高速喷气织机控制系统设计与实现_沈宬筱.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology高速喷气织机控制系统设计与实现沈宬筱 李慧敏 何勇（东华大学，上海，201620）摘要：针对国内喷气织机在幅宽和入纬率等性能上的不足，设计开发了一套基于 ARM+FPGA 的高速喷气织机控制系统，使用 FMC（可变存储控制器）并行总线完成两者间数据的传输。根据喷气织机控制系统的功能，利用模块化思想，将整个硬件控制系统分为主控子系统、引纬控制子系统、离合与制动子系统、输入与输出子系统、人机交互子系统和电源子系统，并分别对各子系统进行了设计和制作。根据喷气织机引纬运动时序织造工艺，设计了以引纬控制寄存器和内部存储模块为核心的 FPGA 内部硬件电路。基于 FreeRTOS实时操作系统，利用 Mealy型有限状态机模型，结合主轴时序控制策略，完成了高速织造软件框架设计。最后，在搭建的硬件控制系统模拟试验平台上，对该系统进行测试。结果表明，该控制系统具有稳定性强、运行速度快、抗干扰能力强的特点，能够满足喷气织机公称筘幅 540 cm的高速生产需求。关键词：喷气织机；引纬控制；模块化；电磁阀驱动；嵌入式实时操作系统中图分类号：TS103.7 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）06-0061-07Design and implementation of control system for high-speed air-jet loomSHEN Chengxiao LI Huimin HE Yong（Donghua University，Shanghai，201620，China）Abstract Aiming at shortcomings of domestic air-jet looms in terms of width and weft insertion rate，a high-speed air-jet loom control system based on ARM+FPGA was designed and developed.The FMC（Flexible Memory Controller）parallel bus was used to complete the data transmission between the two.According to the function of air-jet loom control system，the whole hardware control system was divided into main control subsystem，weft insertion control subsystem，clutch and brake subsystem，input and output subsystem，human-computer interaction subsystem and power supply subsystem by using the modular idea.According to the timing weaving process of air-jet loom weft insertion movement，FPGA internal hardware circuit with weft insertion control register and internal storage module as the core was designed.Based on FreeRTOS real-time operating system，high-speed weaving software framework was designed by using the Mealy finite state machine model and the spindle timing control strategy.Finally，the system was