2022年选针器控制系统 .pdf

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1、选针器控制系统目录第一章选针器 . 2 1.1 选针方式 . 2 1.2 选针器分类 . 2 1.2.1 压电陶瓷式 . 2 1.2.2 电磁铁式 . 3 1.3 选针器级数 . 4 1.4 针织方面比较著名的公司. 4 第二章选针器控制系统设计. 4 2.1 总控制系统 . 4 2.1.1 8 位单片机 . 4 2.1.2 PCI04 工业控制机 . 4 2.1.3 嵌入式系统 . 5 2.1.4 嵌入式操作系统 . 7 2.2 CPLD . 8 2.2.1 可编程逻辑器件 . 8 2.2.2 芯片选择 . 8 2.3 压电陶瓷式选针器的控制. 13 2.3.1 压电陶瓷的电气特性 . 14

2、 2.3.2 压电陶瓷片驱动电路 . 15 2.4 电磁式选针器的控制. 16 2.4.1 工作原理 . 16 2.4.2 控制方式 . 16 2.5 选针器的解码和数据传输. 17 2.6 光耦 . 18 2.7 CPLD 开发流程 . 21 2.7.1 硬件描述语言（HDL ）. 21 2.7.2 CPLD 开发流程 . 22 2.8 开发工具 . 22 2.8.1 CPLD 软件开发环境 . 22 2.8.2 MAX II 开发套件（可选）. 24 第三章下一阶段工作 . 25 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

3、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 25 页 - - - - - - - - - 第一章 选针器1.1 选针方式两功位选针：成圈( 编织 ) 和浮线 ( 不编织 ) 。三功位选针，是指织针可以完成成圈、集圈、浮线三种动作。目前国外高档单面电子提花选针器都是采用的三功位选针的方式。1.2 选针器分类选针器主要有两类，电磁铁式和压电陶瓷式。1.2.1 压电陶瓷式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 25 页 - - - - - - - -

4、- 工作频率较高， 发热量与耗电少和体积小。选针器内部由一个可编程逻辑芯片( 解码芯片 ) 、8位拨码开关、光耦与压电陶瓷片构成。但受力不能太大，适合用在圆机。1.2.2 电磁铁式电磁铁式选针器，其内在质量不稳定，产品制造精度差，控制系统采用电磁铁选针技术，所适应的提花圆机转速低、生产效率低、 控制元件易烧毁损坏。电磁铁从接受激励到动作响应需要一定的时间，从而影响了选针频率。但适合用在横机上。选针器中的电磁铁驱动方式主要采用斩波限流的电流控制法。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

5、 - 第 3 页，共 25 页 - - - - - - - - - 1.3 选针器级数由于选针电器元件( 如压电陶瓷或电磁铁) 的工作频率有限，当机器机号增加或者转速增加时， 单位时间要选的针也增加，采用多级式的好处在于它可以降低单个选针电器元件的工作频率， 或者说在有限的工作频率下，可以让机器工作于更高的转速来增加生产效率。一般用8级或 16级。1.4 针织方面比较著名的公司德国迈耶西（Mayer&Cie ）公司隶属于意大利罗纳地集团的胜歌公司日本 WAC 公司日本福原公司德国德乐日本岛精机制作所德国 Stoll 第二章 选针器控制系统设计2.1 总控制系统常用的控制系统有三类：早期的单片机

6、控制系统、PC 104 工控机控制系统和目前的嵌入式控制系统2.1.1 8 位单片机8位单片机为主控制器， 外扩存储器、接口以及人机交互模块。这是国内较早采用的电脑织袜机控制器设计方案，能够实现织袜机的基本功能，设计相对简单、成本较低。 受单片机功能的限制， 功能不够丰富， 因为没有操作系统，扩展性不强， 也不易于升级， 开放性差。2.1.2 PCI04 工业控制机作为硬件平台，嵌入式Windows CE 操作系统为软件平台，这种控制器的特点是功能强大，可靠性好，并可以提供联网功能，但成本偏高。目前很多电脑横机和大原机都采用这个方案。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

