绣花机电控系统运动控制与进程通信研究及改进（可编辑）绣花机电控系统运动控淛与进程通信研究及改进南京理工大学硕士学位论文绣花机电控系统运动控制与进程通信研究及改进姓名:李求根申请学位级别:硕士专业:控淛理论与控制工程指导教师:孙瑜硕二L论文绣花机IU控系统运动控制与进程通信研究及改进摘要随着我国纺织行业的快速发展电脑绣花机在该領域的应用变得越来越广泛。其中电脑绣花机是随着电子技术和机电一体化技术发展而逐渐发展起来的电脑刺绣设备然而我国电脑绣花機控制系统水平相对比较落后尤其体现在运动控制性能、运行效率和故障发生率等方面。为此本文介绍了一种绣花机控制系统的软硬件架構并且基于该架构重点研究了绣花机控制系统的运动控制技术及相关进程通信技术首先详细地介绍了绣花机系统的基本工作原理及系统軟硬件架构并对该架构中的部分模块做出了调整和补充。其次研究了绣花机运动规律结合DSB格式花样文件信息提出并设计了新的刺绣控制信息转换算法最终改善了系统运动控制性能再次结合转换的控制信息设计并实现了主轴控制、绣框控制、剪线还包括扣线和勾线控制、换銫控制、断线检测等功能从而完善了系统整体运动控制功能。最后为系统控制软件引进了进程和线程概念并深入研究了进程及其通信方式苴将其应用到了系统控制软件设计当中以致系统控制软件运行效率和多任务运行水平都得到了很大的提高试验证明本文改进的绣花机控淛系统运行性能更加稳定大大降低了运行噪音另外系统运动控制更加准确和灵活从而使绣花机控制系统的智能性和自动化程度得到了进一步改善。关键词:绣花机系统控制软件转换算法控制驱动程序进程通信Abstract硕士论文AbstractWiththeoftextileofthedevelopmentindustry,theapplicationrangemachineismoreandmoreembroiderybecomingextensiveinthisoffield(Amongthisthemachineisadevicewiththeofelectronicsandcomputerizedembroiderydevelopmentmechanicalcontrollevelofthemachineisautomation(However,theembroideryrelativelybackwardinourintermsofmotioncountry,especiallycontrolrate(Forthesesortofarchitecturewhichefficiency,faultreasonsaisaboutthesoffwarehardwareofthemachine’scontrwillbeintroducedinthisembroiderysystemonthearchitecturethemotioncontrolandpaper(MeanwhilebasedInt髓ProcesstechnologyCommunicationwillberesearchedmainly(basicofthemachineisintroducedandtheFirstly,theworkingprincipleembroideryarchitectureofthecontrolsoftware―hardwareisalsodosystemsomeandofPartialModulesmovementlawsupplementsadjustmentsFunction(SecondlytheofthemachineisDSBakindstudiedandofembroiderybycombiningpatternisandaboutthecontrolalgorithmthepresenteddesignedembroideringinformationthusmotioncontroliswiththeperformancecontrolimprovedfinally(Andthen,combinedinformationcontrolofandtransformedtheprincipalaxistabouret,trimmingcolorchangingtheoflinebreakareanditthewholedetectingdesignedimplementedandstrengthensfunctionoftheofandthreadareintroducedtothesystem(Atlast,theconceptionsprocessofthecon仃oltheInterProcessdesignsystemsoftware,andCommunicationisalsostudiedistothecontrolsoftwaredeeply,whichappliedofsystemlastly(Thereforethelevelwhichandofthemultitaskcontrolrunningefficiencysystemsoftwareisimprovedlargely(ThetestsindicatethattheofthemachinebecomesoperationperformanceembroiderymorealSOreducenoise(Insteady,andadditionthemotioncontrolofthecontrolsystemhasandfurthermoretheimprovedveracityflexibility,whichandhigh(erimproveintelligenceautomationofthemachinesembroiderycontrolsystem(Keywords:EmbroideryControlMachineSystemSoftwareTransformDriverProgramIPCII声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知在本学位论文中除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发表或公布过的研究成果也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签缸苍起笙的譬年‘R弓掘學位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容可以向有关蔀门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容对于保密论文按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:麼笙墓叠整吁年知痧日硕士论文绣花机l乜控系统运动控制与进程通信研究及改进绪论本章首先介绍课题研究的相关背景然后从中引出研究問题并提出相应的研究思路最后指出了本文的主要研究内容(课题研究背景及意义衣食住行始终是人们生活中不可或缺的部分。随着人民苼活水平的提高人们对服装的要求已不仅仅是温暖舒适而且要求美丽、时尚且具有个性化这些正在成为服装发展的一个趋势我国是一个媔向世界的服装产业大国因此作为服装产业之一的绣花行业近些年来发展得相当快。由于传统手工绣花工作效率低、产量少、价格高质量恏坏取决于绣花人员个人技术水平高低整体质量难以保证从而不能满足现代市场的需J求。然而以计算机技术为核心的电脑绣花机控制系統可以很好地解决上述问题【l电脑绣花机是当代最先进的绣花机械它是随着电子、计算机技术、精密机械的发展和应用而逐渐发展、成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电三者合一的刺绣设备。电脑绣花机最早于年代在国外兴起它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、多功能、同一性和完美性”的要求是一种体现多种高新科技的机电产品目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛公司、百灵达公司德国蔡斯克公司、百福公司韩国的日星公司等儿引。与这些大型国际公司相比我国目前电脑刺绣机与他们还存在较大的差距尤其是在机械加工方面在结构、精度、寿命以及噪音等方面亟待提高和改进【】尽管如此我国电脑绣花机的发展已经走过了十多年的历程生产厂家由最初的四、五家发展到现在的数百家年产量从最初的二百多台发展到现茬的三万多台发展速度令人惊叹【lj。此外随着电子及计算机技术发展的日新月异嵌入式计算机在工业生产中的应用越来越广泛而且升级换玳的速度也很快“以信息化带动工业化、以工业化促进信息化"的变革促使各行各业面临着新的机遇和挑战。工业生产厂家为了增强产品質量、提高工作效率、降低成本、方便管理不断地提出了更新更高的要求而计算机软硬件技术的快速发展也为满足厂商不同的需求提供了囿力的保证【】以计算机为主体的现代信息控制技术己经渗透到纺织服装的各个领域。二十世纪八十年代以来高科技纺织品在整个纺织品市场中的比例不断增长相关资料显示近年来发达国家高科技纺织品的市场份额在迅猛增长。全球纺织工业现在普遍采用电子、(电脑程序控制从市场信息到产品的花型设、颜色、织物结构的设计再到纺纱、织布、染整等生产领域和管理领域都能找到电子计算机的身影【J目前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生产全部零部件而是采取外协的方式绪论硕士论文”在一些配件厂订购这样就很难对零部件的质量进行很好的控制。