史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

采用高速串行總線的圓緯機(jī)選針驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

目前針織機(jī)械用壓電陶瓷選針器都采用并行總線結(jié)構(gòu)組網(wǎng)控制，提出了一種基于RS-485高速串行總線的選針驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法。在一條波特率為4 M的RS-485總線上，并聯(lián)多個(gè)基于RS-485總線的數(shù)字選針器。設(shè)計(jì)一主多從的多節(jié)點(diǎn)總線架構(gòu)和總線仲裁機(jī)制，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)間的相互通信。測(cè)試結(jié)果表明，這種控制方法能解決目前長(zhǎng)線傳輸效應(yīng)較易產(chǎn)生的信號(hào)間相互串?dāng)_，抗電磁干擾性能差，提花編織控制時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)花等不穩(wěn)定現(xiàn)象，滿足選針實(shí)時(shí)性要求，可提高數(shù)字選針器的穩(wěn)定性。

圓緯機(jī);RS-485總線;總線仲裁機(jī)制;多節(jié)點(diǎn);數(shù)字選針器

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械式提花已不能滿足圓緯機(jī)的織造要求，電子提花技術(shù)［1－2］應(yīng)運(yùn)而生，選針器是圓緯機(jī)電子提花技術(shù)中最重要的執(zhí)行器之一，用于控制織針的運(yùn)動(dòng)軌跡，使圓緯機(jī)實(shí)現(xiàn)成圈、集圈、浮線等動(dòng)作。目前應(yīng)用在圓緯機(jī)上的選針控制系統(tǒng)主要有日本W(wǎng)AC三功位或兩功位選針系統(tǒng)，以及國產(chǎn)鯤鵬和創(chuàng)達(dá)的三功位或兩功位選針系統(tǒng)［3］。這些選針系統(tǒng)都是以并行總線的方式控制選針器，提花編織時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)花等不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圓緯機(jī)生產(chǎn)品質(zhì)。

深入分析其原因，發(fā)現(xiàn)主要是由于并行總線本身的缺陷造成選針器誤動(dòng)而導(dǎo)致編織亂花。并行總線存在速率越快越易相互串?dāng)_，傳輸長(zhǎng)度越長(zhǎng)越容易產(chǎn)生長(zhǎng)線傳輸效應(yīng)和抗電磁干擾能力弱等問題。針對(duì)此問題，本文提出一種基于RS-485［4］高速串行總線的選針器控制方法，從根本上解決并行總線存在的問題。并根據(jù)選針實(shí)時(shí)性要求，用高性能Cortex-M3［5］內(nèi)核的ARM芯片對(duì)該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

1 選針驅(qū)動(dòng)器高速串行總線構(gòu)架

1.1 壓電陶瓷選針器

目前應(yīng)用最多的選針器有電磁式選針器和壓電陶瓷式選針器，電磁式選針器工作時(shí)耗能大，斷開時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路造成很大的傷害［6－7］，而壓電陶瓷選針器在電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程中不會(huì)產(chǎn)生任何磁場(chǎng)，并且響應(yīng)速度快，工作頻率高，體積小，非常適合在針織圓緯機(jī)上工作［8－9］，所以選用200 V的壓電陶瓷選針器作為研究對(duì)象。

1.2 RS-485總線節(jié)點(diǎn)要求

圓緯機(jī)根據(jù)機(jī)型大小不同配有數(shù)量不同的選針器，小圓機(jī)一般在20個(gè)左右，大提花圓機(jī)有72個(gè)，甚至108個(gè)，這就要求驅(qū)動(dòng)器能支持100多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載，可通過增大收發(fā)器輸入阻抗來擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量［10］。收發(fā)器輸入阻抗可設(shè)計(jì)成≥24 kΩ、≥48 kΩ、≥96 kΩ，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到64、128、256 個(gè)，考慮到圓緯機(jī)選針控制系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性，本文采用節(jié)點(diǎn)數(shù)為256個(gè)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 RS-485總線速度要求

以中國臺(tái)灣凹凸WD/1.4F-SACJ雙面變色電腦大提花機(jī)為例，其轉(zhuǎn)速為 W=15 r/min，筒徑為864mm，機(jī)號(hào)E為0.945針/mm，選針器個(gè)數(shù)n為48，則針距G為1.058mm，移過每針的時(shí)間為

式中:V為針筒的線速度;W為圓機(jī)轉(zhuǎn)速;r為圓機(jī)半徑。因此只要在1560 μs內(nèi)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)解析，即可滿足控制要求。

發(fā)送數(shù)據(jù)的多少與選針器個(gè)數(shù)有關(guān)，假設(shè)總線速度為A Mbps，選針器個(gè)數(shù)為n，那么RS-485發(fā)送的數(shù)據(jù)量為(n+6)個(gè)字節(jié)，6個(gè)字節(jié)中包括2個(gè)起始字節(jié)和4個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)，因此發(fā)送時(shí)間為

