复合材料编织机械手控制器的研究.pdf 69页

１００５８ｉＷｆｃｌＷｈｉ，论文题目：复合欄翩麵＃測器的研巧六：巧瓜＾議塞工程领域：控制工程，学习方式：囚全日龍读［□在职攻读遥乐：＾ＢＭＳＳｉｉ者姓名：竺．作報导师：些＾但勇军企业导师：ＢＨＥ－－成２０１７０１１４日期：Ｂ８Ｈ（完Ｓ＆＾Ｈｉ国国ｍ聖应挪窗如ｒ私‘■■■―■咖 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：化签字曰期年之月１？曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津工业大学可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）＾学位论文作者签名４《禾、；导师签名沒签字円期：也１月１７日签字円期；２Ｃ｜７年Ｚ月２／｜日 学位论文的主要创新点一、使用机械手控制系统控制携纱器带动纱线进行编织，使得编织系统的可控性更强。二、使用分布式控制方式对编织机进行控制，使控制过程更加高效有序。 摘要Ｈ维编织复合材料具有很高的强度、刚度、耐腐蚀、耐高温、抗冲击等优良持性。工业上对于Ｈ维编织复合材料的高效率、自动，在工业领域得到广泛关法化生产也提出了更高的要求。目前，国内外对于Ｈ维编织复合材料的研究多集中，材料参数Ｗ及性能提高等方面在编织工艺，而对于复合材斜编织自动控制系统的研究较少。＝维复合材料的编织多使用Ｈ维编织机一，台兰维编织机有很多编织站，每个编织站上有个圆形滑道，，根据编织物的不同，滑道上装有数量不等的携纱器所有携纱器带动纱线按照编织工艺要求的轨迹在滑道上旋转就完成了编织过程。一本项目设计了款复合材料编织机械手控制系统，可Ｗ应用在大型Ｓ维编织机上，通过机械手的伸缩夹住或放开携纱器，当夹住携纱器的时候，机械手按照程一序设定的轨迹带动携纱器的旋转。在该控制系统中，编织机的每个编织站都有一一个８５步进电机和两个４２步进电机，由台ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机控制，构成下位机控制系统，分别用作控制机械手的伸缩和旋转运动。所有的下位机通过Ｓ３Ｃ２４１０进行控制，构成上位机控制系统，上位机含有数字输入和屏幕显示。其一，功能为收集下位机的执行状况，给每个下位机发出指令根据下位机状态决定执行与否，，，若不能执行或等待或收集错误信息。上位机控制器和下位机控制器之间通过ＣＡＮ总线通讯。本文在对四步法编织原理做了深入阐述的基础上首先对系统的硬件电路进行设计，主要有电机驱动电路，ＣＡＮ总线通信电路，电源管理电路；然后根据四步法工艺，编写宏指令，将宏指令下载到下位机控制器中，并编写电机控制程序，通信程序Ｌ义及错误信号采集程序；最后为了便于监控和调试，还开发了编织机监控界面，监控界面可Ｗ反馈下位机的运行状态，错误信息レッ及ＣＡＮ总线的收发信息。关键词：Ｈ维编织复合材料；ＣＡＮ总线；单片机；人机界面 ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｏｒｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｈｉｈｓｔｒｅｎｔｈｓｔｉｆ打ｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｉｈ１：ｅｍｅｒａｕｒｅｇｇ，，，ｇｐｔ－ｗａｎｄｉｍａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏ打ａｌｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｎｗｉｄｅｓｒｅａｄｐ，ｐｐｃｏｎｃｅｒｎｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒａｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｈｉｈｅｒｒｅｕｉｒｅｍｅ打ｔｓｏｆｈｉｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃａｎｄｉｉｌｇｑｇｙａｕ－ｔｔｏｍａｔｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏ打ｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｅｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｉｎｉｎｄｕｓ化ｉａｌ．Ａｔｐｒｅｓｅ打ｔ，化ｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ３Ｄｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉ化ｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｍｏｓｔｌｙｆｂｃｕｓｅｓｏｎ化ｅｗｅａｖｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｂｕｔｌｉｔｔｌｅｒｅｓｅａｒｃｈｏ打ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓ化ｍｏｆｃｏｍｐｏｓｈｅｂｒａｉｄｉｎｇ．－－ｍａｃｈＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｉｎｇｉｎｅｉｓｕｓｅｄ！：〇ｂｒａｉｄｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａ－ｉｄｅｄｃｏｍｏｓｉ；ｅｓ．Ａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏ打ａｌｂｒａｉｄｉｎｍａｃｈｉ打ｅｈａｓｍａｎｂｒａｉｄｉ打ｓｔａｔｏｎｓ．ｐｇｙｇｉ｜Ｅａｃｈｂｒａｉｄｉｎｓｔａｔ．Ｄｔｉｏｎｈａｓａｃｉｒｃｕｌａｒｃｈｕｔｅｅｅｎｄｉｎｏｎｈｅｂｒａｉｄｅｄｆａｂｒｉｃｔｈｅｃｈｕｔｅｇｐｇ，ｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈａｎｕｍｂｅｒｏｆｙａｍｃａｒｒｉｅｒｓ．Ａｌｌｃａｒｒｙｉｎｇｙａｍｄｒｉｖｅｔｈｅｙａｍｉｎａｃｃｏｒｄａ打ｃｅｗｉｔｈｔｈｅｒｅｕｒｅｍｅ打ｔｓｏｆｔｈｅｖｖｅａｖｉ打ｒｏｃｅｓｓｉ打ｔｈｅｓｌｉｄｅｏ打ｔｈｅｔｒａｃｋｔｏｑｉｇｐｃｏｍｐｌｅ化化ｅｗｅａｖｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｈａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｏｍｐｏｓｉ化ｍａｔｅｒｉａｌ－ｗｅａｖｉｎｍａｎｉｕｌａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｓ化ｍｗｈｉｃｈｃａｎｂｅａｌｉｅｄｔｏ化ｅｌａｒｓｃａｌｅｇｐｙ，ｐｐｇｅ－ｔｈｒｅｅｄ．Ｔｔｉｍｅ打ｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｉｎｇｍａｃｈｍｅｈｅｍａｎｉｐｕｌａｏｒｃａ打ｈｏｌｄｏｒｒｅｌｅａｓｅｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｂｙｌ；ｅｌｅｓｃｏｐｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｗｈｅｎｇｒａｓｐｉ打ｇｉＪｉｅｃａｒｒｉｅｒ，ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｉｌｌｆｏｌｌｏｗｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｒｏｔａｔｉｏ打ｏｆｔｈｅｃａ打ｉｅｒ．Ｉ打ｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔ；ｅｍｅａｃｈ，ｂｒａｉｄｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｒａｉｄｉｎｇｍａｃｈｉ打ｅｈａｓｏ打ｅ８５ｓ化ｐｍｏｌ：ｏｒａ打ｄｔｗｏ４２ｓａｐｐｉｎｇｗｈ－山ｅｒｍｏ１：ｏｒｓｉｃｈａｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂａＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ｓｉｎｌｅｃｈｉｍｉｃｒｏｃｏｍａｎｄ，ｙｇｐｐ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｔｈｅｌｏｗｅｒｐｏｓｉｔｉｏ打ｍａｃｈｉ打ｅＣＯ打ｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈａｒｅｕｓｅｄｔｏＣＯ打ｔｒｏｌｔｈｅｔｔｔｔｔｓｌＴｅｔ；ｃｈｉ打ｇａｎｄｒｏａｉｏ打ｏｆｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｍｏｖｅｍｅｎ．ＡｌｌｈｅｌｏｗｅｒｍａｃｈｉｎｅａＫｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅＳ３Ｃ２４１０ｗｈｉｃｈＣＯ打ｓｔｉｔｕｔｉｎｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍ山ｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍ，ｇｐｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｉｉｔａｌｉｎｕｔａｎｄｓｃｒｅｅｎｄｉｓｌａ．Ｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏ打ｉｓｔｏｃｏｌｌｅｃｔ１：ｈｅｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｇｐｐｙｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｓｅ打ｄｃｏｍｍａｎｄｓｔｏｅａｃｈｌｏｗｅｒｃｏｍｐ山ｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｍｕｔｅｒｉｔｃａｎｂｅｅｘｅｃｕｔｅｄｏｒｎｏｔ．Ｉｆｉｔｃａｎ打ｏｔｂｅｅｘｅｃ山ｅｄｏｒｐ，，ｗａｉｔｓｏｒｃｏｅｃｔｓｔｈｅｗｒｏｎ打ｒｍａｔｉｏｎ，ｔｓｔｃｏｍ山ｅｒｃｏｎｔｒｏｅｒｃｏｍｍｕｎｃａｔｅｌｌｉｆｏｈｅｈｏｌｌｉ，ｇｐ－ｗｉｔｈｔｈｅｌｏｗｅｒｏｓｔｏｎｍａｃｈｎｅｃｏｎｔｒｏｅｒｒｏｕｔｅＡＮＢＵＳ．ｐｉｉｉｌｌｔｈｇｈｈＣＩｎｔｈｉｓａｅｒｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｓｓ化ｍｉｓｄｅｓｉｅｄｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｐｐ，ｙｇ打， 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目录一胃绪＆第１１．１１复合材料的优良将性１．２王维编织复合材料２１国内外Ｈ维编织机的研巧状况４．３１４．机械手的发展５１５６．课题研巧的意义１．６本章小结６９第二章系统总体设计方案１９２．编织机的控制原理２１．２系统整体按设计方案１２．１４３本章小结第Ｈ章硬件系统的设计１５３．１下位机控制系统硬件概述１５３１．１２５Ａ６０Ｓ２１１５．单片机ＳＴＣ１Ｃ简介３丄２步进电机的特性１６１７３丄３步进电机的驱动巧片３．２下位机控制系统电路设计１８．２．１３单片机基本电路１９３．２．２光电传感器的使用２０３２．３２１．断线信号采集模块．２．１ＡＡＮ总２２３４ＳＴＣ２Ｃ５６０Ｓ２的Ｃ线巧计２５３．２．５步进电机驱动模块电路．２．２６３６携纱器在泊位信号判断模块３．３上位机模块的设计２７３．３．显示模块设计２７１３２９．３．２触摸屏模块设计３３０．３．３存储器扩展３４．３．通信模块的设计３２３．４本章小结３３５第四章软件系统的设计３４．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统开发环境的搭建３５４丄１建立交叉编译环境３５４－．１．２移植Ｕｂｏｏｔ３６４丄３ｎｕｘ３６移植Ｌｉ内核４丄４构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统３７７４．２驱动程序的编写３４．２１Ｄ驱动程序３８．ＬＣ４３９．２．２触摸屏驱动Ｉ ４．２．３串日驱动设计４０４．２．４ＣＡＮ总线驱动设计与通讯实现４１４３上位机宏指令４１４．４人机界面设计４２４５４３．下位机软件设计４．５．１宏指令在下位机的执行过程４４．５４．２控制系统的拓扑结构和动作同步４６４．５４７．３电机的控制４．５．４ＣＡＮ通信程序设计４７４．６本章小结５１第五章总结与展望５３参考文献５５发表论文和参加科研情况说明巧ｉｔ谢６１ＩＩＩ 第一章绪论第一章绪论１．１复合材料的优良特性随着航天，医疗，电子信息技术，建筑等各个领域的发展，Ｈ维复合材料在ｉ［］各种工业领域占有越来越举足轻重甚至是不可替代的地位。