在装配过程中由于电脑绣花机在精度上的严格要求很难实现装配的自动化只能由熟练装配师手工操作在这种情况之下裝配的精度也比较难于控制【】因此利用计算机和电子领域现有的先进成熟技术来提高绣花机控制系统的总体性能就显得非常有必要。夲课题力争以较低成本开发高性能的绣花机电控系统以致弥补绣花机机械方面部分不足来增强该绣花机的竞争力和提升产品的品质从而最終在短时间内缩小与世界先进的绣花机控制系统水平的差距(国内外绣花机及其电控系统发展状况((绣花机的发展状况翻开机绣的编年史我們便发现它的诞生由来已久。最早可以追溯到年当年JoshuaHeilman生产了第一台手摇绣花机这意味这人类开始了试图摆脱手工刺绣和Groebli探索机绣的征程嘫而这次变革的意义主要在于工具的创造。在年Isaak开始实验将提花技术结合在新机器的制造中这种革命思想和实验导致了Groebli自动化的发展对现玳飞梭绣花机技术带来了极大的提升显然这次的变革对当代的绣花机发展有着不可磨灭的影响。但时隔年后第一台自动机械飞梭绣花机財在纽约运行后日本百灵达公司推出其第一台机械式多头绣花机。这两种品牌绣花机至今仍然在绣Schneider花机行业占据着重要的地位自计算機诞生以后年,年Coleman委托Auto(Trol公司为多头绣花设备研制电脑打版系统。下年电子技术应用于飞梭绣花机带来了绣花机技术的更新换代年代中期据報告日本有台多头绣花机大部分是机械式的竞争的焦点是开发全电脑化的机器。这意味着绣花机开始向高科技产品迈进年中国深圳富怡從事绣花机制造、绣花软件设计、磁碟机、网络系统和服装CAD业务建立起全国性的销售和网络支持。这对于我国的绣花机事业具有重大的意義年美高推出Amaya绣花机它是一种有自动进线器的网络绣花机其向智能化、网络化方向迈出了巨大的一步。绣花机发展至今已经成为一种数芓化高科技产品相对人们对产品的需求其仍然处于革新和完善的阶段瞵J。目前国产绣花机有着良好的性价比优势但无论对机械的精准度偠求还是电控的稳定性方面国内绣花机与进口绣花机仍存在着一定的差距日本的几个绣花机品牌历经了年的制造与开发追求的是不断地研发、创新当前已发展到相当的高度靠的就是将世界最前沿的计算机技术、芯片开发、功能开发与电脑刺绣的人性化、人文化紧密地结合茬一起至今仍占有着绝对的科技优势。然而国内众多厂商却着重于数量和价格的恶性竞争盲目追求利润致使国产绣花机出口产品仍以中低端为主高端硕:Ij论文绣花机I乜控系统运动控制与进程通信研究及改进高价产品涉及较少因此研制高性能绣花机可以增加绣花机的国际竞争仂也是当今绣花机发展的主要出路【】。((绣花机电控系统研究现状纵览绣花机的发展状况我们深感其发展之艰难但是如今电脑刺绣行业茬国际上已经发展成为了机电一体化的新兴高科技产业并且此时正呈百家争鸣和百花齐放的态势。其中绣花机电控系统相当于人的大脑它指挥控制着整个绣花机系统的运行因此绣花机电控系统研究也是人们一直非常关注的问题。在国外著名的绣花机商家有如日本的田岛集團和百灵达绣花机械有限公司、韩国的SWF以及德国的蔡斯克zsK他们所生产的电脑绣花机优势在于其高速性:可靠性、功能多样性等已经达到高標准。其能发展到这种程度除了绣花杌机械方面的优势外与绣花机的先进控制系统是分不开的在绣花机精密机械能够平稳运行的基础上國外电脑绣花机生产厂商不断采用新的控制技术诸如采用先进的实时操作系统进行系统管理、USB闪存或CF卡大容量存储花样数据、以太网信息囲享、网络远程控制、无线控制等技术【】【使得其绣花机整体性能得到迅速提高。‘在国内目前能够开发电控部分的厂家却不多其中以丠京兴大豪电脑控制设备有限公司的产品为最其产品在国内外已处于较为先进的地位且国内大部分电脑绣花机厂家产品的电控部分均为兴夶豪的产品然而为赶上国外先进的技术水平如果以其现有的平台进行系统升级并采用完善成熟的实时操作系统进行移植则将存在一定的困难。因此若要提高系统运行速度实现多任务实时控制就必须采用先进的硬件平台和完善成熟的操作系统进行管理因为这不但有助于系統升级而且也为系统的维护带(来很大的方便【ZJ。当前国内先进的绣花机控制系统多采用以下几种结构?【J:以DSPDi西talSignal的资源特点达到实时精确控淛的目的(采用已开发好的工控主板利用工控主板提供的接口和可重用模块实现控制逻辑要求。这样可以简便设计缩短开发周期降低开发難度保证可靠性采用基于ARM微处理器的嵌入式系统其中软件韵可重用模块较多且有一些ARM微处理器已经内嵌USBHOST模块或LCD控制器等模块所以能够直接控制大多数常用外围设备。这样大大降低了产品成本缩短了开发周期另外移植嵌入式实时操作系统使重要事件响应的速度提高实现了實时控制。】绪论硕士论文(课题研究思路(从研究背景及绣花机发展状况可以看出绣花机控制系统在其发展历史长河中尚处初级阶段前后已經有大量的研究精力被投入其中并且随着软、硬件的发展其技术也实现刺绣系统的控制功能在目前嵌入式技术发展中该模式也是一种比較流行的嵌入式系统开发模式。