tested on the hardware control system simulation experimental platform.The results showed that the control system had the characteristics of stronger stability，faster running speed and stronger anti-interference ability，which can meet high-speed production demand of 540 cm nominal reed width of air-jet loom.Key Words air-jet loom，weft insertion control，modularization，solenoid valve drive，embedded real-time operating system喷气织机采用空气引纬方式，最大的特点就是车速快和生产效率高，适用于宽幅织物的织造。随着传感器和控制技术的发展，喷气织机技术不断成熟，优越性不断体现，并在车速、入纬率、稳定性和织物适应性等方面不断提升13。我国喷气织机起步较晚，与日本、德国、意大利等国的喷气织机相比，性能上依旧存在不足45。我国专家学者针对国外喷气织机控制系统进行研究，并对如何有效提升喷气织机性能展开了深入的探索。目前喷气织机的控制系统一般由主控和引纬控制两部分组成。喷气织机的主控控制器常见的选择有 PLC、DSP和单片机。PLC 和 DSP有较强的可靠性，但两者成本较高。而单片机灵活性高，有更好的可移植性，配合实时操作系统，可以更高效地完成复作者简介：沈宬筱（1998），男，在读硕士研究生；李慧敏，通信作者，副教授，收稿日期：2023-01-03】【61第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology杂的任务，性价比更高。因此，本研究使用 ARM作为主控控制器。对于引纬控制，常见方案则有硬件延时电路、单片机和 FPGA 等。硬件延时电路复杂，功能单一，在 PCB 上占用空间较大，不适合宽幅喷气织机引纬。而单片机和 FPGA 则由于其灵活性、性价比高而得到关注。国内的吴岱玮等69完成了基于 ARM 的引纬控制系统的设计和优化，但速度过慢。为了提高引纬速度，于瑞红等1011设计了基于 FPGA 设计的引纬控制系模块。左宇翔12利用 LPC2136 芯片和 FPGA 实现高速引纬，但其研究对象为窄幅喷气织机，无法满足 宽 幅 织 造 需 求。王 藩 等13提 出 了 一 种 基 于ARM 和 CPLD 的喷气织机控制系统，CPLD 协助ARM，以提高处理器运行速度，但其研究对象也是幅宽 190 cm 的窄幅喷气织机，且 ARM 和 FPGA 通讯使用 CAN 通讯无法满足宽幅引纬的高速需求。通过以上分析，针对我国喷气织机硬件控制系统的不足，设计开发了一种基于 ARM+FPGA的高速宽幅喷气织机硬件控制系统，使用 FMC并行总线完成两者间数据的传输，提高传输速度。本系统结合 FreeRTOS 实时操作系统，设计主轴时序控制策略，提高喷气织机的实时控制能力和系统的稳定性。为提高控制系统的运行速度，利用 FPGA 的并行运行能力，设计引纬控制寄存器，实现引纬数据的管理和控制。1 控制系统设计方案根据喷气织机五大运动，梳理各类信号，其中主要包括电子多臂控制信号、主轴控制信号、送经控制信号、卷取控制信号、张力检测信号、断经检测信号、断纬检测信号、频闪仪信号、喷嘴控制信号、通讯信号等。并根据信号关系确定喷气织机控 制 系 统 的 ARM+FPGA 总 体 架 构，如 图 1所示。该控制系统架构结合 ARM 和 FPGA 的优势，不仅有较强的事务管理能力，且可以高速并行处理数据。ARM 作为控制系统的核心，负责协调五大运动、织机运行工艺参数处理和保存、传感器数据接受和处理、电机控制、人机交互实现等多项工作。FPGA 作为系统辅助控制器，主要负责角度检测、引纬喷气阀的控制等。ARM 和 FPGA通过 FMC 总线进行数据交换，两者相互协作能够处理复杂的高速喷气织机控制问题。