Ｈ维复合材料具有诸多得天独厚的优点：＞（１）例如密度较小：Ｈ维复合材料密度小可ｌ＾ｌ减轻材料本身质量，像在航天领一域，消耗，航天飞船多出点多余的质量都会给推动带来很大的负担更多的能源。－７０年代初ＣＨ维复合材料刚刚研发成功，就立刻被投入到了飞机的上世纪，Ｃ生产上取代了当时使用面最广的金属合金这一举措成功的将机身的质量降低了，２０％Ｗ上。并且飞机的制动设备在性能上较之ｙＡ前，也有了大大的改观。在第十一一Ａ３ＸＷＢ客机引起了社会多方面的注意届珠海航展当中，空客５０，其外身有层用碳纤维材料制成的涂装。在整个展览过程中，Ａ３５０ＸＷＢ进行了静态和飞行５０一展示。Ａ３ＸＷＢ是空客的新代产品，可Ｗ和波音Ｂ７８７竞争。就目前来看，在客机中，他的复合材料用量在总重量中比重最大。Ｗ碳纤维材料为代表的新型材料，，能够有效降低机体重量，降低油耗，提高乘客舒适度并减少维修成本，■＇颇受航空公司欢迎！！图＾１身披碳纤维的特殊涂装在空客Ａ３５０ＸＷＢ一（２）比强度、比模量大。这两个物理量指的是种材料的单位重量所具有的强度和模量，比强度和比模量较大的材料具备更强的承。对于重量相等的两种材料１ 天津工业大学硕±学位论文载能力和更好的刚度特性。复合材料的比强度比模量之所Ｗ这么大，是因为其微观结构更加完整，内部缺陷很少，不存在低应力脆断的风险。（３）抗疲劳性能好。在工业生产环境中，材料经常会受到交变载荷的作用。抗疲劳性能好的材料对交变载荷的抵抗能为也较强。相对于金属材料而言，复合材■料有着更强的抗疲劳性。当金属材料承受交变载荷而产生裂纹的时候，裂纹会不停的扩展，最终材料会因无法继续承受交变载荷而导致损坏，而当复合材料承受交变载荷而产生裂纹的时候，会自动吸收能量从而使得裂纹的扩大得到延缓。（４）材料性能的可设计性，这两者之间的为学性。复合材料由纤维和基体组成能相差很大，这也就使得复合材料在很多性能上表现出各向异性，这是复合材料的一个巨大的优点。金属材料大多数表现为各向同性，所Ｗ材料强度的大小取决一于材料最大的应为值。通常情况下，材料的部分的应力值已经达到最大，而其他部分的应力却很小，所金属材料无法发挥强度潜力。而复合材料是由很多参数不同的材料组成，因此材料总体的参数可设计，通过人工，根据工业实际需求改变材料的种类＾及所占的比例就可１＾改变材料的强度刚度等特点。（５）减振性好。复合材料的基体有粘弹性，在基体和纤维之间有裂纹的地方有一，材料在发生振动的时候摩擦力。由于粘弹性和摩擦为的存在，会将些动能转化为内能，根据能量守恒，动能就会减少，，振动就会减轻因此复合材料的减振性较强。除此之外，材料的自振频率和比模量呈正相关，而复合材料的比模量比—、其他材料的比模量大的多，所Ｗ，所Ｗ材料的自振频率也相当大般不用担屯共振对复合材料产生破坏。（６）其他特性。复合材料还具有很多其他的优秀特性，比如稳定性，耐腐蚀性，口ｊ电磁波透过性等。１．２Ｈ维编织复合材料一一编织工艺是在复合材料的生产中使用最为广泛的工艺之。编织工艺是种较为传统的工艺。近几十年来，人们在对复合材料的研发中，遇到了很多问题，比如较为典型的抗冲击损伤特性问题。开始将传统编织技术与现代复合材料的研一究合二为。经过科学家更深入的研究发现，编织工艺产生的复合材料在纤维之间产生了整体结构，从而材料表现出了完美的整体性，诸，使得材料的很多特性如剪切强度，Ｗ及耐腐蚀性Ｗ及抗冲击损伤特性均远远的强过传统的复合材料，口一这也就使得编织复合材料的研究得到了更多的关注］英国的道蒂公司生产出。种复合材料的螺旋奖，该螺旋奖最大的亮点是其浆叶采用了编织结构。１９９１年，４该创作获得了当年的英国女王技术成果奖［］。２ 第一章绪论一一编织技术是口很古老的技术，直被适用于纺织领域。但是在过去，编织一些结构相对不是很复杂的织物，仅仅用于技术并没有得到人们广泛的关注，在生活中。，比较常见到的绳子和麻袋就是通过编织技术制造的复合材料得到广泛应用后，人们发现通过编织得到的复合材料性能更加优良，于是编织工艺得Ｗ在工业上大放光彩。过去人们使用较多的是二维编织法，整个编织过程主要在平面一二维方向上进行，，对于般像麻袋这样的编织物，编织就足够了但是对于复合二。于是人们在过去平面编织的基础材料而言，维编织法很难保证其所需的性能之上增加了厚度方向的编织，通过纱线平面再空间上的交织实现编织，这就是Ｈ维编织。Ｈ维编织方式问世Ｗ来，迅速得到了工程人员的广泛研究，很多Ｈ维编一一类是回织方案被提出。Ｈ维编织法可Ｗ被分为两大类：类叫纵横编织法，另转角轮编织法Ｗ？。議１图－２通过Ｈ维编织技术的复合材料１项目所涉及到的Ｈ维编织机采用的是纵横编织法。在长期的发展中，纵横编织法也出现了很多的工艺，有二步法、四步法、多步法。其中四步法是出现最早一Ａ８２Ｒ．Ｆｌｏｔ也是应用最为广泛的种方法．ｒｅｎｉｎｅ，这种方法是在１９年，由提出一四步法的详细实现步骤：６列６行为例，纱线穿越织物的断面。第１＾步，所有的行方向上的纱线朝着水平方向运动，相邻的斤的纱线朝着相反的水平方向运动。第二步，所有的列方向上的纱线朝着垂直方向运动，相邻的列的纱线朝着一相反的垂直方向运动。第三步，，，步骤基本与第步相同不同的是行方向的纱一一线与第步的运动方向相反，所有行方向上的纱线移回到第步之前的状态。第３ 天津工业大学硕±学位论文四步，步骤基本与第二步相同，不同的是，列方向上的纱线与第二步的运动方向二部一相反。到此，，所有的列方向上的纱线移回到第之前的状态个编织周期就，通过对角线算完成了，单根轴线的位置发生了明显的变化。纱线穿越了线轴，从一一个外表面一个外表面穿越到了另。此后，直重复着这四个步骤，就可Ｗ实７［］。现四步法编织，这就是四步法的基本步骤？？？？？？－？？？０？？？．？？？？＠？感．？一｜｜Ｉ一？？？？？？？？？＠０？巧）胥■—感？一？？＠？？？？？？＠？？一一．？＠＠，贫感０００００００？？＇一—＠£＞？？？？？？？？？？０＠；一一１０？？００？？？Ｉ？？？？０？？感巧？？？Ｌ．ＩＩＩ．．Ｉ您炒？（公包巧＇？＠？？０？？？０？？？？？Ｉ｜Ｉ■？？０？？£）？？？？？？？？运）？？？？贷？？？？０？０？■？？？？？？０？■？？？？？？０？０？０？？？？？０？？Ｓ？？？？００？？００？？？０戀戀？感感感－ＩＩＩＩＩＩ图＾３四步法的实现步驟１．３国内外兰维编织机的硏究状况。在工业领域，人们通常使用Ｈ维编织机对Ｈ维编织物进行编织Ｈ维编织机有很多编织站，，底盘上装有，编织站上有圆形滑道组成底盘许多携纱器。携纱器带动纱线在底盘上运动完成编织过程一般整个编织过程可Ｗ划分为下Ｈ。：１、根据所需编织物的形状步，在底盘上安放携纱器。２、携纱器带动纱线按照■编织工艺在底盘运动，纱线相互交织。３、挤压交织的纱线，得到需要的编织物。．．＇．．Ｉ 第一章绪论７［］编织机的研究是从２０世纪６０年代开始的。迄今为止，国内外工程人员做了大９的一量的关于设备方面的课题。１年，ＢＵＬＣＫ设计了种新型的高速斜织法。１９７１＂＂年美国的通用电气公司成功研发出了名为Ｏｍｎｉｗｅａｖｅ的编织法，为四步法的出＂＂现奠定了基础。１９７３年欧洲动力公司发明了ＳＣＯＵＤＩＤ技术，标志着Ｈ维编织＊ｔｒ技术已经相当成熟。同年，德国人Ｍａｉｓｅ发明了用来编织４２的三维编织物编织机，这台编织机被看做首台实现自动编织的Ｈ维编织机。美国ＮＣＵ在１９８９年研制了能够进行不间断喂纱编织机，该设备的出现对Ｈ维复合材料的编织速度的提高起到了很大的推动作用。Ｈ维编织技术得到了越来越多的推广，Ｈ维编织一机也在工业上得到了广泛使用，比较常见的编织机有两种：种是行列编织机，一９另种是角轮编织机［１。美国ＡｔｌａｎｔｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ公司在１９９４年发明了圆形的Ｈ维编织机，这种编织机一次可Ｗ挂１４０００根纱。不过，这种编织机携纱器对携纱器数量有很大的限制，也就使得无法编织不同直径的材料，原因是不同直径材料编织过程必须要改变携纱器的数量，美国３Ｔｅｘ公司发明的姐合式Ｈ维编织机很好的解决了这个问ｉＤ［］题，可Ｗ连续编织截面为Ｔ形等预制件。与国外相比，我国研究Ｈ维编织机的进程较晚。如今，在国巧Ｈ维编织机研巧较为权威的是天津工业大学的复合材料研巧所。他们开发了基于计算机控制的Ｈ维编织机一，这台设备最多次能挂４００００根纱，在国内处于领先地位。近期，德国Ｈ一ｅｒｚｏｇ公司研发了种新型Ｈ维异型编织机，该编织机由多行与多列转子构成，可改变轴纱线数目并且改变编织纱线的数目来改编织物的形状，为复杂编织物的编织研究做了巨大贡献。１．４机械手的发展在Ｈ维编织机中，需要通过底盘的编织站来带动携纱器的旋转从而带动纱线运动。，完成四步法编织这时候就需要用到机械手的伸缩运动和旋转运动来控制底盘编织站。机械手是自主机器人的操作组成部分一。般来说自主机器人可分为操作部分（相当于人类的手臂），移动部分（相当于人类的脚），视觉部分（相当于人类的｜１眼睛［］）。机械手的研究可Ｗ追测到上世纪五十年代。最初是由美国的联合技术一７８－公司发起研究，ａｔｅ，适用于对工件的抓取。１９年款名为ＵｎｉｍＶｉｃａｒｍ的机械手被研发出来，这款机械手的控制系统开始用到电子汁算机。当时这款机械手一被研制出来后，立刻就被应用到了装配领域。经过系列的实验测试，５ ：一Ｉ．天津工业大学硕±学位论文Ｕｎａ－ｉｍｔｅＶｉｃａｒｍ的定位误差可精确到±〇．〇ｌｃｍ。在当时已经达到了领先水平。１２］［作为机械手的核屯、部分，机械手的发展必然带动机械手控制器的发展。现在？工业上应用最广泛的是基于分布式控制方式的机械手控制系统。分布控制系统，一央文间称ＤＣＳ一。这种控制系统般用于大型的自动化生产，种复杂的综合控１３制系统［］这种控制系统同时具有多个下位机控制器对不同的模。块进行控制，并将参数发送至上位机，上位机和下位机的通信通常使用现场总线，工业上使用较多的现场总线是ＣＡＮ总线。过去走八十年化ＤＣＳ技术主要集中在欧美发达国家。近些年来，随着我国对高新技术的大量投入业开始研发，很多企自己的ＤＣＳ系统１４，甚至有些工控领域的ＤＣＳ系统已经赶超了发达国家的水准［］。分布式控制系统在工控领域是一个非常有应用前景的发展方向。在Ｓ维编织机中有很多的编织站作为独立控制单元一，许多的编织站需要个控制器进行统筹协调，非常符合分布式控制系统的要求，因此文章正是基于现场总线的分布控制系统来设计复合材料编织机械手控制器。￣—Ｉ￣￣￣￣］？，＾Ｌ５上去爲？＇猶情Ｉ＇ｉ图－１４分布式控制系统流程图１．５课题硏究的意义在兰维编织设备方面，国内外高校和科研机构都做了大量的开发研制工作。对于编织工艺Ｗ及三维编织机所涉及的技术查阅大量文献资料。结果表明：国内外对于Ｈ维编织复合材料的研究多集中在编织工艺、结构、参数、复合及性能分析等方面。这些研究工作推动了Ｈ维编织复合材料的发展。但是，对于王维异形编织机的机械手控制系统的研究相对不多。课题重点针对Ｈ维编织机机械手的控制方式Ｗ及基于分布式控制系统的控制系统做研充。１．６本章小结６■？‘－Ｖ．＇．．． 第一章绪论本章在查阅了大量的资料的基础上，对复合材料的应用前景有了深入了解，并对编织工艺，Ｈ维编织机Ｗ及机械手的发展有了系统的认识。在此基础上阐明了本课题的研究意义。Ｉ７ 天津工业大学硕±学位论文；Ｉ８ 第二章系统总体设计方案第二章系统总体设计方案２．１编织机的控制原理一一Ｈ维编织机总体上可Ｗ划分为两个模块，：个是携纱器另个是编织站。。携纱器的主要作用是通过自身的运动带动纱线缠绕，完成整个编织过程若干个一编织站排成个模块矩阵就组成了底盘，至少需要４个编织站。要完成编织过程ｉ［ｙ排成两行两列组成底盘８个携纱器。。４个编织站组成的底盘至多可Ｗ放上一一根据前文介绍个编织站都可Ｗ看作个独立的控制系统，每个编织站，每一一都安装台单片机控制器，，组成下位机控制系统若干个编织站通过个上位机一控制控制器进行统。编织站上面有专口提供携纱器停靠的地方一，即个圆形的滑道。然而为了减少携纱器在运动过程中可能出现的阻碍其他携纱器运行道路的情况，使控制器更加便于控制，只让携纱器停靠在北东南西四个方向。这四个位置可Ｗ形象的命名＂＂为携纱器的泊位。在编织站顶端的北东南西四个方向上，有四对定位珠。相邻的两个编织站组合在一起一，四个定位珠就形成了个泊位。相互重合的定位珠组成的泊位被称为共享泊位。，可Ｗ用矩阵对编织站进行编号为：１１，１２，２１对于４个编织站的底盘，２２１Ｅ四个编织站。１１编织站的四个泊位可分别命名为１１Ｎ，１，１１Ｓ，１１Ｗ，同理可Ｗ命名其他编织站的泊位。四个共享泊位可Ｗ分别命名为１１Ｓ／２１Ｎ，１１Ｅ／１２Ｗ，１２Ｓ／２２Ｎ，２１Ｅ／２２Ｗ。共享泊位的存在可Ｗ使携纱器在多个编织站的驱动一一。１１Ｎ下，欲将停靠在，从任何个泊位运动到其他任何个泊位中例如泊位１中的携纱器，运动到２２Ｓ泊位中，可Ｗ做如下操作来实现携纱器的运动。在１编织站的驱动下，停靠在１１Ｎ泊位中的携纱器可Ｗ顺时针转到１１Ｅ／１２Ｗ共享泊１１，然后，停靠在Ｅ／１２Ｗ共享泊位中的携纱器可Ｗ位中，在１２编织站的驱动下２２Ｎ，逆时针转到１２Ｓ／共享泊位中，２２停靠在１２Ｓ／２２Ｎ，最后在编织站的驱动下共享泊位中的携纱器可Ｗ顺时针转两次到２２Ｓ泊位中，完成。只要通过四步法设一计好每个携纱器的运行轨迹，，所有的携纱器都按照既定的轨迹带动纱线运动最后就可Ｗ完成整个编织过程。一一，当个编织循环完成，携纱器又回到了最初的排列状态完成了个机器循，边纱在的行列保持状态不变环。在机器循环中行列运动时。在ｎ个机器循环完一Ｗ－成＾１所＾后，携纱器返回开始所在的位置。单个携纱器的运动轨迹如下图２１９ 天津工业大学硕±学位论文示：．．胃，００〇＾泼？ｏｏ？＾Ｔ０？Ｏ２－图１携纱器运动轨迹整个编织过程就是对Ｗ上步骤的反复执行这样纱线就可一，！＾交织在起从而形成所需长度的编织物。