李 軍， 朱方明， 周 炯， 于慶豐

(杭州師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 杭州 311121)

應(yīng)用頻閃原理的選針器頻率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 軍， 朱方明， 周 炯， 于慶豐

(杭州師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 杭州 311121)

選針器是圓機(jī)電子提花技術(shù)中的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能的好壞將直接影響到圓機(jī)提花的準(zhǔn)確性和可靠性,為此，針對(duì)現(xiàn)有電子選針器檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)效率低、可靠性差、成本高等問題，利用頻閃成像原理，運(yùn)用嵌入式控制技術(shù)并采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式處理器STM32和可編程邏輯器件的選針器頻率檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際檢測(cè)效果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器刀頭故障的有效檢測(cè)，并且具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和并行控制能力。目前該檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在選針器生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用效果顯示，該檢測(cè)系統(tǒng)可提升電子選針器的穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)效率。

選針器檢測(cè)系統(tǒng)； 頻閃成像； 閃爍頻率； 嵌入式處理器； 可編程邏輯器件

近些年來,隨著電子控制技術(shù)在針織圓機(jī)提花技術(shù)上的推廣應(yīng)用，針織提花圓機(jī)在計(jì)算機(jī)控制提花、大圓機(jī)雙面提花、電子選針系統(tǒng)等方面都得到了較大的發(fā)展[1-2]。選針器[3-5]是圓機(jī)電子提花技術(shù)中的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能和頻率等參數(shù)都將直接影響提花的準(zhǔn)確性和可靠性，從而影響整機(jī)的性能。選針器的非正常工作會(huì)使織物出現(xiàn)花型錯(cuò)亂和變形，甚至還可能引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)械損壞。

選針器性能的檢測(cè)一直是該研究領(lǐng)域的技術(shù)難題之一。目前國(guó)外的研究工作有利用嵌入式系統(tǒng)結(jié)合USB、以太網(wǎng)總線等接口與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)功能，以及根據(jù)壓電陶瓷性能設(shè)計(jì)具有電壓反饋功能的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)檢測(cè)等。上述研究都依賴于控制系統(tǒng)本體，通用性比較差。國(guó)內(nèi)的檢測(cè)技術(shù)有的是利用電磁脈沖反饋加以實(shí)現(xiàn)，通用性強(qiáng)但精度不高，且測(cè)試結(jié)果帶有隨機(jī)性，無法為后續(xù)的維修提供幫助。也有一些檢測(cè)技術(shù)基于電壓反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[6]，采集的信號(hào)是驅(qū)動(dòng)電路的輸出端電壓，無法最終確認(rèn)刀頭的工作是否正常。常規(guī)的人工肉眼檢測(cè)手段不僅效率低，而且因過度依賴個(gè)體經(jīng)驗(yàn)而降低了可靠性。因此，研究和開發(fā)針織圓機(jī)的電子選針器檢測(cè)系統(tǒng)，確保選針器準(zhǔn)確可靠工作，對(duì)保障現(xiàn)有針織圓機(jī)的運(yùn)行性能的穩(wěn)定性、提高其生產(chǎn)效率，具有十分重要的作用。

本文利用頻閃原理，采用嵌入式控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于嵌入式處理器STM32和可編程邏輯器件(CPLD)的選針器頻率檢測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)原理與方法

1.1 頻閃成像的基本原理

眾所周知，當(dāng)燈光閃爍的頻率與電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相同時(shí)，肉眼看到的電風(fēng)扇就是靜止的，這就是由頻閃效應(yīng)[7-8]造成的。頻閃效應(yīng)就是物體在人的視野中消失后能留一定時(shí)間的視覺印象，即視后效。在物體一般光度條件下，視后效的持續(xù)時(shí)間約在1/20～1/5 s的范圍內(nèi)。如果來自被觀察物體的視覺刺激信號(hào)是周期信號(hào)，每2次間隔都少于1/20 s，則視覺來不及消失，從而給人以連貫的假象。此時(shí)，如果用頻閃的光來照明周期運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)頻率與閃光頻率相等時(shí)，則相當(dāng)于物體被“凍結(jié)”在某個(gè)位置上，這樣，通過閃爍的燈光，人的肉眼就能得到物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖1所示。當(dāng)頻閃光對(duì)著不同的圖案，人眼所看到的圖案就會(huì)是3個(gè)不同的圖案，當(dāng)頻閃時(shí)間只停留在1個(gè)圖案上，看到的就只有這個(gè)圖案了。

圖1 頻閃成像原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of stroboscopic imaging principle

