基于ARM+CPLD的选针器控制系统设计
乔辉, 张团善, 胥光申, 高术森, 刁先举, 刘凯     
西安工程大学 机电工程学院, 陕西 西安 710048
摘要: 针对针织机械中选针器控制装置提花效率低、实时性差和维修成本高等问题,以提花小圆机为研究对象,通过分析压电式选针器的工作原理,采用ARM+CPLD的二级控制结构,完成选针器控制系统硬件电路设计及软件设计.选针器控制系统中主控制器ARM通过CAN总线与上位机进行通信,ARM通过自定义的ISA总线将选针数据发送到辅助控制器CPLD进行逻辑运算,输出选针数据到光耦驱动电路,从而驱动选针器每级选针刀片稳定动作,并将控制系统应用到提花小圆机的选针装置上.结果表明,所设计的选针器控制系统稳定,可以使织针高效、稳定地进行提花动作.
关键词: 针织机械     ARM+CPLD     选针器     光耦驱动电路    
Design of control system for needle selector based on ARM+CPLD
QIAO Hui, ZHANG Tuanshan, XU Guangshen, GAO Shusen, DIAO Xianju, LIU Kai     
School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China
Abstract: Dut to the problems of low efficiency, poor real-time performance and high maintenance cost of the needle selection control device in knitting machinery, taking jacquard small circular machine as the research object, the working principle of piezoelectric needle selector is analyzed, and the needle control system hardware circuit and software design is completed by adopting the secondary control of ARM+CPLD structure. In the selector system, the main controller ARM communicates with the host computer through the CAN bus the needle selection data is sent to the auxiliary controller CPLD through the custom ISA bus, and the needle selection data is output to the optocoupler driving circuit.Thus each stage of the needle selector is driven to stabilize the action and the control system is applied to the needle selection device of the jacquard circular machine.The results show that the control system can make the knitting needle efficient and stable.
Key words: knitting machine    ARM+CPLD    the needle selector    optocoupler driving circuit    
0 引言

针织机械主要由上位机、主控系统和下位机3部分组成[1].下位机中包括数量众多的气阀、选针器以及电机, 而决定产品质量和生产效率的往往是选针部分[2].一套完整的选针控制系统包括根据编织图形的工艺参数制成花型的位图文件[3]、上位机将花型文件发送并存储到主控系统[4]、主控系统解析并发送花型数据到驱动电路、驱动电路的电压转换以及选针器的动作.可以看出, 在整个选针过程中选针数据是否可靠决定着针织机械编织产品的质量, 因此, 对选针装置控制方法的研究是针织机械电控部分的核心.

针织机械选针装置控制系统的关键在于选针数据传输过程的稳定性和实时性, 它是决定针织产品质量的决定性因素.文献[5]提出一种基于单片机+CPLD的选针器控制系统, 结构复杂, 选针数据传输速率低, 选针信号不稳定.文献[6]提出一种采用电磁式选针器进行选针的方案, 提花片响应速度慢、能耗高、抗电磁干扰性能弱.文献[7]提出一种基于ARM+FPGA的5段式选针器控制系统, 选针数据的稳定性好, 但成本高.本文采用ARM+CPLD的二级控制系统, 利用ARM强大的数据处理能力和CPLD的实时控制优势控制数量众多的提花片[8], 控制系统结构简单, 抗干扰性强, 实时性高.

1 选针器工作原理

目前, 针织机械采用的选针器主要有压电式和电磁式2种.电磁式选针器是通过改变电磁线圈的电流方向来实现选针, 选针作用力大, 抗冲击和抗振性能好, 但响应速度慢、能耗高、抗电磁干扰性能弱[9].与电磁式选针器相比, 压电式选针器是根据压电陶瓷的逆压电效应来实现选针, 响应速度快、能耗低且没有电磁干扰[10].由于针织机械要求选针器响应速度快、选针级数多, 可以提高编织效率, 缩短产品的生产周期, 降低生产成本, 因此大部分针织机械选用压电式选针器作为选针装置.