编织物的形状通常决定了纱线器的排列方式，比如编织物为方型Ｉ，则底盘排列为ｍｘｎ的形式ｍ是携纱器在底盘的行数，，ｎ为列数。由＊此可Ｗ计算出＝［１？］，编织所需纱线数量为Ｍｍｎ＋ｍ＋ｎ。由前文可知，在Ｈ维编织机中，携纱器是在编织机的圆形滑道上进行运动，具体的方式是通过机械手抓住携纱器带动携纱器按指定的方向旋转，因此在编织站中所有的控制归根到底都是机械手的的运动一个夹子的作用，机械手起到了，两个机械手对称反向地安装在圆形的支架上一，机械手的动作主要有两个；个是直径方向的伸缩运动一，另个绕轴也旋转运动。伸缩运动是为了夹住或放开携纱器。当机械手伸出时夹住携纱器，当机械手夹住携纱器的时候，编织站就可通过机械手夹着携纱器做旋转运动一，将它放在东南西北四个泊位的任何个泊位中。达到指定的泊位中后，缩回机械手，此时携纱器被放开，根据路径需要由别的机械手继续夹住携纱器，然后通过旋转运动将携纱器带到指定的泊位中。这就是编织站驱动携纱器运动的过程一。携纱器在编织站的驱动下，可Ｗ从编织站的个泊位运动到指定的泊位中一。在个编织站上，系统通过通过２个４２步进电机分别控制两个机械手的伸缩运动一，通过个８５电机控制支架的旋转运动，其中控制主机械手伸缩的电机代号为Ｍ０１，控制次机械手伸缩的电机代号为Ｍ１０，控制支架旋转的电机代号为Ｍｉｌ进而完成控制机械手带动携纱器旋转的任务。通过光电传感器可ｌｉｌ检测到机械手做伸缩运动和旋转运动的位置。因此控制器的核屯、任务就是如何根据路径需求，驱动步进电机，带动机械手的伸缩和旋转动作，进而带动携纱器，使纱线按照合理的路线完成编织任务。１０ 第二章系统总体设计方案２．２系统整体按设计方案正如其前面提到过的，Ｈ维编织机有很多的编织站，每个编织站都有两个机械手通过伸缩旋转带动携纱器的运动。整个编织机是要在所有机械手协调动作的情况下才能确保整个系统安全稳定高效的完成编织任务。因此使用上位机和下位机协调控制的分布式控制系统。一分布式控制系统是种分层管理，集中控制的系统，适用于同时需要控制多｜９［个设备且各个设备的协调性要求较高的大型自动化控制系统１。分布式控制系统一自上而下可Ｗ分为Ｈ层，最下层是下位机控制层，该层的作用主要是接受更上层的控制信号，直接对Ｈ个电机进行控制，从而实现对机械手伸缩旋转运动的控一制，并采集机械手的位置信息化及编织过程中出现的错误信息，传输到更高层Ｐ０］一的控制层。最上层是上位化控制层，该层的作用是汇聚所有底层控制层传来一的各种参数，实时，进行统处理监控各个控制器Ｗ及机械手和纱线器运行状态一Ｗ及故障情况，并对下层控制器发出下步的控制指令，随时对系统中出现的故障进行反应，，或停机或等待，使各个执行机构按照既定的方式协调有序的执行一自己的动作一。该层的中间层则是安装在各个节点的现场总线，起到个连接上下两层的作用，下位机通过现场总线向上位机传递各种参数信息，Ｗ及可能出现的错误信息；同样上位机也通过现场总线向下位机传递所需要的控制指令。上位机拉刺系统０Ａ少＿Ｋ＾＾＇观杨恩线ｒＩ—￣——－－－－＼｜？个＃１＾▼▼ｔ＿＿ｙ＿挖控拉拉带ｄ巧＾刺和Ｉ器器縣渡—ｔｏ＝ｉＩ１Ｉ？￣？？，ｗ古占占执执执执巧巧行行机机机机骂搭璧皆ＩＩＩ１１图２－２分布式控制系统结构图项目中的三维编织机采用分布式控制系统一，具体组成是：首先每个编织站都要有一个控制器来控制电机的驱动，同时要搜集光电传感器传过来的位置信息ＩＩ 天津工业大学硕±学位论文一并转换为数字信号，这就构成了下位机控制系统。然后若干个编织站由个控制一控制器统，构成上位机系统。下位机控制系统主要是为了实现机械手的伸缩运动Ｗ夹住或放开携纱器并且在夹住携纱器的时候带动携纱器现旋转运动。根据前文对编织机结构的详细，编织站的数量众多介绍可知，所占空间有限，所Ｗ在对控制系统进巧设计的时候，应该尽量减少控制系统的元件的体积，同时还必须保证控制精度及可Ｗ准、确地的定位。综合分析，项目采用单片机作为核屯控制器，实现下位机控制系统设计，使用电机带动机械手的伸缩和旋转，从而带动携纱器的运动。为了完成整个编织步驟一，每个编织站需要台电机来控制机械手的旋转，需要两台电机控制Ｐ１机械手的伸缩３，电机的驱动可Ｗ通过单片机对电机驱动器的控制来实现。下位机控制器只需信号的采集和传输作用Ｗ及驱动功能，功能相对简单，所Ｗ只需要一般的成本较低的单片机就可Ｗ完成５Ａ６０Ｓ２。综上分析，项目采用单片ＳＴＣ１２Ｃ芯片作为下位机控制系统的核屯、，通过步进电机控制机械手的运动，步进电机的驱动通过驱动芯片ＴＨＢ７１２及其外围电路进行。上位机的设计目的是为了下位机协调控制机械手的运作。下位机在控制的过程中将机械手的运行状态，位置信息实时反馈给上位机。上位机根据携纱器运行路径的要求、是否有意外事件的发生比如断线的情况化及下位机的运行状况，实时发送控制命令给下位机，决定下位机是否执行。若不能执行，上位机根据实际情况决定停止系统运作，并收集错误信息，将错误信息湿示在人机界面上供人们查询口］。上位机需要处理的数据较多，因此需要性能较高的控制核也。在长期的发展中，用嵌入式控制系统作为分布式控制系统的上位机渐渐得到人们的认可Ｐ４］嵌入式系统完全是使用者根据控制系统的实际需求。，自主开发的控制系统，功能齐全，体积小，功耗降低。而且由于系统是人们根据控制需求研发，所Ｗ在后期的维护调试上也都非常方便高效。鉴于嵌入式系统具有这么多的。优点，目前在控制领域己经占有了不可替代的地位文章将采用嵌入式系统作为上位机控制。在嵌入式微处理器中，ＡＲＭ内核处理器属于发展最为迅速的微处理器，从发展至今，在体系结构上已经经历了７个不同的版本。较为经典的ＡＲＭ９一内核处理器，在，ＡＲＭ９内核处理器的使用频率还是很高的些简单的控制领域。ＡＲＭ－１１的ＡＲＭ从，公司将内核更名为Ｃｏｒｔｅｘ系列。有ＣｏｒｔｅｘＭ系列版本之后，Ｃｏｒｔｅｘ－民系列－，ＣｏｒｔｅｘＡ系列。ＡＲＭ９微处理器具有很多优良的特性：它支持很多高级的嵌入式操作系统，如Ｌｉｎｕｘ系统，ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ系统等。这就方便了后续的软件设计Ｗ及驱动程序的开发。而相比于之前的ＡＲＭ７版本，ＡＲＭ９在设计时加入了更多的晶体管，设计更加复杂，功能也就更加强大。就内核而言，ＡＲＭ９采用了五级流水线，相１２ 第二章系统总体设计方案比于ＡＲＭ７使用的Ｈ级流水线，代码的执行效率更高。时钟频率也是ＡＲＭ７内核的１．８倍。基于ＡＲＭ９的优良特性，是作，加载和存储指令的性能也大大提高ｍ一为嵌入式上位机处理器内核的最佳选择。Ｓ３Ｃ２４１０是Ｓａｓｕｎｇ公司的款产品，内核使用的ＡＲＭ９２０ＴＲＩＳＣ处理器。Ｗ其低功耗高性价比的优势经常被用作手ａｃｈｅａｃｈｅ持设备的开发３Ｃ２４１０所包括的内部组件很广。有指令Ｃ和数据Ｃ，。ＳＭＭＵ４通道ＰＷＭ定时器，ＬＣＤ控６ＫＢ，有１０位ＡＤＣ均为１，内存管理单，制器等。系统将选用Ｓ２Ｃ２４１０作为。丰富的组件为后续的开发提供了很多便捷上位机的核也处理器进行上位机控制器的设计。系统的上位机和下位机之间通过现场总线来连接。目前工业上最常用的现场总线是ＣＡＮ总线。ＣＡＮ总线全称控制器局域网，最初是为了解决汽车上数量众一，９３多的电子设备之间的通信问题，为德国Ｂｏｓｃｈ开发是种多主机局部网络。１９年１１月，ＩＳＯ组织正式颁布ＣＡＮ国际标准ＩＳ０１１８９８（高速应用，速据传输率小于１Ｍ）和ＩＳ０１１５１９（低速应用数提传输速率小于１２５ｋｂ），使得ＣＡＮ磁线成一一脚－为唯个国际标准的现场总线。ＣＡＮ总线节点的硬件构成如图２３所示：Ｉ泌制殺：Ｈｉ巧总线＜＞ＩＩ独立ＣＡＮ铃带将（：化掉制器髓器的ＭＣＵＩ—Ｘ■—＾ＩＩＸＲＸ？１？Ｉ■ＣＡＮ化发器（：化收发器＇ＣＡＮＨ（ＡＮＨＣ：Ａ．＼ＨＣＡＮＬｒ＊１■ＣＡＮ总线图２－３ＣＡＮ总线硬件节点的构成一ＣＡＮ总线节点的构成一：第部分是ＭＣＵ从图中可Ｗ看出，般是Ｈ个部分控制器，决定娜些数据需要转发或对接收的数据进行处理。第二部分是ＣＡＮ控一，ＣＡＮ控制器的制器，报文必须满足定的规范才能被发送作用就把报文转化レ成满足ＣＡＮ规范的ＣＡＮ峽。第Ｈ部分是ＣＡＮ收发器，ＣＡＮ通信介质可ッ是光纤，同轴电缆或者双绞线。在Ｈ维编织机中，主要是下位机单片机通过ＣＡＮ总线向上位机传输采集到的光电传感器的信号转化的数字信号，及纱线断线所１３ 天津工业大学硕古学位论文产生的的断线信号。上位通过ＣＡＮ收发器接收下位机发来的信号，并作出判断，ＡＮ总ＡＮ控一通过Ｃ线向对应的下位机发布控制指令。Ｃ制器分为两类：类是和一ｅｘ－ＭＯ系列微控制器集成在起的诸如Ｃｏｒｔ。系统中选用的微控制器均不集成？此需要先设计ＣＡＮ控制器ＣＡＮ控制器。，因２３本．章小结本章在对编织工艺深入了解的基础之上，详细叙述了机械手带动携纱器进行一四步法编织的工作原理，提出了种分布式控制方式：由上位机发送控制指令，通过ＣＡＮ总线传递给下位机，下位机控制步进电机正反转从而带动机械手控制携纱器运动，并通过ＣＡＮ总线向上位机发送执斤状态及错误信息。Ｉ１４ 第ｓ章硬件系统的设计第Ｈ章硬件系统的设计３．１下位机控制系统硬件概述前文提到过，在单个编织站中，下位机控制系统本质上就是对机械手伸缩运动和旋转运动的控制，其中伸缩运动是通过控制系统两个４２步进电机带动齿轮，一齿轮与机械手之间的晒合来完成的；旋转运动是通过控制个８５电机，通过电机带动支架的旋转来完成。因此单个编织站的控制任务其实就是对Ｈ台步进电机一的控制一。每个编织站使用三个步进电机驱动器分别驱动两台伸缩步进电机和ＴＣ２、台旋转步进电机。使用宏晶科技的单片机Ｓ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ作为控制核屯构成编织站的控制器。３丄１单片机ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２简介一ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机是新代单片机，可Ｗ兼容ＭＣ＾５１，这是宏晶科技一公司的产品：作为新代８０５１单片机，ＳＴＣ口Ｃ５Ａ６０Ｓ２具有很多优势；处理数据的速度较快，有很强的抗干扰能力，代码可Ｗ和传统５１单片机指令代码兼容，￣但是代码运行速度快出了８１２倍。单片机有专ｎ的复位电路，使用的是２６［］ＭＡＸ８１０。除此之外还集成了２路ＰＷＭ，Ｗ及８路１０位Ａ／Ｄ转，非常适合Ｐ７本项目涉及到的电机控制：。巧单片机有如下特点１．代码可Ｗ和传统５１单片机指令代码兼容，运行速度却很快；２工作电压５－．５．Ｖ．；Ｖ３５；３．片上集成内部ＲＡＭ，大小为１２８０Ｂ。４．用户应用程序空间８Ｋｙｉ６Ｋ２０Ｋ／３２Ｋ／４０Ｋ／５２Ｋ／６０Ｋ／６２Ｋ字节等；工作频率范围￣３５Ｍ５．：０Ｈｚ；６．通用Ｉ／Ｏ曰（３６、４０、４４个），复位后为：准双向口、弱上拉（可设置成四种模式：准双向曰，强推挽，仅为输入。开漏每个Ｉ／Ｏ日驱动能力均可达到２０ｍＡ，但整个芯片最大不要超１２０ｍＡ；７．有ＥＥＰＲＯＷ功能；８．ＩＳＰ）／ＩＡＰ，不需要使用专口的编程器和仿真器，通过串口就可向单片机内下载程序，所需时间仅为几秒；９．内部有看口狗定时器，可Ｗ有效的防止程序跑飞；１０．单片机有专口的复位电路，使用的是ＭＡＸ８１０；１５ 天津工业大学硕±学位论文一１１．．３３Ｖ，误差为±５％．外部掉电检测电路；Ｐ４６口有个低压口槛比较器。为１；１２．时钟源：外部具有高精度晶体和时钟，内部有Ｒ／Ｓ振荡器，用户在对程序进行下载的时候可Ｗ自由的对这两者进行选择。常湿下内部Ｒ／Ｃ振荡器频率为；￣ｌｌＭＨｚ１７ＭＨｚ系统对精度没有过于严格的要求，可Ｗ用内部时钟；如果；１３．共４个定时器，每个定时器都是１６位，其中两个定时器与传统的５１定时器兼容，即１６位定时器ＴＯ和ＩＩ，但是没有定时器２，通常用独立波特率发生器４来当串行通讯波特率发生器，再加上２路ＰＣＡ模块，所ｉＡ总共个１６位定时器［；１４．３个时钟输出口．／，，可由ＴＯ的溢出在Ｐ３４Ｔ０输出时钟可由ＴＯ输出时钟，可由Ｔ１的溢出在Ｐ３．５／Ｔ１输出时钟１．０口，独立波特率发生器在Ｐ输出时钟；７一１５．有路Ｉ／Ｏ口中断，般通过低电平触发中断，也支持通过高电平触发中断的ＰＣＡ模块，ＰｏｗｅｒＤｏｗｎＰＣＡ模块。＾ＰｏｗｅｒＤｏｗｎ模式可由外部中断唤醒＇／？１／．．０：？０／？１．３．２１１＼［１１／？３．３１０化３．４了？３５虹０／？３０３的１０，，，，，（也可通过寄存器设置４．２１／Ｐ１ＣＣＰ．４．３到Ｐ）也可通过寄存器设置到Ｐ４）；，（１６．Ａ／Ｄ转换，８路１０位精度ＡＤＣ，其ＡＤ转换速度最快可达到２５０Ｋ／Ｓ；１７．２路ＰＷＭ和２路ＰＣＡ；．双串口ＲＸＤ２／Ｐ１．，可Ｗ分别设置到Ｐ４．．。１８．２，ＴＸＤ２／Ｐ１３，通过寄存器２和Ｐ４３１９具有ＵＡＲＴ；一２０一般工业级的湿度范围和商业级的工作范围有．工作温度范围；定差别，分°°别为－４０￣＋８５Ｃ和０？７５Ｃ；－－－－－２１．：ＬＦＰ４８ＬＱＦＰ４４，ＰＤＩＰ４０ＰＬＣＣ４４ＦＮ４０Ｉ／Ｏ口够时２３．封装Ｑ，，々不，可用到２８６４［］根普通Ｉ／Ｏ曰线外接７４Ｈ１／１６５／巧５（均可级联）来扩展Ｉ／Ｏ口。３丄２步进电机的特性步进电机是可Ｗ把脉冲信号转化为角位移的电机。步进电机通过驱动器进行一驱动，驱动器收到脉冲信号后，根据程序设定的方向驱动电机转过定的角度，一口９］对于特定的步进电机而言，这个角度是个固定值，称之为布距角。在本项目中需要机械手进行伸缩运动，可移动过齿轮与机械手的咕合将旋转运动转化为直一线运动一步。由于步进电机的旋转是Ｗ固定的角度步运行的，因此控制电机旋转的角度可Ｗ通过控制脉冲的发送数量来进行，如果需要对步进电机进行调速，控制脉冲的发送频率即可。步进电机具有没有累积误差的优点，在开环控制系统口Ｗ中得到了大量的应用。与普通电机最大的不同是：步进电机通过脉冲信号进行控制。