引 言

賈卡經編機賈卡裝置自1884年問世以來，已從機械式發展到電磁式和現在的壓電式，即Piezo賈卡系統，徹底改變了賈卡裝置需要通絲、移位針等繁雜部件的特點，使賈卡經編機提花部分的機構大大簡化，速度有了很大提高。此外，與計算機輔助花型設計系統配合，加快了賈卡經編織物的設計，簡化了上機工藝，縮短了產品更新周期。Piezo賈卡的成功開發促進了經編機設備的不斷發展進步，目前機器速度已經大大提高，提花原理也得到了進一步的發展。

Piezo賈卡導紗針主要由三部分組成：壓電陶瓷、導紗針握持端和可替換的賈卡導紗針。Piezo賈卡元件用于控制經編機上賈卡導紗針的左右偏移。它由兩片壓電陶瓷組成，中間由玻璃纖維層隔離(絕緣)。壓電陶瓷具有“逆壓電效應”，將其置于外電場將產生幾何變形。通過控制賈卡元件兩側交替加上去的正負電壓，使電陶瓷變形，進而使導紗針向左或向右偏移。由于壓電陶瓷效果像電容一樣，使得壓電式導紗針能保持在它的偏移位置上。賈卡導紗針左右兩面都有定位快，可以保證精確的隔離。

設計賈卡控制系統的主要目的就足要根據經編機的需求，把花型數據準確適時地執行到導紗針，實現經編機的提花。本文根據實際經編機設備的開發需求，選用AVR系列單片機ATmega128為主控芯片，設計了壓電式賈卡控制系統，包括控制系統的軟、硬件設計，壓電陶瓷賈卡裝置的驅動電路等。系統將計算機技術和傳統的提花工藝結合，較好地解決了傳統提花工藝中存在的問題，降低了成本，簡化了操作過程，縮短了新產品的開發周期。該系統由于成本低，結構簡單，特別適用于實際賈卡經編機設備控制部分的技術改進，具有較好的可靠性與實用性。本系統的設計原理和結構的可靠性與實用性已通過樣機試運行得以證實。

1 硬件設計

1．1 系統總體結構

圖1所示為系統總體結構框圖。

圖1中下位機在系統中所完成的主要工作包括：接收上位機的選針花型數據，并存儲在下位機的存儲器FM24C512中；接收上位機的同步和歸零信號，并根據存儲器中的選針花型數據驅動賈卡陶瓷導紗針，以實現提花控制。

1．2 單片機控制系統總體設計

下位機系統硬件結構框圖如圖2所示。AT-mega128單片機作為系統控制核心，將花型準備系統設計出來的花型數據(花型數據庫)通過RS 485連接單片機的串口通信，從上位機把花型數據傳送到外部擴展的FM24C512存儲器中，實現與上位機的高速多機通訊，并由ATmega128單片機按照花型數據，與機器設備其他部分協調控制(同步、歸零等)賈卡經編機所需要的花型，通過賈卡驅動電路驅動賈卡陶瓷導紗針，以實現提花控制。

單片機采用MCU的聯機仿真和測試的標準接口(JTAG)，可實時在線仿真和調試，方便系統軟件的維護和升級。系統工作的啟動或停止信號經393比較電路、光電隔離電路和斯密特觸發電路處理后安全可靠穩定地到達控制核心，兩路信號接ATmega128兩路外部中斷接口，以保證信號的實時處理。

1．3 硬件各部分設計

1．3．1 MCU控制中心

本經編機賈卡控制系統采用美國ATMEL公司資源豐富的ATmega128產品作為主控芯片進行設計。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高，加密性強和易實現等諸多優點。ATmega128具有128 KB的系統內可編程FLASH、4 KB的E2PROM、4 KB的SRAM、53個通用I／O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數器(T／C)、2個USART、面向字節的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE 1149．1規范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高1 MIPS／MHz，比普通的復雜指令集微處理器高10倍，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