1.2 檢測(cè)方法

基于該頻閃原理，選用高亮度的聚光LED燈來作為光源，通過調(diào)節(jié)LED燈的閃爍頻率達(dá)到和選針器刀頭擺動(dòng)同樣的頻率，根據(jù)所看到的選針器的工作狀態(tài)來判斷選針器的準(zhǔn)確性，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器的檢測(cè)。具體方法為：選用高亮度的聚光LED燈作為光源，通過STM32控制單元控制LED燈的閃爍頻率和驅(qū)動(dòng)選針器刀頭的擺動(dòng)頻率，使得LED燈閃爍頻率和刀頭擺動(dòng)頻率保持一致并同步。以同步信號(hào)為基準(zhǔn)，LED燈在一個(gè)閃爍周期內(nèi)延時(shí)△t后再點(diǎn)亮，而選針器刀頭的擺動(dòng)頻率與幅度不變，此時(shí)因LED燈閃爍時(shí)間不同，通過人眼觀察到選針器刀頭靜止出現(xiàn)在不同位置，若選針器刀頭出現(xiàn)抖動(dòng)、擺動(dòng)不到位等現(xiàn)象，則極易被識(shí)別，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

其中，LED燈的閃爍頻率和選針器刀頭的擺動(dòng)頻率f通過STM32控制單元的按鍵輸入電路輸入，并提供給STM32嵌入式微處理器。同時(shí)STM32嵌入式微處理器采集可調(diào)電位器上的電壓值Vin，根據(jù)下式可計(jì)算得到延時(shí)△t的值。

式中：△t為延時(shí)時(shí)間；Vin為電壓值；f為頻率值。

由STM32嵌入式微處理器將頻率值和延時(shí)△t值送入CPLD控制單元，由CPLD產(chǎn)生兩路頻率相同的脈沖信號(hào)，一路脈沖信號(hào)送給LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈閃爍，另一路脈沖信號(hào)送給選針器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)選針器刀頭工作。最后通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器，人眼就能觀察到選針器刀頭靜止出現(xiàn)在不同位置，以此可判斷出選針器刀頭抖動(dòng)、擺動(dòng)不到位等情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

選針器檢測(cè)系統(tǒng)由STM32控制單元、CPLD控制單元、LED驅(qū)動(dòng)電路、選針器驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成，如圖2所示。其中，STM32控制單元是控制核心[9-10]。CPLD控制單元通過并行口與STM32嵌入式微處理器相連[11]，選針器檢測(cè)系統(tǒng)的脈沖發(fā)生程序通過燒寫的方式存儲(chǔ)在CPLD控制單元中。LED驅(qū)動(dòng)電路和選針器驅(qū)動(dòng)電路與CPLD控制單元的I/O端口相連。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of system structure

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 STM32控制單元

STM32控制單元包括STM32嵌入式微處理器、按鍵輸入電路、可調(diào)電位器輸入電路和顯示模塊，其構(gòu)成如圖3所示。其中，按鍵輸入電路與STM32嵌入式微處理器的I/O端口連接?？烧{(diào)電位器輸入電路中可調(diào)電位器的調(diào)節(jié)輸出引腳與STM32嵌入式微處理器的ADC接口連接。顯示模塊包括LCD顯示屏和LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路，LCD顯示屏通過LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路的I/O接口連接到STM32嵌入式微處理器的I/O端口。

圖3 STM32控制單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of STM32 control unit

STM32嵌入式微處理器通過并行口和LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路連接，在LCD顯示屏上顯示輸入的頻率和延時(shí)△t的值，其中，輸入的頻率值為L(zhǎng)ED燈的閃爍頻率，即選針器刀頭的擺動(dòng)頻率。

2.2.2 CPLD控制單元

CPLD控制單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由CPLD產(chǎn)生2路頻率相同的脈沖信號(hào)，一路脈沖信號(hào)送給LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈閃爍，另一路脈沖信號(hào)送給選針器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)選針器刀頭工作。

2.2.3 高亮聚光LED燈的驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)電路見圖5。輸入高低信號(hào)電平經(jīng)過Q1一級(jí)跟隨驅(qū)動(dòng)電路可提高LED驅(qū)動(dòng)電路的帶負(fù)載能力，以此控制三極管Q2的開與關(guān)，使LED形成頻閃的效果。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 LED driver circuit

2.2.4 選針器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

選針器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖6。采用大功率管進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，可編程控制器作為邏輯控制、數(shù)據(jù)處理核心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與可編程控制器件之間采用光電耦合方式耦合，可起到很好的信號(hào)隔離效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)選針器的具體過程為：調(diào)整LED的頻閃頻率，使之與選針器刀頭擺動(dòng)的頻率一致，同時(shí)調(diào)整頻率周期內(nèi)延時(shí)△t,用肉眼觀察，若選針器刀頭靜止且無偏移，則表明選針器工作正常。若選針器刀頭有偏移，則表明選針器工作異常，有問題存在。