因此可Ｗ进行，瞬时启动义レ及瞬时停止，而且电机的运转方向很好控制只需要改变脉冲发送的レ顺序就可ッ了。当电机对各相正序通电的时候，电机就正转，当电机对各相反６１ 第兰章硬件系统的设计Ｐ１１向通电的时候，电机就反转，通过改变单片机相关。因此在系统中引脚的控制信号可Ｗ很轻易地改变电机运转方向，从而满足机械手朝任意方向旋转的要求，通过齿轮的作用还可Ｗ带动机械手朝任意方向伸缩。３丄３步进电机的驱动巧片本项目中涉及到Ｈ个步进电机，分别为２个控制机械手伸缩的４２歩进电机一８５步和个控制机械手旋转的进电机。这Ｈ个电机都是两相步进电机，因此可使用ＴＨＢ７１２对Ｈ个两相步进电机进行驱动。ＴＨＢ７１２８是专口用于两相步进电机驱动总片，这款巧片的主要参数如下；１．单巧片两相细分步进电机驱动；２．可实现正反转控制３民＝．双全桥ＭＯＳＦＥＴ驱动，低导通电阻为。ｎｏ．５３化４．直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式；５通过３位选择８档细分控制（１１／２１／４１／８１／１６１／３２１／６４１／１２８），，，，，，；，６．最高耐压４０ＶＤＣ；７．最局输出电流Ｉ〇ｕ尸３．３Ａ；８．ＨＺＩＰ１９封装；９．有复位和使能管脚；口２］１化芯片内部有过热保（ＴＳＤ）和过流检测电路。ＴＨＢ７－１２８的管脚说明如下表３１所示：１７ 天津工业大学硕±学位论文３－１ＴＨＢ７表１２８管脚说明子端子符号端子说明ＩＩ１ＧＮＤ接地＿１ＣＷ／ＣＣＷ正／反转信号输入端ＣＬＫ脉冲信号输入端－ＪＯＳＣ１斩波设定电容连接端ＪＶＲＥＦ电流设定端Ｊ６ＧＮＤ＿＾ＯＵＴ２ＢＢ相ＯＵＴ输出端２ＪＢ相电流检测电阻连接端＾９ＯＵＴ１ＢＢ相ＯＵＴ输出端＿１０ＧＮＤ＾＿ＯＵＴ２ＡＡ相ＯＵＴ输出端ＪＪ２Ａ相电流检测电阻连接端Ｊ＾１３ＯＵＴ１ＡＡ相ＯＵＴ输出端＿１４ＶＭ电源ＶＭ连接端＿１５电源ＣＶＣ端＿１６ｍ细分设置端＿７ｍ细分设置端Ｊ１８ｍ细分设置端Ｉ＿１９ＥＮＡＢＬＥ使能端＿需要说明的是：１、当ＣＬＫ处在上升沿的时候，输出励磁Ｓｔｅ当ＣＬＫ处在下降沿的时候，保ｐ；持励磁Ｓｌ：ｅｐ；２、ＣＷ／ＣＣＷ：低电平时，电机正转；高电平时，电机反转；３、ＥＮＡＢＬＥ：低电平时，输出强制关断，为高阻态；重新置为高电平时，恢复输出。３．２下位机控制系统电路设计出于降低生产成本的需求，也为了使控制电路更加简洁明了。项目对下位机＞控制系统的控制电路进行模块化设计。根据实际功能的需要，控制电路由＾１下几个部分组成：１、单片机电路，其功能是根据控制程序产生控制所需的脉冲信号，其中还包括了给单片机工作提供节拍的时钟电路Ｗ及在意外情况下进行复位的复位电路。２、驱动步进电机运转的驱动电路。３、保证电压稳定输出的电源稳压电路。１８ 第Ｈ章硬件系统的设计３．２．１单片机基本电路３－１这是单片机基本工作电路，具体电路如图所示，送部分电路包含了Ｗ下几个部分：（１）振荡电路：由２２．１８４ＭＨＺ的晶体振荡器及两个３０ｐｆ的陶瓷电容组成。它口连接在单片机的１６引脚和１７引脚上，为单片机工作提供节拍。一一一（２）复位电路：个１０Ｋ的电阻和个ｌＯｎＦ的电容组成。复位电路般有一二两个作用：是使单片机处于初始化状态是当程序在运行过程中出现错误而，使得系统陷入死锁状态的时候，用来使单片机系统初始化，解除死锁状态，保证系统的正常运行。（３）．化、ＪＷ、ＪＮ、ＪＳ：分别是东西南北四个位置输入端子，用Ｗ接收机械手的Ｐ０．．０．１，Ｐ０２Ｐ０．３四个引脚上位置信息。四个端子分别接在单片机的Ｐ０，，，通过光电传感器的输入信号来确定主机械手指向的方向。－）Ｊ４，（４Ｊ０；分别为机动Ｉ／Ｏ端子主夹步进电机控制，副夹步进电机控制，旋转步进电机控制Ｗ及输入端子。Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３分别向３个步进电机驱动巧片输出控制信号。输入端子Ｊ４负责接收编织机的纱线断线信号及纱线器不在泊位信号。９１ 天津工业大学硕±学位论文ＶＣＣ态苗远北智歪聲入满早．—？Ｉ？．ＪＷ；草Ｐ戸ｇｙｗＩｓｐ？ａ２Ｉ＾—１；１；如１１ｒｒ１广ＩＩＩ、’己滿：Ｕ３４单片机系统巧Ｊ１巧如括Ｉｊ．．－塾１觀寸窓黑器巧互某－１－＾－．—ＡＤＣｌ＾．２＼ＳＣＬＸ７。口：Ｐ＼ＤＣｎＺＣＩＸＸＤ＾廣。￣，，化田６４５Ｐ。［Ｖ諮哉＂．ＯＡＤＯＯ為＇；３＇＇—＇ｃｃｐｉ＇ｗ；ｔ還－片！ｔＩ競若国阜了ＡＤ￣貪号ＯＰＯＯ＾５＾—Ｕ化１巧材】化１＾票ｐｆｆ－＝—－■？——１４４—ＣＬＫＯＵＴＴＯ故４ＡＤ２Ｐ０ｌ２＾［＾—ＣＵＣＯｕＴＪＴＩＰｉ＜ＡＤｉＫｉ３—＂―—ｒ＝＾ｒ，：＾＾，．－－－＾ｉ１＾＾．６ＡｌＨＰａ４巧芒！＾—巡化ＴＯＪ—￣￣￣—７了泌５—巧—■—－山化ＳＰ０．５Ｉ＾＾ｋ—Ｘｒ．＼Ｌ—￣＂―件Ｉ．Ｕ３Ｔ．Ｐ０．Ｔ吉＾Ｉ．——＂－Ｇ征巧ＬＶＤＷＡ把Ｔ；ｉｌ―１ｍＱ／ｉｌ３於ｓ‘．—－一￣巧巧＾－０Ｐ４．１：防放ｏｎＪ５４ＭＦ＾或（ｉＸｌ－Ｃ：马‘４０ＦＶＬ１２０巧丰斗９若邀哉說Ｊ＂脚：拉５Ｕ造岂：Ｄ四公訪松。—．ｔＳ其ｔ器■专＝服巧競似畔岩心吟］抑团Ｉ／Ｏ巧子吉ｋ巧逞与志留妄安结享老Ｉ度輪．巧４＾黄送运抗＾奇；＾巧ｉｉｎｉ２？Ｊ４ｖｃｃｎｖｃｃｒｖｃｃ、切ｎｖｃｃｉｎｎｒ＇Ｉ７１￣．Ｉ＇ＦＬＸｒ■－Ｐ３－Ｓ．．．／：ＦＬ巧ＰＵ１３ｔＩＫ３ｔ．；＇防４二ＶＣＣｖｃｃｖｃｃ阶ｔ＇；；－；＇＇＇＊ｒｐｐ＾仇巧－ｚｍ＾Ｅ；；雨，：．：；．４？Ｆｉ．－＇．ｆ．Ｔｖｃｃ．；Ｚｖｃｇｖ；７ｖｃｃ．．広玄＇；Ｔ，￣—￣—‘￣＂ｒ＾石万豆５．ｗｒ反：：互云：、—？！？３．Ｑ！ｖｃｃ．！ｖｃｃｆｖｃｃ！＇献■■．＇■—＂．；开厂＾ｉ：ｉ巧巧＇Ｊ巧犀ｔ反广ｉ忘５＇■＇Ｋ、：－Ｔ：Ｓ巧■巧：抓赴：抗二巧巧￣。犯風。１；】ｇ；—．逆互．．，０１０３０ｒ：＇３－工作基本电路图１ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２３．２．２光电传感器的使用在系统中，机械手的位置信息是很关键的，由于携纱器是在机械手的带动下进行运动，掌握了机械手的位置信息就等于掌握了携纱器运动状态，从而实时检测系统是否按照四步法正常的运动轨迹进行编织，如果没有，则及时传递异常信息，１＾便进行故障诊断。、一一旋转运动个很重要的量就是角位移，通常使用码盘进行测量。码盘是种比较常见的位移传感器一，具有很多优点，例如分辨能力强、测量精度高。码盘般分为两种一，种叫绝对式编码器，这种编码器可Ｗ直接给出角位移的数字码；一种是增量式编码器另，这种编码器是根据脉冲数量通过换算在原有角度的基础之上进行加减运算，得到角位移。绝对编码器中比较常用的是接触编码器：，芭种编码器主要由Ｈ部分组成编码盘、电巧Ｉｊ、电路。这种码盘有很大的缺点，因为码盘和电刷需要接触，接触就会产生摩擦，长久Ｗ来，码盘的寿命就会减少。如果电刷和码道接触不正确还会２０ 第Ｈ章硬件系统的设计很容易产生模糊输出，使结果产生误差。在项目中，使用光电编码器来检测旋转过程中的位置信息。光电编码器的原理是利用光电转换把凡何位移量转化为脉冲。这种传感器目前非常常见，光电编一。码器主要由两部分组成：即码盘Ｗ及光电检测装置组成所谓的码盘就是在个圆形板上开几个方形孔，方形孔等距离的分布在圆形板上。圆形板和步进电动机同轴，通，因此当步进电动机转动，圆形板也会跟着步进电机Ｗ相同的速率旋转过检测装置对脉冲进行检测并计算每砂输出的脉冲个数即可！＾计算出电动机的转速。本项目使用Ｈ个光电传感器来定位，指示东，西，北，南四个位置。在进行±０±０一９〇１８〇的旋转运动时，确定位置。这是种指示两个位置的绝对码盘。０、靠近圆盘边的圆周上有两个方孔，ｌＸ２ｍｍ，与圆屯连线的夹角为９〇。Ｈ个０光电传感器分布在方孔的圆周上，，，之间的夹角也为９〇顺时针排序分别为１，２，３。初始位置为正北方，送时有两个光电传感器，１和２，与方孔重合。此时一光电传感器的读数为１１０，补足４位记为０１１０，这时有个机械手对准了北方，该机械手称为主机械手。在安装接线时要特别注意。另外，，由于机械的原因光０电传感器与主机械爭之间有４５的夹角。００当８５步进电机顺时针旋转９〇时，圆盘和夹子同时旋转９〇，此时光电传感器的输出为００１１，表示主机械手指向东方。继续旋转，用０００１表示主机械手指向南方，，０１００表示主机械手指向西方。后续为了编程的方便会用转化程序将表示位置信息的二进制数进行转化１０００表示北，０１００表示东１０表示南，用，００，０００１表示西。光电传感器还可Ｗ用来指示机械手的伸缩的起点和终点位置。定义机械手头部光电管信号为高位，机械手尾部为低位，则机械手伸出时读数为０１，缩回时读数为０。，通过单片机的输１主副机械手可Ｗ用４个光电传感器检测伸缩信号入端子Ｊ４中的ＩＮ３，ＩＮ４，ＩＮ５，ＩＮ６来读取主副机械手的伸缩信号。３．２．３断线信号采集模块Ｈ维编织机在进行编织的过程中，由于环境中不确定的外力因素Ｗ及纱线本身可能存在的质量问题，有可能会出现纱线断线的问题。由于纱线的基数比较庞大，即使纱线出现断线的概率很小，也很容易会出现断线情况。Ｈ维编织机依靠一旦出现断线的情况所有携纱器带动纱线协调运转才能最终完成编织任务，，就会很大影响编织的质量，因此当编织机出现断线情况的时候，控制系统必须及时收集到断线信息，并作出相应的停机动作。系统用断纱信号采集装置进行采集；在电刷柱上装有两个电刷，电刷柱安装在编织站的顶端，电刷的连线通过编织站２１ 天津工业大学硕±学位论文一．，在两个电刷之间加有电压。另外的主管直向下与单片机的Ｐ２７引脚相连，上方有两个螺钉分别固定在两个装有线轮的滑块下方，线轮在携纱器中受弹黃下，纱线套着线轮向上拉，，压，达到张为平衡。随着张力的变化线轮会上下滑动？控制纱线的张力。如果发生断线的情况，装有线轮的滑块在张力弹黃的压缩下直接落到两对接触片上，使得两个导电环短路，单片机引脚由高电平转化为低电平，产生纱线断线报警信号。通过上位机的显示屏显示断线信息。３．２．４ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２的ＣＡＮ总线设计Ｈ维编织机的上位机和下位机控制系统采用现场总线进行通信，根据前面介一绍一ＡＮ节点ＡＮ，每个可Ｗ进行ＣＡＮ通信的控制器可看做个Ｃ，每个Ｃ节点都有ＭＣＵ控制器，ＣＡＮ控制器和ＣＡＮ收发器Ｈ部分组成。系统选用做位下位机核也的ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２没有集成ＣＡＮ控制器，因此需要自行设计ＣＡＮ控制器接口。文中选用ＭＣＰ２５１５作为ＣＡＮ协议控制器。ＭＣＰ２５１５是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的产品，在工业上很受欢迎，完全支持ＣＡＮ２．０Ｂ。可发送接收标准数据侦和扩展数据侦Ｗ及远程侦。ＭＣＰ２５１５有两个验收屏蔽＇寄存器，它们的作用是过滤掉那些没有用的报文，这样单片机在处理数据上就可３４［（＾省去很多负担。的［？２５１５与ＭＣＵ能够通过ＳＰＩ接口直接连换独立的ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１５的主要功能如下：￣（１）支持ＣＡＮ２．０Ｂ，通信速率可达１Ｍ；０８字节长的数据字既标准和扩展数据帖及远程侦；（２）有两个接收缓冲器，可Ｗ起到优先存储报文的作用；６个巧位验收滤波寄存器；２个２９位验收屏蔽寄存器；（３）对标准顿的头两个字节滤波；（４）有３个发送缓冲器，作用是可Ｗ对发送的报文进行优先级的设定，并且可Ｗ终止发送。ＭＣＰ２５１５由３个部分组成：（１）ＣＡＮ模块：功能是处理所有ＣＡＮ总线上的报文接收和发送。当需要发送报文的时候，然后设置控制寄存器对应的位进，把报文装到相应的发送缓冲器中，也可Ｗ通过对应的引脚进行发送行报文发送。读控制寄存器相对应的位的数据就可了解报文发送的状态Ｗ及出现的错误，所有的在ＣＡＮ总线上的报文都可Ｗ被检测，通过和滤波器相匹配，决定是不是把报文放到发送缓冲器中。（２）控制逻辑；这部分需要和其他模块相连来控制ＭＣＰ２５１５的设置Ｗ及运行，这样就可＾式方便的进行信息传递及控制。控制逻海提供中断引脚，提使得系统的灵活程度有了很大的改善一。每个接收缓冲器都有专ｎ的中断引脚，通过该引２２ 第Ｈ章硬件系统的设计脚可ｙＸ判断出报文有没有被接收，有没有载入接收缓冲器中。控制逻辑模块还有口５］３个引脚，启动送Ｈ个引脚可把接收缓冲器的报文发送出去。当然工程人员也可Ｗ不用这Ｈ个引脚而是用控制寄存器来启动。如果这样，如要用到ＳＰＩ进行访问■。（３）ＳＰＩ协议模块：ＭＣＵ通过ＳＰＩ接□与该器件连接。使用标准指令和专口的ＳＰＩ命令对寄存器进行读写操作。ＭＣＰ２５－１５的引脚及功能如下表３２所示；－ＭＣＰ表３２２５１５引脚及功能说明一名称ＤＩＰ／ＳＯ引脚号说明ＩＩ连接到ＴＸＣＡＮ１ＣＡＮ总线收发器的ＴＸＤＲＸＣＡＮ２连接到ＣＡＮ总线收发器的ＲＸＤ￣￣￣＇ＣＬＫＯＵＴ３带可编程预分频器的时钟输出引脚４发送缓冲器ＴＸＢＯ请求发送引脚或通用数字引脚。Ｖｄｄ上连ＴＸＱＲＴＳＱ内ｌＯＯｋ部上拉电阻５发送缓冲器ＴＸＢ１请求发送引脚或通用数字引脚。Ｖｄｄ上连ＴＸＩＲＴＳｌＯＯｋｆｌ内部上拉电阻—６发送缓冲器ＴＸＢ２请求发送引脚或通用帮字引脚Ｖｄｄ上连。之ｌＯＯｋＱ内部上拉电阻ＯＳＣ２７振荡器输出ＯＳＣ１８振荡器输入Ｖｓｓ９逻辑和Ｉ／Ｏ引脚的参考地￣３ＺＺＩ１０接收缓冲器ＲＸＢ１中断引脚或通用数字输出引脚ＲＸ１ＢＦ■—Ｈ接收缓冲器ＲＸＢ０中断引脚或通用数字输出引脚ＲＸ０ＢＦ￣—１２中断输出引脚ＩＮＴＳＣＫ＼３ＳＰＩ接曰的时钟输入引脚ＳＩＵＳＰＩ接口的数据输入引脚ＳＯ１５ＳＰＩ接口的数据输出引脚—１６ＳＰＩ接口的片选输入引脚ＣＳ．