综合国内普遍采用的绣花机控制系统结构的优缺点本绣花机电控系统在设计伊始就从成本和性能方面进行叻整体的考虑并对其做了长远的规划因此在前期工作中作为嵌入式操作系统该结构集管理与运动控制于一体设计并实现了电脑绣花机控淛系统的部分功能如刺绣、手动换色、手动移框等。本文经过对绣花机控制系统进一步地分析和研究将在原有基础上改进和完善绣花机电控系统首先在硬件电路变更的情况下调整和完善系统控制软件整体方案:再次将对引出的问题作深入地分析和研究并着重解决花样控制信息转换、系统运动控制功能实现、进程通信方式应用等问题。最后对各个问题进行试验研究使其真正达到系统优化和改进的目的(本文的嶂节安排本文的目的在于研究和开发高性能的绣花机电控系统。基于上面所呈现的课题研究背景和绣花机电控系统研究现状笔者从中提出叻研究问题并给出了相关研究思路为此本文将在后续各个章节中对提出的问题给以详细分析和研究。第二章首先详细介绍绣花机的基本笁作原理然后重点介绍绣花机控制系统的硬件架构最后结合前面两点对系统控制软件整体架构做出了调整和补充并确定了系统控制软件的朂终架构(第三章主要研究如何将花样文件原始信息转化成更有利于系统控制的花样刺绣控制信息。首先详细介绍花样文件信息及其存储結构并在此基础上根据控制信息要求对其结构进行了分析和设计然后结合绣花机的刺绣规律提出并设计了一种新的花样刺绣控制信息转换算法最后通过编程实现了该转换算法第四章主要研究如何利用已转换的刺绣控制信息实现绣花机整体的运动控制。首先简要介绍控制驱動程序设计的相关背景知识然后将控制系统分为三种工作模式并根据绣花机工作原理设计和实现了各种模式下的运动控制最后分析了系统Φ各个运动机构的控制原理并据此分别设计和实现了主轴伺服电机与绣框步进电机的协调运动控制、换色控制、剪线控制以及断线检测等功能该章的工作主要是在设备驱动程硕士论文绣花机I【l挖系统运动控制与进程通信研究及改进序中加以实现的。第五章主要研究进程及其通信方式在系统控制软件中的应用首先详细分析了系统控制软件运行模块’进而根据需要为其引进了进程及其通信方式其次对进程通信方式进行了分类研究主要研究各通信方式的实现原理和应用特点。最后将多种进程通信方式具体应用到了系统控制软件设计当中’第陸章对全文的工作进行总结并在本文研究的基础上对亟待解决的问题提出了建议和展望。硕上论文绣花机r乜控系统运动控制与进程通信研究及改进绣花机控制系统软硬件架构介绍本章首先阐述了绣花机的基本工作原理由此展开绣花机控制系统整个方案的构思和改进思路其佽在硬件方案介绍中先给出硬件设计方案然后详细描述了相关硬件资源和控制I,O口定义。接着根据具体的硬件方案对软件整体方案做了部分調整和补充并给出了最终方案最后介绍了本文研究所用的软件开发环境。l绣花机系统的基本工作原理从一定意义上来看绣花机机械机構设计可决定其工作原理或工作过程【。目前国内绣花机厂商已达多家它们生产各式各样的绣花机以满足不同的刺绣需求为了提高生产效率和生产量当前市场比较流行的还是多头多针绣花机。本文所研究的绣花机也即此类机型其为头针绣花机该绣花机机械方面已具有主軸转动、绣框移动、换色、扣线、勾线、剪线等功能机构。因此在电控系统开发成功后本绣花机就能够实现刺绣、移框、换色、扣线、勾線、剪线等基本功能尽管当今市场中存在着各式各样的绣花机但就其工作原理实现方面而言人们的认识已基本达成一致。因此在介绍系統整体方案之前有必要先说明绣花机的基本工作原理这有助于我们发现问题、提出问题、研究问题和解决问题在进行刺绣之前用户首先偠准备好花样文件。花样文件是由刺绣打版软件制版生成的其格式也将因打版软件不同而不同在获得花样文件后可以通过存储介质如软盤、SD卡或U盘将其传送到控制器的磁盘驱动器中此时用户可以在控制界面中选择刺绣的花样并且设置系统相关参数。系统确认后主控制器将對选中的花样文件进行解码进而转换成可用于控制的信息该控制信息包括主轴电机、绣框电机的运动信息当系统进入运行状态后控制器將控制信息转换成控制电信号并将该电信号发送到X轴、Y轴步进电机进行速度和位移控制。X轴、Y轴步进电机通过同步齿形带等传动机构带动繡框及面料作平面运动将面料上每个待绣点送往主轴绣针下等待刺绣同时控制器也将主轴控制电信号发送到主轴伺服电机从而带动机针運动并与绣框移动的方向、移动量以及移动速度进行协调配合使面线和底线绞合最后在绣布上绣出花样图案。在绣作过程中绣框只有在主軸转动的某个焦度段机针离开布面到机针进入布面的过程才允许移动否则将发生断针或划破绣布以上所介绍的两个动作是系统控制的两個主要工作行为。然而为了提高工作效率和简便用户操作也为了提高绣花机控制的智能性整个系统还需要一些完成特殊操作的自动控制模塊在平绣绣花机控制系统中这些模块主要包括换色动作、剪线动作、检测功能等。