張團(tuán)善 吳德文 張晨

摘 要

針對(duì)模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系控制面板單一、人機(jī)交互性能差、整體水平不高的問(wèn)題，提出一種基于ARM Cortex-A7架構(gòu)的i.MX6UltraLite低功耗處理器并搭載嵌入式Linux系統(tǒng)的模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件采用嵌入式Ubuntu16.04系統(tǒng)并通過(guò)跨平臺(tái)軟件Qt5.6.3搭建人機(jī)交互界面系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、花型打版、圖形編輯、文件管理、機(jī)器報(bào)警監(jiān)控、機(jī)器參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)升級(jí)等功能。并通過(guò)調(diào)試和試運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模板縫紉機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)縫紉運(yùn)行可靠，縫紉線跡優(yōu)美。具有快速、高精度、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。而且其擴(kuò)展性強(qiáng)，便于后期系統(tǒng)升級(jí)功能拓展。

關(guān)鍵詞

模板縫紉機(jī);Linux;Qt;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)： ?TP316.81;TP309 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.074

Abstract

Aiming at the problems of single control panel，poor human-computer interaction performance and low overall level of upper computer control system of template sewing machine，this paper proposes an i.MX6UltraLite low-power processor based on ARM cortex-a7 architecture and embedded Linux system for upper computer control system of template sewing machine.The system software adopts embedded Ubuntu16.04 system and builds the human-computer interaction interface system through cross-platform software Qt5.6.3Man-machine interface，pattern printing，graphics editing，file management，machine alarm monitoring，machine parameter setting，system upgrade and other functions.The results of debugging and trial operation show that the upper computer system of the designed template sewing machine has a reliable sewing operation and a beautiful sewing thread.It has the advantages of fast，high precision and easy operation.And its expansibility is strong，facilitate late system upgrade function expansion.

Key Words

Knitting hosiery machine;Linux;Qt;Human-computer interaction

0 引言

隨著智能化控制的發(fā)展，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)也在進(jìn)行升級(jí)換代，模板縫紉機(jī)是基于傳統(tǒng)的手工機(jī)械式縫紉機(jī)的工作原理上進(jìn)一步改進(jìn)升級(jí)的產(chǎn)物[1]。傳統(tǒng)的縫紉機(jī)雖然價(jià)格成本低廉、使用占地面積小，但是每臺(tái)設(shè)備都需要熟練的操作工人，且縫紉線跡不穩(wěn)定工作效率低下[2]。而模板縫紉機(jī)是高速高精自動(dòng)化縫紉設(shè)備，其工作效率比普通縫紉機(jī)高達(dá)數(shù)倍，且無(wú)須縫紉技巧[4]。既節(jié)約人工成本也無(wú)須擔(dān)心縫紉工人的技術(shù)熟練問(wèn)題[3]。模板縫紉機(jī)的最終目的是取代縫紉車工實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”的目標(biāo)，從而高效快速地進(jìn)行花樣圖形的縫制。國(guó)外比如德國(guó)的蔡斯克（ZSK）、百福（PFFAFF），日本的田島（TAJIMA）、三菱（Mitsubishi）、兄弟（brother）這些公司起步早，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)升級(jí)換代都有相對(duì)較為成熟和完備的模板縫紉機(jī)控制系統(tǒng)[4]。國(guó)內(nèi)的模板化縫制技術(shù)剛剛興起，自動(dòng)化設(shè)備不太完善，一些企業(yè)也是引進(jìn)技術(shù)，幾乎沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，模板縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的研究工作落后于世界先進(jìn)水平[5]。模板縫紉機(jī)控制系統(tǒng)要求能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)具有強(qiáng)大的人機(jī)交互系統(tǒng)和圖形處理能力、便于操作使用。本文針對(duì)模板縫紉機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了一種可行性的模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，選用ARM Cortex-A7架構(gòu)i.MX6UltraLite芯片作為主處理器搭載嵌入式Linux系統(tǒng)并采用Qt圖形界面程序設(shè)計(jì)，完善模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)模板縫紉機(jī)控制系統(tǒng)采用分級(jí)控制方式，分別由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)構(gòu)成。其中基于ARM Cortex-A7架構(gòu)的i.MX6UI芯片為組織級(jí)上位機(jī)控制主芯片，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的人機(jī)交互界面、花型文件打版、文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、縫紉數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)功能等。下位機(jī)采用FPGA協(xié)助ARM工作，并使用STM35F405芯片為CAN總線分布系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)SPI通信傳輸起協(xié)處理器作用，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作數(shù)據(jù)、下位機(jī)監(jiān)測(cè)以及CAN總線管理等功能。通過(guò)利用ARM數(shù)據(jù)處理能力和FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模板縫紉機(jī)的快速縫紉工作。