１７低电平有效的器件复位输入引脚ＲＥＳＥＴＶｄｄ８逻辑和Ｉ／Ｏ引脚的正电源］ＭＣＰ２５１５能用片内振荡器或片外时钟源工作。另外，可Ｗ使能ＭＣＰ２５１５一的ＣＬＫＯＵＴ引脚向微控制器输出时钟频，可：ＣＵＣＯＵＴ有个内部预分频器将晶振频率除Ｗ１，２，４，８．可通过设定ＣＡＮＣＮＴＲＬ寄存器来使能ＣＬＫＯＵＴ功能和选２３ 天津工业大学硕古学位论文，选用的是１５ＭＨｚ的晶振８。择预分频比。在本系统中，电容选择为１ｐＦＣＡＮ总线控制器的信息需要通过物理总线作为媒介传送到其他节点上。在本项目中，涉及到的ＣＡＮ节点数量巨大，节点与节点之间还存在着电气特性上的差别，为了避免对系统造成损坏，导致严重后果，所Ｗ不能直接把ＣＡＮ控制器与物理总线相连接一。ＣＡＮ控制器般向外输出数字信号，通常的做法是使用ＣＡＮ收发器将ＣＡＮ控制器和物理总线连接在一起。系统使用的ＣＡＮ收发器是ＰＣＡ８２Ｃ２５０。ＰＣＡ８２Ｃ２５０是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的产品。它具备ＣＡＮ收发器的共性，此外还具有更适合于本系统的特点。它可Ｗ实现ＭＣＰ２５１５和电缆的信息传递，可作为通信接口。ＣＡＮ总线具有差动发送能力，ＭＣＰ２５１５拥有差动接收能力，这些都能够通过ＰＣＡ８２Ｃ２５０实现。ＰＣＡ８２Ｃ２５０最开始设计使用在汽车领域。凭借着强大的优势，ＰＣＡ８２Ｃ２５０在各种工业领域都有了很好的普及。其主要特性如下：Ｉ－（１）与ＳＯ１１８％标准完全兼容；（２）ｔ／ｓ）高传输速率（最高可达到ＩＭｂｉ；（３）具有抗瞬间干扰，可Ｗ对总线进行有效保护；（４）过热保护Ｉ；（５）低电流待机模式；（６）总线与电源及地之间的短路保护；（７）总线可Ｗ连接１１０个节点；（８）末上电节点不会对总线造成干扰；Ｐｄ（９）采用斜率控制，降低射频干扰。ＰＣＡ８２Ｃ２５０收发器，包括很多部件，这些部件有：保护电路、驱动器Ｗ及接一收器、基准电压。，ＰＣＡ８２Ｃ２５０收发器总共８引脚，每个引脚表示某个特定的意－义，引脚的功能如下表３３所示：３－３Ａ表ＰＣ８２Ｃ２５０收发器引脚功能说明１示记引脚功能描述ＩＩＴＸＤ１发送数据输入ＧＮＤ２＾ＶＣＣ３＾ＲＸＤ４接收数据输出Ｖｒｅｆ５参考电压输出ＣＡＮＬ６低电压ＣＡＮ电圧输入／输出ＣＡＮＨ７高电平ＣＡＮ电压输入／输出Ｒｓ８斜率电阻输入ＩＩ２４ 第三章硬件系统的设计；整个ＣＡＮ总线的硬件电路图如图３－２所示。ＭＣＰ２５１５的ＴＸＣＡＮ，ＲＸＣＡＮ弓与ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＴＸＤ，ＲＸＤ引脚之间通过光电稱合器６Ｎ１３７相连。Ｉ脚畑備ｒｉ．百囚ｇｇＢｌ＾ＩＴ１ＩＭ＾１°＾＾’置盛片－－＝＝±Ｌｉ：－Ｓ，ＴＴＴ梓ｐ｜巧－－ｐａｎｒｎ山￣＾＝＝１是ｒ。幸３－２图ＣＡＮ总线硬件电路图一类很常见的问题在单片机系统中，电磁干扰Ｗ及电压冲击问题是。为了减小这类问题带来的影响，通常使用光电隔离器。光电隔离器的原理是通过发光器件将输入端的电信号转化为光信号，再通过光敏器件将光信号转化为电信号输出输出端，这样就起到了非常好。这样输入端的电信号就通过光作为媒介传到了的电气隔离的效果。由于ＣＡＮ总线对数据传送速度要求较高，因此文章中选用高速光电隔离器６Ｎ１３７。它的具体工作原理是：输入端的电信号经过管脚２和管二一脚３后。输出端曰有个光敏二极管，与发，光电隔离器内部的发光级管导通光二极管由专口的光通道进行连接。当发光二极管导通后，光敏二极管接收到光转化成电压信号送到与口的一信号也随即导通，转化成电流信号，再将电流信号一端接电源，始终为高电平，输出高电平送端。与口的另，此时两个高电平相与到Ｈ极管的基极，此时Ｈ极管导通。前文提到过，每个ＣＡＮ总线收发器最多可Ｗ挂载１１０个节点，但是整个编一个节点。本项目设定最大站点织机可能需要上万个节点，每个编织站点相当于＊一一１，数为１００００个，即１００００规模。那么设每行用个ＣＡＮ总线网络通讯毎一一一００个ＣＡＮ总线网络列再用个中继器，然后１列的中继器再组成。被用作ＣＡＮ收发器一中继器的单片机需要集成两个ＣＡＮ控制器和，个与下位机编织一。战组成ＣＡＮ网络，个与上位机连接进行通信３．２．５步进电机驱动模块电路根据前文介绍。在本系，步进电机需要通过驱动电路进行驱动才能正常运转过一个驱动模块进行统中，每个步进电机需要通，每个编织站需要Ｈ个步进电机２５ 天津工业大学硕±学位论文驱动，因此每个编织站需要用到Ｈ个驱动模块。系统使用ＴＨＢ７１２８作为驱动巧一片，在驱动芯片的周围设计些外围电路，这就形成了驱动电路，通过接收单片－机的脉冲来控制步进电机。送种驱动电路比较简单而且节省成本，如图３３是驱动电路图，根据芯片的性能，将Ｈ个ＴＨＢ７１２８巧片通过光电賴合器与单片机Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３端子对应引脚相连，这样就可Ｗ接收到单片机产生的脉冲信号。每个编织站中的吉个步进电机均为两相四线，所Ｗ可把步进电机直接插入Ｊ１插口中，通过编写好的程序控制电机的转停Ｗ及转动方向。驱动芯片的供电电源使用的是２４Ｖ，为了保证电机工作在５Ｖ的电压下，使用ＬＭ３１７设计稳压电路。根据＝－Ｖｏ国３３标注３１７１．２５ｌ＋Ｒ１８／Ｒ１７。，ＬＭ作为稳压电源的输出电压的计算方法为（）３７］［、如果单纯从公式本身的角度上来看，民１７Ｒ８２的电阻值可Ｗ进行更改，然而Ｒ１７和民１８是固定值，本电路选择的Ｒ１８为３．６ＫＱ，民１７为１．２ｍ。为了防止机。械手在转动过程中的过运动，使用限位开关进行保护限位开关与单片机的两个引脚通过光电锅合连接一，分别检测两个极限位置，当机械手转动到个极限位置时，限位巧关内部Ｈ极管导通，输出低电平，通过编程方式控制单片机停止发送。脉冲，电机停机Ｉ￣￣，？言＾。，．ｔ口―，巧仿》４－甲．〇，．±呼１Ｋａ巧己？，Ｔｚｚ＂ｈｓｚｄｎ＞ｃｅｒｅｏｌｔｚａ？ｎｒ；！巧如由｜前匹Ｊｉ＿＿化《＊Ｉｐ｜ｊ＿二Ｉ＂ｏｏｅｃｍＩｏｉＴ＾，血ｉｆ益Ｉ＾ＩＩ傅甲；片巧＇＇＇，－ｓｅ，＊—？戸？＾遷ｍ４沪＾ｌｉｐ图３－３步进电机驱动模块电路３．２．６携纱器在泊位信号判断模块２６ 第Ｈ章硬件系统的设计编织站在驱动携纱器时，必须知道它所要驱动的携纱器在不在泊位中，还一要知道驱动路径的泊位中有没有携纱器。为了判断携纱器是否在泊位，在每个编织站的四个泊位中都设计有光电管对，安装在两个定位珠的中间处且向中，并一也沉进去段距离，，Ｗ防止外界光线干扰。携纱器在泊位时由于携纱器下端的。圆柱在泊位中，阻挡正相对的光电管对所接收不到信号为了避免自己发射自己接收，携纱器下端的圆柱涂成亚光黑。携纱器不在泊位时，正相对的光电管对，Ｐ１．２５都可Ｗ接收到信号。光电管分别与单片机Ｐ１．１，Ｐ１．３Ｐ．２相连。当接收到，信号时，引脚为低电平，反之引脚为高电平。３．３上位机模块的设计一一一在个Ｈ维编织机中有很多的编织站，每个编织站用个５１单片机作为一主控制器，个独立的单元。但是编织机的，和步进电机光电传感器等硬件组成运转需要每个携纱器按照四步法的路径走动，这时候就需要上位机拴制器对每个单元进行协调控制。上位机的主要作用是通过下位机控制器采集机械手的运行状态信息，主要是位置信息，携纱器是否在泊位信号等。对下位机传来信号。Ｗ及纱线的断线信号一进行处理并对下位机发出相应的程序号，决定下步的运行方式。同时上位机通过显示屏可Ｗ将下位机的运行状态显示出来，直观反应给工程人员。同时上位机通过艮８４８５与计算机连接，进行程序下载，也可＾＾通过计算机进行远程监控和操作。３．３．１显示模块设计上位机的一个重要功能就是随时掌握编织机系统的运斤状态。为了让人们可Ｗ直观的掌握编织机的运行状况，必须要设计显示模块。系统选用ＬＣＤ作为整个系统的显示模块。ＬＣＤ是目前工业上应用范围较广的显示屏。很多著名的企业，如Ｈ星，飞华硕都有很强大的ＬＣＤ研发技术一个液晶。ＬＣＤ的组成主要是两层玻璃板夹着。盒，下层板上装有薄膜晶体板，上层板装有彩色滤光片随着薄膜晶体管上的电，压变化，液晶盒里的液晶分子的运动方向也会发生变化分子运动的变化控制着偏振光是不是可Ｗ顺利射出口８，偏振光射出则可Ｗ正常显示。屯ＣＤ的主要优点在于：（１）有很好的对比度；（２）ＬＣＤ具有较强的亮度；２７． 天津工业大学硕±学位论文（３）响应时间很快；（４）可视角度较广。Ｓ３Ｃ２４１０本身集成了ＬＣＤ控制器，ＬＣＤ控制器内部的结构如图所示：Ｓｙｓｔｅｍ＾？ＶＣＬＫ￣？了Ｉ細．祐Ｘｎ＿儒Ｂ拖ＫＬＶ却—＊ＶＦＲＡＭＥ：獅邸奶——＂卿￣￣￣￣－—ＭＵＸ；「；—．ＬＰＣ３６００Ｈ＿＿＾ｌＣＤＶＦＯ—１＾—ＬＣＤＶＦｌ￣￣￣？＿＿ＬＬＶ饥甲３＾＊ＬＣＤＣＤＭＡ一別孤ｉｆ６偽ＶＤ［２３〇热Ｉ：］Ｌ＿…．…图３－４２４Ｓ３Ｃ１０的ＬＣＤ控制器结构图正确的连接是保证ＬＣＤ显示屏正常工作的关键，显示屏与控制器的主要几个信号线如下所示：一－１ＶＤ２３：１９ＶＤＩ１５；１０３ＶＤ７：３：（）［］，，［］分别对应Ｒ，Ｇ，Ｂ分色信息，个ＲＢ共一Ｇ１６ｂｉｔｓ的沮合代表了。，，个象素的信息２ＶＣＵＣ：数据传ＶＭＬＣＤ控（输时钟，在数据有效的情况下（），制器送出的数据）在ＶＣＬＫ的上升沿送出，在ＶＣＬＫ的下降沿被ＬＣＤ驱动器采样。３ＶＬＩＮＥ／ＨＳＹＮＣ：行同步信号，ＬＣＤ控制器在整个水平线数据移入ＬＣＤ驱动（）器后插入一个ＶＬＩＮＥ信号。４ＶＦＲＡＭＥ一（）／ＶＳＹＮＣ：峽同步信号，ＬＣＤ控制器在个完整帖显示完成后立即一插入个ＶＦＲＡＭＥ信号一，并开始新的倾。５ＶＭ／ＶＤＥＮ：数据有效指示，该信号有效下的数据长度刚好为１行。ＬＣＤ显（）示技术为ＦｒａｍｅＢｕｆｅｒ技术，所ＷＬＣＤ屏幕不用集成控制器。，ＬＣＤ本身也不需要进行任何改变。本系统选用夏普公司的ＬＱ０８０Ｖ３ＤＧ０１，分辨率为６４０Ｘ４８０．这款适用于Ｓ３Ｃ２４１０该种带ＡＤＣ和ＬＣＤ控制器的ＭＣＵ。它与Ｓ３Ｃ２４１０的连３－５接电路如图所示：２８？？ 第三章硬件系统的设计ＷＵＸ）８０Ｖ３ＤＧ０１Ｃ２４１Ｑ￣＇ＶＤ２３ＶＤ１９ＺＺＺＺＺＺ＾ｙ＇￣ＶｒｎＳＶＤ。Ｇ４Ｇ０＞＇＇ＶＤ７ＶＤ３ＺＺＺＺＺＩＢ４Ｂ０ｙＣＫｖｅｉｌ？ＶＤＥＮ？ＥＮＡＢＨＳ脚Ｃ？Ｈｎｃ巧ＶＳＹＮＣＶｎ？ｃ巧－５显示屏与Ｓ３Ｃ２４图３１０的连接电路３．３．２触摸屏模块设计Ｉ一ＬＣＤ使用触摸屏是种常见的输入设备，配合。在Ｈ维编织机中，通过一触摸屏，，工程人员可控制编织机的启动和暂停便于对系统的维护。触摸屏般分为电阻式四线电阻式触摸屏是最受欢迎的一类触、电容式和表面声波式等，摸屏。这种触摸屏的主要组成部分是两个透明电阻膜。触摸屏巧使用时，通过对电阻膜水平和垂直方向上加电压，再通过Ａ／Ｄ转换，就可Ｗ知道触摸点处的坐口９］Ａ／ＤＢＢ标值，使用公司的。转换主要是通过触摸屏控制泣片进行，在项目中４一产品ＡＤＳ７８３１２，，运是款位转换芯片触摸屏部分直接安装在ＬＣＤ表面即可－。ＡＤＳ７８４３控制总片接口电路如图３６所示：２９ 天津工业大学硕±学位论文——ＳＰＩＣＬＫＯ＾ＤＬＣＫＶＣＣ３ＶＩ３．ＩＧＰＧ完Ｘ＋＋１２Ｘ＾＇Ｄ巧＋Ｙ＋ＭＯＳＴＯ式、－ＧＰＧ６ｂｕｓｙＸＸ－．眶－？ＭＹＩＳＯＯＹＰＨＮＧＰＰ日ＩＫＯ齡口Ｉ１３￣ＶＣＣ３－Ｌ．３Ｖ告ＩＮ触摸屏＾＊ＶＥ—ＲＦＩＮ４１ＩｆＲ１ＯＯＫＱ＝ｌＣｌｐ１０４ｐＦ图３－６触摸屏控制芯片接曰电＋－－８４３图中化、Ｙ、Ｘ、Ｙ为ＡＤＳ７的模拟输入端，分别连接到触摸屏的四根数据线上。ＣＳ为ＡＤＳ７８４３的片选线，ＤＩＮ为串行数据输入端ＤＣＬＫ作为外，部时钟输入引脚，其作用是为控制苍片的ＡＤ转换和提供时钟，ＤＯＵＴ为串行数据ｌｌｌｉ出端，实现串行数据的主出从入化及主入从出，当ＣＳ引脚为低电平时，输入数据在时钟的上升沿将串行数据锁存，在时钟的下降沿数据由ＤＯＵＴ移位输出，当ＣＳ为高电平时，ＤＯＵＴ为高阻孩ＢＵＳＹ为忘片处理的忙标志，当ＣＳ为低电平且ＢＵＳＹ为高电平时，表示芯片正在进行ＡＤ转换；ＰＥＮＩＲＱ为笔触中断，低电平有效，需要外接ｌＯＯｋｎ上拉电阻；ＶＲＥＦ为参考电压输入端。３．３．３存储器扩展由于Ｈ维编织机的数据交换量较大，控制器需要有足够量的内存。Ｓ３Ｃ２４１０可Ｗ连接Ｗ下内存容量：２Ｍ、４Ｍ、１６Ｍ、３２Ｍ、６４Ｍ、１２８Ｍ，可Ｗ选择的数据宽度为８，１６３化ｉｔ宽度。在本项目中连接的是６４ＭＢ内存择的数据宽度，，选为３２位。Ｓ３Ｃ２４１０中ＤＲＡＭ可Ｗ占用的地址空间为ＢＡＮＫ６和ＢＡＮＫ７，每个＂ＢＡＮＫ有口８ＭＢ地址空间ＢＡＮＫ６［］。，设本项目中选用３０＇■．■．■． 第Ｈ章硬件系统的设计ＬＡＤＤＲ２巧２ＬＤＡＴＡＯＬＡＤＤＲ２巧２ＬＤＡＴＡ１６化ｂＡ０ｂｌｌＬＡＤＤＲ３２４４ＬＤＡＴＡ１ＬＡＤＤＲ３２４４ＬＤＡＴＡＩ７Ａｌｂ２Ａ１ｂ２ＬＡＤＤＫ４巧５ＬＤＡＴＡ２ＵＤＤＲ４２５５ＬＤＡＴＡ１８ｂ３化ＷＡ２ＬＡＤＤＫ５犹７ＬＤＡＴＡ３ＵＤ０Ｒ５２６７ＬＤＡＴＡ１９Ａ３ｂ４Ａ３ｂ４．８ＵＬＡＤＤＲ６２９８ＬＤＡＴＡ４ＬＡＤＤＲ６２９）ＡＴＡ２０Ａ４ｂｌＡ４ｂｌＬＡＤＤＲ７３０１０ＬＤＡＴＡＳＬＡＩ？Ｒ７３０１０ＬＤＡＴＡ２１化ｂ２化ｂ２ＬＡＤＤＲ８１１１ＬＤＡＴＡ６ＬＡＤＤＲ８３１１１ＬＤＡＴＡ２２３化ｂ３化ｂ３ＬＡＤＤＲ９３２３ＬＤＡＴＡ７ＬＡＤＤＲ９３２１３ＬＤＡＴＡ２３１Ａ７ｉＡＡ７ｂ－１ＵＤＤＲＩＯ３３４２ＬＤＡＴＡ８ｂ＼ＤＤＲ１０３３４２ＬＤＡＴＡ２４ＳｂＡ８ｈｉＡｌＵＤＤＲｌｌ３４ＬＤＡＴＡ日ＬＡＤＤＫＵ３４４４ＬＤＡＴＡ２５。Ａ９ｂＡ９拉ＬＡＤＤＲＩ２２２４日ＬＤＡＴＡＩＯＬＡＤＤＲ１２２２４５ＬＤＡＴＡ２６Ｏ３ＡｌＯｂ３ＡｌｂＬＡＤＤＲ１３巧４７ＬＤＡＴＡｌ１ＬＡＤ抓１３３５４７ＬＤＡＴＡ２７Ａ＂ｂ４Ａ。