7、 - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2.1.3 嵌入式系统已得到广泛应用，目前各种纺织机械和缝纫绣花设备广泛采用此种控制方案。经比较， 我们的袜机比较适合用嵌入式系统来开发，DEIMO 的袜机就是采用32 位微控制器做为主控制系统，如下所示为DEIMO 所用的飞思卡尔公司的MC68332 微控制器：DEIMO 的 2900 无缝内衣机采用AMCC 公司的 PowerPC 405EP, 32 位微控制器。系统的控制结构如下图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

8、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 25 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 25 页 - - - - - - - - - 但具体选择哪个嵌入式芯片来进行开发，还需做进一步分析目前可供选择的方案是：1.采用 DEIMO 袜机的 MC68332 来进行开发，或用比这个芯片性能更强（由于工艺进步，可能价格更便宜）飞思卡尔公司的芯片来开发

9、2.采用 ARM 来开发，基于ARM 核的开发不仅功能强大，而且成本低。虽然开发周期较长，但开发成功后，可移植性很好，不失为一种很好的方案。但具体选哪个型号，哪个公司的ARM 解决方案还要进一步分析注：Atmel 的 ARM解决方案适合工业级，飞思卡尔的芯片可靠性更好一点（DEIMO 2700 袜机中所用 CPU就是飞思卡尔公司的芯片，而且飞思卡尔的芯片应该比Atmel更容易买到）。而且ARM在工控行业用的很少！2.1.4 嵌入式操作系统商业用嵌入式操作系统，如VxWorks ， Windows CE 等：因为是商业化运作，所以此类操作系统是非开源系统，操作系统的内核代码是非公开；非商业运作操

10、作系统，如Linux 、COS等，此类操作系统与时者的最大的区别就是内核代码是开源。Linux 本身不是一个实时的操作系统，基于标准Linux 的嵌入式操作系统RT-Linux 是实时系统。DEIMO 的2900无缝内衣控制系统就是采用嵌入式linux ， 所以用嵌入式 linux 来开发系统应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 25 页 - - - - - - - - - 该是比较合适的方案。2.2 CPLD 2.2.1 可编程逻辑器件随着微电子设计技术与工

11、艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、 中小规模集成电路、超大规模集成电路 （VLSIC ） 逐步发展到今天的专用集成电路（ASIC, Application-specific Integrated Circuit ） 。但 ASIC 设计周期长，改版投资大，灵活性差。可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。从可编程只读存储器（PROM） 、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器(EEPROM), 发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑（PAL, Programmable Array Logic）和通用阵列逻辑（ GAL, Generic Arr

12、ay Logic） ，今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件（CPLD, Complex Programmable Logic Device）和现场可编程逻辑器件（FPGA, Field Programmable Gate Array ）Altera 和 Xilinx 占据了 60%的可编程逻辑器件市场份额，两家公司的全球总部都设在美国的圣何塞。 欧洲使用 Xilinx 的人多一些，在亚太地区使用Altera 的人多一些CPLD 和 FPGA的几点区别：1.CPLD 是基于ROM 结构的，下电后代码不丢失；而FPGA 是基于RAM 结构的，下电后代码丢失，

13、所以FPGA 一般必须有一个配置ROM 在每次上电时加载代码到RAM 里2.CPLD 的硬件设计比较简单，FPGA 的硬件设计相对复杂3.二者在制造工艺上的差别也导致了它们内部结构的不同，CPLD 的逻辑资源不可能做到太大，而FPGA 却能够做到数万乃至数百万逻辑门4.CPLD 更适合于一些简单的应用，而FPGA 可以做更多更复杂的工作2.2.2 芯片选择通过查阅大量资料，目前对于选针器的控制，基本全是采用CPLD 芯片。 CPLD 是可编程逻辑器件，可以重复编程，开发容易。CPLD 含有丰富的IO 口，多电压输出控制，方便适应各种电气协议。我们可以选择Altera 公司的 CPLD 芯片名师

