基于嵌入式Linux的模板縫紉機控制系統(tǒng)設計

張團善 吳德文 張晨

摘 要

針對模板縫紉機上位機控制系控制面板單一、人機交互性能差、整體水平不高的問題，提出一種基于ARM Cortex-A7架構的i.MX6UltraLite低功耗處理器并搭載嵌入式Linux系統(tǒng)的模板縫紉機上位機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件采用嵌入式Ubuntu16.04系統(tǒng)并通過跨平臺軟件Qt5.6.3搭建人機交互界面系統(tǒng)。實現(xiàn)人機界面、花型打版、圖形編輯、文件管理、機器報警監(jiān)控、機器參數設置、系統(tǒng)升級等功能。并通過調試和試運行結果表明，所設計的模板縫紉機上位機系統(tǒng)縫紉運行可靠，縫紉線跡優(yōu)美。具有快速、高精度、操作方便等優(yōu)點。而且其擴展性強，便于后期系統(tǒng)升級功能拓展。

關鍵詞

模板縫紉機;Linux;Qt;人機交互

中圖分類號： ?TP316.81;TP309 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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，機械自動化技術也在進行升級換代，模板縫紉機是基于傳統(tǒng)的手工機械式縫紉機的工作原理上進一步改進升級的產物[1]。傳統(tǒng)的縫紉機雖然價格成本低廉、使用占地面積小，但是每臺設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]。而模板縫紉機是高速高精自動化縫紉設備，其工作效率比普通縫紉機高達數倍，且無須縫紉技巧[4]。既節(jié)約人工成本也無須擔心縫紉工人的技術熟練問題[3]。模板縫紉機的最終目的是取代縫紉車工實現(xiàn)“機器換人”的目標，從而高效快速地進行花樣圖形的縫制。國外比如德國的蔡斯克（ZSK）、百福（PFFAFF），日本的田島（TAJIMA）、三菱（Mitsubishi）、兄弟（brother）這些公司起步早，經過多年的技術升級換代都有相對較為成熟和完備的模板縫紉機控制系統(tǒng)[4]。國內的模板化縫制技術剛剛興起，自動化設備不太完善，一些企業(yè)也是引進技術，幾乎沒有自主知識產權，模板縫紉機控制系統(tǒng)的研究工作落后于世界先進水平[5]。模板縫紉機控制系統(tǒng)要求能夠穩(wěn)定、準確、可靠地進行運動控制，同時具有強大的人機交互系統(tǒng)和圖形處理能力、便于操作使用。本文針對模板縫紉機的機械結構和工作原理，提出了一種可行性的模板縫紉機上位機控制系統(tǒng)設計方案，選用ARM Cortex-A7架構i.MX6UltraLite芯片作為主處理器搭載嵌入式Linux系統(tǒng)并采用Qt圖形界面程序設計，完善模板縫紉機上位機控制系統(tǒng)。

1 總體設計

本次設計模板縫紉機控制系統(tǒng)采用分級控制方式，分別由組織級、協(xié)調級、執(zhí)行級構成。其中基于ARM Cortex-A7架構的i.MX6UI芯片為組織級上位機控制主芯片，以實現(xiàn)上位機的人機交互界面、花型文件打版、文件數據存儲、縫紉數據處理以及系統(tǒng)功能等。下位機采用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，通過SPI通信傳輸起協(xié)處理器作用，實現(xiàn)協(xié)調工作數據、下位機監(jiān)測以及CAN總線管理等功能。通過利用ARM數據處理能力和FPGA運算速度快的特點，實現(xiàn)模板縫紉機的快速縫紉工作。

當模板縫紉機正常工作時，上位機主控制器讀取花型文件和工作數據通過SPI傳輸到下位機控制芯片，下位機接收并解析花型文件數據?？p紉數據主要包括花型數據，主軸電機數據、X軸伺服電機數據、Y軸伺服電機數據、Z軸伺服電機數據等。當上位機發(fā)送縫紉指令時，機器進入縫紉狀態(tài)時下位機STM32控制器通過CAN總線將工作數據發(fā)送到協(xié)調級中對應的模塊。各伺服電機系統(tǒng)接收到數據后，根據相應數據信號協(xié)調各個模塊收到動作信號時，將數據發(fā)送到執(zhí)行級，執(zhí)行級執(zhí)行相應動作，最后完成織物的縫紉。同時在工作是協(xié)調級可通過CAN總線將自身狀態(tài)反饋到STM32控制器中，STM32控制器通過SPI傳送到上位機主控制器中，上位機主控制器接收并解析數據幀，完成對機器狀態(tài)監(jiān)控以及報警處理等功能。