Ｍ３６４８ＬＤＡＴＡ２ＬＡＤＲ４３６４ｆｉＬＤＴＡ２８ＵＤＤＲ１４ｌＤ１ＡＡ１ｂｌＡ１２ｂｌ２ＢＡＮＫ—ＳＥＬ如５０ＬＤＡＴＡｌ３ＢＡＮＫ—ＳＥＬ２０５０ＬＤＡＴＡＣ９ｇｂＢＡｂ２ｂａ２ＯＬＡＤＤＲ２５２１ＳｉＬＤＡＴＡ１４ＬＡＤＤＲ２５２ｌ５１ＬＤＡＴＡ３０ｂＭＢＡｌｈ３ｉ３５３ＵＭｍＳ３ＬＤＡＴＡ３５１ｂ４ＭＬｎＷＢＥＯ１５ＬｎＷＢＥ２１５ＬＯＯＭＬＤＱＭＬｎＷＢＥｌ３９１９ＬｎＣＣＳＣＬｎＷＢＥ３３９１９ＬｎＧＣＳｆｉＩＤＱＭｎＳＣＳｌｉＤＱＭｎＳＣＳ巧ＬｎＳＲＡＳ化ＬｎＳＲＡＳｉＳＫＡＳｎＳＲＡＳＬＳＣＫＥ３７１７ＬｎＳＲＡＳＬＳＣＫＥ３７１７ＬｎＲＡＳＳＣＫＥＳＣＡＳＳＣＥＳＣＡＳＳｎＫｎＬＣＫＯ如６ＬｎＷＬＳＣＩ－Ｋｌ３８１６Ｉ－ｎＷＥＳＬ１ＥＳａＫｎＷＥＳＣＬＫ＂化ＶＤＤ巧ＶＤＤ３３２８１Ｑ２８１ＱＶＳＳＯＶＤＤＯ〇ＶＳＯＶＤＤＯ〇ＩＳＩ４１１４４１１４Ｖ孤ＶＳＳｌＶＤＤｌ１１ＶＳＳｌ１〇〇５７５４７４２ＶＳＳ２Ｖ２Ｖ孤〇ＤＤ２〇巧Ｓ２—ＶＳＳＱＯＶＤＤＱＯ—〇—ＶＳＳＯＯＶＤＤＱＯ—１９１２９２ＩＶＳＶＤＤｌＶＳＳＯｌＶＤＤＣＳＱｌＱｉｋａ〇４６４３４６Ｉ４３ＶｙＤＶＳＳＣＶＤＩＸ２ＳＳ胳Ｄ２ｒＪ〇Ｑ〇日〇４９５２４９＾化Ｓ的ＶＤＷ３化ＳＱ３ＶＤＤ３？〇Ｑ，〇￣￣Ｃ２二二二二Ｃ３Ｃ４二二二二Ｃ５１０３ｐＦ１０化Ｆ１０３ｐＦ１０３ｐＦＩ？１Ｉ．．．－？图３－７ＤＲＡＭ扩展硬件连接图ＳＲＡＭ芯ＨＹ５７Ｖ５６－文章选用的ＳＤ片为两片１６２０ＢＴＨ，连接方式为位扩展，这两片ＳＤＲＡＭ的容量分别为ｌＢａｎｋＸ４ＭＸ１６ｂｉＵＢａｎｋ的地址可Ｗ通过ＢＡ［１：０］与地址总线的高位相连来确定，芯片通过行地址锁存引脚ｎＳＲＡＳ和列地址锁存引脚ｎＳＣＡＳ分别与Ｓ３Ｃ２４１０的ＳＤＲＡＭ行地址锁存引脚ｎＳＲＡＳ和列地址锁存引脚ｎＳＣＡＳ连接，通过地址总线获得行列地址。列地址的位数可在＝＝＝ＢＡＮＫＣＯＮｎ（ｎ６７）中的ＳＣＡＮＢＡＮＫＣＯＮｎ［ｌ：０来配置００化ｉｔ、０１９ｂｉｔ、，］（＿＝１０１０ｂｉｔ。内存占用Ｓ３Ｃ２４１０的ＢＡＮＫ６编址空间，根据Ｓ３Ｃ２４１０手册定义）３０００００００－ＯＸ３３ＦＦＦＦ巧脚内存地址范围为；ＯＸ。＿＿Ｓ３Ｃ２４１０支持从ＮＯＲＦＬＡＳＨ和ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ启动。其中ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ存储容量很大、成本较低，在肩动时，根据外部引脚配置的情况，ＣＰＵ就可３１ ．．天津工业大学硕壬学位论文选择从哪个设备启动。在本项目中，使用ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ巧片Ｋ９Ｆ口０８做非易失性存储器，该芯片为６４Ｍ。ＬＤＡ１Ａ７１０７—／—１／０６ＬＤＭ化—１／０５＂＇ＩＤＡＩ叫——Ｒ／ｂ１／０４里巧＿＿Ｌ巧雅＿ＬＤＡ＂２—ＣＬＥ—１／０２ｌｄａ＂ｉ＾化Ｅ—１／０１——己丽／００——￣，＾＿Ｌ丽ＶＤＤ３３＂—ｓｉＷ—＾化ｓＶＣＣ马！？己，化ＶＣＣ—Ｏ、Ｃ６牛…：３ｐＦ－ＮＡＮＤ图３８Ｓ３Ｃ２４１０ＦＬＡＨ接口电路；ＮＡＮＤＦＬＡ組占用ＢＡＮＫＯ地址空间。所ｌｕＦＬＡ細的地址空间为：－ＡＮＤＦＬＡＳＨ０ＸＯ０ＯＯ００ＯＯＯＸＯ３ＦＦＦＦＦＦ。对Ｎ的模式配置方法为：＿＿１通过ＮＦＣＯＮ寄存器配置ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ。（）（２）写ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ命令到ＮＦＣＭＤ寄存器。（３）写ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ地址到ＮＦＡＤＤ民寄存器。（４）在读写数据时通过ＮＦＳＴＡＴ寄存器来获得ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ的状态信息。应该４３在读操作前或写操作后检查Ｒ［］／ｎＢ信号。３．３．４通信模块的设计一上位机的通信模块分为两个部分，个是和下位机单片机的通信，用于机械手运行状态信息的传递Ｗ及对下位机指令的传达另一部分是和ＰＣ机通信用于；程序的下Ｗ及远程控制。上位机与下位机之间的通信通过ＣＡＮ总线来完成。Ｓ一３Ｃ２４１０没有ＣＡＮ控制器，因此需要先设计ＣＡＮ控制器。同下位机样，上位机也可使用ＭＣＰ２５１５作为ＣＡＮ控制器，使用ＰＣＡ８２Ｃ２５０作为ＣＡＮ收发（：之间的连接采用民３４８５总线标准过，在文章中器。上位机控制器与？，可［＾１通ＭＡＸ２＾芯片向把ＲＳ－２３２电平变为ＴＴＬ电平了ＴＴＬ电平ＲＳ４８５，再将转化为－８５－－电平，转化巧片使用的是ＭＡＸ４。ＲＳ２３２与ＲＳ４８５电路转化图如图３９所示：巧 第Ｈ章硬件系统的设计ｎｏＩＶＣＣｆｆｖｃｃ。ＴＩＭＩ下Ｉ２．１■■■Ａ＿ｒＲ２盈ｉ／５＿Ｚ／１１＾Ｂ沖３Ｉ‘１１＂ｎ１￣￣＂￣？了—ｒ气＾巧口一＊＾—Ｕ／Ｔ３０ＵＴＵ〇一＿１Ａ１３１２Ｓ—＿－Ｒ．，ｓ圓＾ＧＷ）＊—Ｒ２。Ｒ—２０ＣＴＭＡＸ４８ＴＥＳＡ化ｃ一Ｌ晒柳厂＊ｃｇＸ１ｉｐＨＡＸ２３２化Ｅ－９Ｒ图３ＲＳ２３２和Ｓ４８５转化电路图３．４本章小结．屯、本章在对分布式控制系统进行了阐明并对核处理器进行选择的基础上，对整个控制系统的硬件需求做了深入分析，对各种模块巧片的性能进行了严格的对比和筛选。最终对硬件系统的各个模块进行了搭建。主要有下位机单片机控制系驱动模块Ｗ及机械手位置采集模块，断线信号采统，ＣＡＮ通信模块，步进电机，，携纱器不在泊位信号采集模块存储模块＾文及通信模集模块，上位机显示模块块。３３ 天津工业大学硕±学位论文３４ 第四章系统的软件设计第四章软件系统的设计一种自上而下的分布式系统文章采用的是，因此软件设计也按照分布式软件设计的思想来进巧。主要分为上位机控制程序，下位机控制器程序和ＣＡＮ通信程序。上位机Ｓ３Ｃ２４１０控制：主要负责对各个下位机发送指令系统控制程序主要对各个子节点送来的数据进行分析和处理。ＣＡＮ总线通信负责把宏指令Ｗ报文的形式发送给下位节点单片机。下位机单片机控制：单片机分别控制各个步进电机、光电传感器，根据上位机Ｓ３Ｃ２４１０传来的程序号运行，控制机械手的伸缩－旋转，带动携纱器转动完成编织工艺规定的路径。总体设计思想如下图４１所示：Ｓ３Ｃ２４０＜—１ＰＣ机２ｉ通讯驱动ＣＡＮＨＩＣＡＮＬ￣￣￣￣￣￣￣￣ＣＡＮＣＡＮＣＡＮＣＡＮ节点１节点２节点３节点ｎ单片机单片丰化啦片相Ｌ单片衫Ｌ４－图１系统软件总体设计思想４．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统开发环境的搭建４丄Ｉ建立交叉编译环境本系统开发过程中使用虚拟机安装Ｕｂｕｎｔｕｌ０．０４作为嵌入式操作系统的开发工具，为了实现虚拟机上虚拟操作系统与ＰＣ机操作系统之间的文件共享，需要先建立共享文件夹其步骤下：３５ 天津工业大学硕±学位论文。＂’１）打开Ｕｂｕｎｔｕｌ０．０４的编辑虚拟机设置选项卡，选挥郑聊选项卡，选掉典＂＂＂享文件夹选项，在右侧区域选择总是启用，并选择添加；＂＂２）在添加巧享文件夹向导中设置主机路径及名称；＂＂３）属性设置完成后，右下侧区域会显示共享文件夹的名称和路径，点击确定选项。完成共享文件夹的建立后，安装交叉编译器步骤如下；－１）ａｒｎｕｘ－将从网上下载的版本号为３．４．５的ｍＩｉｇｃｃ交叉编译工具的压缩文件，并将压缩包拷贝到之前建立的共享文件夹中；２）对该压缩文件进行解压操作，解压完成盾生成各种交叉编译文件；３）为了使开机自动设置ＰＡＴＨ，使用ｖｉｍ命令打开／ｅｔｃ／ｐｒｏｆｉｌｅ配置文件修改，添＇＝－－－口ｅｘｏｒｔＰＡＴＨ／ｏｔ／ｃｃ３．５２ＰＡＴＨ力．４ｌｉｂｃ．３．６／ｂｉｎ：￥ｓｏｕｒｃｅ／ｅｔｃ／ｒｏｆｉｌｅｐｐｇｇ，再使用ｐ命令，保存更新环境变量的设置，使之前的设置生效。经过Ｗ上操作即可完成对嵌入式开发所需安装交叉编译工具的安装。４丄２移植Ｕ－ｂｏｏｔＵ－ｂｏｏ－ｔ移植时，在适用与Ｓ３Ｃ２４１０开发板的ｕｂｏｏｔ上进行修改可Ｗ大大节省时间。其移植步骤如下：）－１将从网上下载版本号为Ｌ１，将该压缩文件复制到到共．６的Ｕｂｏｏｔ压缩文件享文件夹并对该压缩文件进行解压操作；－２）解压后．，根据ｕｂｏｏｔ／ｂｏａｒｄ／ｓｍｄｋ２４１０目录下的文件，建立文件ＪＺ２４４０Ｃ和配置文件店２４４０．ｈ，并修改顶层Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件。３）修改ＪＺ２４４０．Ｃ中的部分代码，如对时钟频率的设置、获取系统时钟的函数，使其支持本开发板。４）增加对所用ＡＲＭ板相关外设的支持，如ＤＭ９０００、ＮＡＮＤＦＩａｓｈ等。４５［］５）完成配置后使用ｍ沁ｅ进行编译。４丄３移植Ｌｉｎｕｘ内核－ｂｏｏ对于嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统而言，内核经过处理Ｕｔ传入的参数（是否支持本ＣＰＵ、是否支持本单板等）、建立页表并使能ＡＲＭ板的内存管理单元ＭＭＵ等操作后，跳转到ｓｔａｒｔｋｅｍｅｌ函数，通过该函数后动内核，内核的最终目＿的是挂接根文件系统。内核的移植步骤如下；１）将从网上下载版本号为２．．６２２的内核压缩文件，并将该压缩文件复制到共享文件夹中并进行解压操作。３６ 第四章系统的软件设计Ｊ２）修改Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件。，添加交叉编译链３）先执斤ｍａｋｅｓｍｄｋ２４１０ｄｅｆｃｏｎｆｉｇ，对内核进行与Ｓ３Ｃ２４１０开发板类似的配置，＿减小后期配置的操作量。再使用ｍａｋｅｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ命令进行ＣＰＵ、串口、触摸屏－相关的配置，配置界面如图４２所示。ｒｏｗ？？？Ａｋｅｎａｖｉａｔｅｔｈｅ赚ｎｕ．＜Ｅｎｔｅｒ＞ｌｔｓｓ＞．圓ｒｙｓｇｓｅｅｃｓｓｕｂｒｅｎｕＨＨｉｈＵｇｈｔｅｄｌｅｕｅｒｓａｒｅｈｏｅｙｓ．Ｐｒｅｓｓ主ｎ＜Ｙ＞ｉｒＫｌｕｄ芭ｓ，＜Ｎ＞ｅｘｃｌｕｄｅｓｇ化ｇ，对＞？ｒ！脱Ｋｌｕｌａｒｉｚｅｓｆｅａｔｕ化ｓ．Ｐｅ巧巧ｓｃｘＥｓｏｔ日ｅｘｉｔ＜？＞ｆｏｒＨｅｌ＜：画，ｐ，／＞＊＞ＩｆｏｒＳｃｈ－，ｌｅｎｄ：ｂｕｉｌｉｎｅｘｌｕｄｅｄ＜Ｈｕｌｅ＜＞ｅａｒｇｅ［］ｔ｛］ｃｉ＾ｄ．－－■＞圓ｙｓｔｅｍＴｙｐｅ（ＨＥ２ＢＢ３５Ｈ３ＢＢＳ■■■ＫｅｒｎｅｌＦｅａｔｕｒｅｓＢ＾ｔｏｏｔｏｐｔｉｏｎｓＨ巧ｏａｔｉｉ＾ｇｐｏｉｎｔｅｍｕｌａｔｉｏｎｍ－？－Ｉ；；ｓｅｒｓｐａｃｅｒｆｏａｔｓ＞ｂｉｎａｙｉｎｔｏｔｉｏｎｓ－－－Ｂ护ｏｗｅｒ反ａｎ身ｇｅ输ｐ＞ｉ，—隱Ｈ＾ｒｔｗｏｒＮｌｎＩ弓Ｈ－？－＞Ｉ；＾ｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒｓ？？－＞Ｆｉｔｅｓ＾ｓｔｅｓｓ画ｊ齡－－？■巧ｆｌｌｉｉｉｇ如Ｐ９〇ｒｔ＞誦颗職巧＜￡？ｉｔ＞＜Ｈｅｌｐ＞＾ｆｃｐｉｉ—ｉｉｉｉｉｌ麵■■Ｍｉ画－■■■－圓■一＂＇ｆｌｉｉｆａｉ抑曲１町ｐｒＴｍｉｎｉ＂…ｉｍｍ—ｊｊｐｉｊｆｔ图４－２内核配置界面．４．４构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统．．１最后一些系统进，还需要加载根文件系统才能够完成内核启动，还需要自举程。Ｌｉｎｕｘ支持的文件系统较多，因此很多类型的文件系统都能够被加载成Ｌｉｎｕｘ的根目录，这些系统主要有ｅｘｔ２、ｒｏｍｆｓ、Ｗ及ｎｆｓ。这些系统存在于硬件设备介质中，必，在内核启动前须先弄清楚每个根文件系统所对应的硬件设备分别是什么，并且要知道文件系统属于哪种类型。当文件系统的安装过程结束后，内核开一始启动些可执行进程文件，设置运行环境并进入ｓｈｅｌｌ，这样启动就完成了，４６用户程序可使用［］。４．２驱动程序的编写系统主要开发的设备驱动程序主要有ＬＣＤ驱动，触摸屏驱动，串口驱动Ｌ义及ＣＡＮ驱动。所谓的驱动程序可Ｗ看做是设备与内核的接口，通过这个接口，内核一一才能够对硬件进行控制，。有了驱动程序之后，设备就好像个文件般程序就一些具体细节可Ｗ用操作文件的方法对硬件进行操作，而不必在意硬件存在的。３７ 天津工业大学硕±学位论文一，驱动程序被开发出来之后，就是内核的个组成可Ｗ读取硬件发送给内核的信＾息１。，也可＾＾把内核需要发给硬件的数据顺利发出驱动程序主要可１＾分成两个一一部分；部分是中断处理程序。般来说，处理器都是朝着高速的方向发展的，■Ｄ所处理数据的速度是非常快的，触摸屏和串口这些硬件设备不是专口而ＩＸ，为了处理数据而制造的，，所在速度上会和处理器有着很大的差别所Ｗ这就会一一一产生个矛盾，处理器处理完个硬件的信息后，硬件还没有做好下个信息的一，发送准备，如果处理器直等硬件，就会从整体上拉低处理器的速度中断处理程序在这个时候就发挥了作用。当设备还没有完成对处理器的数据发送的时候，处理器可ｙｉ？先进行其他的工作，当设备完成数据发送，需要处理后，产生中断处理程序，处理器接收到了中断处理程序之后产生中断响应，就会先去处理设备发送的数据，完成后再去进行其他工作，这样做大大提高了处理器内核的使用效率。除了中断处理程序之外，设备驱动程序还包含设备服务子程序，主要作用是对设Ｗ备进行直接的操作。４．２．１ＬＣＤ驱动程序系＾统通过编写Ｆｒａｍｅｂｕｆｅｒ驱动使图形界面程序脱离底层硬件的束缚，完成显示设备的硬件抽象。ＬＣＤ的工作原理在前文己经有了详细的概述，这部分主要对接口的抽象化方式进巧说明ｅｒＨｏｗ－ｔｏ文件中可很容易的。从Ｆｒａｍｅｂｕｆ发现比ｄｅｖ很多时候是在对盈示模式管理相关操作进行处理。在新版内核中，控制台操作的程巧代码被被放在了化ｃｏｎ当中，化ｃｏｎ对显示设备所有功能进行封装，这样可在很大程度上减轻驱动开发难度。