式中:A為485波特率;n為選針器個(gè)數(shù)。

只要T1＜＜T，就可以滿足控制要求，取n=48，經(jīng)計(jì)算得 A＞＞0.346 Mbps。

選針器控制芯片選用ST公司的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103，該芯片主頻可達(dá)72 M，串口的波特率最高可達(dá)4.5 Mbps?？紤]到實(shí)時(shí)層還要協(xié)調(diào)眾多執(zhí)行器以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，因此RS-485采用4 M波特率。

發(fā)送多少字節(jié)與選針器的個(gè)數(shù)有關(guān)，本文的圓緯機(jī)有48個(gè)選針器，因此發(fā)送54個(gè)字節(jié)，包括2個(gè)起始字節(jié)和4個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)都有開始位和結(jié)束位，則4個(gè)數(shù)據(jù)包總共有540位，采用4 M波特率傳輸，得出發(fā)送54個(gè)字節(jié)的時(shí)間為135 μs，小于時(shí)間T，因此，該芯片可以滿足數(shù)據(jù)傳輸、處理實(shí)時(shí)性等要求。并且ST公司為該芯片提供了庫函數(shù)以及完善的開發(fā)文檔，使產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，并為后續(xù)的維護(hù)提供了方便?；赗S-485總線選針驅(qū)動(dòng)器構(gòu)架如圖1所示。

圖1 選針驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of needle selection actuator

2 選針驅(qū)動(dòng)器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 選針器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

選針器工作時(shí)壓電陶瓷片只有打上打下2種狀態(tài)，但檢測(cè)壓電陶瓷片是否正常工作還需有居中檢測(cè)的功能，因此本文采用2個(gè)IO口來控制驅(qū)動(dòng)電路。

由于需要切換200 V和200 V GND這2個(gè)電壓，本文采用雙光耦并聯(lián)的方式來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片，電路圖如圖2所示。P1接壓電陶瓷片，當(dāng)S_In_A為高電平，S_In_B為低電平時(shí)，O1、O4光耦導(dǎo)通，O2、O3光耦不導(dǎo)通，A點(diǎn)輸出200 V，B點(diǎn)輸出0，壓電陶瓷片打上;當(dāng)S_In_A為低電平，S_In_B為高電平時(shí)，O2、O3光耦導(dǎo)通，O1、O4光耦不導(dǎo)通，A 點(diǎn)輸出0，B點(diǎn)輸出200 V，壓電陶瓷片打下。如果周期性地切換S_In_A，S_In_B的電平狀態(tài)，連接的壓電陶瓷片就會(huì)由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生周期性的形變，從而使選針器刀片發(fā)生周期性的震動(dòng)。當(dāng)需要對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行居中檢測(cè)的時(shí)候，只要對(duì)S_In_A，S_In_B同時(shí)置于低電平就可以進(jìn)行檢測(cè)。

該驅(qū)動(dòng)電路兼顧選針器工作和壓電陶瓷片檢測(cè)2種功能，因此當(dāng)選針器安裝在圓緯機(jī)上時(shí)，也可以對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行檢測(cè)，觀察壓電陶瓷片是否已達(dá)到工作壽命，極大地方便了選針器的維護(hù)和更換。

圖2 選針器驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 Driving circuit diagram of needle selector

2.2 RS-485總線接口電路設(shè)計(jì)

RS-485總線用于選針驅(qū)動(dòng)器與圓緯機(jī)實(shí)時(shí)控制單元之間的通信。由于選針器不僅要接收實(shí)時(shí)控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，還要向?qū)崟r(shí)控制單元反饋當(dāng)前選針器的報(bào)警信息，因此，接口電路采用RS-485全雙工四線制模式［11］，信號(hào)有(RXD_N、RXD_P、TXD_N、TXD_P)。為了實(shí)現(xiàn)256個(gè)節(jié)點(diǎn)全雙工通信，實(shí)時(shí)控制單元采用SP3087E作為RS-485收發(fā)器，該收發(fā)器傳輸速率能達(dá)到20 Mbps，能滿足4 M波特率的傳輸要求，并且該收發(fā)器最大支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，為后續(xù)選針器的擴(kuò)展預(yù)留了大量的節(jié)點(diǎn)。選針驅(qū)動(dòng)器通信電路采用SP490E作為RS-485收發(fā)器，該收發(fā)器傳輸速率能達(dá)到10 Mbps，滿足控制要求。采用同一家公司的收發(fā)器芯片，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

考慮到信號(hào)的衰減和穩(wěn)定性，總線上信號(hào)的高電平應(yīng)該在5 V，但控制單元中芯片的高電平為3.3 V，所以用光耦實(shí)現(xiàn)數(shù)字電平轉(zhuǎn)化并增強(qiáng)抗干擾性。選用TLP113光耦，其最大延時(shí)為120 ns，符合4 M波特率的傳輸要求。R9和R10為終端電阻，起匹配總線阻抗的作用。

RS-485總線接口電路圖如圖3所示。

圖3 RS-485總線接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of RS-485 bus interface

