基于WindowsCE的嵌入式提花织袜机控制系统的设计
日期：2008-8-8 1:00:44 来源：中国自动化网
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摘 要(Abstract) 本文阐述了电子提花织袜机的嵌入式控制装置系统的设计。得益于功能强劲的实时嵌入式操作系统Windows CE.NET以及PC104的使用，整个系统稳定可靠，操作简易。
This paper expounds the design of embedded control system for the electronic hosiery machine. Benefiting from the multifunctional embedded RTOS Windows CE.NET and the usage of PC104, the whole system is reliable and easy operation.
关键词(Keywords) Windows CE 提花袜机 嵌入式系统 PC104
Windows CE Hosiery machine Embedded system PC104
1 引言
进入21世纪以来，嵌入式微控制技术日趋成熟，这就为传统行业带来了巨大的机遇。织袜业是针织工业中一个重要的行业，传统提花袜机由于极少引进电脑控制系统，导致袜品花型单调、花色少、花型变换周期长，无法满足现代人们对袜品时装化、多样化的要求。即便是近几年，一些国产袜机也引入了微电脑程序控制系统，但大多都是使用8位单片机系统，与类似PC104嵌入式模块的通用微机系统相比，存在着外围设备的电路设计和程序设计相对困难，数据处理功能相对薄弱，人机界面不友好等缺点。由此，本文提出了利用PC104嵌入式模块及Windows CE.NET 4.2嵌入式操作系统来进行电子提花棉袜机的控制系统的设计。
2 PC104模块及Windows CE.NET简介
2.1 PC104模块概述
PC104是嵌入式PC的机械标准，它秉承了IBM-PC开放式总线结构的优点。PC104总线信号与ISA总线相同，各个接口地址和定义比如串行口数据和状态寄存器、中断号和入口地址、DMA操作方式等，与通用微机完全相同，程序设计也是一致的。PC104嵌入式模块是一整套低成本、高可靠性，能迅速配置成产品的结构化模块，可以很快掌握其软、硬件的使用，而且费用低，低风险，开发周期短，体积小，体现了最新的技术。
PC104除了包括通用微机的标准功能，同时具有一些独到的特点:
·尺寸小，90×96mm；
·低功耗，低于2W；
·可通过堆栈的方法方便的扩充系统需要的外围模块；
·可使用DOM或CF卡，适合嵌入式应用。
2.2 嵌入式操作系统Windows CE.NET
Window CE.NET是微软公司发布的一款功能强劲的实时嵌入式操作系统，它继承了大家熟悉的台式机上Windows操作系统一贯友好的界面，为建立低成本、高效的嵌入式系统创造了条件，引发了各个领域包括工业控制领域开发者的广泛关注。就工业控制方面，其主要特点有[1>:
(1) 实时性好
支持256个优先级别和嵌套中断，在使用Pentium 166MHz处理器时，ISR延迟平均为2.8ms，IST为 17.9ms;
(2) 广泛的CPU支持及提供仿真环境
支持ARM、MIPS、SHx、x86四种微处理器，内置仿真技术，可以在台式机(开发机)上开发和测试程序;
(3) 强大的应用程序开发
开发人员可以选择Visual Studio.NET或者eMbedded Visual C++4.0进行应用程序的开发，前者的优点是开发相对容易，后者的优点是程序执行速度快;
(4) 广泛的存储和文件系统
支持安全事务文件分配表(TFAT)文件系统，该系统能够防止数据因突发性的电力故障而被破坏;
(5) 可定制的用户界面
对于各种控件的外观，开发人员可以在Windows 95和Windows XP两种风格中任选，也可以自己定制颜色和对话框的大小和形状;
(6) 开放的通信平台
集成了多种协议，比如TCP/IP，IPv6，NDIS5.1，Winsock 2.0，Object Exchange Protocol等。
3 嵌入式电子提花织袜机控制系统的设计
嵌入式电子提花织袜机主要由编织机构、给纱机构、落袜机构、传动机构、辅助机构和控制机构组成。除了控制机构外，其他的都于传统的袜机基本相同，控制机构的好坏将最终决定整个袜机性能的优劣。
3.1 控制系统的结构图及说明
图1即为整个嵌入式提花织袜机系统的结构图，其中虚线框内便是机器的控制系统。
一个袜子的编织，首先从花型设计开始[2>。利用前端CAD电脑设计好所要编织的袜子花型，保存后形成花型数据文件，通过可移动的电子存储介质比如U盘或者软盘传送到袜机系统上。程序对花型数据文件分析后，在同步信号作用下与针筒的旋转运动协调一致控制每一个提花针、各个活动部件及电机，从而编织出不同设计风格的袜子。
3.2 系统硬件构成
项目设计人员所开发的嵌入式电子提花织袜机的控制系统的硬件主要由以下几个基本模块组成:
(1) 嵌入式PC104模块
整个控制系统以嵌入式PC104模块为核心，本控制系统采用的是深圳蓝天工控的嵌入式工业计算机主板PCC-3568，其在板处理器为NS Geode GX1 CPU，主频为300MHz，在板内存128Mb。此外由于系统外界设备数量很多，还选用了基于PC104总线的128路通用数字I/O卡和带有三个8255定时/计数器的AD转换卡各一块。
(2) 信号检测与同步模块
电子提花织袜机的整个编织过程是按照严格的工艺流程来执行的，这就需要机械和电气的配合来完成。电脑控制系统需要在袜机运转期间实时、准确、可靠的检测并跟踪袜机针筒的相对位置，这样才能够发出正确的控制信号。这里采用了光洋的10位绝对值编码器，可以精确的检测到针筒的绝对位置，即便是突然断电后，下次开机系统仍可以得到其位置信息，这就免去了以往每次开机后进行手工调节针筒零点的过程。
(3) 人机界面模块
在整个编织过程中，经常需要进行更换纱线、改变密度、改变花型、改变转速等各种操作，因此一个良好的人机界面是必不可少的。系统采用了嵌入式操作系统Windows CE.NET，操作界面十分美观熟悉，加上触摸屏的使用，整个机器的操作方便快捷，降低了以往使用键盘操作的复杂程度。
(4) 电子选针模块
对于电子选针器，设计人员选用了日本WAC公司的9600型压电陶瓷选针器。每个选针器有8把刀，分上下两种位置状态，分别代表选针与不选针。当针筒每转过一针时，每个选针器位置上都相对走过一枚织针，选针器根据电脑发出的控制信息来决定此袜针的工作状态。
3.3 系统软件设计
