采用高速串行總線的圓緯機選針驅(qū)動器設(shè)計

史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018)

采用高速串行總線的圓緯機選針驅(qū)動器設(shè)計

史偉民，郭波鋒，彭來湖，袁嫣紅

(浙江理工大學浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018)

目前針織機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)動器設(shè)計方法。在一條波特率為4 M的RS-485總線上，并聯(lián)多個基于RS-485總線的數(shù)字選針器。設(shè)計一主多從的多節(jié)點總線架構(gòu)和總線仲裁機制，實現(xiàn)主機和從機間的相互通信。測試結(jié)果表明，這種控制方法能解決目前長線傳輸效應(yīng)較易產(chǎn)生的信號間相互串擾，抗電磁干擾性能差，提花編織控制時容易出現(xiàn)錯花等不穩(wěn)定現(xiàn)象，滿足選針實時性要求，可提高數(shù)字選針器的穩(wěn)定性。

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

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機械式提花已不能滿足圓緯機的織造要求，電子提花技術(shù)［1－2］應(yīng)運而生，選針器是圓緯機電子提花技術(shù)中最重要的執(zhí)行器之一，用于控制織針的運動軌跡，使圓緯機實現(xiàn)成圈、集圈、浮線等動作。目前應(yīng)用在圓緯機上的選針控制系統(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，提花編織時經(jīng)常出現(xiàn)錯花等不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重影響圓緯機生產(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而導(dǎo)致編織亂花。并行總線存在速率越快越易相互串擾，傳輸長度越長越容易產(chǎn)生長線傳輸效應(yīng)和抗電磁干擾能力弱等問題。針對此問題，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)選針實時性要求，用高性能Cortex-M3［5］內(nèi)核的ARM芯片對該驅(qū)動器進行模塊化設(shè)計。

1 選針驅(qū)動器高速串行總線構(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耗能大，斷開時產(chǎn)生的反電動勢會對電路造成很大的傷害［6－7］，而壓電陶瓷選針器在電能轉(zhuǎn)換成機械能的過程中不會產(chǎn)生任何磁場，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上工作［8－9］，所以選用200 V的壓電陶瓷選針器作為研究對象。

1.2 RS-485總線節(jié)點要求

圓緯機根據(jù)機型大小不同配有數(shù)量不同的選針器，小圓機一般在20個左右，大提花圓機有72個，甚至108個，這就要求驅(qū)動器能支持100多個節(jié)點。

RS-485標準沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定最大總線負載為32個單位負載，可通過增大收發(fā)器輸入阻抗來擴展總線節(jié)點數(shù)量［10］。收發(fā)器輸入阻抗可設(shè)計成≥24 kΩ、≥48 kΩ、≥96 kΩ，相應(yīng)的節(jié)點數(shù)可增加到64、128、256 個，考慮到圓緯機選針控制系統(tǒng)的通用性及可擴展性，本文采用節(jié)點數(shù)為256個的方式進行設(shè)計。

1.3 RS-485總線速度要求

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

式中:V為針筒的線速度;W為圓機轉(zhuǎn)速;r為圓機半徑。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)的多少與選針器個數(shù)有關(guān)，假設(shè)總線速度為A Mbps，選針器個數(shù)為n，那么RS-485發(fā)送的數(shù)據(jù)量為(n+6)個字節(jié)，6個字節(jié)中包括2個起始字節(jié)和4個CRC校驗字節(jié)，因此發(fā)送時間為

式中:A為485波特率;n為選針器個數(shù)。

只要T1＜＜T，就可以滿足控制要求，取n=48，經(jīng)計算得 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72 M，串口的波特率最高可達4.5 Mbps?？紤]到實時層還要協(xié)調(diào)眾多執(zhí)行器以及系統(tǒng)的可擴展性，因此RS-485采用4 M波特率。

發(fā)送多少字節(jié)與選針器的個數(shù)有關(guān)，本文的圓緯機有48個選針器，因此發(fā)送54個字節(jié)，包括2個起始字節(jié)和4個CRC校驗字節(jié)。每個字節(jié)都有開始位和結(jié)束位，則4個數(shù)據(jù)包總共有540位，采用4 M波特率傳輸，得出發(fā)送54個字節(jié)的時間為135 μs，小于時間T，因此，該芯片可以滿足數(shù)據(jù)傳輸、處理實時性等要求。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)的維護提供了方便。基于RS-485總線選針驅(qū)動器構(gòu)架如圖1所示。