1.1 压电式选针器工作原理

压电式选针器的选针片结构主要分为选针片两边的压电陶瓷层和中间的金属薄片层3层.如图 1所示, 当给选针片两边通电时, 上下两边的压电陶瓷层受到大小相等、方向相反的电场E的作用, 由于压电陶瓷的逆压电效应, 上边的压电陶瓷受拉, 产生伸长变形, 下边的压电陶瓷受压, 产生缩短变形, 因此选针片向下弯曲, 产生了如图所示的变形和力[11].

图 1 压电式选针器工作原理图 Figure 1 The schematic diagram of the piezoelectric needle selector

因此, 可以通过改变电场E的方向(改变电源正负极)使压电式选针器的压电片上下摆动, 进而实现选针动作.本系统以针织小圆机为研究对象, 共有128个提花片, 选用WAC的16级压电式选针器, 驱动电压为48 V, 共需要8个选针器.

图 2所示, 提花小圆机的提花机构主要由压电式选针器1、针筒2、提花片3、挺针片4、织针5、提花片上端6、上挺针三角7、三角8~9等主要部件组成.在针筒的同一针槽中, 自上而下依次为织针、挺针片以及提花片.针筒中共有128个针槽, 每个针槽中只有一个选针齿, 以16个选针齿为一组, 每组以步步高的方式依次排列, 共8组,排满针筒一周.提花片上共有16个选针齿, 并与选针器上的选针刀片一一对应.当选针器中某一级选针刀片没有接收到脉冲信号时, 挺针片不上升, 不进行编织动作; 当选针器中某一级选针刀片接收到脉冲信号时, 挺针片上升, 并推动其上方的织针上升, 进行编织.

图 2 提花小圆机选针结构图 Figure 2 Thestructurediagramofneedleselectorforjacquard small circular machine
1.2 驱动电路原理

选针驱动电路的主要作用是将上位机发送的选针信号进行放大, 达到选针片动作的工作电压.本系统的驱动电路采用光耦隔离电路, 达到去除电流干扰和提高选针稳定性的目的.

图 3所示, O01、O02、O03、O04为光耦隔离元件, 当设置Input 1输入高电平(3.3V)时, 光耦O01导通, 光耦O02不导通, 输出端口Output 1电压为48 V; 当设置Input 1输入低电平(0V)时, 光耦O01不导通, 光耦O02导通, 输出端口Output 1电压为GND, 如果连续改变Input 1电平状态, 则驱动选针片不断地上下动作.当Input 1和Input 2都设置为低电平时, 可以进行居中检测, 检测选针器是否失效.因此, 选针光耦驱动电路不但可以控制压电式选针器实现选针动作, 还可检测选针片是否失效, 可以提高选针系统的稳定性和高效性, 方便选针器的维护和更换[12-13].

图 3 光耦驱动电路简图 Figure 3 The schematic diagram of optocoupler circuit
2 主控系统设计

由于提花小圆机的提花片数量多, 而且具有严格的时序要求, 在分析控制系统的Ⅰ/O接口量和控制要求后, 设计了ARM+CPLD的二级控制结构, 解决了Ⅰ/O口的扩展, 一块主控板可同时控制四路选针器(共64级选针信号), 可以减少对主控系统资源的占用, 提高选针系统的稳定性和高效性.

2.1 控制器

系统选用意法半导体(ST)公司的STM32F103C8T6芯片作为主控制器, 该芯片的工作频率可达72 MHz, 有40个可用Ⅰ/O口, 64 K闪存存储器, 功耗极低, 满足快速响应处理大批量数据的要求.

系统选用Altera公司的EPM240T100C5N作为辅助控制器, EPM240T100C5N是Altera公司的MAXII系列CPLD, 该芯片的工作频率可达304 MHz, 内部有240个逻辑单元, 80个可用Ⅰ/O口.该芯片具有数据处理速度快、Ⅰ/O口资源丰富、定时准确、时序实现简单等优点.辅助控制器可解决主控制器Ⅰ/O口数量少的问题, 并且可同时控制众多提花片.

