电子多臂机控制器的研制

　　1 引 言
　　纺织机是纺织业中的主要生产设备，织物的花纹图案是由织机的花纹控制装置控制而实现的。我国现行织机相当部分的花纹控制装置是机械式的，如片梭织机，它采用机械凸轮机构来控制花纹，在这种织机上开发新品种需设计制造一套相关的机械部件，开发时间长、成本高，影响了企业的新产品开发能力。电子多臂机是一种新型电子花纹控制装置，它不仅是现代织机*的控制部件，也是对传统织机进行技改的有效手段。电子多臂机由微机控制器控制，根据其内存中的花纹数据定时、定向、按序输出控制字，通过电磁铁驱动多臂机的动作，实现对织物的花纹控制。在由电子多臂机控制的织机上开发新产品，只需通过键盘输入该产品的花样数据即可。
　　2 基本工作原理
　　控制器的工作原理是：多臂机在织机主轴的驱动下，通过安装其内部的二个接近传感器提供多臂机控制器输入信号S1（电磁铁吸放控制信号）和S2（多臂机正反转方向信号），控制器根据S1来控制多臂机电磁铁的吸放，通过S1、S2的相位判别确定织机转向 ，依此循环输出内存中的花纹数据，驱动电磁铁，通过多臂机把提综信息转换成机械位移量。视多臂机的不同，控制器zui多驱动20路电磁铁。
　　根据织机的工艺要求和新品开发需要，该电子多臂机控制器具备4大功能：
　　①控制功能。这是控制器的基本功能，它是根据内存中花纹数据信息，定时地连续输出控制数据，控制多臂机动作，实现对织物花纹的控制。
　　②编程功能。这是新产品开发对控制器的要求，它对提高企业的新品种开发能力意义重大。该功能实现输入、编辑、修改花纹数据并送入内存中。
　　③单步调试。调试设备和花纹时使用该功能。
　　④花纹传输功能。虽然控制器本身已具有编程功能，但考虑到生产现场噪音大、环境繁杂，编程效率低，系统配置了对控制器通用的编程器，它可以单独编程，然后通过花纹传输功能复制到控制器。
　　3 系统组成
　　控制器整个系统主要由6部分组成：微机主板、输出功放板、显示板、键盘、输出监视板、电源 target=_blank>开关电源。
　　由于系统软件需近7KB的程序存储器和较多的片内RAM，单片机采用了功能强、功耗低、控制灵活、性能价格比高的AT89C52作为控制器核心，以适应本系统硬件对CPU内部资源的需求。选用了的键盘显示接口芯片8279作为人机对话的接口，它能自动对显示器扫描、自动识别键盘上按下的键值、自动消除开关抖动及多键同时按下保护，可以中断方式接收键盘输入，提高了CPU的工作效率。输出接口芯片为8255，由于其输出带缓冲器，因此能直接驱动光耦。花纹数据存储器是AT28C256EEPROM，它既有RAM在连机操作中可读可改写的特性，又有非易失性存储器的掉电后能保存数据的优点 ，特别是它有完善的数据保护功能，在硬件方面有：内部Vcc电压检测，当Vcc低于3.8V时，便封锁编程电路;写禁止数据保护，只要满足-CE=VIH或-OE=VIL或-WE=VIH3个条件中的任一个，就处于写禁止;-WE滤波电路，能滤掉脉宽小于10ns的干扰脉冲;工作电源上延时，当电压到达3.8V时，自动延时一段时间后，才允许写操作。另外，它还有软件数据保护功能，当3个特定的字节写入的单元后，芯片就处于写禁止态。掉电保护RAM选择CMOS的6116，在掉电时用来保存系统的运行状态的断点，同时也是并行通信的数据缓冲器;为了能与编程器进行快速数据传送，配置了双向并行通信接口。系统设置显示器8位，前3位（状态特征显示器）显示状态、当前花纹号或当前纬数，后5位（数据显示器）显示1纬花纹数据。花纹数据以十六进制方式输入，以纬为单位，一纬五位十六进制数。控制器设置键如下：
　　启动键：在各功能等待状态下，用来命令系统由等待态进入执行态。
　　停止键：在任何状态下，都可用来结束现态返回到上电初始态。
　　功能切换：用来在各功能之间进行切换，以选择功能。
　　花样切换：选择当前操作花样。
　　显示长度：显示当前花纹长度。
　　显示切换：切换纬数/花样号的显示。
　　下一步：存当前纬数据并显示下一纬数据/单步输出一纬数据。
　　上一步：显示并修改上一纬数据。
　　删除：删除当前纬数据/删除已定义块数据。
　　插入：当前纬处插入一纬数据/当前纬处插入一个已定义的数据块。
　　块定义：定义数据块。
　　数字键：OH-OFH16个键用于十六进制数输入。
　　暂停键：用于临时停车。
　　4 主要电路设计
　　1）信号输入电路
　　系统输入信号由在空间位置上存在相位差的两个接近传感器产生S1、S2信号，根据织机转向，波形如图4—1。S1信号产生两个动作，它的下降沿使电磁铁吸合，上升沿释放电磁铁。S2是方向信号，在S1下降沿到来时，根据S2的电平高低可判别转向。为保证电磁铁动作的实时性，用中断方式来接收S1的下降和上升沿，方向信号在驱动时查询。为此，我们把单片机的T0、T1定时/计数器用软件扩充为中断源，分别由S1的下降和上升沿驱动，S1、S2信号有较强的驱动能力，可直接接光耦，经过光电耦合和波形整形送入单片机。
