電子提花機(jī)花型傳輸及存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江慧娜，王一鈞，王淑鴻，孫慧瑜

（北京石油化工學(xué)院 信息技術(shù)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中心，北京 102617）

提花機(jī)是實(shí)現(xiàn)織物經(jīng)紗提升控制的裝置，通過控制經(jīng)紗提升與否從而形成織物圖案。傳統(tǒng)的機(jī)械式提花機(jī)需要將設(shè)計(jì)好的圖案變成控制織機(jī)的紋版，而紋版通常采用由沖壓機(jī)在硬紙板上打孔來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式獲得，該環(huán)節(jié)非常耗時(shí)且會(huì)造成紋版的大量消耗。電子提花機(jī)則取消了紋版的制作過程，可根據(jù)由紋織CAD軟件設(shè)計(jì)出的代表織物花型的數(shù)字化處理文件控制相關(guān)經(jīng)紗的動(dòng)作，配合提針結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速無紋版提花功能。相對(duì)于機(jī)械式提花裝置而言，電子提花裝置可顯著提高生產(chǎn)效率[1-2]。在電子提花機(jī)中，需要將上位機(jī)設(shè)計(jì)的花型數(shù)據(jù)文件寫入到控制器中，花型數(shù)據(jù)的正確寫入和有效存儲(chǔ)決定了提針機(jī)構(gòu)能否完成預(yù)定花型編織功能。本設(shè)計(jì)選用STC公司生產(chǎn)的8位低功耗高性能CMOS微控制器STC89C52RC作為主控芯片[3]，采用串行通訊和FLASH存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)主控制器與上位機(jī)間的花型數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)，能夠滿足提花機(jī)生產(chǎn)過程中花型數(shù)據(jù)的可靠傳輸及存儲(chǔ)要求。

1 總體設(shè)計(jì)

電子提花控制系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1。圖中虛線框內(nèi)即為花型數(shù)據(jù)傳輸及儲(chǔ)存模塊，MCU1處理器采用串行通訊方式將上位機(jī)設(shè)計(jì)好的花型文件寫入FLASH存儲(chǔ)模塊，生產(chǎn)過程中MCU2處理器讀取FLASH存儲(chǔ)模塊中花型數(shù)據(jù)，再根據(jù)該數(shù)據(jù)文件控制選針器驅(qū)動(dòng)模塊，有選擇地驅(qū)動(dòng)電磁閥線圈，電磁閥吸，則經(jīng)紗提升；電磁閥不吸，則經(jīng)紗不提升?？棛C(jī)據(jù)此即可根據(jù)花型數(shù)據(jù)文件所提供的信息織出所需的提花花型，完成整個(gè)提花織造過程。本設(shè)計(jì)將針對(duì)圖1所示虛線框內(nèi)花型數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)部分的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

圖1 提花機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the control system in jacquard machine

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

花型數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)模塊、RS232串口通訊電平轉(zhuǎn)換模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊及其他輔助部分電路組成。

2.1 電平轉(zhuǎn)換及單片機(jī)部分電路

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用8位低功耗高性能CMOS微控制器STC89C52RC，在實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的串行通訊時(shí)，由于單片機(jī)給出的信號(hào)TXD/RXD為TTL電平，而上位機(jī)端串行通訊口為RS232電平，故需采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)兩者間的電平轉(zhuǎn)換[4]。由于RS232電平較高，接通時(shí)產(chǎn)生的高瞬時(shí)電涌可能會(huì)導(dǎo)致芯片損毀，所以在使用中應(yīng)盡量避免熱插拔。

2.2 Flash存儲(chǔ)模塊電路

圖2 RS232電平轉(zhuǎn)換及單片機(jī)部分電路Fig.2 RS232 level conversion unit and microcontroller unit circuit