2 上位機控制系統(tǒng)設計

在嵌入式控制系統(tǒng)中，人機交互界面可以更友好的使操作人員對本機系統(tǒng)進行參數控制修改、動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。嵌入式Linux系統(tǒng)是一種免費的開發(fā)源代碼類Unix的操作系統(tǒng)，廣泛應用于工業(yè)控制、交通管理、電子產品行業(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[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單，開發(fā)資料總多，便于縮短軟件開發(fā)周期和后期維護。嵌入式系統(tǒng)中圖形界面開發(fā)工具眾多，其中Qt應用最為廣泛。它是基于C++面向對象開發(fā)的圖形界面GUI程序框架，具有良好的封裝機制和豐富的API函數，能很好地支持Linux系統(tǒng)，具有良好的模塊化。Qt的開發(fā)界面簡潔而友好，它特有的信號與槽（signal/slots）機制有效的解決對象間的信息傳遞參數的正確性[7]。

2.1 主界面設計

在機器開機上電后，系統(tǒng)啟動進入初始化界面并顯示初始化開機進度條，如果初始化失敗則顯示初始化錯誤界面，并顯示相應錯誤報警代碼。同時對下位機狀態(tài)進行檢查，讀取工作日志、報警錯誤信息等。當前的工作狀態(tài)后，顯示當前花并向下位機傳輸花型數據。下位控制板接收并執(zhí)行工作，上位機實時監(jiān)聽接收下位機工作狀態(tài)及接收下位機的工作數據。初始化成功完成后直接進入主界面，主界面顯示當前縫紉花型、WIFI監(jiān)控、GPRS狀態(tài)、模板縫紉機狀態(tài)、底線長度、當前生產量、底線剩余長度和總循環(huán)次數等關鍵參數。

2.2 文件管理

嵌入式人機交互界面系統(tǒng)中，文件管理是重要的組成部分。文件管理主要是對機器與U盤、移動硬盤或企業(yè)網絡云盤之間的文件數據操作，進行花型數據的導入/導出、復制、刪除及對已有文件進行編輯等。Qt提供QDir類、QFileInfolist和QListWidget類能實現(xiàn)對文件管理[8]，Qt還提供了FileSystemWatcher類可以檢測文件、目錄接口的改變，而Linux系統(tǒng)會對U盤或者移動硬盤插拔進行檢測，當檢測到U盤插入時，會創(chuàng)建文件目錄并且掛載U盤。關鍵代碼實現(xiàn)部分如下：

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

QDir dirU（"./Udisk"）;

dirU.cd（"./Udisk"）;

if（dirU.exists（））

if（ （dirU.count（））>=2）

return true; }

程序中當U盤掛載會在系統(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不小于2時即U盤掛載成功。

2.3 花型文件解析

花型是模板縫紉機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)的花型打版中進行簡單設計，將生成的花型文件保存為ntp格式文件。基本圖案花樣有直線、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;復雜花樣圖案則是由這些基本花樣為基本元素進行相應的重復疊加組成的，對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)中導入的花型文件主要經過三個階段：解析、生成、顯示。花型文件中包含縫紉控制數據以及壓縮的花型數據。其中縫紉控制數據包括花型名稱、針距、針速、針腳點等，花型數據中提取圖元點集合信息，創(chuàng)建對應的圖形鏈表信息。讀取鏈表信息一次描點顯示整個花型文件。而花型打版編輯是在解析花型后在根據需要對花型進行操作修改。

3 結論

針對模板縫紉機上位機控制系統(tǒng)，本文提出設計了一種基于嵌入式ARM模板縫紉機上位機控制系統(tǒng)方案，采用工業(yè)級的AMR Cortex-A7架構的i.MX6UltraLite芯片進行上位機控制系統(tǒng)設計。主要對控制系統(tǒng)的人機交互界面進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)文件傳輸、解析花型圖案并進行打版修改的功能等。其上位機系統(tǒng)縫紉主軸速度可達到2800r/min且運行可靠。嵌入式Linux系統(tǒng)雖然為分時操作系統(tǒng)、功能強大。但是其實時性還不能很好地滿足實時系統(tǒng)要求。后期需要更好系統(tǒng)優(yōu)化。同時所設計系統(tǒng)能對花型進行解析設計，但在實際的工作情況下如果能對縫紉次序進行合理優(yōu)化，找到最佳縫紉路徑從而能夠更好提高縫紉效率。

參考文獻

[1]胡睿.縫紉機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].商業(yè)文化（上半月），2011（09）：316～317.

[2]謝斌.全自動模板縫紉機控制系統(tǒng)研究[J].紡織科學研究， 2015（03）.

[3]文中偉.CISMA2015：智能縫制風頭健[J].紡織機械，2015，10：65～69.

[4]游達章，李芮秉，張業(yè)鵬，等.自動縫紉機嵌入式控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術.2018.11.1 41（21）.

[5]肖春華，張洪濤.嵌入式技術在特種工業(yè)縫紉機上的應用[J].電子設計工程.2014.04：22（7）.

[6]朱耀麟，劉慧琳.基于 Qt 的電腦橫機上位機系統(tǒng)[J].計算機技術與發(fā)展.2017.04.

[7]董佳星，劉妹琴，樊臻，等.基于Qt的電子提花機控制器上位機控制系統(tǒng)軟件設計[J].輕工機械，2018.11.1（41）.

[8]韓瀏垚，朱耀麟，刁先舉.基于ARM+Linux的橫機上位機設計與實現(xiàn)[J].科技視界.2017.