2 控制系统硬件设计根据喷气织机的织造原理和信号种类，将控制系统硬件部分分为六个子系统：主控子系统、引纬控制子系统、输入与输出子系统、离合与制动子系统、电源子系统和人机交互子系统。对硬件控制系统进行合理的划分，不仅可以对各类运动信号进行分类，便于硬件使用，还可以将不同电压的信号进行隔离，起到抗干扰作用。喷气织机控制系统总体设计方案如图 2所示。2.1主控子系统主控子系统负责对输入信号进行分析与处理，协调织造运动，对喷气织机运行状态进行监控。主控使用 STM32F439 芯片，最高工作频率可达 180 MHz。主控子系统需要有足够的执行空间和存储花纹织造数据的内存空间。考虑到喷气织机控制系统所需的控制算法需要足够的内存空间，采用1 M 的 SRAM 存储芯片。为满足操作系统的共享内存和每个任务的申请内存（至少需要 6 M 的存储空间），采用 8 M 的 SDRAM 存储芯片。织机织造过程中需要存储 10 M 左右的织物织造花纹图 1喷气织机控制系统总体架构框图图 2喷气织机硬件控制系统总体设计方案】【62第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology参数，以及预留 4 M 的代码存储空间，设计中外扩16 M 的 Nor Flash。最后，通过 FMC 总线，完成对外部存储器的读写。为满足主轴、卷取、送经和人机交互等外部设备的控制需求，确定了 CAN、RS232、RS485 等多种通讯方式。此外，为增加通讯接口，在通信模块中使用 XR68C681串口管理模块，将并行总线，扩展成一组四线的 RS485和一组 RS232。2.2引纬控制子系统引纬控制子系统负责完成宽幅织机的引纬运动。根据喷气织机的幅宽，确定其所需要控制的电 磁 阀 数 量，并 选 用 具 有 161 个 I/O 口 的EP3C16Q240C8N 作为引纬控制芯片，满足多信号输入与输出的要求。结合主控子系统的控制信号，利用 FPGA 的时序控制和并行处理能力，在极短时间内，可完成多个任务包括编码器角度计算、引纬参数设定等。引纬控制子系统的硬件设计方案如图 3所示。在图 3 中，电磁阀驱动模块通过驱动二位二通电磁阀驱动开启喷嘴。针对引纬运动高时序控制的需求，设计了高低压电磁阀驱动电路，减少了电磁阀的开启时间，并可保护电磁阀不被烧坏，其中高压开启信号的电压是 48 V，低压保持驱动的电压是 9 V。2.3输入与输出子系统输入与输出子系统负责接收传感器的信号，并驱动相应的执行机构。控制系统可定时利用并行总线，检测每个模块的输入信号。输入信号包括停止信号、提花纬密控制、频闪仪信号、绝对编码器信号等。其中对绝对编码器信号，利用比较器生成主轴角度中断，以此提高控制系统对主轴角度的响应速度和控制系统的实时性。输出信号包括选色信号、综平控制、信号灯控制、储纬器张力控制等。输出信号可根据主轴角度时序响应输出，完成织造动作。2.4离合与制动子系统离合与制动子系统负责输出大电流、高电压的控制信号。该子系统主要可实现倒车齿式离合、慢速离合、主电机离合的驱动。其中慢速离合和高压制动使用 200 V 直流供电，齿式离合和低压 制 动 使 用 24 V 直 流 供 电。其 驱 动 电 路 的MOSFET 功率器件，需要选择散热器来保证其正常的工作状态。其中散热器热阻公式可用式（1）表示。RS-A=l1.16KsLbn+1-0.152(usL)-0.1 L0.25.12us0.8A（1）式中：Ks表示散热器金属材料导热系数，铝的导热系数为 204.18 W/（K m）；us表示散热器风速，无散热器的情况下约为 0.3 m/s；b 表示齿宽；n 表示散热器齿数；l表示齿高；L 表示散热器长。由以上公式选择一款高 45 mm、宽 30 mm 的铝型材散热器。2.5其他子系统（1）人机交互子系统。为更好实现人机交互，需要使用触摸屏实时显示喷气织机的织造状态以及参数信息，同时根据输入信息更改织造参数，选择型号为 TK6071IQ 的触摸屏。其输入电压为24V DC，内存 128 MB，支持 RS485 通讯，内置电源隔离保护。（2）电源子系统。