根據(jù)該檢測(cè)過程，設(shè)計(jì)檢測(cè)選針器的流程如圖7所示。程序首先進(jìn)行初始化操作，輸出初始化頻率值，若該初始頻率值已經(jīng)和選針器刀頭擺動(dòng)的頻率一致則無需調(diào)整，若不一致可通過按鍵，步進(jìn)調(diào)整頻率值，直至LED燈的頻閃頻率與選針器刀頭的擺動(dòng)頻率相一致。

圖7 選針器檢測(cè)程序流程圖Fig.7 Program flow chart of needle selector

系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要完成閃爍頻率的初始值以及工作所需的各種參數(shù)的設(shè)置等功能。然后檢測(cè)是否按鍵，有鍵按下則對(duì)輸出閃爍頻率進(jìn)行初始化，將其初始值設(shè)定為n，然后根據(jù)肉眼判斷選針器的工作狀態(tài)，并通過增減調(diào)整LED可調(diào)電阻值，即頻率周期內(nèi)延時(shí)時(shí)間△t，最終使得選針器刀頭在對(duì)應(yīng)位置靜止，從而檢測(cè)出選針器的準(zhǔn)確性。

4 檢測(cè)性能測(cè)試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)性能，選取了5組選針器樣本進(jìn)行了檢測(cè)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

Tab.1 Test results of detection system

實(shí)驗(yàn)序號(hào)選針器刀頭故障數(shù)目/個(gè)檢出故障數(shù)目/個(gè)檢出率/%1858296529287946378759624878496656360952

為進(jìn)一步檢驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)的有效性和可靠性，還將系統(tǒng)在選針器生產(chǎn)車間進(jìn)行了實(shí)際的生產(chǎn)檢測(cè)使用，結(jié)果顯示該系統(tǒng)同樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器刀頭的準(zhǔn)確性檢測(cè)，提高了檢測(cè)人員的工作效率。由此證明，該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器的刀頭故障的有效檢測(cè)。與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1)利用頻閃原理，采用閃爍LED燈照射選針器刀頭的方法，以人眼觀察選針器刀頭的運(yùn)動(dòng)狀況來方便判別選針器工作性能，從而克服了以往的檢測(cè)手段和檢查方法效率低、可靠性差、缺乏通用性等缺點(diǎn)，這是該選針器檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)手段和方法上的創(chuàng)新；2)采用STM32嵌入式微處理器作為控制核心，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)清晰，功能模塊配置靈活，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，且具有友好的人機(jī)交互界面；3)采用CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件技術(shù)，利用并行處理能力快速輸出脈沖頻率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED燈和選針器，發(fā)揮CPLD在并行控制及通訊方面的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和并行控制能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

為解決現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)存在的問題，本文應(yīng)用頻閃原理提出了一種以嵌入式微處理器為控制核心，可編程邏輯器件協(xié)同處理的選針器頻率檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括STM32控制單元、CPLD控制單元、LED驅(qū)動(dòng)電路、選針器驅(qū)動(dòng)電路等各個(gè)單元模塊，由STM32輸出控制CPLD單元，并由CPLD產(chǎn)生脈沖信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)LED燈閃爍和選針器運(yùn)行工作，通過調(diào)節(jié)電位器阻值，并配合人眼觀察，實(shí)現(xiàn)了選針器在離機(jī)狀態(tài)下刀頭抖動(dòng)、擺動(dòng)不到位等故障檢測(cè)。

通過對(duì)樣品以及實(shí)際工作的選針器的檢測(cè)，證明該系統(tǒng)可有效檢測(cè)選針器的刀頭故障情況。該檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在選針器生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用。實(shí)踐表明，檢測(cè)系統(tǒng)提升了電子選針器的穩(wěn)定性和可靠性，提高了其生產(chǎn)效率，可進(jìn)一步加以推廣應(yīng)用。

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Design of needle selector frequency detection systembased on stroboscopic principle

LI Jun， ZHU Fangming， ZHOU Jiong， YU Qingfeng

(SchoolofInformationScienceandEngineering,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou,Zhejiang311121,China)

Needle selector is the key actuator in the electronic jacquard technology, and its working performance will directly affect the accuracy and reliability of circular knitting machine. The existing electronic choosing needle detector systems have shortcomings of low detection efficiency, poor reliability, and high cost. Using stroboscopic imaging principle, and utilizing the embedded control technology and the modular design method, a needle selector detection system was designed based on an embedded processor STM32 and programmable logic device. The practical test results show that the system can realize the effective detection of the cutter head failure of the needle selector with good stability, reliability and parallel control ability. The detection system is applied in the needle selection device manufacturers, which shows improvement of the stability, reliability and the production efficiency of the needle selector.

needle selector detection system； stroboscopic imaging; flicker frequency； embedded processor； compatible programmable logical device

2016-03-17

2016-12-23

浙江省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(2012C21047)

李軍(1982—)，男，實(shí)驗(yàn)師，碩士。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。E-mail:20050040@hznu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160302805

TS 183.4

A