14、资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 25 页 - - - - - - - - - MAX II CPLD 系列基于突破创新的体系结构，在任何CPLD 系统中，其单位I/O 引脚功耗和成本都是最低的。MAX II CPLD 是瞬时接通、非易失器件，面向低密度通用逻辑和便携式应用DEIMO公司袜机选针器板2724 中所用的CPLD ：ALTERA EPM1270T144C5N 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

15、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 25 页 - - - - - - - - - 以8位的单片机来实现控制要求，但随着横机的发展，这种方式己明显体现出开发成本高、周期长、开放性差等不足。 有以通用 PC 机和 Windows 操作系统为平台开发的控制系统，但无法很好地满足实时性和稳定性等力面的要求。也有采用在DOS 操作系统为平台开发的电脑横机控制系统，但DOS 操作系统是一个单任务的 16位操作系统，存在许多缺陷，因为DOS 操作系统实际上并没有体现出32位CPU 的优势；此外，还有制作界面功能、网络功能和保护机制等方面的不足名师资料总结 - -

16、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 25 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 25 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 25 页

17、 - - - - - - - - - 2.3 压电陶瓷式选针器的控制传统的电磁铁驱动有发热量高、元器件易损坏等缺点，所以目前很多袜机采用压电陶瓷片来完成。利用压电陶瓷形变产生的挠度位移和弯矩来控制选针。由于压电陶瓷片本身对冲击电流的抗干扰性很强，并且发热小。不存在电流瞬变时的过渡过程而发生的有害振动，更不存在受电磁场干扰等现象，特别是在高速运转织机中动作稳定，差错率低，因而有利于进一步提高电子提花织机的速。从机械和物理的角度来看，压电陶瓷片的效果十分稳定，而且几乎不会随使用时间的增长而使效果减弱。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

18、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2.3.1 压电陶瓷的电气特性压电陶瓷是具有压电效应的多晶体，通过对压电陶瓷施加足够强的电压，使其极化方向与电场方向一致，当去掉外电场后，陶瓷内仍然存在剩余极化强度。如果外界的作用(如压力或电场的作用) 能使其极化强度发生变化，压电陶瓷就会产生压电效应。压电陶瓷不是在任何方向上都产生压电效应，只有在极化方向垂直的电极上才会产生电荷。压电陶瓷片由电能转化为机械能的现象，称为逆压电效应。我们采用的就是逆压电效应。为了达到主控制芯片的输出信号控制压电陶瓷双晶片的目的，同时为了满足

19、在压电陶瓷片双晶片上加上高电压的要求，需要采用光耦进行隔离升压。具体见2.6 节。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2.3.2 压电陶瓷片驱动电路压电陶瓷片的驱动电路主要就是实现光耦的控制。通过CPLD 发出的信号来导通光耦，从而输出高电压去驱动压电陶瓷片的工作。上图中的OUT2_HI_1 和 OUT2_LO_1 就是从CPLD 来的信号，一旦光耦导通，就会在OUTPUT2_1 处输出所需的电压，来驱动压电陶瓷

20、片的动作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2.4 电磁式选针器的控制2.4.1 工作原理如上图所示， 电磁式选针器是通过给线圈通不同方向的电流来改变磁场方向，从而改变动作方向。2.4.2 控制方式电磁式选针器的驱动方式有两种：一种是脉冲宽度调制法控制开关电压；一种是用斩波限流的电流控制法。从选针可靠的角度出发，应采用第二种方法，以便控制方式较稳定，免受温度的影响。这是因为电磁铁在电磁感应中，除了磁能增加，做机

21、械功外，还有一部分能量用于产生热量，该热量会使电磁铁温度升高，而温度又影响电阻大小，从而影响电流大小，最终影响电磁力，即影响选针的可靠性。其中： t1，t2为通入的大、 小电流的时间， I为选针头响应时间，II为选针片摆动时间（包名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 25 页 - - - - - - - - - 括回跳和抖动时间）， III 为选针头的可靠作用时间，作用于选针片应在此时间内! 由此可见，当脉冲信号发出后，选针头要滞后若干时间才开始摆动，摆动到位