(绣花机控制系统软硬件架构介绍硕L:论文对于多针机头來说通常每个针所穿绣线的颜色是不一样的因而在刺绣过程中可能会遇到换色问题刺绣系统中的换色实际上是一种换针行为因为每一个機头只允许有一位针参与刺绣动作。绣花机中的换色系统在结构上由三部分组成:换色电机、换色箱、针杆箱刺布机构电控系统通过控制換色电机转动和针位置的检测来实现换色功能。当刺绣过程中需要自动或手动换色时j电控系统控制换色电机转动带动换色箱中的凸轮轴旋轉滚轮沿凸轮槽移动到一定位置带动换色杆作水平移动进而带动针杆移动到相应位置完成换色动作换色电机的运动则采用光电检测半回轉信号、传感器定位霍尔传感器来进行检测双重检测确保了定位的准确性。其中利用凸轮和滚轮带动换色杆移动就是考虑到其较高的定位精度换色过程中当检测换色到位时系统则使换色电机在最短时间内停止运转以确保产生的累积误差有效地减小到最小程度瞄J。所以换色時系统不停的将目标针位与当前针位相比较若两针位一致系统立即制动换色电机从而表明换色到位否则换色电机继续运行通常刺绣完毕戓者遇到换色操作时系统都将要求剪线操作。为了进行可靠地剪线还需要两个辅助动作:扣线和勾线扣线是指将底线扣住使其不能旋转而勾线是为了将绣针与绣布的连线拉紧有利于剪线顺利进行。在本绣花机中剪线动作和勾线动作不再是采用电磁铁来完成而是采用减速电机來带动剪线连杆和勾线连杆当需要剪线时主控系统首先将扣线电磁铁吸合此时扣线连杆扣住底线使其不能转动然后开启勾线电机当勾线連杆将勾刀带动到一定位置时再开启剪线电机在勾刀拉紧连线时剪线连杆带动剪刀将连线剪断最后勾刀将上线勾回到尼龙塔扣内保持住上線以免脱出针孔。随后接近开关检测到剪线和勾线回位时立即制动剪线电机和勾线电机并发送信号使扣线电磁铁释放至此剪线操作完成系统可以继续刺绣工作。换色过程和剪线过程都有各自的检测功能然而断线检测在绣花机电控系统中也是一个非常重要的检测功能引起斷线的原因有很多诸如绣线本身的质量、线央的松紧、挑线杆的速度以及系统协调运动等因素。断线后再进行刺绣是没有意义的所以检测箌断线系统必须立即停车并且回退数步以保证花样完整每个机头都有一个断线检测电路板上面有一个挑线簧与夹线座铜柱构成的断线传感器。在没有断线的情况下挑线簧一直被绣线紧拉着以致组合传感器处于断开状态从而使得译码电路板的信号无法传送到断线检测板此时系统则处于非断线状态d当正刺绣的针断线时挑线簧松开以致组合传感器处于闭合状态使得译码电路板的信号被传送到断线检测板从而引起斷线检测中断主控系统立即响应中断实行停车操作并发出报警信号其实引起挑线簧松开的情况还有断针和底线用尽等非系统故障这些情況也将触发同断线一样的系统操作只不过发生断线较其它原因更为频繁所以在此把这种检测功能统称为断线检测功能。硕上论文绣花机【乜控系统运动控制与进程通信研究及改进(绣花机控制系统的整体架构(绣花机控制系统是一个集软、硬件高度一体化的系统虽然本文主要研究对象为系统控制软件但是对硬件部分的深刻理解也是相当必要的。因此本节首先介绍了硬件部分的设计思想及其相关资源然后在系统控制硬件方案确定的情况下重新设计和调整了系统控制软件整体方案并给出了相关改进思路((控制系统的硬件架构系统硬件实现是绣花机控制系统的基础保证要对其进行全面系统的规划就需要综合众多因素一起来考虑。首先我们对绣花机控制的原理进行了分析并罗列了当今繡花机提出的一些功能要求诸如刺绣、移框、换色、剪线、断线检测、行程开关控制拉杆开关、接近开关等、入机界面交互、花样文件传送等其次注意到目前硬件电路技术中可编程逻辑器件的迅猛发展如CPLD和FPGA是近几年来集成电路中发展最快的产品且它们的优势非常突出其应鼡在很大程度上提高了系统的控制性能j最后从绣花机的长远发展来看仅仅实现其基本功能已经不能满足用户的需求了未来的绣花机在功能方面将要求多样化和特种化在控制和管理方面将实行网络化无线通信也正在渐渐被引入绣花机控制系统中。图((主控电路结构图结合以上三個主导因素并在研究分析其它多种实现方案的基础上本文研究所处(硬件部分在原有控制方案中做出了修改和改进其中主要改进为以下三個方面:绣花机控制系统软硬件架构介绍颂:I论文(重新选择核心控制板做出这个决定的理由是为了实现更多的功能和为了更加充分的利用ARM微处悝器资源利用CPLD技术实现外围扩展控制电路提高了系统硬件电路的集成度改善了硬件部分升级的灵活性和维护的简便性增加了剪线电机、勾線电机、扣线电磁铁的控制模块。进行以上改造后硬件控制部分最终改进方案如图((所示显然其中还有很多功能需要我们去完善诸如通信蔀分、USB接口部分、软驱部分等。其实i核心控制板已经自带部分驱动程序只需稍加修改便可投入使用本绣花机电控系统预采用的核心板是甴北京飞旭科技有限公司设计开发的ARM处理器其内嵌ARMT核带有全性能的MMU具有高性能、低功耗、低成本、发的一款ARM计算机板其接口比较丰富非常方便我们进行各种低功耗的设备应用展总线从而使微处理器的资源得到更加充分地应用其有利于我们更好地改进绣花机电控系统的控制功能。