Flash存儲(chǔ)器具有低功耗、容量大且速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備很強(qiáng)的電磁抗干擾能力與抗震能力[5]，因而在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域里作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中花型數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)也采用非易失性 Flash存儲(chǔ)器來完成，由于其斷電后信息不會(huì)丟失，使得系統(tǒng)再次開機(jī)后可不需要經(jīng)過上位機(jī)而直接從存儲(chǔ)模塊調(diào)出加工以方便生產(chǎn)。所選存儲(chǔ)空間的大小由花型文件的經(jīng)紗和緯紗數(shù)決定，根據(jù)提花機(jī)的實(shí)際工作需要，要求存儲(chǔ)系統(tǒng)能滿足約2MB的花型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的生產(chǎn)要求，預(yù)留一定的擴(kuò)展升級(jí)空間，擬定存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間為4MB。綜合考慮存儲(chǔ)器讀取速度，穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，選擇SST公司推出的基于SuperFlash技術(shù)的NOR Flash系列存儲(chǔ)器SST39SF040作為存儲(chǔ)芯片，該存儲(chǔ)器屬于并行閃速存儲(chǔ)器系列，適用于需要程序在線寫入或大容量、非易失性數(shù)據(jù)重復(fù)存儲(chǔ)的場(chǎng)合。由于該存儲(chǔ)器單片容量為512KB，故本設(shè)計(jì)中采用8片SST39SF040以滿足4MB的存儲(chǔ)空間需求。

由SST39SF040存儲(chǔ)器構(gòu)成的存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示（圖中僅給出兩片SST39SF040的接口電路），當(dāng)需要進(jìn)行花型存儲(chǔ)時(shí)，單片機(jī)將控制信號(hào)P1.6置高，使能譯碼器74HC138輸出，控制信號(hào)P1.3～P1.5的譯碼輸出結(jié)果Y0～Y7控制八片SST39SF040的片選端CE，選擇指定Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作。STC89C52RC單片機(jī)的數(shù)據(jù)端口P0、讀寫控制端口WR/RD可直接與SST39SF040的相對(duì)應(yīng)端口直接相連。至于地址端口，由于該Flash存儲(chǔ)芯片容量為512KB，對(duì)應(yīng)地址線為19位，超過了單片機(jī)的可尋址范圍，設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用P1.2～P1.0作為頁面地址選擇位與存儲(chǔ)器的高3位地址端口A18～A17連接，同時(shí)由于該型單片機(jī)數(shù)據(jù)端口和地址端口低8位為復(fù)用端口，故在發(fā)送數(shù)據(jù)之前須用74HC573芯片將低8位地址鎖存。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包含單片機(jī)Flash存儲(chǔ)讀寫程序?qū)崿F(xiàn)、串口通訊實(shí)現(xiàn)以及上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)。本文主要介紹Flash存儲(chǔ)讀寫及上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.1 單片機(jī)讀寫Flash軟件實(shí)現(xiàn)

3.1.1 SST39SF040存儲(chǔ)器指令序列

SST39SF040的軟件指令包含普通讀指令和命令指令兩大類。普通讀指令與RAM的讀操作類似，當(dāng)OE和CE信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)，即可從芯片讀取數(shù)據(jù)；芯片命令指令包括芯片ID識(shí)別、字節(jié)編程、扇區(qū)擦除以及整片擦除等。所有這些操作均可由如表1所列的軟件指令序列來實(shí)現(xiàn)，其中BA為待編程字節(jié)的地址，Data為字節(jié)編程數(shù)據(jù)，SAX為待擦除扇區(qū)的地址。所有指令中地址位只有低15位有效，高4位可任意設(shè)置[6]。

圖3 存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Driver circuit of storage unit

SST39SF040的軟件操作命令序列實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)總線寫操作組成的。以SST39SF040的扇區(qū)擦除為例，其操作過程包括3個(gè)步驟：首先開啟擦除方式，用表1中給出的第1至第5周期的總線寫操作來實(shí)現(xiàn)；然后裝載扇區(qū)擦除命令(30H)和待擦除扇區(qū)的地址，用其對(duì)應(yīng)的第6周期的總線寫操作來實(shí)現(xiàn)；最后進(jìn)行內(nèi)部擦除，擦除時(shí)間最長為25 ms。

