FPGA的电脑提花机控制系统的硬件设计
回顾提花机发展的历史，若上溯它的起源，汉代时就已出现了原始腰机挑花的提花工艺，至今已有两千多年的时间。期间经过了无数次的改良，最终发展成现今进步的电脑化工程，利用电脑程序将图案影像设计转换成机器所能执行的操作，实现产品的编织。 M000239
本文讨论的电脑提花机控制系统首先要能实现花样文件的读写，数据解析与组织，界面管理，信号采集，数据传输等功能，并且具有控制精度高、时序强等特点，因此系统采用主控制板与接口驱动板两级结构。其中接口驱动板主要功能是选针控制的驱动，零位、编码器、报警等信号的采集与预处理，同时实现与主控制板间的数据与信号传输。由于端口数多、时序要求高，因此接口驱动板采用FPGA来实现。
关键字：提花工艺 电脑化工程 选针控制 FPGA
Review the history of the development of jacquard machine, It has been two thousand years of time since jacquard technology of the original waist machine lace in Han Dynasty. It has developed into today's computerized engineering that uses the computer program design pattern into the operation that machine can carry out to achieve the knitting products after numerous improvement during this time.
Control system of computer jacquard machine discussed in this paper should read and write the pattern file, analyze and organize the data, and realize the function of interface management, acquisition of signal and data transmission.It has the advantages of high control accuracy, timing etcs. Therefore the system uses two level structure that contains the main control board and interface board. The main function of interface board is to control the drive of needle selection,collect and preprocess the zero,encoder and alarm signal,and complete the transmission of data and signal between main control board and interface board at the same time. Because the port number and high timing requirements, interface board uses FPGA to realize its functions.
Key Words: jacquard technology;computerized engineering;needle selection control;FPGA
第一章 绪论 查看完整请+Q:351916072获取
1.1 国内外电子提花机发展概述
提花圆机早在上世纪80年代就已在西方发达国家问世，经过长达30几年的发展，现在的提花圆机编织的产品色泽鲜艳，很有档次，既可增加产品附加值，又能提升品牌形象。而我国在电脑提花机上的研发比较晚，所以与国外的电脑提花机相比较，差错率高，提花速度慢，对复杂花型的辨别和翻改能力较差，自动化程度也有所不如。因此，总的来说，国内提花圆机的研发水准和创新能力远远不如国外发达国家的水准。[1] 而且从最近几年的国际轻纺机械展览会上的情况可以看出来，我国在电脑提花样机中，配备有高速电子的设备几乎处于空白的位置。随着中国加入WTO，人们对提花织物的要求也越来越国际化，对提花织物的需求也在不断的提升，据相关人士预测国内的大多数纺织公司对高速提花机的需求量会以每年百分之三十的比例增长。
虽然我国的大多数织造公司都依赖于国外进口的电脑提花机，但进口电脑提花机的价格相对来说有点昂贵，大量进口对于他们来说也有点入不敷出，所以，对于产量高，品种适应性强，织物质量好，并具有潜在的成本优势，故障率低，便于维修的国产电脑提花机来说，无疑是个更好的选择。目前我国国产的电脑提花机在国内市场上的比重也有了较大的提高，已逐渐占据了主动的地位，打破了长期依赖国外进口电脑提花机的被动局面，缓解了高档面料的急需。在电子技术和机械工业高速发展的今天，我国必须加快在纺织工业方面的脚步，必须得不断的开发纺织工业的新型原料，还得有自己创新的品牌来抗衡国际上的压力。[2]
1.2 电脑提花机的控制原理及流程
提花织物是由不同种类和颜色的经纱或纬纱按照一定的规律编织而成的复杂花纹图案的编织物。电脑提花机有许多不同的种类，也都有各自的功能和不足，但在工作原理上大体一样，基本上分为电子控制部分和提花部分。第一部分是整个电脑提花机的核心，它主要根据花型数据，对着收到的同步信号来控制选针器刀头的摆动。第二部分是固定在大圆机上的选针器。它由控制系统控制选针器刀头的上下摆动来决定织针是否被压下去，来实现编织，不编织与集圈等提花工艺，从而决定花纹的样式。[3]
