌入式电子贾卡导纱针块中所需的工艺文件不同，微控制器根据工艺文件动态地给嵌入式电子贾卡导纱针块分配一个随机数，加上所在菊花链中的位置信息，组成一个唯一的ID号，以利于快速定位嵌入式电子贾卡导纱针块。

采用上述通信控制方法，在保证花型文件可靠传输的同时，极大便利了故障电子贾卡导纱针块的定位和快速检修。

4.3 可靠性控制策略

由于经编车间现场复杂的电磁环境以及噪声干扰信号的存在，工作环境相对恶劣，串行通信的可靠性受到威胁。此外，经编机运行过程中，嵌入式电子贾卡导纱针块作高速的垫纱横移运动会增大通信故障的概率，因此对嵌入式电子贾卡导纱针块通信的抗干扰和容错能力提出了较高的要求。根据贾卡提花工艺的特点，本文采用一种面向工程应用的通信机制，提高通信系统的可靠性和容错性，具体如下。

1) 在经编机启动前，采用如图5所示的逐级激励串行中继方式将花型文件快速传送至每一把嵌入式电子贾卡导纱针块。优点1：经编机开机工作后，减少了嵌入式电子贾卡导纱针块作高速垫纱横移运动中的数据传送量；优点2：所采用的逐级激励中继传输方式较之普通的总线式通信方式通信节点数大为增加(4 m宽幅的经编机需要嵌入式电子贾卡导纱针块约100个左右)，保证了整个系统的通信要求。

2)采用全双工的RS-485交互通信方式。在花型文件通过菊花链从上位嵌入式电子贾卡导纱针块逐级向下位嵌入式电子贾卡导纱针块传递的同时，下位嵌入式电子贾卡导纱针块在收到花型文件后可及时上传确认码(或由于干扰未收到花型文件可上传故障码)，有效提高了通信的可靠性和下载花型文件的效率。

3)经编机启动后，上位机只需实时将简单的同步信号下传至各个嵌入式电子贾卡导纱针块，出错的概率大为减少，系统的整体可靠性得以提高。

4)为进一步提高RS-485串行通信的可靠性，在传输的数据帧中插入CRC16校验码，对传输的数据进行高质量的检错，保证数据传输的准确率。

5 测试与工程实施方案

当前主流贾卡导纱针块的宽度为25～58 mm(E14-E32)，所设计的嵌入式电子贾卡导纱针块电路布局如图6所示(单面布尺寸为30 mm×43 mm，如采用双面布局，空间可进一步压缩),因此可满足安装空间的要求。测试过程中，由于电路中的升压变压器尺寸及质量较大，在嵌入式电子贾卡导纱针块低速运动时，工作正常；在高速运动情况下出现过脱落的情况，因此，在形成最终产品时将采用注塑整体封装方法解决上述问题。

6 结 语

所设计的嵌入式电子贾卡导纱针块将传统的贾卡控制系统的功能集成于内部，集成的升压电路使得无需额外敷设大量繁琐的用于驱动压电陶瓷贾卡针的高压电源电缆，有效减少施工周期、材料成本和维护费用；先进的分布式控制架构将经编机贾卡提花控制功能分散到能够脱离上位工控机独立运行的各个嵌入式电子贾卡导纱针块，使得硬件系统结构积木化，结构简单，维护方便，可靠性高，具有广阔的应用前景。

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Design of embedded electronic jacquard control system

LAI Sencai1， REN Wen1， LIU Yonggui2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,SanmingUniversity,Sanming,Fujian365004,China;2.CollegeofAutomationScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510641,China)

Aiming at the low reliability and maintenance difficulties problem of conventional warp knitting machine electronic jacquard control system with complex multi-card structure, this paper designed an embedded electronic jacquard control system, in which the microcontroller, pattern data memory, jacquard drive circuit, boost circuit and communication interfaces were integrated inside the piezo jacquard guide bar. The system with a distributed control architecture is called as the embedded electronic jacquard guide bar. The embedded electronic jacquard guide bar mounted in a warp knitting machine adopts two MAX488 chips with full-duplex and low-power to implement serial daisy chain communication mode. Based on the analysis of the principle and characteristics of piezoceramic jacquard patterning, the paper also provided the design and implementation methods of the architecture and hardware circuit of embedded electronic jacquard control system. Test results show that the designed system can work independently without access to high voltage power supply, and which stable performance, high reliability, full function and strong interference resistance.

warp knitting machine; piezoceramic jacquard patterning; electronic jacquard; embedded control system

2015-09-22

2016-04-05

福建省自然科学基金项目(2015J01667)；福建省工业引导性(重点)项目(2015H0034)；三明市科技项目(2015-G-5)。

赖森财(1963—)，男，副教授。主要研究方向为控制系统和电路设计。任雯，通信作者，E-mail:auwren@foxmail.com。

10.13475/j.fzxb.20150905306

TP 273； TS 183

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