表1 SST39SF040存儲(chǔ)芯片軟件指令序列Tab.1 Software instruction sequence of storage chip SST39SF040

3.1.2 SST39SF040存儲(chǔ)部分軟件設(shè)計(jì)

SST39SF040存儲(chǔ)部分軟件設(shè)計(jì)主要工作為編寫單片機(jī)對(duì)該Flash存儲(chǔ)的操作功能實(shí)現(xiàn)代碼，包括ID讀取、扇區(qū)或整片擦除以及字節(jié)編程等。下面給出用C語言實(shí)現(xiàn)的ID讀取程序代碼，其他操作功能代碼可參照表1中軟件指令序列編寫。

//讀FLASH ID的函數(shù)，

//入口參數(shù)：FLASH的manuf_ID及device_ID，出口參數(shù)返回1或0

uchar Read_Id(uchar manuf_ID,uchar devi_ID)

{

Sst39vf040_Ce=1;

XBYTE[0x5555]=0xAA;

XBYTE[0x2AAA]=0x55;

XBYTE[0x5555]=0x90;

manufacturer_id=XBYTE[0x9000];

device_id=XBYTE[0x9001];

if((manufacturer_id==manuf_ID)&&(device_id==devi_ID))

return 1;

else

return 0;

XBYTE[0x5555]=0xAA;

XBYTE[0x2AAA]=0x55;

XBYTE[0x5555]=0xF0;

Delay10us();

Sst39vf040_Ce=0;

}

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的主要功能為將紋織CAD軟件生成的花型文件通過串口通訊的方式將文件傳輸至單片機(jī)，與此同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，要求?duì)寫入到Flash存儲(chǔ)器中花型數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。上位機(jī)程序采用C#語言編寫，該程序中可使用 MSComm（Microsoft Communication Control）控件與單片機(jī)通信[7]，設(shè)計(jì)出的上位機(jī)軟件界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件界面Fig.4 Interface chart of the control system

為了提高生產(chǎn)效率，必須在保證花型數(shù)據(jù)的正確傳輸和可靠存儲(chǔ)的同時(shí)盡可能縮短數(shù)據(jù)傳輸及校驗(yàn)環(huán)節(jié)總體時(shí)間。為避免因個(gè)別字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致校驗(yàn)失敗而須重新寫入所有數(shù)據(jù)的情況，程序設(shè)計(jì)中采用分批傳送和傳送過程中增加CRC校驗(yàn)字節(jié)的方式來保證數(shù)據(jù)有效性。具體實(shí)現(xiàn)方式為：當(dāng)啟動(dòng)寫入程序時(shí)，首先將讀取到的花型文件按照99個(gè)字節(jié)一組進(jìn)行拆分后存入指定的花型數(shù)組中，同時(shí)對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC16校驗(yàn)，校驗(yàn)生成的字節(jié)也存入指定校驗(yàn)數(shù)組；文件分析及校驗(yàn)完成后，將由99個(gè)花型數(shù)據(jù)和1個(gè)校驗(yàn)字節(jié)數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收到連續(xù)100個(gè)串口通訊數(shù)據(jù)后，對(duì)前99個(gè)花型數(shù)據(jù)也啟動(dòng)CRC16校驗(yàn)，將校驗(yàn)結(jié)果與傳遞過來的校驗(yàn)字節(jié)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果一致則將該組花型數(shù)據(jù)寫入Flash存儲(chǔ)并給PC返回參數(shù)正確傳輸標(biāo)志，要求進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)傳輸；反之則給PC返回?cái)?shù)據(jù)傳輸失敗標(biāo)志，要求重新傳送該組數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于低功耗高性能CMOS微控制器STC89C52RC和并行閃存SST39SF040的電子提花機(jī)花型傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用串口通訊方式實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，并通過數(shù)據(jù)分段傳輸和增加CRC校驗(yàn)的方式保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和正確存儲(chǔ)。該花型數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)配合主控制器在某型電子提花機(jī)上的使用結(jié)果表明，該存儲(chǔ)系統(tǒng)工作可靠，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

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