图1.1 滚筒式选针机构的结构及工作原理
如上图所示，每个针筒中的针槽中都插着一根织针，针槽下方就是提花片，每个提花片上都有相对应的工作片齿和工作锺，片齿都与水平配置的选针刀一一相对应着，每片选针刀也与选针片的片齿一一相对应着。选针片插在竖滚筒的凹槽中。当开始编织时，针筒每转过一转，竖滚筒就转过一齿，选针片也相对应的更换一片，、进入选针位置。此时若选针刀的片齿要留齿时，工作片齿就会推动与之相对应的选针刀，继而推动选针片，改选针片就会被压入针槽中，使工作锺离开挺针三角的工作范围，提花片就不会上升，不参与编织。当片齿被钳去时，选针刀就会被推出去工作，提花片不会被压入针槽，工作锺就会顺着挺针三角上升，织针就会参加编织。
当控制面板的花型数据准备好之后，整个提花圆机控制系统就可以运行起来了。此时如果零位刚好对准，就会反馈一个同步信号给控制系统，选针器刀头就开始上下摆动，直到完成织物的编织过程。整个流程为：花型数据——选针片——选针刀头——提花片——纹针编织或不编织。
图1.2 花型数据传输流程
1.3 电脑提花机课题的研究意义
针织物的发展从最原始的纯手工编织到机械式提花机，再到如今的电脑提花机，经过无数的尝试和漫长的过程。相比较于纯手工和机械式提花机，电脑提花机融合了计算机信息处理技术，可以把编织物的花型信息转换成电脑圆机的控制信息，用软件程序来控制选针器刀头的动作，实现了超高速，微小差错率的编织过程，在很大程度上提高了劳动生产率和产品的质量。
在高速运行过程中，提花圆机能同时的控制各个控制点，这点在编织控制系统中显的尤为重要。而且它的工作量很大，需要边读取花型数据边控制选针器刀头的摆动，还要配合硬件其他各个部分的正常工作，具有高精度的控制力。[4]
1.4 本文研究的主要内容和特色
根据系统的需求和提花流程的了解，本文在讨论了提花圆机的工作环境，系统的通用性和硬件的处理能力等方面后，提出了一种实现大圆机提花的控制系统，对提花圆机控制系统几个模块的硬件设计方面提出了优化，保证为可以高效，快速的提花工作做好了准备。
主要研究内容如下：
整个系统采用FPGA作为核心器件，围绕核心器件根据功能描述还有其他8个主要的模块。数码管模块和拨码开关，主要负责接口板对编码器输出脉冲的计数；编码器模块，主要负责产品对花型编织时的启动功能；机械零位模块，主要负责因意外发生，电源断开，自动停机的功能；电源模块主要负责对电路供电；输入模块；输出模块负责选针器刀头的摆动；与面板的信息交换模块等。
该系统控制十路选针器的输出，面板可以控制每路选针器分别做低速，中速，高速和单个的摆动以及其他方式的摆动。在编织过程中，若因意外情况发生导致系统运行不正常，继电器会自动断开电源以保护正在处理的数据不丢失和设备的安全。
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第一章 绪论 1
1.1 国内外电子提花机发展概述 1
1.2 电脑提花机的控制原理及流程 1
1.3 电脑提花机课题的研究意义 3
1.4 本文研究的主要内容和特色 3
第二章 系统总体规划 5
2.1 系统的参考因素 5
2.1.1 从现场工作环境考虑 5
2.1.2 从系统硬件处理能力考虑 5
2.1.3 从系统的通用性考虑 5
2.2 系统硬件开发平台的选择 6
2.3 方案的对比 6
第三章 硬件设计 7
3.1 整体构架 7
3.1 功能要求 9
3.2 硬件设计概述 9
3.2.1 配置电路 9
3.2.2 编码器电路 10
3.2.3数码管电路 13
3.2.4 零位 15
3.2.5 信号输入接口电路的设计 15
3.2.6 选针器输出接口电路的设计 16
3.2.7 与上位机信息交换模块 17
3.2.8 自动停机模块的设计 18
3.3 硬件电路的调试 19
第四章 软件设计 21
4.1 系统时序性定义 22
4.2 编码器零位的校准 22
4.3 报警与自停机 24
4.4 编码器的输出 25
4.6 数码管显示 28
结束语 29
致谢 30
参考文献 31 查看完整请+Q:351916072获取
本文讨论的电脑提花机控制系统首先要能实现花样文件的读写，数据解析与组织，界面管理，信号采集，数据传输等功能，并且具有控制精度高、时序强等特点，因此系统采用主控制板与接口驱动板两级结构。其中接口驱动板主要功能是选针控制的驱动，零位、编码器、报警等信号的采集与预处理，同时实现与主控制板间的数据与信号传输。由于端口数多、时序要求高，因此接口驱动板采用FPGA来实现。
关键字：提花工艺 电脑化工程 选针控制 FPGA
Review the history of the development of jacquard machine, It has been two thousand years of time since jacquard technology of the original waist machine lace in Han Dynasty. It has developed into today's computerized engineering that uses the computer program design pattern into the operation that machine can carry out to achieve the knitting products after numerous improvement during this time.