1．3．2 RS 485通信

在實際應用中采用一臺主機控制多臺從機。根據設備的基本要求，從機與主機間的通訊速度不需要太高，一般采用9 600 b／s或14 400 b／s即可。所以本系統通訊總線采用半雙工RS 485總線即可達到要求，且造價低廉，穩定性好。用MAX485芯片在控制信號下可以完成與上位機的通訊，實現數據的傳輸，主要是接收上位機傳來的選針花型數據以及發過來的控制命令。

1．3．3 掉電存儲

圖2中，掉電存儲部分采用FM24C512。它帶有2線工業標準串行接口的512 KB非易失性FRAM，且與工業標準24C512的E2PROM的引腳兼容，極易進行容量擴展。為滿足系統需要，本設計采用了兩片FM24C512，組成了1 MB的存儲空間。該存儲器以高達1 MHz的總線速度執行讀操作和無須等待的寫入操作，擦寫次數超過100億次，避免了一般E2PROM存儲器需要很長的擦寫延遲時間和輪詢軟件，擦寫次數并少于100萬次的弊端。其工作電壓是5 V，讀寫頻率在100 kHz時電流消耗為250μA，具有極低的功耗?？稍?40～+85℃的工業溫度范圍內工作，同時提供45年的數據保留能力，信息保存可靠。利用AT-mega128的兩線接口TWI(I2C)對FM24C512進行操作，簡單方便，滿足系統要求。正是由于以上原因，系統設計舍棄了單片機自身所具有的E2PROM而采用了FM24C512作為掉電存儲器。

1．3．4 信號傳輸

系統的控制過程是一個閉環控制，信號傳輸過程如圖2中所示，MCU通過花型數據來驅動提花機的賈卡動作，同時提花機將賈卡的當前狀態反饋給MCU，MCU根據實時的賈卡狀態修正或準備新的花型數據并驅動賈卡動作，從而形成回路控制。

控制系統一次性傳輸的數據量較大，每臺賈卡經編機上一般有幾千把導紗針同時動作，單片機控制導紗針的每一個動作都需要向外輸出幾千位的控制信號，使用并行輸出，受單片機端口數限制必定行不通。使用串行轉并行輸出則可以很好地解決問題，所以系統采取的是單片機串行輸出花型數據到賈卡的驅動電路，驅動電路將串行數據轉化成并行數據執行動作的方式。雖然串行比并行傳輸的速度慢，但根據實際需要在規定的時間內傳輸完幾千位的數據還是可以做到的。因此，信號傳輸過程對速度和抗干擾能力的要求較高，同時系統中賈卡驅動電路設計至關重要。

為防止電源等對信號的干擾，對輸出的花型數據信號進行光電隔離，經隔離后的信號通過信號長線驅動器MC3487轉換成RS 422信號，將TTL邏輯電平變為電位信號來實現信息傳送。同理，MCU接收的反饋賈卡狀態信號也需要經過長線驅動器MC3487和長線驅動接收器MC3486的處理后經過光隔進入單片機。這樣的設計不僅可以增加系統的抗干擾能力，同時可以支持較高的傳輸速率和較長的傳輸距離。

1．3．5 光電隔離

為滿足系統高速、低功耗、可靠的信號傳輸要求，光隔部分采用6N137光耦合器。它是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個850 nm波長A1GaAsLED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基箝位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL／TTL兼容，高速(典型為10 MBd)，5 mA的極小輸入電流。

1．3．6 賈卡驅動

本設計采用硅結構的CMOS器件74HC595作為串行移位輸出，其兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。8位串行輸入、8位串行或并行輸出，具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。輸出寄存器可以直接清除，具有1OO MHz的移位頻率，并行輸出，總線驅動。數據在SHCP上升沿進入移位寄存器后，在STCP上升沿輸出到并行口進行驅動。串行移位輸出電路原理如圖3所示。

根據賈卡導紗針的工作原理，驅動電路要根據花型數據給壓電陶瓷加正或負60 V直流電。驅動電路如圖4所示，主要由74HC541為八緩沖器／驅動器、2個2N5551型三極管、2個2N5401等組成。