各类子系统的电源需求包括 200 V、48 V、24 VC、24 V、12 V、9 V、5 V、5 VRT等。其 中 24 VC 表 示 离 合 与 制 动 的 驱 动 电压，5 VRT 表示通讯信号电源。在所有电源中24 V、12 V、5 V、5 VRT 功率消耗较少，且有更高的精度要求。根据以上要求，制订三级分压策略。最后，为高效保护电路，吸收浪涌，在电压输出口设计 TVS二极管和滤波电容。3 FPGA硬件电路设计根据喷气织机的引纬要求，对 FPGA 内部硬件电路进行总体设计，根据功能需求，将其分为 7个模块，如图 4所示。3.1FMC通讯模块和织机状态选择模块FMC 通讯模块主要负责接收主控通讯信号。织机状态选择模块是通过通讯信号给各个模块分图 3引纬控制子系统硬件设计框图】【63第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology配任务，并决定织机工作状态。根据高速喷气织机引纬工作参数以及 FMC 通讯需求，在织机状态选择模块中，进行引纬控制寄存器的设计，如表1所示。3.2角度检测模块为实时接受主轴角度信息，并适应两种类型的编码器，设计了角度检测模块。根据编码器模式寄存器 WEFT_ENCODE 写入的状态，可以判断编码器输入的类型（绝对编码器或者相对编码器）。当接入绝对编码器时，利用角度检测模块对角度进行格雷码转换；当接入相对值编码器时，通过 设 置 初 始 角 度 并 进 行 角 度 累 加 来 计 算 当 前角度。3.3内部存储器为管理纬纱参数以及各类电磁阀的工作角度参数，设计了内部存储器。其中电磁阀开启和关闭的角度参数为静态参数，纬纱颜色、种类等信息的纬纱参数为动态参数。高速宽幅喷气织机需要控制 39个电磁阀，每个电磁阀有两个参数和三种状态，即有 234个数据，因此将内部存储器的大小设置为 256 Byte，如图 5所示。通过设置模式寄存器 WEFT_MODE_SET，决定数据的保存位置。如选择高速引纬的工作模式，其保存地址为 009C0E9。当确定织造花纹后，FMC 通讯会将一条或多条纬纱参数发送到 WEFT_PARAMETER 寄存器，并将具体纬纱参数写入内部存储器的 0 x0EC0 x0FD 地址。每次引纬前，主控将查看该区域的剩 余 纬 纱 数 量，当 纬 纱 参 数 小 于 5 条 时，利 用FIFO 原理来填充新的数据。3.4喷嘴角度比较模块和引纬驱动模块根据喷气织机织造工艺，喷嘴以主轴角度决定时序，故设计角度比较模块需要实时比较主轴角度，以此设计引纬驱动模块，输出驱动信号。角度比较模块通过内部寄存器保存的开启角度和关闭角度与实时角度进行对比，根据其比较结果控制引纬驱动模块。喷嘴角度比较和引纬驱动模块图如图 6所示。引纬驱动模块结合角度比较模块所输出的开启信号和计数延时进行高、低电压开启信号的输出控制，进而驱动电磁阀。根据普通电磁阀和高响应速度的电磁阀开启时间的不同，设计相应的计数延时。4 嵌入式软件构架设计4.1有限状态机设计喷气织机工作过程中，需要处理众多的外部图 4FPGA 内部系统硬件设计框图表 1引纬控制寄存器表寄存器名字WEFT_MODE_SETWEFT_ENABLEWEFT_ENCODEWEFT_VAL_MAINWEFT_VAL_AUX_STAWEFT_VAL_AUX_STPWEFT_COUNT_INITWEFT_VAL_MAIN_TIMEWEFT_VAL_AUX_TIMEWEFT_TIME_STAWEFT_TIME_STPWEFT_UART_SETWEFT_PARAMETER.描述工作模式使能选择编码器选择测试主喷嘴电磁阀标号测试辅助喷嘴电磁阀开始标号测试辅助喷嘴电磁阀末尾标号电磁阀使用数量将设置时间参数的主电磁阀将设置时间参数的辅电磁阀电磁阀开始时间电磁阀结束时间串口参数纬纱参数.图 5内部存储器地址分配图 6喷嘴角度比较和引纬驱动模块图】【64第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology输入信号和内部事件，且其易受到其他干扰信号的影响，继而出现不可预测的结果。本研究引入有限状态机的方法来解决以上问题。