當(dāng)模板縫紉機(jī)正常工作時(shí)，上位機(jī)主控制器讀取花型文件和工作數(shù)據(jù)通過(guò)SPI傳輸?shù)较挛粰C(jī)控制芯片，下位機(jī)接收并解析花型文件數(shù)據(jù)。縫紉數(shù)據(jù)主要包括花型數(shù)據(jù)，主軸電機(jī)數(shù)據(jù)、X軸伺服電機(jī)數(shù)據(jù)、Y軸伺服電機(jī)數(shù)據(jù)、Z軸伺服電機(jī)數(shù)據(jù)等。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送縫紉指令時(shí)，機(jī)器進(jìn)入縫紉狀態(tài)時(shí)下位機(jī)STM32控制器通過(guò)CAN總線將工作數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)級(jí)中對(duì)應(yīng)的模塊。各伺服電機(jī)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊收到動(dòng)作信號(hào)時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到執(zhí)行級(jí)，執(zhí)行級(jí)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，最后完成織物的縫紉。同時(shí)在工作是協(xié)調(diào)級(jí)可通過(guò)CAN總線將自身狀態(tài)反饋到STM32控制器中，STM32控制器通過(guò)SPI傳送到上位機(jī)主控制器中，上位機(jī)主控制器接收并解析數(shù)據(jù)幀，完成對(duì)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控以及報(bào)警處理等功能。

2 上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在嵌入式控制系統(tǒng)中，人機(jī)交互界面可以更友好的使操作人員對(duì)本機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)控制修改、動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。嵌入式Linux系統(tǒng)是一種免費(fèi)的開發(fā)源代碼類Unix的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、交通管理、電子產(chǎn)品行業(yè)等。具有開源、可剪裁、易移植、性能高、安全可靠性高以及廣泛的硬件支持等特點(diǎn)[6]。在Linux系統(tǒng)總多的發(fā)行版本中Ubuntu有良好的界面交互接口且操作簡(jiǎn)單，開發(fā)資料總多，便于縮短軟件開發(fā)周期和后期維護(hù)。嵌入式系統(tǒng)中圖形界面開發(fā)工具眾多，其中Qt應(yīng)用最為廣泛。它是基于C++面向?qū)ο箝_發(fā)的圖形界面GUI程序框架，具有良好的封裝機(jī)制和豐富的API函數(shù)，能很好地支持Linux系統(tǒng)，具有良好的模塊化。Qt的開發(fā)界面簡(jiǎn)潔而友好，它特有的信號(hào)與槽（signal/slots）機(jī)制有效的解決對(duì)象間的信息傳遞參數(shù)的正確性[7]。

2.1 主界面設(shè)計(jì)

在機(jī)器開機(jī)上電后，系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入初始化界面并顯示初始化開機(jī)進(jìn)度條，如果初始化失敗則顯示初始化錯(cuò)誤界面，并顯示相應(yīng)錯(cuò)誤報(bào)警代碼。同時(shí)對(duì)下位機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢查，讀取工作日志、報(bào)警錯(cuò)誤信息等。當(dāng)前的工作狀態(tài)后，顯示當(dāng)前花并向下位機(jī)傳輸花型數(shù)據(jù)。下位控制板接收并執(zhí)行工作，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽接收下位機(jī)工作狀態(tài)及接收下位機(jī)的工作數(shù)據(jù)。初始化成功完成后直接進(jìn)入主界面，主界面顯示當(dāng)前縫紉花型、WIFI監(jiān)控、GPRS狀態(tài)、模板縫紉機(jī)狀態(tài)、底線長(zhǎng)度、當(dāng)前生產(chǎn)量、底線剩余長(zhǎng)度和總循環(huán)次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 文件管理