壓電陶瓷驅動電路的工作原理為：由控制系統輸出的脈沖信號DIN，一路輸入到第一組由QA1和QA3組成的正電源開關電路，另外一路經過74HC541緩沖輸入到第二組由QA2和QA4組成的負電源開關電路，這兩組開關電路由DIN統一控制。當DIN為高時，第一組開關電路導通，第二組關斷，正電壓+V輸出加到壓電陶瓷端(VOUT)；當DIN為低時，第二組開關電路導通，第一組關斷，負電壓-V輸出加到電陶瓷端(VOUT)。這樣通過系統輸出的脈沖信號不斷變化即能控制壓電陶瓷導紗針的左右擺動，將電能轉換成機械能，實現提花選針。

在脈沖開關電路中，為了盡量接近理想開關，晶體管則一定要工作于飽和或截止狀態，而放大狀態則只是在飽和、截止兩個狀態相互轉換的瞬間經過一下。根據壓電陶瓷片驅動電壓60 V及驅動電流(幾十毫安左右)，本驅動電路選擇2N5551和2N5401型三極管(Icm=600 mA，Bvceo>160 V)，經驗算，各三極管在此電路中能飽和。該驅動電路設計合理實用。

2 軟件設計

根據控制系統的功能要求并結合上述硬件設計，再結合系統選取針花型數據的存儲、花型驅動信號、主從機的數據通訊及控制等功能。然后由RS 485半雙工總線的特性設計出命令表及協議。MCU在編程狀態下，通過RS 485總線接收上位機發送的數據，并按順序存儲在掉電存儲器中；在運行狀態下，從機在同步及歸零信號控制下，按順序將數據從掉電存儲器中讀出，并將其解壓后轉換成一組賈卡導紗針。軟件程序采用模塊化的編程思想，采用匯編和C語言混合編寫的方法。

2．1 RS 485通信程序

RS 485通信任務是從上位機把花型數據或者發過來的控制命令傳送到外部擴展的FM24C512存儲器中。系統采用半雙工工作方式，接收上位機的花型數據，則單片機利用USART串口采用應答式實現與上位機的通信，程序流程如圖5所示。

2．2 花型控制程序

本控制系統的控制信號傳輸采用串行轉并行傳輸技術。其串行傳輸采用的是軟件模擬串行同步傳輸。CPU從片外FM24C512讀取花型控制信息，經單片機端口在時序(SHCP)配合下串行傳送給74HC595進行移位緩存，數據依次由高位到低位傳輸。傳送完花型控制信號后，單片機CPU處于等待狀態。當現場向單片機發送使能信號時，則單片機對74HC595的STCP發送一個上升沿脈沖信號，從而緩沖的所有數據并行輸出，從而賈卡導紗針實現一次動作。其程序框圖如圖6所示。

3 系統可靠性設計

賈卡經編機對系統可靠性要求很高，在系統工作時，不能出現死機及其他異?，F象。因此系統在軟硬件設計過程中對可靠性加以特殊的重視。下面介紹幾種提高系統可靠性的主要措施。

(1)ATmega128自身具有看門狗功能，可在系統異常發生時自行重啟。

(2)信號光電隔離，分組供電。采用穩定可靠的DC-DC模塊24S05由24 V直流電源得到單片機需要的5 V電源，光耦及MC3486或3487需要的5 V電源另外供應，同時24 V電源為393提供電源。

(3)提高元器件及其印刷電路板的可靠性。關鍵元器件要嚴格篩選，電路板布線要嚴格按照PCB布線規則，充分考慮電磁兼容、抗干擾等要求。

(4)良好的接地系統，提高安全性，抑制干擾。

(5)程序采用匯編語言和C語言混合編寫，以適應要求較嚴格的時序問題。

(6)采取充分的軟件可靠性措施，例如采用串行數據的出錯重傳和延時調整、嚴格各端口的控制字、超時判斷等。

4 結 語

本系統設計集成了花型數據的提取、存儲、傳輸、校驗及控制等一系列功能，實現了花型數據的數字化傳輸功能，提高了賈卡經編機提花控制系統的數字化水平，大大節約了花型控制的成本。此賈卡控制系統與計算機輔助花型設計系統配合可以加快賈卡經編織物的設計，簡化上機工藝，縮短產品更新周期，可以很好地改進賈卡經編機設備的控制技術，系統的可靠性與實用性在樣機試運行中已經得到證實。