控制系统的软件部分使用Embedded Visual C++4.0在上位机Windows 2000环境下进行开发。为了能在上位机上开发针对所定制的Windows CE操作系统镜像的应用程序，必须首先利用Windows CE.NET的平台开发工具Platform Builder4.2导出镜像的SDK(Software Devel-opment Knit)[3>。SDK是由一系列的头文件、库文件、帮助文档、平台管理文件和运行文件组成的 ，导出后便可安装到Embedded Visual C++4.0中，从而便可以编写基于该平台的应用程序。
本系统软件主要可分为实时控制和用户交互两个部分。实时控制部分是控制软件的核心，它根据读出的花型信号和同步信号做出相应的计算，控制整个系统部件做出正确的动作，实时性要求高;用户交互部分主要完成系统初始化和手动改变相关工艺等功能，其主要要求就是功能强大、操作方便和信息显示齐全。这样程序主要就由两个线程组成，主线程为工作线程，负责实时控制，次线程为用户界面线程，用于监听用户触发事件并执行与之对应的功能。系统软件的实时控制部分大致流程如图2所示。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
This paper expounds the design of embedded control system for the electronic hosiery machine. Benefiting from the multifunctional embedded RTOS Windows CE.NET and the usage of PC104, the whole system is reliable and easy operation.
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关键词(Keywords) Windows CE 提花袜机 嵌入式系统 PC104
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Windows CE Hosiery machine Embedded system PC104
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1 引言
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进入21世纪以来，嵌入式微控制技术日趋成熟，这就为传统行业带来了巨大的机遇。织袜业是针织工业中一个重要的行业，传统提花袜机由于极少引进电脑控制系统，导致袜品花型单调、花色少、花型变换周期长，无法满足现代人们对袜品时装化、多样化的要求。即便是近几年，一些国产袜机也引入了微电脑程序控制系统，但大多都是使用8位单片机系统，与类似PC104嵌入式模块的通用微机系统相比，存在着外围设备的电路设计和程序设计相对困难，数据处理功能相对薄弱，人机界面不友好等缺点。由此，本文提出了利用PC104嵌入式模块及Windows CE.NET 4.2嵌入式操作系统来进行电子提花棉袜机的控制系统的设计。
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2 PC104模块及Windows CE.NET简介
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2.1 PC104模块概述
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PC104是嵌入式PC的机械标准，它秉承了IBM-PC开放式总线结构的优点。PC104总线信号与ISA总线相同，各个接口地址和定义比如串行口数据和状态寄存器、中断号和入口地址、DMA操作方式等，与通用微机完全相同，程序设计也是一致的。PC104嵌入式模块是一整套低成本、高可靠性，能迅速配置成产品的结构化模块，可以很快掌握其软、硬件的使用，而且费用低，低风险，开发周期短，体积小，体现了最新的技术。
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PC104除了包括通用微机的标准功能，同时具有一些独到的特点:
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·尺寸小，90×96mm；
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
·低功耗，低于2W；
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·可通过堆栈的方法方便的扩充系统需要的外围模块；
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
·可使用DOM或CF卡，适合嵌入式应用。
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2.2 嵌入式操作系统Windows CE.NET
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Window CE.NET是微软公司发布的一款功能强劲的实时嵌入式操作系统，它继承了大家熟悉的台式机上Windows操作系统一贯友好的界面，为建立低成本、高效的嵌入式系统创造了条件，引发了各个领域包括工业控制领域开发者的广泛关注。就工业控制方面，其主要特点有[1>:
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(1) 实时性好
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支持256个优先级别和嵌套中断，在使用Pentium 166MHz处理器时，ISR延迟平均为2.8ms，IST为 17.9ms;
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(2) 广泛的CPU支持及提供仿真环境
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支持ARM、MIPS、SHx、x86四种微处理器，内置仿真技术，可以在台式机(开发机)上开发和测试程序;
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(3) 强大的应用程序开发