有限状态机的核心在于对每一个状态的管理14，在设计状态机时，需要严格规定每个状态之间的转移条件。喷气织机控制系统需要处理输入信号，故选择使用 Mealy 型有限状态机。利用有限状态机即可解决喷气织机逻辑完备性的问题，使其一直保持在可知可控的状态。喷气织机控制系统利用主轴的角度值控制与协调喷气织机的五大运动。在执行各类运动时，其主轴总是工作在待机、快车、慢车、停车等状态，由此根据主轴模式划分有限状态机的各个状态。Mealy型有限状态机模型如图 7所示。通过 RUN 的数值能够确定喷气织机的 6 种工作状态。为保证喷气织机能在固定区域启动，需要转入慢车状态和倒车状态。当喷气织机正常工作时，进入快车状态，并利用停车状态应对喷气织机的各类紧急情况。通过有限状态机处理外部信号和内部事件，控制系统可以快速且稳定地切换主轴工作模式，保证主轴的正常工作，为织机的整体控制奠定基础。4.2基于 FreeRTOS的软件设计相比裸机控制系统，实时操作系统可以实现多任务和任务调度。多任务是指通过快速切换任务，使每个任务并行执行。任务调度指的是高优先级任务会剥夺低优先级任务的 CPU 使用权，提高控制系统的实时性。本次设计使用 FreeRTOS作为控制系统的实时操作系统，相比其他实时操作系统它具有开源免费、文档齐全、系统小巧等优点。通过 CubeMX软件可以方便地实现 FreeRTOS 移植，此外还需要完成板级支持包（BSP）的移植。BSP是驱动层的一部分也隶属于操作系统，其自带外设驱动和库文件，作用是为操作系统访硬件提供接口，便于驱动硬件15。完成操作系统移植后，根据喷气织机 Mealy型有限状态机，结合其织造工艺，确定了以下 8个任务：系统初始化、停车处理、信号输入、状态迁移、高速织造、引纬通信、CAN 通信、人机交互通信。为利用 FreeRTOS 的任务调度功能，需要对各个任务进行优先级划分。信号输入任务是检测外部输入信号，通过输入信号进行状态迁移控制。状态迁移任务决定了高速织造模式的具体工作状态，因此将信号输入任务设定为更高的优先级。引纬通信任务、CAN 通信任务、人机交互通信任务的作用为设备工作状态的确认，对时序性要求不高，将其设定为更低的优先级。各个任务的优先级和调度关系如图 8所示。图 7喷气织机有限状态机框图图 8喷气织机任务调度图】【65第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology由图 8 可知，信号输入模块和状态迁移模块使用 5 ms的定时中断；引纬通信任务、CAN 通信任务、工控机通信任务只是为了确定对方的工作状态，没有特别高的时序性要求，所以使用 50 ms的定时中断；高速织造任务使用编码器产生的角度中断。上述中断需要通过二值信号量来完成与任务的同步。在中断函数中，释放二值信号量即可将处于挂起状态或者阻塞状态的任务移入就绪态。高速织造任务通过主轴时序控制策略流程，使用角度中断进行调度，完成了主要的织机运动，其流程如图 9所示。织机主轴启动前，根据编码器的值判断当前是否在启动区域内，通过切换慢车状态进行调整。完成启动定位后，喷气织机的状态模块转换为快车状态，此时控制慢速离合断电和主轴离合通电，输出此纬纱的选色信号。此后，严格按照图 9中主轴角度的时序流程，顺次完成织造任务。完成打纬运动后，需要将完成织造的布卷上布辊，因此在主轴角度为 34时，通过 CAN 通信，完成送经和卷取的协同控制，保证经纱上稳定的张力。在引纬运动前，通过 FMC 通讯，查看引纬控制器 FPGA 内部是否需要更新纬纱工艺参数。如果需要更新，传送新的纬纱参数；在主轴角度为308时，通过 CAN 通信控制电子多臂，完成综框运动，实现喷气织机开口运动。5 测试与分析高速喷气织机硬件控制系统如图 10 所示。从上至下的四块电路板分别是离合与制动子系统、主控子系统、输入与输出子系统、引纬控制子系统。外部存储器 Nor Flash、SDRAM、SRAM 利用 FMC 通讯来进行读写验证。CAN 通信可以通过 自 发 自 收 来 进 行 检 测。人 机 交 互 子 系 统TK607IQ的功能通过 RS485进行测试。