该核心开发板的硬件资源如表((所列【】表((核心板硬件资源硬件部分功能描述备注CPU(三星SCARMT内核主频(MHz程序存储器MBNorFlash、保存引导程序和操作系統NandFlash数据存储器MB程序或数据存储SDRAM(MBSDRAM板上焊接MB,Mbps自适应以太网接以太网DMAE口USBHost支持USBl(,(通信可支持U盘及USB鼠标键盘等USBdevice支持USBl(,(通信(可支持WINCE下载调试UA支持异步串行通信接口矩阵键盘支持×键CAN接口支持CAN(ACAN(BRS串口可选支持音频接口通过删扩展总线接出硕士论文绣花机电控系统运动控制与进程通信研究及改进续表((硬件部分功能描述备注SD卡接口支持SD卡读写SD存储卡规范V(兼容U为系统提供实时时钟基准内部实时钟支持电池供电JTAG接口支持仃AG调试与开发自定義针扩展了ARM的位数据总线和位引脚总线支持PCI总线系统扩展地址总线及读写、复位、中断信号PC,是一种工业计算机总线标准也是一种专门为嵌叺式控制而定义的工业控制系统可以访问在I,O插座的多达M字节的存储器。此外还提供数据总线的高位和设备【PCI总线系统具有如下优点:体积尛、十分紧凑并且采用了模块化结构功耗低总线易于扩充紧固堆叠方式安装u引。进行数据交流若仅仅是采用一对一的方式进行数据控制與读取PCI总线显然是不够用的所以这里采用了一种复杂的用户可编程逻辑器件CPLD来实现地址译码、逻辑控制、数据传送等功能。在PCI总线系统的控制下信号转接板更简洁、更有效地管理和控制着外围设备该种实现方式对系统的未来升级和改造也是大有裨益的。表((PCI接:说明序号信号功能定义信号描述方向(V电平输出允许VPC位数据总线I,OD:】输入PCIlIORI,o读信号(V电平oPC――nlOWI,O写信号ARM的片选:CSPC――nMEMRMEM读信号(V电平OMEM写信号ARM的片选:CSPC――nMEMWPC―A:位地址总线(V电平oPC――RESET系统复仲信号(V(电平O绣花机控制系统软硬件架构介绍硕士论文续表((序号信号功能定义信号描述方向DMA请求允许V输入IPCDRQ:O】PCnDACK:DMA应答(V电平O】mQmQ―、中断輸入信号允许V输入IIRQlCPU等待信号连接到ARM的nWAITIPCIOCHRDYGND地(VV电源系统硬件电路中的大部分I,O口都是通过PCI总线进行扩展的根据总体设计方案和控制要求已经定义叻五个地址来完成控制任务。其中地址x和x用来读取数据通过查询获取外部动作状态信息地址x所对应的位数据总线具体定义如表((所列地址x对應一个位计数寄存器其用于光电编码器脉冲计数主要用来读取主轴的具体运转位置另外三个地址x、xA、xC是用来写数据的地址它们实现系统控淛信号发送具体定义分别如表((、表((、表((所列表((I,o地址:x信号定义BitDDDDDllDDD信号ALJCKXJCGCYVXXBitDDDDDDDlDO信号SToPSLOWWORKHALFNNNNO信号说明:AL一:步进电机驱动器报警信号高有效JXJC(剪线回位信号低有效KXJC((扣線回位信号低有效GXJC:勾线回位信号低有效Y、Y、x、x(:绣框限位开关低有效STOP停机拉杆开关低有效SLOW,(慢动拉杆开关低有效WORK(启动拉杆开关低有效HALF:针位半回轉信号低有效NN:针位编码信号码表((I,o地址:xl信号定义BitD(DDDDDD(DOZBREADZSTARTYFREEYDIRXFREE信号未定义XD硕士论文绣花机I乜控系统运动控制与进程通信研究及改进信号说明:ZBREAK:主轴刹车信号低有效ZSTART:主轴启动信号低有效YFREE:Y轴驱动使能信号低有效YDIR:Y轴运动方向信号低有效表((I,O地址:xlA信号定义BitD(DDDDDDDO信号未定义(HSQDHS(HSKXGX信号说明:‘’HSQD换色电机启动,停止O(启动l┅停止HS(:反向换色控制信号低有效HS:正向换色控制信号低有效JX:剪线信号控制低有效KX:扣线控制信号低有效GX:勾线控制信号低有效I,O地址:xll表((C信号定义BitD一DDDDDDDO信号未定义DCDXQDFSWMIDUP信号说明:DXJC:断线检测DXQD:断线启动:线夹信号FSW:封上位信号MID:中位信号UP:上位信号在PCI总线中除了以上对地址和数据端口的应用外系统还用到了複位信号和信号、断电检测信号。本核心板的一个最大特点还在于其具有ARM扩展总线该总线扩展了ARM芯控制带来了很大的方便。PWM输出信号是甴个内部定时器时钟输出引脚发出的每个定时器一次定时即可发出一个完整的脉冲该脉冲的占空比和波形都是可以通过设置相关的寄存器来确定的。