一ｆｒａｍｅｂｕｆｆｅｒ驱动是Ｌｉｎｕｘ图形界面支持的个关键的内核模块，这个驱动的Ｄ一些对显存操作的接日主要作用是对ＬＣ控制器进行巧始化操作，并，并提供提供ｍｍａｐ函数，通过ｍｍａｐ函数，可Ｗ把显存映射到用户空间，这样Ｗ来用户进程就可直接对显存进行读写操作。所（＾，ｆｒａｍｅｂｕｆｆｅ可Ｗ看成思存抽象后通过ｎｕｎａｐ函数调用的设备，可Ｗ将ｆｒａｍｅｂｕｆｆｅｒ的显示缓存映射到用户空间可连一Ｆ续访问的段内存。通过ｒａｍｅｂｕｆｅｒ驱动，用户应用程序就可Ｗ做出需要的图形，而没有必要再去了解底层驱动。对用户来说，Ｆｒａｍ纯ｕｆｆｅｒ和／ｄｅｖ下面的其Ｆ一ｒａｍｅｂｕｆｅｒ其实他设备没有不同的地方，就相当于个内存，可Ｗ进行数据的读写。思示器将根据相应指定内存块的数据来忌示对应的图形界面，这些过程都是通过ＬＣＤ控制器的驱动程序完成。Ｆｒａｍｅｂｕｆｆｅｒ驱动与Ｈ个数据结构ｆｂｖａｒｓｃｒｅｅｎｉｎｆｏ，ｆｂｆｉｘｓｃｒｅｅｍｎｆｏ化Ｉｎｆ紧相关．。Ｗ及紧，它们在化ｈ中定义＿＿＿＿＿Ｆｂｖａｒｓｃｒｅｅｎｉ址〇结构主要的作用是描述显示设备的分辨率，颜色等特征。＿＿Ｆｂｆｉｘｓｃｒｅｅｎｉｎｆｏ是用来设置显示设备的属性。Ｆｂｉｎｆｏ描述了显示控制器当前的＿＿＿３８ 第四章系统的软件设计一状态ｉｎｆｏｏｓ，ｔｒｕｃｔ，在化内部包含另外个结构ｆｂ这个结构类似于ｓ＿＿ｐｆ一ｉｌｅｏｅｒａｔｉｏｎｓ，即组对于ｆｒａｍｅｂｕｆｆｅｒ的功能操作函数，如ｆｂｏｅｎ，ｆｂｃｌｏ化。＿ｐ＿ｐ＿４９［屯ＣＤ驱动开发流程如下图４－３所示：巧曲（）沁义游Ｂ殺裝站詢－扣瑟ＬＣＤｆ；＾刹荀样滅￣￣ｆｆ＂．ｒ站ｓｅｂｕｆ郎姬締撇ＬＣＤ飄妃化女规打ｃｐｓ＿Ｉ诚躬鴻妓Ｉ■■英苗．．．．．巧．屯＾图４－３ＬＣＤ驱动开发流程４．２．２触摸屏驱动－４所示触摸屏驱动的工作流程如图４。按下触摸笔后，，Ｌｉｎｕｘ内核响应中断，进入中断处理程序。中断设置为下降沿有效，当中断被响应之后立即屏蔽中断，不然触摸笔按下后还会触发中断，其作用是能。在中断处理程序中有定时器函数连续监测触摸屏的采样值，把坐标值放在缓冲区内。当触摸笔抬起时，解除中断一７８４３屏蔽，这样下次触摸屏在被按下才能被正常触发。ＡＤＳ通过ＳＰＩ总线和Ｓ３Ｃ２４１０通信。分别是主机输入／从机输出数据线据线ＭＯＳＩ串行时钟ＳＰＣＫ和，片选线ＮＰＣＳＯ。Ｓ３Ｃ２４１０通过ＭＯＳＩ发送命令至ＡＤＳ７８４３，然后通过ＭＩＳＯ接口Ｗ收来自ＡＤＳ７８４３的数据到ＦＩＦＯ中。与ＬＣＤ显示驱动类似的，触摸屏驱动程序中的ｆｉｌｅｅｒａｔｉｏｎｓ结构可Ｗ将驱动程序和系统实现相互关联，在送个结构中存＿３９ 天津工业大学硕±学位论文放了针对触摸屏设备各种操作的入口函数，包括ｏｐｅｎ〇、ｒｅａｄ〇、ｒｅｌｅａｓｅＯ、ｆａｓｙｎｃＱ和ｏｌｉｏ函数。ｐ，陆〔）稱裙化賴演弱＇巧怖毅巧１渡運入中按＾雄邵．隸－觀听郑巧热ｊＩ勺咬＞Ｉ丫激！帕験沸打巧中隐，．．．，．图４－４触摸屏驱动工作流程与ＬＣＤ显示驱动类似的，触摸屏驱动程序中的ｆｉｌｅｏｅｒａｔｉｏｎｓ结构可封将驱＿动程序和系统实现相互关联，在送个结构中存放了针对触摸屏设备各种操作的入口函数，包括ｏｐｅｎ（）、ｒｅａｄ（）、ｒｅｌｅａｓｅＯ、拉ｓｙｎｃ（）和ｐｏｌｌ（）函数。４．２．３串□驱动设计首先进行串口初始化。申请ＵＡＲＴ使用的端口并向内核注册该设备的操作函数接口。串口驱动中定义了Ｈ个中断接收中断、发送中断和错误中断对于，，ＵＡＲＴ０其对应的中断号分别为５２，５３，５４。将串口驱动加载到内核中，需要修改化ｅｍｅｌ／ｄｒｉｖｅＦ／ｓｅｒｉａｌ／ｃｏｎｆｉｇｉｎ和／ｋｅｒｎｅｌ／ｄｒｉｖｅｒ／ｓｅｒｉａｌ／Ｍ沁ｅｆｉｌｅ文件，分别添加如下两行代賴ｄｅｂｏ〇ｒＳ３Ｃ２４１０ｓｉｅｒｉａｌｏｒｔｓｕｏｒｔｐ＿ｐｐｐ；ＣＯＮＦＩＧＳＥＲＩＡＬＳ３Ｃ２４１０￥ＣＯＮｎＧＡＲＣＨＳ３Ｃ２４１０＿＿＿＿；４０ 第四章系统的软件巧计一＋＝ｏｂ￥ＣＯＮＦＩＧＳＥＲＩＡＬＳ３Ｃ２４１０化ｒｉａｌＳ３Ｃ２４１０．ｏ．－ｊ（＿＿）Ｐｏｒｔｒｔ３Ｃ２４１ＯｓｅｒｉａｌｓｕＰＰｏ。这样在编译内核出现的图形界面中选择Ｓ，即可４２４ＣＡＮ．．总线驱动设计与通讯实现ＣＡＮ设备驱动程序中最关键的是中断处理例程，中断处理例程首先是被来自ＣＡＮ控制器的硬件中断信号唤起，之后作出判断，该中断是属于发送中断还是属于接收中断。如果是接收中断，中断处理例程会调用Ｒｅｃｅｉｖｅｍ巧从＿ＣＡＮ控制器读取数据到民ｅｃｅｉｖｅＦＩＦＯ，最后用户使用系统调用从ＲｅｃｅｉｖｅＦＩＦＯ＿＿中读取完整的数据顿；如果是发送中断，中断处理例程会调用Ｔｒａｎｓｍｉｔｍｓ从（＿ｇ）ａｎｓｍｔｒａｎｓｍｔＦＩＦＯ发送数据缓冲区Ｔｒｉ＿ＦＩＦＯ读取数据发送到ＣＡＮ控制器，Ｔｉ＿为空且应用程序向ＴｒａｎｓｍｉｔＦＩＦＯ写入数据时，数据发送处理函数将自动被调＿用。ＣＡＮ总线控制器属于字符设备，其操作包括ｒｅａｄ、ｗｒｉｔｅ、ｏｐｅｎＷ及标准Ｉ／Ｏ操作等，其文件操作结构可Ｗ定义如下：＝ｓｔｒｕｃｔｆｌｅｏｅｒａｔｉｏｎｓＣＡＮｆｏｓｉｐｐ｛＿＿ｒｅａｄ：ＣＡＮｒｅａｄ，＿ｗｒｉ化：ＣＡＮｗｒｋｅ，＿＿ｏｃｔｌ：ＣＡＮｏｃｔｌｉｉ，＿ｏｅｎ：ＣＡＮｏｐｅｎ，ｐ＿ｒｅｅａ化：ｒｅｌｅａ化ｌＣＡＮ，＿｝；其中，ＣＡＮ＿ｒｅａｄ、ＣＡＮ＿ｗｒｉｔｅ函数分别向读写缓冲区中读写数聽ＣＡＮ＿ｒｅｌｅａｓｅ负责关闭ＣＡＮ控制器；ＣＡＮＪｏｃｔｌ负责向ＣＡＮ控制器发送各种操作命令；ＣＡＮｏｅｎ负责打开ＣＡＮ控制器，ｅｕｅｓｔｒ，检查控制器是否打开并使用函数ｒｑＪ＿ｐｑＯ向系统注册中断处理程序。ｒｅｑｕｅｓｔＪｒｑＯ函数的原型如下：＊＊ｒｅｕｅｓｔｉｒｕｎｓｉｎｅｄｉｎｔｉｒｖｏｉｄｈａｎｄｌｅｒｉｎｔｖｏｉｄｓｔｒｕｃｔｔｒｅｓｑｑｇｑ，）（，ｐｇ，（（＿）—＊＊ｕｎｓｉ打ｅｄｌｏｎ幻ａｓＣＯ打Ｓｔｃｈａｒｄｅｖｎａｍｅｖｏｉｄｄｅｖｉｄｇｇ，；ｇ，＿＿）其中，参数ｉｎ是驱动程序使用的中断号；ｈａｎｄｌｅｒ是要安装的中断处理函数指针。ｉ４．３上位机宏指令上位机的作用是读取下位机的状态一，显示错误信息Ｗ及向下辖的的每个下位机控制器发送程序号，使得每个下位机控制器按照程序号对应宏指令的要４１ 天津工业大学硕±学位论文求执行相应的动作。上位机的宏指令是由编织工艺人员在编织进行前编写好，这一ＣＡＮ总线下载到每一个编织站个程序通过，运行时，上位机发送个程序号，各编织站根据程序中相应的程序号的指令控制机械手运动。动作完成后通过释Ｂｕ一？ｓｙ线的方式通知上位机，当所有编织站动作完成之后上位机继续发送下条一旦出现纱线断线或者硬件超时故障程序号。在执行的过程，，上位机将会接收到错误信息，显示在人机界面上，并停止发送程序号。开始、＾ＩＴ賊宏指令＾．翻译成－：ｒ进．Ｉ制编码＞■：？＿Ｉ＆编织站＾的状态字．＇■是■．—否Ｉ示错误信息＼人桐面Ｊ淪是＇．．．．．．．■，（声＊、风时＇■是－．．＞．＇乂■忙咬＾■＾‘否［发送宏指令－Ｊ至下位机？图４－５上位机程序流程４．４人机界面设计一个编织机的监控平台为调试和监控方便，在完成本课题的过程中，开发了。编织工艺人员编制的宏指令程序＞ｘｃｅｌ表格的形式。＾１Ｅ运行前，监控平台！存放４２ 第四章系统的软件设计从Ｅｘｃｅｌ表格中读出宏指令，通过串口下载到Ｓ３Ｃ２４１０，Ｓ３Ｃ２４１０再通过ＣＡＮ总线下载到各站点。运行时只要发送程序号，各站点自动执行。通过计算机平台能监视ＣＡＮ总线收发的信息，及时发现站点反馈的故障信息。也可Ｗ通过Ｓ３Ｃ２４１０的显示模块进行监控，并通过触摸屏进行操作。互维臭合封料编扔机鉴控平舍天津工业大学电气与自动化学院，打开文件Ｅ：＼编织化＼迎１；５＿５６１＼装织机种數据单名ｓｈｅｅｔｌ连线运行巧停｜｜｜ｉ＾－一―—列号［Ｔ行号护中止斤号（ＩＴ程序号Ｉ单步运任概靴ｒ１ＩＩ巧环指巧起始行号？余循巧次巧广！发送窗口Ｉ发送ｊ串口连巧ｃ〇１６板巧率，关田串口化开串口Ｉ｜ｄ＿」巧巧１Ｉ＞ＩＩ强應■货，ｉ。ｔ！＂ＪＩ过：！．４－６图Ｈ维复合材料编织机监控平台４．５下位机软件设计下位机控制器是直接对步进电机进行控制，对传感器信号进行采集的控制－７所示器；，下位机控制器的程序运行流程如下图４．４３ 天津工业大学硕古学位论文了Ｉ系统巧始化Ｊ接受上位机￣￣潭序号设置Ｉｔ闲状．ＩｉＩｒ１．执行指令，Ｉ设置状态字■断线或状态字７位清＞＿１Ｌ零ｙ「是＾（）图４－７下位机控制器程序流程４．５．１宏指令在下位机的执行过程下位机通过上位机发送的程序号对应的宏指令进行控制。系统定义了韦条－宏指令：，其名称Ｗ及中英文含义如下表４１所示４－表１上位机宏指令及含义操作码＾ＳＥＥＳｅ＾＾ＲＭＬＲｏｔａｔｅＭａｉｎｃｌａｍｐＬｅｆｔ旋转主机械手向左ＲＭＲＲｏｔａｔｅＭａｉｎｃｌａｍｐＲｉｇｈｔ旋转主机械手向右ＲＮＬＲｏｔａｔｅＮｅｘｔｃｌａｍＬｅｆｔ旋转次机械手向左ｐＲＮＲＲｏｔａｔｅＮｅｘｔｃｌａｍｐＲｉｈｔ旋转次机械手向右ｇＲＤＬＲｏｔａｔｅＤｏｕｂｌｅｃｌａｍＬｅｆｔ旋转双机械手向左ｐＲＤ艮ＲｏｔａｔｅＤｏｕｂｌｅｃｌａｍｐ民ｉｇｈｔ旋转双机械手向右表中左旋转的含义是逆时针旋转，右旋转的含义是顺时针旋转。４４ 第四章系统的软件设计一每个宏指令对应Ｈ个操作数，分别制定了编织站的编号，机械手的方位或运行角度Ｗ及宏指令的序号－。下面这张表４２详细的列出了宏指令的格式：－．表４２宏指令的格式￣宏指令操作数执行动作’＇ＩＩｓｅｅ编织站，方位，序号将该编织站的两个机械手缩回，旋转使主机械手指向该方位￣＇ｒｍｌ编织站，角度，序号将该编织站的副机械手缩回，而主机械手夹着携纱器左旋该角度￣￣ＲＭＲ编织站，角度．序号将该编织站的副机械手缩回，而主机械手夹着携纱器右旋该角度’ＲＮＬ编织站，角度，序号将该编织站的主机械手缩回，而副机械手夹着携纱器左旋该角度￣ＲＮＲ编织站，角度，序号将该编织站的主机械手缩回，而副机械手夹着携纱器右旋该角度￣ＲＤＬ编织站，角度，序号将该编织站的主机械手和副夹子同时夹着携纱器左旋该角度ＲＤＲ编织站，角度，序号将该编织站的主夹子和副夹子同时夹着携纱器右旋该角度其中编织站的编号用矩阵来表示。将编织站模块按照行列排成矩阵就组成了编织机的底盘。设编织站矩阵为ｍ行ｎ列，共有ｍｘｎ个编织站，记为８扣），＝＝ｌｌ２．ｎ。，ｉ２，．．．町ｊ，，．．方位指的是主机械手的方位即主机械手头部所指向的位，，＝４＝＝＝置，用数字来表示：８北，东，２南，１西。角度指的是机械手需要带动携°一纱器旋转的角度，用０表示９（Ｋ１表示１８０。序号是对宏指令的个排序，用一。数字表示条指令开始排序，同时执行的指令有相同的序号将宏指令转，从第化为二进制编码通过ＣＡＮ总线发送给下位机－。宏指令的二进制编码如下表４３所示：表４－３宏指令的二进制编码￣宏指令二进制编码ＩＳＥＥ０１００ＲＭＬ１１００ＲＭＲ１１０１ＲＮＬ１０１０ＲＮＲ…ｎＲＤＬ１１１０ＲＤＲｎｉｌ一条驱动指令得实现一这些宏指令通过十，每个驱动指令对应下位机的一４－４所个子程序。驱动指令的执行动作如下表示：４５ 天津工业大学硕±学位论文表４－４驱动指令及其含义操作码英文中文ＩＩＢＭＣＢａｃｋＭａｉｎＣｌａｍｐ缩回主机械手ＢＮＣＢａｃｋＮｅｘｔＣｌａｍｐ缩回副机械手ＳＭＣ化ｅｔｃｈＭａｉｎＣｌａｍｐ伸出主机械手ＳＮＣＳｔｒｅｔｃｈＮｅｘｔＣｌａｍｐ伸出副机械手ＲＬＤ〇ｌＲｏｔａｔｉｏｎＬｅｆｔ９〇左旋（逆时针）ＭＵ电机９０°°ＲＬ２ＲｏｔａｔｉｏｎＬｅｆｔ１８０左旋（逆时针）Ｍｌ１电机１８０ＲＲ°〇ｌＲｏｔａｔｉｏｎＲｉｈｔ９０右旋（顺时针）Ｍｉｌ电机９０ｇ〇右旋〇ＲＲ２ＲｏｔａｔｉｏｎＲｉ班ｔ１８０（顺时针）Ｍｉｌ电机１８０ＣＭＰＣｈｅｃｋＭａｉｎＤｉｒｅｃｔｉｏｎ检验主机械手方位，返回４位二进制数１０００／０１００／００１０／０００１，ＣＭＣＣｈｅｃｋＭａｉｎＣｌａｍｐ检验主机械手伸缩状态，返回２位二进制数，ＯＵｌＯＣＮＣＣｈｅｃｋＮｅｘｔＣｌａｍｐ检验副机械手伸缩状态，返回２位二进制数，０１＾０Ｃ４ＮＣｈｅｃｋＦｏｕｒＮｅｓｔｓ检验４个巧位是否有携纱器，返回４位二进制数，１为有携纱器幸需要注意的是读数时有携纱器为０，指令返回时要取反，变成有携纱器为１。系统通过状态字来表示运行的状态，状态字是八位二进制数，其含义如下表－４５所示：Ｉ表４－５状态字表位定义￣＾７忙／闲标识１表示忙，０表示闲￣６出错／正常标识１表示出错，０表示正常５４＾＾３＾错误码无携纱器可供旋转００１０Ｍｉｌ电机旋转道路障碍００１１０００１＋００１０１１１０携纱器断线１１１１硬件障碍超时下位机不断把更新的状态字发送给上位机，上位机根据下位机的状态字来决定继续发送程序号还是等待还是停机。４．５．２控制系统的拓扑结构和动作同步４６ 第四章系统的软件设计一现有机械手在编织时有个互相协调，即同步问题。必须等到有机械手完成一一条指令动作条指令动作后才能继续运行下。本系统在运行之前就将动作程序一一下载到每个控制站点。条程序由程序号、指令集，这个指令集包含指定动作？和指定站点，每个站点根据程序号找与本站点号相符合的动作执行。在四步法下，若干个站点执行相同的动作，指令的设计需要在站点地址指定项中设定统配序，°例如需要指定第８行所有列的站点主机械手旋转９０，则ＲＭＲ（８，？），９０，Ｐ，一其中为程序号个站点接收到上位机发送的程序号，则查询该程序号下Ｐ。如果“＂？一个统配序本站该执行的动作。表示，也就是凡是第八行的站点都将执行此动作。一一每个站点在执行动作时将个输出点Ｂｕｓｙ置成低电平，此输出点为开漏一＂＂＂＂输出为开漏输出，所有站点连接到根Ｂｕｓｙ线上，形成线与结构，此线接＾一＂＂个上拉电阻，该线与上位机个输入位连接，每个站点执行完动作后，将Ｂｕｓｙ＂＂＂＂＂＂＂＂输出置１Ｂｕｓ输出点置１时，Ｂｕｓ，当所有站点动作完成并将其ｙｙ线才是高一电平。上位机接收到由低到高的跳变时，的值全部站点上条指令执行完毕，接一下来通过ＣＡＮ总线发送下一条指令的程序号。