Control system of computer jacquard machine discussed in this paper should read and write the pattern file, analyze and organize the data, and realize the function of interface management, acquisition of signal and data transmission.It has the advantages of high control accuracy, timing etcs. Therefore the system uses two level structure that contains the main control board and interface board. The main function of interface board is to control the drive of needle selection,collect and preprocess the zero,encoder and alarm signal,and complete the transmission of data and signal between main control board and interface board at the same time. Because the port number and high timing requirements, interface board uses FPGA to realize its functions.
Key Words: jacquard technology;computerized engineering;needle selection control;FPGA
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1.1 国内外电子提花机发展概述
提花圆机早在上世纪80年代就已在西方发达国家问世，经过长达30几年的发展，现在的提花圆机编织的产品色泽鲜艳，很有档次，既可增加产品附加值，又能提升品牌形象。而我国在电脑提花机上的研发比较晚，所以与国外的电脑提花机相比较，差错率高，提花速度慢，对复杂花型的辨别和翻改能力较差，自动化程度也有所不如。因此，总的来说，国内提花圆机的研发水准和创新能力远远不如国外发达国家的水准。[1] 而且从最近几年的国际轻纺机械展览会上的情况可以看出来，我国在电脑提花样机中，配备有高速电子的设备几乎处于空白的位置。随着中国加入WTO，人们对提花织物的要求也越来越国际化，对提花织物的需求也在不断的提升，据相关人士预测国内的大多数纺织公司对高速提花机的需求量会以每年百分之三十的比例增长。
虽然我国的大多数织造公司都依赖于国外进口的电脑提花机，但进口电脑提花机的价格相对来说有点昂贵，大量进口对于他们来说也有点入不敷出，所以，对于产量高，品种适应性强，织物质量好，并具有潜在的成本优势，故障率低，便于维修的国产电脑提花机来说，无疑是个更好的选择。目前我国国产的电脑提花机在国内市场上的比重也有了较大的提高，已逐渐占据了主动的地位，打破了长期依赖国外进口电脑提花机的被动局面，缓解了高档面料的急需。在电子技术和机械工业高速发展的今天，我国必须加快在纺织工业方面的脚步，必须得不断的开发纺织工业的新型原料，还得有自己创新的品牌来抗衡国际上的压力。[2]
1.2 电脑提花机的控制原理及流程
提花织物是由不同种类和颜色的经纱或纬纱按照一定的规律编织而成的复杂花纹图案的编织物。电脑提花机有许多不同的种类，也都有各自的功能和不足，但在工作原理上大体一样，基本上分为电子控制部分和提花部分。第一部分是整个电脑提花机的核心，它主要根据花型数据，对着收到的同步信号来控制选针器刀头的摆动。第二部分是固定在大圆机上的选针器。它由控制系统控制选针器刀头的上下摆动来决定织针是否被压下去，来实现编织，不编织与集圈等提花工艺，从而决定花纹的样式。[3]