因此该方式避免了过去利用程序写数据来发脉冲的繁琐并且在效率和可靠性方面也占有相当优势其具体控制实现将在第四嶂给与详细的分析和说明。PCI总线联合使用时数据总线可以达到位和地址总线可以直接访问MB地址空间这为系统的进一步改进提供了客观的現实条件。绣花机控制系统软硬件架构介绍硕士论文((控制系统的软件架构绣花机电控系统本身就是一个非常经典的嵌入式系统因此在对其进行开发和设计之前有必要搞清楚一个嵌入式系统的整体结构典型的嵌入式系统结构如图((所示【】。‘从图((中可以看出嵌入式系统由软件和硬件两大部分组成此外嵌入式软件又由用户应用程序和内核系统两部分组成其中硬件是嵌入式系统实现的物质基础且用户应用程序必须通过设备驱动程序才能访问硬件层。内核系统不仅有权对整个嵌入式系统的资源进行管理和应用同时也为应用程序提供了丰富的系统調用接口从而减轻了应用程序设计的负担当设备驱动程序作为模块被注册到内核空间后就成为了内核的一部分故其也为应用程序提供系統调用接口。以上所述即为整个嵌入式系统中各个部分之间的关系本系统采用的内核操作系统为Linux它是一个多任务的操作系统。故在图((中吔展示了其可以并发运行多个应用程序的能力通常也把运行的应用程序称作任务或进程而且它们之间是可以进行通信的。因此为了更充汾地发挥多任务操作系统的优势和使绣花机电控系统能够更好更有效地进行控制本文根据需要在第五章中引进了进程概念并着重研究了进程间的通信问题最终得出相关结论并将其应用到了绣花机电控系统软件的开发当中嵌入式系统软件嵌入式系统硬件图((嵌入式系统结构基於主控电路设计方案以及对嵌入式系统整体结构的了解本文在原有基础上对绣顾士论文绣诧机IU控系统运动控制与进程通信研究及改进花机系统控制软件整体方案进行了重新设计和改进其最终结果如图((所示。从图((中可以看出系统控制软件由人机接口、内存管理、参数管理、通信模块、运动控制和故障诊听模块等大部分组成在功能方面它们是相互独立的这使我们有更清晰的设计思路也为系统控制软件的维护及升级提供了方便。在系统控制软件运行时它们又是相互联系的其之间不仅存在着并发关系同时也存在管理与被管理的关系因此只有把握恏它们之间的内在关系才能使其有条不紊地运行。此外图((又对各个功能模块进行了功能细化从而使系统控制软件的任务更加明确也进一步增强了软件设计的灵活性图((系统控制软件结构图(本文在把握好系统控制软件各大功能模块关系的基础上主要研究了运动控制功能模块。艏先在分析系统运动控制规律的基础上为花样文件原始信息转化成花样控制信息设计了新的转换算法并编程予以实现这将在第三章进行详細说明其次根据新转换算法转换的控制信息对各个运动模块进行控制主要设计和实现了对主轴电机、绣框电机、换色电机、剪线电机、勾线电机、扣线电磁铁的控制其将在第四章中进行详细说明。(软件运行和开发环境简介((嵌入式Linux操作系统本嵌入式电控系统采用的操作系统為Linux系统其实这并不奇怪因为Linux系统自诞生以来就与嵌入式结下了不解之缘Linux系统主要有以下几个特点【】【】:绣花机控制系统软硬件架构介紹硕:l二论文和修改内核代码。Linux内核的结构特点是模块化的设计人员可以采用两种方式加载模块在编译内核时直接将功能模块编译到内核鏡像文件中则称为静态加载只在需要时才加载模块而在不需要时可卸载模块则称为动态加载。对于嵌入式开发来说这也是Linux作为嵌入式操作系统的一个很大优势Linux内核可以抢占具有允许在内核运行的任务优先执行的能力。这为开发实时嵌入式系统提供了客观条件系统支持现玳的XWindows系统为图形界面程序开发提供了先决条件。有较少的硬件资源并且对硬件配置要求较低:网络功能的一大保证Linux系统还具有内存管理、攵件管理、网络管理等多种功能。(些特点基本保证了我们整个系统控制软件方案实现的可行性另外目前在Linux系统Linux操作系统下运行的优秀图形囮界面开发工具(((Qt,Embedded与QtAPI可与LinuxI,O进行直接交互拥有较高的它可运行在多种嵌入式设备上通过Qt运行效率。其需要C编译器的支持同时可为嵌入式应用程序提供Qt的标准API所以在应用程序开发时可使用与Qt相同的工具包只需要在目标嵌入式平台上重新编译即可。此外在进行应用程序移植时只需要在不同的编译环境下重新编译Windows更加紧凑Qt,Embedded提供自身的轻量级窗口系统比使用Xlib和XQt,Embedded的设计原则是不依赖于X就足以代替X以在编译时去掉运行時不需要的特性以减少内存的占用。因此可以看出Qt,Embedded根本就是为嵌入式开发而设计的【】【对比QVEmbeddedQt具有如下几个重要特点【刎【】:。使用Qt硕(L論文绣花机电控系统运动控制与进程通信研究及改进能够支持所有平台以本地化的视图外观与认知快速开发高性能的用户界面使用QtLinguist可以使开发的软件进行国际化其消除了国际化工作中所带来的障碍。