2.2 总控制系统电路图

由于辅助控制器EPM240T100C5N最多有80个可用Ⅰ/O口, 而每路选针器有16级选针片, 因此每个主控板最多控制四路选针器.图 4为主控制器STM32F103C8T6最小系统电路,与上位机通信的CAN通讯电路以及电源电路图[14-15], 图 5为辅助控制器EPM240T100C5N输出四路选针数据电路图, 其中主控制器和辅助控制器之间采用自定义的ISA总线进行通信.总的控制路线为:首先根据编织图形工艺参数制成花型的位图文件, 打版软件将花型文件下载到上位机, 然后上位机存储并发送花型文件到ARM+FPGA二级控制系统, 控制系统控制光耦驱动电路驱动压电式选针器动作, 最终作用到提花片.

图 4 主控制器、CAN通讯电路和电源电路图 Figure 4 The main controller、CAN communication circuit and power circuit diagram
图 5 辅助控制器输出四路选针数据电路图 Figure 5 The circuit diagram of the output data of the four controller
2.3 软件设计

控制系统中ARM和CPLD之间的数据传输方式是软件设计的重点.将ARM从CAN总线接收到的选针数据通过自定义的ISA总线发送到二级控制器CPLD中进行逻辑运算, 控制Ⅰ/O口输出相应的选针数据.将主控芯片STM32的PB2管脚设置为数据发送时钟信号CLK, PA0管脚设置为PWM脉冲同步信号, 将PB12管脚设置为使能信号位EN.由于本系统中的辅助控制器CPLD控制4路选针器动作, 每路选针有地址位和数据位, 将PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PB13这8个管脚分别设置为四路选针器的数据位和地址位.如图 6所示, 当时钟信号CLK处于上升沿时, 主控制器发送选针地址至辅助控制器, 当时钟信号CLK处于下降沿时, 主控制器发送选针数据至辅助控制器.

图 6 选针数据发送时序图 Figure 6 The timing diagram of data selection

由于提花小圆机共有128个提花片, 因此需要2块主控板.2块主控板和8路选针器通过上位机设置自己的地址, 当CAN总线上的地址为主控板的地址时, 主控板接收CAN总线上的数据,将接收的选针地址和数据通过ISA总线发送到二级控制器CPLD中进行逻辑运算, 最终输出控制信号给终端Ⅰ/O口.

3 实验测试

为了检测系统能否准确地进行选针, 对主控芯片写入测试程序进行测试.编程使每一级选针片上下摆动, 用示波器测得其中两路选针波形,图 7为PWM脉冲的形式,将其应用到提花小圆机选针装置, 观察到选针刀片稳定的上下摆动, 可知选针器控制系统稳定.

图 7 驱动电路数据输出波形图 Figure 7 The waveform diagram of the output data of the drive circuit

将ARM+CPLD的二级控制系统安装到提花小圆机上进行现场调试, 整个系统满足对提花小圆机的实时控制的需求, 运行情况良好, 针筒最高转速可达到140~150 r/min, 而采用单片机+CPLD控制系统的针筒最高转速只能达到60~80 r/min.可以看出, 系统的响应速度和选针效率得到显著提高, 可以降低提花织物的生产周期.单片机+CPLD控制系统的控制电路复杂, 程序编写的工作量大, 故障检测难度大, 成本高, 而ARM+CPLD控制系统的控制电路简单, 程序编写工作量小, 故障检测方便, 成本低, 可以减少针织机械的生产成本.

4 结束语

本文以提花小圆机为研究对象, 设计了一套完整的ARM+CPLD二级选针控制系统.采用分级式控制结构, 节省主控制器的资源占用, 同时也简化了硬件电路, 达到稳定控制数量众多的提花片的作用.通过对系统进行实验测试和现场试调, 系统满足对提花小圆机的实时控制要求,选针器可稳定地执行选针动作,且针筒最高转速可达到140~150 r/min,提花机构运行状况良好.与其他选针控制系统相比,具有提花效率高,数据传输稳定,成本低廉,检测方便等优势,具有一定的实际应用价值.

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乔辉, 张团善, 胥光申, 高术森, 刁先举, 刘凯
QIAO Hui, ZHANG Tuanshan, XU Guangshen, GAO Shusen, DIAO Xianju, LIU Kai
基于ARM+CPLD的选针器控制系统设计
Design of control system for needle selector based on ARM+CPLD
西安工程大学学报, 2017, 31(4): 527-532
Journal of Xi′an Polytechnic University, 2017, 31(4): 527-532

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收稿日期: 2017-03-24

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