　　2）电源监测电路
　　织机在工作时，如发生突然断电，控制器必须有系统工作状态的保护功能，在电源恢复后，系统能从断点处继续运行，使织物花纹连续而不发生重叠或断开现象。为此，系统应具有对电源的监视能力，电源监测电路选用TL7705CP芯片，由于系统全采用CMOS芯片，临界电压调整为4.5V，TL7705CP的-RESET引脚接至单片机的-INTO端 ，-INTO为高优先级中断源，下沿触发，一旦出现Vcc小于4.5V时，-RESET端即向CPU请求中断，中断程序完成相应的断点保护功能。
　　3）RAM掉电保护电路
　　要实现掉电时系统工作状态保护，必须有掉电保护RAM的存在，这些存储单元的数据在电源掉电时不丢失，重新加电时能够保存完好。掉电保护电路如图4—3所示。其中，R2、C1的作用是保证在掉电后电源切换时，使RAM的片选信号-CE保持高电平，以保护片内数据完好，为提高掉电保护电路的可靠性，R2的阻值可取50K-100K，C1的值视CPU对RAM的读写速度，在保护可靠读写的前提下，应取zui小值，以更好地隔离因地址信号-CS的电平下跌对片选信号-CE的影响。备用电源采用镍镉充电电池，D1用来切断掉电时备用电源和其它芯片的通路，同时，它和D2、R1一起构成电池的充电回路 ，由于D1、D2正向压降的存在，电池的zui高充电电压被限制在3.8V左右，不会对电池过充电，R1为限流电阻。D3一方面是备用电源的供电通路，另外又可降低供电电压，减小了掉电时的维持电流。
　　4）输出驱动电路
　　电磁铁的输出控制信号由接口芯片8255的A、B、C3个并口输出，由于8255的接口带缓冲器，输出信号可直接驱动光电隔离器TIL113，经隔离器后再驱动达林顿管TIP122，TIP122的zui大输出功率可达65 W，足以驱动电磁铁。
　　5）电磁铁检测电路
　　织物的花纹zui终是由电磁铁的吸放来控制的，一旦电磁铁出现故障就会造成织物的次品，电磁铁检测电路能在线定时检测电磁铁，发现故障及时停车并显示。具体电磁铁检测电路如图4—4所示。8255的PC7提供检测驱动信号，单片机的P1.1检测结果 ，驱动和检测均采用光电隔离，每一路电磁铁的检测元件也选用了光电耦合器件。为了提高检测速度，简化硬件电路，20路电磁铁用达林顿管集中驱动20个检测光耦，每个发光二极管经电磁铁线圈和电阻R限流后获得15mA的驱动电流，电磁铁线圈的吸合电流为330mA，所以驱动光耦不会使电磁铁吸合。然后，把20个光耦的输出串联去驱动检测光耦，只要任一电磁铁出现供电故障，就可在P1.1端检测出高电平。
　　5 软件设计
　　软件用模块化设计，主要模块包括监控模块、控制模块、编辑模块、通信模块、功能切换模块、花样切换模块、启动模块、停止模块等。
　　监控模块：用状态转移法设计，确定系统的状态有：待运行态、暂停态、运行态 、待编辑态、编辑态、待调试态、调试态、待传输态、传输态。然后，对其按顺序进行编码，对状态的转移条件进行分析，确定每一状态下各有效键符的子集合，根据各有效键符应执行的功能模块和转移后的次态，得到有效元素，每个元素有键码、次态、子程序号组成，用有效元素替代子集合中的键符，按状态顺序集合各子集，子程序的地址在地址表中按子程序号顺序存放，每个子集的zui后放一个空元素OFFH，用以过滤无效键。把各子集的首地址按状态顺序组成一地址表，这样系统得到3张表：各子集首地址表、所有有效元素表、各子程序地址表，监控程序的任务是在按键的驱动下，按序查找各表，在键有效的情况下，把现态作为多入口子程序的入口，元素的次态作为现态，之后转入子程序。
　　该模块执行对系统资源的自检，单片机自身状态的设定，各接口芯片的初始化编程，系统状态和工作参数的设定等，根据按键控制程序的执行流向。
　　控制模块：本模块执行电磁铁的吸放功能。在输入信号S1的下降沿驱动下检测电磁铁，检查花纹数据指针范围，辨别织机方向，根据当前指针输出一纬数据（即吸合），并修改指针。在S1的上升沿关电磁铁（即释放）。
　　编辑模块：该模块可实现对新、老花纹数据进行输入、编辑、修改、存储、上下浏览等操作，可按纬数快速定位需编辑修改的内容，有纬的插入、删除，在对块定义后，还可进行块的插入、删除。
　　通信模块：系统处从机地位，通信程序根据主机（编程器）发送的命令，可进行花纹数据的双向传送。
　　功能切换模块：系统有控制、编辑、通信、调试4大功能，该模块可实现系统功能的选择。
　　花样切换模块：本模块用来选择当前操作的花纹号。
　　启动模块：该模块是一个多入口的子程序，根据所选功能执行相应的操作。
　　停止模块：该模块是一个多入口的子程序，它根据当前所处状态和执行的功能.完成停止时相应的数据处理过程，统一退到上电复位状态。
　　6 结束语
　　本控制器功能完善、结构合理、可靠性高、使用方便，实际运行结果表明，该控制器工作稳定、性能可靠、数据安全性好，达到了产品化的设计要求。