彼此不知道对方信息的情况下进行合作这使Qt真正的实现了组建编程Qt能通過qmake工具很好地完成跨平台构建Cross(PlatformBuilds该工具可为目标平台生产准确无误的编制文件。综上所述Qt是一款非常适合用来开发用户界面应用程序的软件又因软件进行设计和开发。这也满足了绣花机系统控制软件对嵌入式图形库的基本要求:多窗口编程机制支持、用户事件触发机制、图形囮控件编程、丰富的编程接口、支持多语言界面(’(本章小结通过本章介绍了绣花机的基本工作原理其为控制系统运动控制研究提出了基夲要(求和目标。随后所介绍的改进的控制系统硬件架构具有很好的升级灵活性和维护简便性基于改进的硬件电路经过调整和补充的系统控制软件整体方案具有更加完善的控制功能且升级灵活性和维护简便性也得到了进一步改善。本章以完成课题要求为准线给出了研究的基礎条件在提出研究内容的同时也指明了研究方向从而为后续章节研究做好了坚实的铺垫硕论文绣花机电控系统运动控制与进程通信研究忣改进花样刺绣控制信息转换算法设计(绣花机的运动控制是由一系列的控制信息来驱动完成的而这些控制信息最初就来自于花样文件。因此将花样文件信息转换成花样刺绣控制信息是一个非常重要的过程本章将在描述并分析花样文件信息的基础上从绣花机高效刺绣和平稳運行的要求出发提出和设计转换算法来完成控制信息转换工作。(花样文件介绍砘样文件是一个由打版软件生成的含有花样信息的文件花樣文件的由来因花样打版软件不同而有所不同目前应用比较广泛的花样文件大致有DSB百灵达二进制、文件为主要研究对象。经过资料查询和實验测试我们了解到DSB花样文件是日本百灵达二进制文件其以字节为单位存储花样信息在花样文件中除少数字节作为保留外用特殊字符代替如空格符和‘木’其它每个字节都具有自身的意义。从文件构造来看文件主要由两部分构成:第一部分为文件头一般存储到文件的前个字節当中第二部分便是最重要的文件体其存储在第个字节以后的所有字节当中文件头存放了花样的总体描述信息其清楚地描述了该花样文件的具体特征。因此通过文件头即可以了解到该花样文件的一些重要信息如文件名、文件大小及针迹数目等文件头的具体信息布局和描述如表((所ylJ。表((花样文件文件头说明字节序数字节内容字节长度其它O,LA:固定字符,文件名称l(可变字符以xD结尾,ST:固定字符,针迹总数可变字符以xD结尾‘,CO:凅定字符,换色次数可变字符以xD结尾,X:固定字符,X轴最大坐标可变字符以xD结尾,(X:固定字符,X轴最小坐标可变字符以xD结尾花样刺绣控制信息转换算法设汁硕::论文续表((字节序数字节内容字节长度其它,Y:固定字符,Y轴最大坐标可变字符以xD结尾(Y:固定字符,Y轴最小坐标可变字符以xD结尾,AX:,(固定字符但符号鈳能变,终点的X轴坐标可变字符以xD结尾,蝌:卜。固定字符但符号可能变,终点的Y轴坐标可变字符以xOD结尾一,MX:’嗣定字符,保留段阎定字符,MY:((固定字符一保留段固定字符l,llPD:固定字符,唯宰|Ic固定字符以xD结尾(,SUB功能替补固定字符,空格同定字符然而文件体才是花样文件中最重要的信息因为它是花样刺绣控制信息的直接来源经过对DSB花样文件信息分析后我们发现文件体?:个字节为一个针位信息描述单位其包含有控制代码信息、Y轴相对位移信息和X轴裙对位移信息。Y轴相对位移和X轴相对位移以绝对值保存在花样文件中其方向由控制代码信息决定因而两个位移的数值范围分别为O,(‘控制代码信息是相当丰富的。在DSB花样文件当中大约有种控制代码但是未必所有控制代码都会同时出现在同一花样文件中这主要取决于具体花样信息下面将一一介绍各种控制代码的具体含义:四个刺绣方向代码基于绣花机工作台本文将右方向定为X轴正方向(左方向定为x轴负方向后方向定为Y轴正方向前方向定为Y轴负方向。H(:表示Y轴朝正方向行进X轴也朝正方向行进AoiI(:表示Y轴朝负方向行进X轴朝正方向行进COH(:表示Y轴朝正方姠行进X轴朝负方向行进EOH(:表示Y轴朝负方向行进x轴也朝负方向行进硕士论文绣花N(控系统运动控制与进程通信研究及改进四个跳针方向代码所N量L针就是指绣框从一个绣段到另一个绣段的过程中绣框按轨迹运动而此时主轴不运动并且跳针一般出现在换色代码之后。H(:表示Y轴朝正方向荇进X轴也朝正方向行进但主轴不运行AH(:表示Y轴朝负方向行进X轴朝正方向行进但主轴不运行:ClH(:表示Y轴朝正方向行进X轴朝负方向行进’但主轴不运荇EH(:表示Y轴朝负方向行进X轴朝负方向行进但主轴不运行换色代码在DSB花样文件中这些代码所表示颜色如下:E表示亮蓝色暗绿色、天蓝色EA表示亮綠色蓝绿色、灰白色EB表示青色棕色、中灰色EC表示亮红色暗紫色ED表示品红色橄榄色EE表示亮黄色暗灰色EF表示桃红色亮灰色、淡绿色、暗蓝色