基于MC68331的经纱张力控制系统设计

[摘 要]：在织造生产中，经纱张力的控制对提高织造效率、控制织物质量等具有重要意义。提出了一种基于32位微处理器MC68331的经纱张力控制系统方案，并概述了控制系统的构成，重点分析了系统模块设计和软件设计。该控制系统已用于JZ—Ⅱ型剑杆织机上，对提高织物质量取得了显著的效果。 纺织业飞速发展使织机向高速、宽幅、高适应性方向发展。剑杆织机作为应用最广的织机，以其灵活多变的品种适应性深受用户的青睐。高智能电子送经／电子卷取控制系统的设计对于剑杆织机的研制有着非常重要的意义，而对经纱张力的精确控制是实现电子送经／电子卷取控制的前提条件，本文设计并实现了基于32位微处理器MC68331的经纱张力控制系统，在现场运行中，该控制系统取得了良好的效果。 1 微处理器MC68331的结构 综合经纱张力控制精密、实时性强的特点，本经纱张力控制系统采用Motorola公司的32位微处理器MC68331作为主控制器。MC68331是在MC68020 MPU的基础上发展起来的，采用了HCMOS和RISC技术，数据处理能力达到32位，和16位微处理器相比较，具有较高的执行速度，较高的稳定性和极强的数据处理能力。MC68331采用模块化结构，将几个具有不同功能的模块设计在一个芯片内，这些模块主要有：中央处理器CPU32，系统集成模块SIM，队列串行模块QSM，通用定时器GPT等。 2 经纱张力控制系统构成 经纱张力控制系统中，用MC68331实现对经纱张力的控制，使得经纱张力值保持在设定的参考值附近。经纱张力控制系统框图见图1。 经纱张力控制系统包括经纱张力输入通道模块和输出通道模块，两种模块的功能如下。 1）经纱张力输入通道模块。通过张力传感器感测经纱张力信号，把测量到的经纱张力信号转换成数字信号送入MC68331中进行数据处理。 2）经纱张力输出通道模块。经纱张力信号经过MC68331处理后，通过D／A电路转换成模拟信号用来控制送经电机和卷取电机，实现对经纱张力的调节。 3 经纱张力控制系统模块设计 3．1 经纱张力输入模块设计 3．1．1 张力采集方案确定及传感器选型 检测经纱张力的传感器有接近开关和张力传感器两大类。前者是通过检测后梁位置来检测经纱张力；后者是通过检测后梁的弹性形变来检测经纱张力。两种检测方式比较如下。 1）接近开关检测经纱张力，改变张力的设定值需要人工调节弹簧的起始位置；而张力传感器式电子送经通过键盘直接设定经纱张力。 2）接近开关的直径、安装位置会对经纱张力检测造成无法消除的影响；而以张力传感器一个织造周期中张力的平均值作为实际经纱张力值，可以解决接近开关带来周期性张力波动。 比较两者优劣，张力采集电路采用张力传感器方案。借鉴织机厂的经验，选用了托利多公司生产的TSC“S”型张力传感器。 3．1．2 采集接口电路硬件设计 处理经纱张力信号，首先，要求张力采集具有高准确度和高分辨率，需要高分辨率的A／D转换芯片。其次，为了消除干扰，应该以多次采样的平均值作为实际张力值，并且必须留有充裕的时间进行数据处理，A／D转换速度高。 综合以上要求，A／D转换器选用Linear公司的12位串行数据采集系统芯片LTC1290，它具有高分辨率、转换速度快、集成度高、接线简单等特点。LTC1290与MC68331同步串行接口通过4线（CS，SCLK，DIN和DOUT）直接相连，而不需外接任何外部电路。为了增强系统抗干扰性，本系统采用了光电隔离技术，经纱张力采集接口电路见图2。 3．2 经纱张力输出通道设计 在经纱张力输出通道中，将经MC68331处理后的经纱张力信号转换成模拟信号后控制送经电机和卷取电机。因为同时对送经电机和卷取电机进行转速设定，所以经纱张力信号输出通道中的D／A转换器采用MAXIM公司的双通道串行输入电压输出的12位D／A转换芯片MAX532。MAX532与MC68331的串行接口通过3接口（PCSI，SCLK，MOSI）相连，QSPI设置为主机模式，待转换数据由MOSI端发送。接口电路见图3（控制卷取电机的MAX532输出信号后续电路与送经通道中的电路相同）。 4 经纱张力控制系统软件设计 4．1 经纱张力采集周期的确定 经纱张力采样周期受多方面原因约束，必须从实际需要多方面考虑，一般需要考虑以下几个因素。 1）从采样信号输入计算机后不失真考虑，要求采样必须遵守香农定理。 2）从控制系统动态性能和抗干扰性能考虑，要求采样周期短一些。 3）从执行设备动作需要一定过程考虑，所以要求输出信号保持一定时间，要求采样周期长一些。 4）从计算机在一个采样周期内需要完成的运算工作量考虑，要求采样周期长一些，以便计算机有充裕的时间实施数据运算和处理。 综合以上因素，本剑杆织机设计系统每打纬一次采集经纱张力3次，以平均值作为实际张力值。 4．2 经纱张力采集软件编程 对于同步串行口来说，经纱张力采集编程实际上就是正确建立发送数据队列、命令队列和接受数据对列。发送数据队列用于设置LTC1290的工作模式；命令队列用于通信参数设置；接受数据队列用于存储经纱张力采集结果。经纱张力采集和QSPI初始化程序流程图如图4所示。 5 结束语 经纱张力控制对实际生产、织物质量控制都具有很大的意义，基于32位微处理器MS68331的经纱张力控制系统是目前较为理想的一种解决方案，该控制系统的性能由硬件和软件两个方面决定，充分利用了MC68331强大的开发能力，可以准确可靠地控制经纱张力。本控制系统经实验室研制调试后，已用于JZ-Ⅱ型剑杆织机上，经过生产现场的运行，本控制系统达到了设计要求，对提高织物质量取得了显著的效果。