22、后还会产生短时间的回跳与抖动，稳定下来，后才能开始与选针片作用.斩波就是直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流- 直流变换器DC/DC Converter ）从操刀片中找到需要推出或收回的操刀片，电路和程序设计的难度都不是很大，但是对线圈通电时间的控制难度较大，所以采用CPLD复杂可编程控制器，通过 CPLD来控制线圈的通电时间。先持续供给3ms 15V 的高压冲击，然后再换7.5V 电压。高压冲击可以提高选针器的动作实时性，低压保持可以有效的保护选针器，提高系统的可靠性和稳定性。由于需要在短时间使线圈达到较大的稳定磁力所以需要一个比较大的驱动电压。操刀片还必须能够达到推出和收回

23、两种控制状态因此需要正负两种电压。由于驱动电压与系统控制电压（一般为5V）不相容。故需要加光耦隔离。CPLD 在接收到控制数据后对选针操刀片的电磁线圈通以正向电压，推出操刀片；对退出操刀片的电磁线圈通以负向电压，收回操刀片；对需要保持状态操刀片的电磁线圈不通电使其在磁化铁芯的作用下工作状态保持不变。2.5 选针器的解码和数据传输每个选针器上都有拨码开关，用来设定每个选针器的位置。控制电路必须要知道每个选针器的地址，才能发送正确的控制信号。地址信号和数据信号复用（共用8位信号）。CPLD向上为嵌入式芯片提供标准接口，包括地址、数据总线，以及总线控制、设备状态信号；向下提供相应的设备选通信号；并完

24、成总线操作地址译码与目标设备的选通、总线与目标设备的数据传输。拨码开关设置如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 25 页 - - - - - - - - - 拨码开关 ON 对应的逻辑状态为0，反之为 1。14H=0001 0100 26H=0010 0110 由于采用了数据和地址信号的复用，所以必须用CLK 时钟的上升和下降来区别。在CLK的上升沿， 发送地址信号， 这个地址信号和选针器的拨码开关地址相比较，如果和选针器的拨码开关地址一致，则在 CLK

25、 的下降沿， 把数据信号锁存到相应的端口。如果在 CLK 上升沿时发送的地址数据和选针器的拨码开关地址不一致，选针器控制端上的数据保持上一次的动作不变。难点：目前还不知道详细的实现细节！比如时序控制，通信的实现。2.6 光耦为了达到主控制芯片的输出信号控制压电陶瓷双晶片的目的，同时为了满足在压电陶瓷双晶片上加上高电压的要求，需要采用光耦，把电压进行放大。下图为DEIMO 公司袜机中的 2724 板上的光耦电路：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 25 页 -

26、 - - - - - - - - Vmag=24v OUT2_HI_1 和 OUT2_LO_1 为来自 CPLD 的两路控制信号，TLP181 为 TOSHIBA 公司的光耦芯片， MJD122 和 MJD127 为补充型达林顿管。下图为TLP181 的功能图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 25 页 - - - - - - - - - 1,3 之间加上1.15V 的电压，光耦就能工作，1,3 之间的电流为10mA 。4,6 之间最大能承受80V 的电压

27、。下图为 MJD122 和 MJD127 功能图：通过达林顿管，电流能被极大的放大（?1*?2，?1 和 ?2 分别为单个三极管的放大倍数）下图为上面OUTPUT2_1 的输出：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 25 页 - - - - - - - - - OUTPUT1-16 #1 连接到第一个选针器上。注：DEIMO 的 2724 板实际上连接的是电磁式选针器，可能 DEIMO 采用相同的技术来控制两种选针器？2.7 CPLD 开发流程2.7.1 硬件

28、描述语言（HDL ）Verilog 和 VHDL 是两种重要的硬件描述语言，Verilog 相对 VHDL 有着快速上手、易于使用的特点，博得了很多工程师的青睐。下面是一段Verilog 程序示例：module mux4to1(w0,w1,w2,w3,S,f); input w0,w1,w2,w3; input 1:0 S; output reg f; always (*) if(S=2b00)f=w0; else if(S=2b01)f=w1; else if(S=2b10)f=w2; else 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