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开发人员可以选择Visual Studio.NET或者eMbedded Visual C++4.0进行应用程序的开发，前者的优点是开发相对容易，后者的优点是程序执行速度快;
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(4) 广泛的存储和文件系统
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(5) 可定制的用户界面
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对于各种控件的外观，开发人员可以在Windows 95和Windows XP两种风格中任选，也可以自己定制颜色和对话框的大小和形状;
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(6) 开放的通信平台
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集成了多种协议，比如TCP/IP，IPv6，NDIS5.1，Winsock 2.0，Object Exchange Protocol等。
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3 嵌入式电子提花织袜机控制系统的设计
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嵌入式电子提花织袜机主要由编织机构、给纱机构、落袜机构、传动机构、辅助机构和控制机构组成。除了控制机构外，其他的都于传统的袜机基本相同，控制机构的好坏将最终决定整个袜机性能的优劣。
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3.1 控制系统的结构图及说明
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图1即为整个嵌入式提花织袜机系统的结构图，其中虚线框内便是机器的控制系统。
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一个袜子的编织，首先从花型设计开始[2>。利用前端CAD电脑设计好所要编织的袜子花型，保存后形成花型数据文件，通过可移动的电子存储介质比如U盘或者软盘传送到袜机系统上。程序对花型数据文件分析后，在同步信号作用下与针筒的旋转运动协调一致控制每一个提花针、各个活动部件及电机，从而编织出不同设计风格的袜子。
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3.2 系统硬件构成
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项目设计人员所开发的嵌入式电子提花织袜机的控制系统的硬件主要由以下几个基本模块组成:
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(1) 嵌入式PC104模块
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(2) 信号检测与同步模块
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电子提花织袜机的整个编织过程是按照严格的工艺流程来执行的，这就需要机械和电气的配合来完成。电脑控制系统需要在袜机运转期间实时、准确、可靠的检测并跟踪袜机针筒的相对位置，这样才能够发出正确的控制信号。这里采用了光洋的10位绝对值编码器，可以精确的检测到针筒的绝对位置，即便是突然断电后，下次开机系统仍可以得到其位置信息，这就免去了以往每次开机后进行手工调节针筒零点的过程。
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(3) 人机界面模块
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在整个编织过程中，经常需要进行更换纱线、改变密度、改变花型、改变转速等各种操作，因此一个良好的人机界面是必不可少的。系统采用了嵌入式操作系统Windows CE.NET，操作界面十分美观熟悉，加上触摸屏的使用，整个机器的操作方便快捷，降低了以往使用键盘操作的复杂程度。
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(4) 电子选针模块
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对于电子选针器，设计人员选用了日本WAC公司的9600型压电陶瓷选针器。每个选针器有8把刀，分上下两种位置状态，分别代表选针与不选针。当针筒每转过一针时，每个选针器位置上都相对走过一枚织针，选针器根据电脑发出的控制信息来决定此袜针的工作状态。
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3.3 系统软件设计
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控制系统的软件部分使用Embedded Visual C++4.0在上位机Windows 2000环境下进行开发。为了能在上位机上开发针对所定制的Windows CE操作系统镜像的应用程序，必须首先利用Windows CE.NET的平台开发工具Platform Builder4.2导出镜像的SDK(Software Devel-opment Knit)[3>。SDK是由一系列的头文件、库文件、帮助文档、平台管理文件和运行文件组成的 ，导出后便可安装到Embedded Visual C++4.0中，从而便可以编写基于该平台的应用程序。
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本系统软件主要可分为实时控制和用户交互两个部分。实时控制部分是控制软件的核心，它根据读出的花型信号和同步信号做出相应的计算，控制整个系统部件做出正确的动作，实时性要求高;用户交互部分主要完成系统初始化和手动改变相关工艺等功能，其主要要求就是功能强大、操作方便和信息显示齐全。这样程序主要就由两个线程组成，主线程为工作线程，负责实时控制，次线程为用户界面线程，用于监听用户触发事件并执行与之对应的功能。系统软件的实时控制部分大致流程如图2所示。
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