嵌入式人機(jī)交互界面系統(tǒng)中，文件管理是重要的組成部分。文件管理主要是對(duì)機(jī)器與U盤、移動(dòng)硬盤或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)云盤之間的文件數(shù)據(jù)操作，進(jìn)行花型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入/導(dǎo)出、復(fù)制、刪除及對(duì)已有文件進(jìn)行編輯等。Qt提供QDir類、QFileInfolist和QListWidget類能實(shí)現(xiàn)對(duì)文件管理[8]，Qt還提供了FileSystemWatcher類可以檢測(cè)文件、目錄接口的改變，而Linux系統(tǒng)會(huì)對(duì)U盤或者移動(dòng)硬盤插拔進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到U盤插入時(shí)，會(huì)創(chuàng)建文件目錄并且掛載U盤。關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)部分如下：

bool fileManage：：check_udisk（）{ ? ? ?//U盤插入檢測(cè)

QDir dirU（"./Udisk"）;

dirU.cd（"./Udisk"）;

if（dirU.exists（））

if（ （dirU.count（））>=2）

return true; }

程序中當(dāng)U盤掛載會(huì)在系統(tǒng)根文件目錄下創(chuàng)建Udisk文件夾，并判斷文件目錄下文件數(shù)不小于2時(shí)即U盤掛載成功。

2.3 花型文件解析

花型是模板縫紉機(jī)所需縫制的花樣圖案。它既可以專業(yè)CAD制版軟件打樣生成文件，也可以在系統(tǒng)的花型打版中進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，將生成的花型文件保存為ntp格式文件?；緢D案花樣有直線、圓、圓弧、曲線、矩形等基本的幾何圖形，以及人字縫、加固縫、多重縫等縫紉類型;復(fù)雜花樣圖案則是由這些基本花樣為基本元素進(jìn)行相應(yīng)的重復(fù)疊加組成的，對(duì)花型處理主要是花型文件解析和花型打版編輯，在上位系統(tǒng)中導(dǎo)入的花型文件主要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段：解析、生成、顯示。花型文件中包含縫紉控制數(shù)據(jù)以及壓縮的花型數(shù)據(jù)。其中縫紉控制數(shù)據(jù)包括花型名稱、針距、針?biāo)?、針腳點(diǎn)等，花型數(shù)據(jù)中提取圖元點(diǎn)集合信息，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的圖形鏈表信息。讀取鏈表信息一次描點(diǎn)顯示整個(gè)花型文件。而花型打版編輯是在解析花型后在根據(jù)需要對(duì)花型進(jìn)行操作修改。

3 結(jié)論

針對(duì)模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系統(tǒng)，本文提出設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式ARM模板縫紉機(jī)上位機(jī)控制系統(tǒng)方案，采用工業(yè)級(jí)的AMR Cortex-A7架構(gòu)的i.MX6UltraLite芯片進(jìn)行上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要對(duì)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)文件傳輸、解析花型圖案并進(jìn)行打版修改的功能等。其上位機(jī)系統(tǒng)縫紉主軸速度可達(dá)到2800r/min且運(yùn)行可靠。嵌入式Linux系統(tǒng)雖然為分時(shí)操作系統(tǒng)、功能強(qiáng)大。但是其實(shí)時(shí)性還不能很好地滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求。后期需要更好系統(tǒng)優(yōu)化。同時(shí)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能對(duì)花型進(jìn)行解析設(shè)計(jì)，但在實(shí)際的工作情況下如果能對(duì)縫紉次序進(jìn)行合理優(yōu)化，找到最佳縫紉路徑從而能夠更好提高縫紉效率。

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