2.3 RS-485多節(jié)點(diǎn)總線仲裁電路設(shè)計(jì)

當(dāng)選針器出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作或者接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，需要向?qū)崟r(shí)控制單元反饋信息，由于在RS-485總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向?qū)崟r(shí)層反饋數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)造成總線沖突，導(dǎo)致通信失敗，因此本文設(shè)計(jì)了一套總線仲裁機(jī)制。

取選針器上ARM芯片的一個(gè)IO口連接，見圖4。定義由這些IO口并聯(lián)的那根線為仲裁總線。默認(rèn)上拉一顆電阻，以便確定IO口的默認(rèn)狀態(tài)。規(guī)定當(dāng)仲裁總線為高電平時(shí)，代表總線空閑，選針器可以發(fā)送錯(cuò)誤信息;當(dāng)仲裁總線為低電平時(shí)，代表總線繁忙，當(dāng)前選針器不能發(fā)送錯(cuò)誤信息。

圖4 仲裁總線示意圖Fig.4 Diagram of arbitration bus

3 RS-485多節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 RS-485多節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議制定

本文研究1次發(fā)送54個(gè)字節(jié)，每個(gè)選針器在同一時(shí)間都接收這54個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，每個(gè)選針器根據(jù)不同的字節(jié)決定工作狀態(tài)。這樣就可以在發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間內(nèi)控制全部的選針器動(dòng)作，與循環(huán)尋址的控制方式相比，大大節(jié)約了時(shí)間。

這54個(gè)字節(jié)，包括2個(gè)起始字節(jié)，48個(gè)選針器字節(jié)，4個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)。48個(gè)選針器字節(jié)1個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)1個(gè)選針器的動(dòng)作，其中1個(gè)字節(jié)的信息包括第幾把刀、刀的狀態(tài)以及刀動(dòng)作類型。此數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于擴(kuò)展。采用4個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)機(jī)制，大大保證了接收數(shù)據(jù)的正確性，并提高了通信的可靠性。

3.2 RS-485多節(jié)點(diǎn)總線仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)方式

仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。采用二次讀的方式來檢測(cè)當(dāng)前仲裁總線是否繁忙，進(jìn)一步確保總線通信的正常進(jìn)行。

3.3 選針器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

基于RS-485選針器驅(qū)動(dòng)程序主要包括初始化，數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)發(fā)送3部分。考慮到54個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，若采用中斷接收方式，會(huì)導(dǎo)致頻繁跳進(jìn)中斷，影響主程序工作，并且增加了數(shù)據(jù)接收時(shí)間，因此本文采用DMA方式接收數(shù)據(jù)，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，并可在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收和CRC校驗(yàn)，更好地滿足選針器控制實(shí)時(shí)性要求。選針驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖6所示。

圖5 仲裁機(jī)制示意圖Fig.5 Diagram of arbitration mechanism

圖6 選針驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig.6 Flow chart of needle driving program

4 測(cè)試

本文以圓緯機(jī)車速為15 r/min連續(xù)工作72 h作為測(cè)試條件，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，采用RS-485總線監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)捕獲總線數(shù)據(jù)，RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)波形圖如圖7所示。測(cè)試結(jié)果顯示RS-485發(fā)送1個(gè)54字節(jié)數(shù)據(jù)包所需時(shí)間為155 μs，與理論值135 μs存在一定的誤差，經(jīng)分析，這個(gè)誤差是由RS-485總線字節(jié)與字節(jié)之間存在延時(shí)造成的。在誤差允許的范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果符合理論值，并且遠(yuǎn)小于控制時(shí)間T，符合選針器系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

圖7 RS-485總線波形圖Fig.7 Waveform of RS-485 bus

在72 h內(nèi)，通過對(duì)布匹的抽樣檢查發(fā)現(xiàn)，所織布匹符合花型數(shù)據(jù)文件，并且在15 r/min速度基礎(chǔ)上逐漸提速到45 r/min，通過RS-485總線監(jiān)測(cè)儀和對(duì)布匹的人工抽樣檢查。結(jié)果表明，總線上數(shù)據(jù)發(fā)送和接收正確，布匹符合花型文件，滿足圓緯機(jī)選針實(shí)時(shí)要求。與原先選針器并行控制織造的布匹對(duì)比發(fā)現(xiàn)，漏針、瑕疵等現(xiàn)象得到了大大改善，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的方法在一定程度上可提高圓緯機(jī)編織的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)并行總線的缺陷提出了基于RS-485串行總線的選針驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法，以多節(jié)點(diǎn)形式連接多個(gè)選針器，同時(shí)為了避免總線沖突設(shè)計(jì)了一套總線仲裁機(jī)制，大大提高了RS-485通信的實(shí)時(shí)性、通暢性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足圓緯機(jī)編織的實(shí)時(shí)性要求，運(yùn)行穩(wěn)定，并在一定程度上解決了并行選針器出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。對(duì)于提升電腦圓緯機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)具有重要的意義。

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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

浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(Z1110750)

史偉民(1965—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械機(jī)電控制技術(shù)。E-mail:swm@zstu.edu.cn。