引纬控制模块以 50 MHz 晶振作为时钟源，在每一个时钟周期内比较编码器的输入信号和预设的开关角度值，并输出高低压驱动信号。对于一个电磁阀，先使用高电压驱动，再使用低电压持续驱动。由图 11可知，高低电压的交替开启模式符合预期。控制信号的误差均在一个时钟周期内，证明了引纬控制模块的信号输出的实时性。依据以上验证，引纬控制子系统能够较好地实现宽幅喷气织机的高速引纬。为了对高速宽幅喷气织机进行整体系统验证，使用高速织造模块进行试验。试验时控制电机的转速，利用串口打印高速织造模块中的重要时序节点，观察喷气织机的工作流程。由图 12可知，该系统可显示当前角度和已完图 9高速织造主轴时序控制策略图 10高速喷气织机硬件控制系统实物图图 11高低电压电磁阀控制仿真图】【66第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology成的功能模块。图中 weft_req（）为布尔类型，当其为 0时，表示 FPGA 内部引纬数据的数量足够，本周期内不需要传输纬纱参数。经过观察，高速织造任务没有出现角度遗漏和任务出错的情况，即完成了整体系统测试，并证明了本研究提出的控制系统方案的可行性。6 结束语本研究提出了一种基于 ARM+FPGA 架构的喷气织机硬件控制系统设计方案，利用 FMC并行总线提高两者传输速度。结合引纬时序工艺，设计了以引纬控制寄存器和内部存储器为核心的 FPGA 内部硬件电路，实现对各电磁阀的高速时序控制。基于 FreeRTOS 实时操作系统，对织造过程中的主轴时序策略进行研究，提高了系统的实时性。试验结果表明，该系统能够满足公称筘幅 540 cm，且具有稳定性强、运行速度快、抗干扰能力强的特点，可以满足国产喷气织机织机对宽幅、高入纬率的需求。参考文献：1马磊，王新力.从 ITMA2019 看织造装备的技术进展 J.纺织导报，2019（12）：18-29.2DEPARI A，FERRARI P，FLAMMINI A，et al.A new instrument for real-time ethemet performance measurement J.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2008，57（1）：121-127.3邱玺羽，查贵勇，闵捷.我国喷气织机进口关税调整与综合施策促发展 J.纺织导报，2021（9）：56-60.4洪海沧，李雪清.近期国内外织造技术的进步与发展趋势（下）J.纺织导报，2019（9）：59-60，62-64，66-67.5蔺建旺，张卫东，朱香娟，等.新型国产喷气织机电控系统的研究和开发 J.纺织机械，2008（3）：26-30.6吴岱玮，范延滨.基于 ARM 的喷气织机引纬控制系统设计 J.工业控制计算机，2018，31（11）：148-149.7李雪莲.基于 Cortex-M3 的喷气织机引纬控制系统的研制 D.青岛：青岛大学，2011.8王均波.基于 STM32 喷气织机引纬控制系统模块化设计与实现 D.青岛：青岛大学，2012.9何佳锋，范延滨.基于 STM32的喷气织机引纬控制系统硬件设计与分析 J.青岛大学学报（工程技术版），2012，27（3）：74-78.10 于瑞红，蔡建羡，马洪蕊，等.基于 FPGA 的喷气织机引纬控制系统设计 J.测控技术，2015，34（7）：62-66.11 彭程.基于 EtherMAC 的喷气织机控制系统设计D.济南：山东大学，2015.12 左宇翔.基于 arm7的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 D.上海：东华大学，2006.13 王藩，吴保平.基于 ARM 和 CPLD 的喷气织机控制系统设计 J.纺织导报，2013（7）：80-83.14 刘攀，缪淮扣，曾红卫，等.基于 FSM 的测试理论、方法及评估 J.计算机学报，2011，34（6）：965-984.15 沈小其，何勇.基于 ARM 和 FreeRTOS 的剑杆织机主控系统设计 J.制造业自动化，2021，43（12）：70-73，81.图 12高速织造验证图】【67