29、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 25 页 - - - - - - - - - f=w3; endmodule 上面的这段程序实现的功能为如下所示的4 选 1 多路选择器：2.7.2 CPLD 开发流程a.需求分析到模块划分选用哪个系列的器件，需要多大的逻辑资源，使用多少个I/O，信号电平和系统功耗有什么要求， CPLD 需要多少个时钟（考虑带PLL/DLL器件），希望内部有多大的内嵌存储器或内嵌何种功能模块功能模块划分也是非常重要的步骤。b. 设计输入到综合化代码设计，并将设计代码转化为底层的与门、非门、RAM 、触发器等基本逻辑单元相互连接而成的

30、网表。代码设计完成后，最好使用开发工具进行语法检查。语法没有问题后，进行综合，综合之后进行功能仿真。c.实现到时序收敛在功能仿真过后一般进行一次全编译，然后使用开发软件提供的时序编译器进行时序约束。添加完时序约束后，设计者需要进行实现，然后查看时序报告。d.仿真测试到板级调试仿真和板级调试是CPLD 设计主要的验证手段。2.8 开发工具2.8.1 CPLD 软件开发环境A.Quartus II 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 25 页 - - - - -

31、 - - - - Quartus? II 设计软件充分发挥了FPGA、CPLD 和 HardCopy?ASIC 的效率和性能，提供多种设计特性，加速设计过程：设计输入脚本支持渐进式编译：初始设置SOPC Builder MegaWizard?插件管理器I/O 引脚分配分析Quartus II集成综合第三方设计输入和综合基本编译流程B. ModelSim-Altera建议仿真所有FPGA 设计时使用 ( Cyclone?、 Arria?和 Stratix?系列 FPGA 设计 ) 与 ModelSim?-Altera?入门版软件相比，仿真性能快出33。没有行数限制在设计流程中采用ModelSim

32、?-Altera?软件可以缩短验证时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2.8.2 MAX II 开发套件（可选）采用 CPLD 市场领先供应商提供的MAX?II 开发套件，您可以评估MAX II CPLD 的系列特性，或者开始对自己的设计进行原型开发。它包括参考设计(LCD 控制器、 PCI、USB 和插槽 )、演示设计、软件、电缆以及确保快速方便的使用MAX II CPLD的所有附件。MAX II 开发套

33、件包括：RoHS兼容 MAX II 开发板， PCI 边沿外形封装oMAX II CPLD，EPM1270F256C5N oSRAM ( 128K x 8 位) o4 通道模数转换器( 8 位分辨率 ) o支持物理层 ( PHY) 的 USB 介质访问控制( MAC) o16x2 字符 LCD 模块o支持串行外设接口( SPI) 的温度计o板上功率计o主动 I/O 检测电路o4 个用户定义的按键式开关o4 个用户定义的LED连接器oPCI 边沿外形封装(3.3-V和 5.0-V容限 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

34、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 25 页 - - - - - - - - - oJTAG 连接器oUSB 连接器 (B 类) o一个 3.3-V 容限扩展 / 原型插座 (41 个用户 I/O) 电缆和附件oUSB BlasterTM下载编程电缆oA-B 类 USB 电缆 (3 英尺 ) MAX II CPLD参考设计和演示( 部分清单 ) ：oUSB 参考设计 ( 带有软件驱动 ) oPCI 32 位目标参考设计( 带有软件驱动 ) oLCD 控制器参考设计o低功耗演示o实时在系统编程( ISP) 演示Quartus? II 网络版设计软件完整的文档o入门指南、参考手册、材料表、原理图和电路板装配文件第三章下一阶段工作基于上面的讨论可知，选针器控制的重点和难点就是CPLD 的开发，所以下一阶段的任务主要是熟悉CPLD 的开发流程和方法，然后搭一个简单的系统来控制单个选针器的动作。至于选针器动作的时序问题，牵涉到整个袜机或者内衣机的工艺问题，还需要进一步的分析和学习。但选针器作为重要的执行部件，对它的精确控制是非常重要的一块任务。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 25 页 - - - - - - - - -