图1.1 滚筒式选针机构的结构及工作原理
如上图所示，每个针筒中的针槽中都插着一根织针，针槽下方就是提花片，每个提花片上都有相对应的工作片齿和工作锺，片齿都与水平配置的选针刀一一相对应着，每片选针刀也与选针片的片齿一一相对应着。选针片插在竖滚筒的凹槽中。当开始编织时，针筒每转过一转，竖滚筒就转过一齿，选针片也相对应的更换一片，、进入选针位置。此时若选针刀的片齿要留齿时，工作片齿就会推动与之相对应的选针刀，继而推动选针片，改选针片就会被压入针槽中，使工作锺离开挺针三角的工作范围，提花片就不会上升，不参与编织。当片齿被钳去时，选针刀就会被推出去工作，提花片不会被压入针槽，工作锺就会顺着挺针三角上升，织针就会参加编织。
当控制面板的花型数据准备好之后，整个提花圆机控制系统就可以运行起来了。此时如果零位刚好对准，就会反馈一个同步信号给控制系统，选针器刀头就开始上下摆动，直到完成织物的编织过程。整个流程为：花型数据——选针片——选针刀头——提花片——纹针编织或不编织。
图1.2 花型数据传输流程
1.3 电脑提花机课题的研究意义
针织物的发展从最原始的纯手工编织到机械式提花机，再到如今的电脑提花机，经过无数的尝试和漫长的过程。相比较于纯手工和机械式提花机，电脑提花机融合了计算机信息处理技术，可以把编织物的花型信息转换成电脑圆机的控制信息，用软件程序来控制选针器刀头的动作，实现了超高速，微小差错率的编织过程，在很大程度上提高了劳动生产率和产品的质量。
在高速运行过程中，提花圆机能同时的控制各个控制点，这点在编织控制系统中显的尤为重要。而且它的工作量很大，需要边读取花型数据边控制选针器刀头的摆动，还要配合硬件其他各个部分的正常工作，具有高精度的控制力。[4]
1.4 本文研究的主要内容和特色
根据系统的需求和提花流程的了解，本文在讨论了提花圆机的工作环境，系统的通用性和硬件的处理能力等方面后，提出了一种实现大圆机提花的控制系统，对提花圆机控制系统几个模块的硬件设计方面提出了优化，保证为可以高效，快速的提花工作做好了准备。
主要研究内容如下：
整个系统采用FPGA作为核心器件，围绕核心器件根据功能描述还有其他8个主要的模块。数码管模块和拨码开关，主要负责接口板对编码器输出脉冲的计数；编码器模块，主要负责产品对花型编织时的启动功能；机械零位模块，主要负责因意外发生，电源断开，自动停机的功能；电源模块主要负责对电路供电；输入模块；输出模块负责选针器刀头的摆动；与面板的信息交换模块等。
该系统控制十路选针器的输出，面板可以控制每路选针器分别做低速，中速，高速和单个的摆动以及其他方式的摆动。在编织过程中，若因意外情况发生导致系统运行不正常，继电器会自动断开电源以保护正在处理的数据不丢失和设备的安全。
目 录 查看完整请+Q:351916072获取
第一章 绪论 1
1.1 国内外电子提花机发展概述 1
1.2 电脑提花机的控制原理及流程 1
1.3 电脑提花机课题的研究意义 3
1.4 本文研究的主要内容和特色 3
第二章 系统总体规划 5
2.1 系统的参考因素 5
2.1.1 从现场工作环境考虑 5
2.1.2 从系统硬件处理能力考虑 5
2.1.3 从系统的通用性考虑 5
2.2 系统硬件开发平台的选择 6
2.3 方案的对比 6
第三章 硬件设计 7
3.1 整体构架 7
3.1 功能要求 9
3.2 硬件设计概述 9
3.2.1 配置电路 9
3.2.2 编码器电路 10
3.2.3数码管电路 13
3.2.4 零位 15
3.2.5 信号输入接口电路的设计 15
3.2.6 选针器输出接口电路的设计 16
3.2.7 与上位机信息交换模块 17
3.2.8 自动停机模块的设计 18
3.3 硬件电路的调试 19
第四章 软件设计 21
4.1 系统时序性定义 22
4.2 编码器零位的校准 22
4.3 报警与自停机 24
4.4 编码器的输出 25
4.6 数码管显示 28
结束语 29
致谢 30
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