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

2 選針驅(qū)動器硬件電路設(shè)計

2.1 選針器驅(qū)動電路設(shè)計

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

由于需要切換200 V和200 V GND這2個電壓，本文采用雙光耦并聯(lián)的方式來驅(qū)動壓電陶瓷片，電路圖如圖2所示。P1接壓電陶瓷片，當S_In_A為高電平，S_In_B為低電平時，O1、O4光耦導(dǎo)通，O2、O3光耦不導(dǎo)通，A點輸出200 V，B點輸出0，壓電陶瓷片打上;當S_In_A為低電平，S_In_B為高電平時，O2、O3光耦導(dǎo)通，O1、O4光耦不導(dǎo)通，A 點輸出0，B點輸出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。當需要對壓電陶瓷片進行居中檢測的時候，只要對S_In_A，S_In_B同時置于低電平就可以進行檢測。

該驅(qū)動電路兼顧選針器工作和壓電陶瓷片檢測2種功能，因此當選針器安裝在圓緯機上時，也可以對壓電陶瓷片進行檢測，觀察壓電陶瓷片是否已達到工作壽命，極大地方便了選針器的維護和更換。

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

2.2 RS-485總線接口電路設(shè)計

RS-485總線用于選針驅(qū)動器與圓緯機實時控制單元之間的通信。由于選針器不僅要接收實時控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，還要向?qū)崟r控制單元反饋當前選針器的報警信息，因此，接口電路采用RS-485全雙工四線制模式［11］，信號有(RXD_N、RXD_P、TXD_N、TXD_P)。為了實現(xiàn)256個節(jié)點全雙工通信，實時控制單元采用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個節(jié)點，為后續(xù)選針器的擴展預(yù)留了大量的節(jié)點。選針驅(qū)動器通信電路采用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。

考慮到信號的衰減和穩(wěn)定性，總線上信號的高電平應(yīng)該在5 V，但控制單元中芯片的高電平為3.3 V，所以用光耦實現(xiàn)數(shù)字電平轉(zhuǎn)化并增強抗干擾性。選用TLP113光耦，其最大延時為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)點總線仲裁電路設(shè)計

當選針器出現(xiàn)錯誤動作或者接收數(shù)據(jù)出錯時，需要向?qū)崟r控制單元反饋信息，由于在RS-485總線上有多個節(jié)點，當多個節(jié)點同時向?qū)崟r層反饋數(shù)據(jù)時，會造成總線沖突，導(dǎo)致通信失敗，因此本文設(shè)計了一套總線仲裁機制。

取選針器上ARM芯片的一個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。默認上拉一顆電阻，以便確定IO口的默認狀態(tài)。規(guī)定當仲裁總線為高電平時，代表總線空閑，選針器可以發(fā)送錯誤信息;當仲裁總線為低電平時，代表總線繁忙，當前選針器不能發(fā)送錯誤信息。

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

3 RS-485多節(jié)點通信設(shè)計和實現(xiàn)

3.1 RS-485多節(jié)點通信協(xié)議制定

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

這54個字節(jié)，包括2個起始字節(jié)，48個選針器字節(jié)，4個CRC校驗字節(jié)。48個選針器字節(jié)1個字節(jié)對應(yīng)1個選針器的動作，其中1個字節(jié)的信息包括第幾把刀、刀的狀態(tài)以及刀動作類型。此數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)簡單且便于擴展。采用4個字節(jié)的CRC校驗機制，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)點總線仲裁機制實現(xiàn)方式

仲裁機制實現(xiàn)方式如圖5所示。采用二次讀的方式來檢測當前仲裁總線是否繁忙，進一步確?？偩€通信的正常進行。

3.3 選針器驅(qū)動程序開發(fā)

基于RS-485選針器驅(qū)動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?？紤]到54個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，若采用中斷接收方式，會導(dǎo)致頻繁跳進中斷，影響主程序工作，并且增加了數(shù)據(jù)接收時間，因此本文采用DMA方式接收數(shù)據(jù)，大大減輕了CPU的負擔，并可在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收和CRC校驗，更好地滿足選針器控制實時性要求。選針驅(qū)動程序流程圖如圖6所示。

圖5 仲裁機制示意圖Fig.5 Diagram of arbitration mechanism

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

4 測試

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

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)測儀和對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，滿足圓緯機選針實時要求。與原先選針器并行控制織造的布匹對比發(fā)現(xiàn)，漏針、瑕疵等現(xiàn)象得到了大大改善，進一步驗證了本文所提出的方法在一定程度上可提高圓緯機編織的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對并行總線的缺陷提出了基于RS-485串行總線的選針驅(qū)動器設(shè)計方法，以多節(jié)點形式連接多個選針器，同時為了避免總線沖突設(shè)計了一套總線仲裁機制，大大提高了RS-485通信的實時性、通暢性、穩(wěn)定性和可擴展性。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足圓緯機編織的實時性要求，運行穩(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。對于提升電腦圓緯機自動化控制技術(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

浙江省自然科學基金重點項目(Z1110750)

史偉民(1965—)，男，教授級高級工程師。主要研究方向為紡織機械機電控制技術(shù)。E-mail:swm@zstu.edu.cn。