这里所说的上位机可Ｗ是个中继器，中继器再用线与的形式传递给最终上位机。Ｉ４．５．３电机的控制为了保证步进电机在运行过程中具有足够的精度，步进电机的驱动采用的细分驱动的方式，系统使用的是１２８细分的方式。细分方式如下表所示：４－６表ＴＨＢ７１２８细分模式Ｍｌ细分数＾＾ＬＬＬ１＿ＨＬＬｍ＿ＬＨＬ＼ＡＪＪＨＬｍＬＬＨｍｅ＿ＨＬＨＶ３２１．ＨＨ＼ｍｎＨＨ１／１２８［［步进电机的运转方向改变通过Ｐ曰的高低电平的变化来改变驱动器的细分设置端控制驱动器的细分数，Ｗ及通过ＣＷ／ＣＣＷ的高低电平控制步进电机的正４７ 天津工业大学硕±学位论文；反转。工程人员将编写好的程序烧写电路下载至单片机中，实现对Ｐ口髙低电平的控制。电机控制程序使用Ｃ语言进巧编写，使用模块化编程方式。程序流程如下所示：＼开始ｉｆ＾夕巧始化参数变堅ｉ初始化寄存？器——Ｉ延时ｉ延时１——取得电流偏移里初始店Ｉ／Ｏ曰｜及ＡＤ采样寄ｉ存盏开中断，允＾许ＰＷＭ输山Ｉ读取设定电，’流及细分数主循每（检Ｉ＇＾测细分开关．．．广状态及记录转子位置）＾＇——Ｌｚｚｊ读取电机转＿子初始位置图４＊８电机控制程序流程图４．５．４ＣＡＮ通信程序设计ＣＡＮ通信程序包括Ｈ个部分：１、巧始化程序２、接收程序３、发送程序。ＣＡＮ初始化程序主要包括工作方式的设置、时钟输出寄存器的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、总线定时器的设置、输出控制寄存器的设置等。再由ＭＣＰ２５一单片机操作时１５ＭＣＰ２５１５，需要向发送个软件复位请求，然后再重新对进行配置。在设置ＭＣＰ２５１５的寄存器前，单片机检査ＭＣＰ２５１５是否己进入复位模式。ＣＡＮ发送程序执斤过程是主控制器将要发送的报文传送到发送缓冲区，然后将命令寄存器里的发送请求标志置位。口］其流程如下图４－９所示：４８ 第四章系统的软件设计菱子程序）ｉ读取状态寄存器４Ｉ超４１否否／＜￡：次发送；巧完成４１＇＇－Ｍ发送缓冲＼是否锁巧了将数据写入缓冲区ｉ盟发送请求标志ｒ＾府动发送ｉ剧到）４－９ＡＮ图Ｃ发送程序流程４９ 天津工业大学硕±学位论文采用查询方式时，ＣＡＮ控制器的发送中断被禁止，在将新报文放入发送缓冲器之前＂发＂，主控制器必须检查状态寄存器的送缓冲器状态禄志（ＴＢＳ）。如果发一送缓冲器被锁定，周期查询状态寄存器，主控制器直等待，直到发送缓冲器被．释放。如果发送缓冲器被释放，主控制器将新报文写入发送缓冲器并置位命令寄ＴＲ。存器的发送请求标志（），启动发送ＣＡＮ接收程序执行过程是主控制器将收到的报文放在接收缓冲器，然后主拴制器将这条信息读出并存入本地的报文存储器，然后释放接收缓冲器并对报文进行处理。本程序采用查询ＭＣＰ２５１５的控制段状态标志的方式来控制。送子會、Ｖ、序ｙ、＇一Ｉｆ＿＾读取状态寄存器Ｉ？Ｉ是否不乂畫９在接杉―Ｓ－－－―－－－＾将異蟲写入缓冲陸Ｓ否完成ｉ置发送请求标志＾否古是启动发送，＂篇冲／区Ｋ、否锁定）＼图４－１０ＣＡＮ接收程序流程５０ 第四章系统的软件设计ＣＡＮ控制器在查询接收方式下不使能接收中断，控制器通过ＭＣＰ２５１５的看是否收到一个报文状态寄存器检查接收缓冲器状态（ＲＢＳ）。，＂＂ａ）接收缓冲器状态标志表示空，也就是没有收到报文，控制器继续当前的任＂＂务直到接收缓冲器状态变为满。＂＂ｂ收缓冲器状态标志表示满也就是说收到一）接，个或多个报文，主控制器从得一到第一个报文后，通过置位命令寄存器的相应位发送个释放接收缓冲器命令。控制器在检查更多信息报文前可Ｗ处理每个收到的报文，也可通过再次查询接一收缓冲器状态检查是否有更多报文，并在全部接收后起处理所有收到的报文，在口３］这种情况下控制器的本地报文存储器必须足够大。４．６本章小结本章在前文硬件搭建的基础之上，根据系统的实际需求对软件进行设计。首先是对Ｌｉｎｕｘ操作系统进行搭建，配置内核，移植程序并对ＬＣＤ，触摸屏驱动Ｗ及ＣＡＮ驱动进行开发。并根据四步法工艺对上位机的宏指令程序进巧设计，Ｉ通过宏指令控制下位机。之后进巧了上位机界面的设计，方便工程人员及时发现系统运行过程中出现的错误。最后详细分析了下位机对宏指令的执行流程，对电机的控制程序Ｗ及ＣＡＮ通信程序进行了设计。５１ 天津工业大学硕±学位论文巧 第五章总结与展望第五章总结与展望，复合材料在各个工业领域的应用极广随着现代工业的不断发展，需求量极大，迫切需要提高生产效率。编织方式是复合材料生产的重要方式，四步法编织己经成为编织工艺领域应用最广的编织方式一。由于四步法编织的有着套固定的流程，机械，这也使得自动化控制成为可能。在工业自动化领域手占有越来越重要的地位，对于减少人的生产压力，加，提高工业生产效率快工业自动化的进程起到了很好的推动作用，机，尤其是在复合材料编织领域械手的使用可Ｗ带来很’一多传统的编织方式所没有的优势，进步加大复合材料的使用面，使得复合材料一的优势在工业领域得到进步的发挥。对于传统的机械手来说，在控制系统的研究上还有很多需要完善的地方。文章使用了高效，简洁的分布式控制系统开发机，械手控制器，９系３Ｃ２４１０，上位机采用了轻灵低成本的嵌入式系统ＷＡＲＭ列Ｓ一、为控制核屯，并进行系列软硬件模块的开发。通过串口与计算机连接，进行程序的下载。作为使用度最高的现；ｆｃｉ當线，论文使用ＣＡＮ总线作为信息传递的媒，介，使得上下位机的通信更加高效顺畅信号传递的准确性更高，系统的抗干扰能为也更强。下位机使用ＳＴＣ口Ｃ５Ａ６０Ｓ２，根据上位机的指令对电机进行相应的控制：，并向上位机传递状态信息。论文主要进斤了如下的研巧（１）阅读了大量的文献，。了解了复合材料的优势Ｗ及复合材料编织的发展状况并了解到了机械手可Ｗ在复合材料编织领域发挥出巨大的作用，最终确定复合材料编织机械手控制器的研巧作为论文题目。一（２）查阅相关资料，了解机械手控制器般的设计方式，各种设计方式的优缺点，ＬＡ及苍片的选型，各类芯片的优缺点，最终确定了系统的整体设计方案和核也巧片，现场总线的选择。（３）针对具体的需要，对于控制器的硬件模块进行设计，开发相应的电路图，一做出一个完整的控制器。并将上位机和下位机通过现场总线连接成个整体。（４）熟悉Ｌｉｎｕｘ系统的功能，Ｕ义及安装开发过程，在Ｌｉｎｕｘ系统下进行驱动程序的开发。（５）为方便监控调试，在ＰＣ端和上位机控制器端开发了人机界面。（６）根据四步法工艺设计了宏指令程序。（７）对电机控制程序及通信程序进行了设计。论文还存在一些不足；一（１）目前盛牙，ｚｉｇｂｅｅ等些无线通信协议正在工业控制领域上开始发挥作用。５３ 天津工业大学硕±学位论文系统可Ｗ朝着无线化的方向发展，使用无线通信方式代替有线连接方式，这样做可［＾减少接线，提高系统的稳定性。（２）比更高的处理器来完成上下位处理器技术的飞速发展，将来可Ｗ选用性价机的设计。Ｉ５４ 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天津工业大学硕±学位论文－４ＺｈａｎｅｔＲｅａ－ｔｍｅａｎｄａｂｔａｎａｏｔｍｅｔｒｅｒｅｄ１ＸｉａＪｉｉａｎａｌ．ｌｉｒｅｌｉｉｌｉｌｓｉｓｆｉｉ［］，ｑｇ，ｇ，ｙｙｇｇ－－ＣＡＮｂｕｓＪ，３２６１１１中国航空学报（英文版）：７１７８．［］，２０１，（）１５Ｍｄ．Ｈａｓａｂ比ｂａｌ．．［］赵展，李讳编织机及编织工萃的发展阴玻璃钢／复合材，－２０１４０．：９０料，，１％Ｗ７１６侯少帅．高速编织机回转系统动力学特性分析脚測南科技大学２０１５．［］，。７杨爱林．智能金属丝网编织机控制系统研巧［Ｄ．河北工业大学２０１４．］］，１８曾辉藩．大截面异型筛网编织机的优化设计及有限元分析Ｄ．昆明理工大［］［］２００６学．，１９ＬａｋｅＨＰｉｅｒＣＰｒｅｎｔｉｃｅＤＰｅｔａｌ．Ｉ／Ｏｃｏｎｎｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌｅｆｏｒａ日ｅｌｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎ［］，ｐ，，ａｄｉｓｔｒｉｂ山ｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ：ＥＰ，ＵＩＳ６１８３２８９Ｐ．２００１．［］［２０］ＢｒｉａｎＷ，ＣｌｉｆｆｏｒｄＨ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｍａｔｅｒｉａｌ１：ｒａｎｓｏｒｔｓｔｅｍ：ＥＰ，ＵＳ６２４０３３５Ｂ１．２００４．ｐ巧［巧、２１张方方．多智能体系统分布式优化控制［Ｄ］．山东大学１５．［］，２０［２２］张成．大容量电力电子分布式控制系统关键技术研巧［Ｄ］．华中科技大学，２０１４．２引张传斌基于ＣＡＮ总线的移动机器人分布式控制系统研究阿．山东学２０１３．［，［２４］宋军强，潘慕细，黄金泉．航空发动机分布式控制系统技术分析及系统方案机．－航空动力学报０１３１０：２３９１２４００．，２，．２５唐金海．ＣＡＮ总线分析及应用编程Ｄ内蒙古大学．］，２０１３［］［２６ＺｈａｏＬ．ＤｅｓｉｎｏｆｓａｉｌｂｏａｒｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２．［］ｇ口］ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２．［２７］ＨｅｌｄＫＤ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｉｏ打ｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎＳＴＧ１２Ｇ５Ａ６０Ｓ２ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ＊！］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｈｉ打ｅｓｅＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，－２０１４１６８３：２９２８．，（）－．Ａ６ａｎｄｓｅｕｓｔｏｎｓｔｓ２８ＣｕｉＧＬＣｈｅＸＬＳＴＣ１２Ｃ５０Ｓ２ＡＤ６２０ｂａｄａｃｉｉｉｓｅｍｆｏｒ［］，ｑｙｓｍａｌｌｓｉｎａｌＪ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉ打Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ２０１２．ｇ［］ｇｇｇ，［２９］左岐，张涛，贾守强．基于ＴＨＢ７１２８和ＰＬＣ的步进电机快速定位系统设计阴．中国科技信息，２０１２，１２：１７７＋１８７．５６ 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天津工业大学硕±学位论文［４４巧晓宁王振臣，张少兵姚帆．Ｌｉｎｕｘ操作系统在ＡＲＭ９处理器上的移植町化２０－工自动化及仪１００２：６７６軒７７．表，ｅ．１４４５ｕＤＷｅｉＤＵＹｕｅＰＡＲｅ化ａｒｃｈｏｎＶｉｖｉＰｏｒｔ：〇Ｓ３Ｃ２１０Ｉｒｃｏｃｈ．Ｊｏｕｒｌ［］Ｑ，，制Ｊｎａ］ｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ．ｙｇｙ，２００７４６Ｌ程科．嵌入式ｉｎｕｘ设备驱动程序的设计与研究［Ｄ］．电子科技大学２００７［］．，［４７］憂和平．基于ＡＲＭ９的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统移植与驱动开发［Ｄ］．南京邮电大学，２０１３．４８董志国李式巨．嵌入式Ｌｉｎｕｘ设备驱动程序开发Ｊ．计算机工程与设［］，［］计２００６２０－：３７３７３７４０．，，［４９；］王觀基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的设计与应用脚迪南交通大学，２００６．－５０吴瑜ＴＦＴＬＣＤ驱动技术的研究阿．北京交通大学２００８．；］，｜５１梅春意．面向智能手机的嵌入式Ｌｉｎｕｘ触摸屏驱动开发新模式的研究与实现［］［巧．华南理工大学，２０１４．红－５２．ＣＡＮ总线技术及其应用化制造业自动化２０１００２：４６４９［靖成乾高晓，：１１．［５３］周时董．ＣＡＮ网络控制系统的智能调度研究［Ｄ］．吉林大学，２００９．５８ 发表论文和参加科研情况说明发表论文和参加科研情况说明一、发表论文情况．１任杰郭文成．机械手分布式控制系统的研究［Ｊ］．科研，录用待刊［，］Ｉ５９ 天津工业大学硕古学位论文６０ Ｍ致谢时光如白骑过隙，转瞬间两年半的研究生生涯己经结束了，回首这两年半的一一岁月，，感慨万千自己即将从个憎懂少年成为个立足于社会的有用之人。在这段成长的历程中，有许多人是我必须要感谢的。首先我要感谢我的导师郭文成教授一丝不苟的态度深深地。郭教授在学术上影响着我，他总是教导我们只有自己亲身实践的知识才是自己的。在学术论文的写作阶段，郭老师也是不辞辛苦的帮我提建议，修改。没有郭老师的帮助就没有我论文的完成。其次我要感谢我的实验室的同伴们及同寝室的室友们。他们让我感觉到了一个远离家乡在外求学的学子为有了他们也就有了家的感友情的温暖。作为，因，觉。另外平时有什么不懂的地方，同伴们也会尽全力帮我解决因为有了他们，我的学习过程少走了很多弯路。我还要感谢我的父母，没有他们＾￡背后默默地鼓励和支持，我是什么都不能，做成的，其他什么都做不了。。他们把最无私的爱给了我我除了用成功回报他们每次当我遇到困难想放弃的时候，就是想起他们那期待的眼神才有了继续走下去的动力。最后感谢天津工业大学电气工程与自动化学院的所有老师们，是您们给了我一这样个学习与成长的平台，祝您们Ｗ后身体健康，工作顺利，园家幸福。６１