目前，我国经编机总量已经超过欧美，位居世界第一，在纺织产业中占据重要地位^[1]。21世纪初随着电子送经技术^[2]的突破和广泛应用，国产经编机在生产弹性网孔平面织物方面已达到国际先进水平^[3]。近年来，在客户个性化需求以及柔性化定制的驱动下^[4]，经编机电子提花技术成为国内外新一代经编机的发展方向。

当前，能够精确、独立高速控制经编机中每一根导纱针的压电陶瓷贾卡技术异军突起，实现了经编织物立体、丰富、复杂的提花效果，突破了梳栉机械横移量的限制，是对传统电子横移提花技术的革命性变革，其已经成为纺织工控领域新的前沿研究热点，受到了国内外纺织学术界和工程界的广泛关注。Kumaravelu等^[5]设计了一种基于TTL逻辑电路的无卡式贾卡提花系统。德国Karl Mayer公司设计生产了系列高速贾卡经编机^[6]。中国电子科技集团公司第26研究所的研究团队基于压电陶瓷导纱针性能分析、三维设计方法对经编机贾卡改造进行了系统研究^[7-8]。江南大学蒋高明教授课题组对经编机贾卡控制系统设计进行了深入的研究，并为其开发了经编针织物设计与仿真系统软件^[9-11]。文献[12-15]对贾卡经编机的通信系统、控制电路、管理系统等进行了研究。

综上所述，国内外有关新兴的压电贾卡经编机的研究取得了一些重要的成果，深化了业界对压电贾卡经编机的理解，为压电贾卡经编机产业化推广起到了重要的推动作用。然而，上述研究成果仅限于传统的系统控制架构，即压电贾卡经编机的通信和控制系统由PLC/单片机控制器、通信中继板、压电驱动板、贾卡针块等多个分离的电子板卡组成，系统结构复杂，维护困难，可靠性低。例如，对于一台经编机(机型：RDPJ5/1，幅宽：138英寸)，共有5支梳栉，一般配置1~2支具备贾卡提花功能的梳栉。1支梳栉中配置的贾卡针数就达3 312，需要104块驱动板驱动(控制208块贾卡针块)。因此新一代结构简单、集成度高的嵌入式电子贾卡系统是经编机控制系统的发展方向。同时考虑到单台压电贾卡经编机需要独立、高速控制上万根贾卡导纱针，因此能够适应大数据吞吐和实时数据高速交互的分布式通信系统架构是当前经编机贾卡控制系统的关键和核心技术。

为此，本文提出了一种分布式混合异构串行通信架构：下行数据采用总线型逻辑拓扑，上行数据采用环形逻辑拓扑，在保证通信实时性的同时，兼顾通信的可靠性和容错性。并在前期三维仿真设计的工作基础上^[16]，给出一种面向工程应用的高性价比、高集成度的新型嵌入式电子贾卡导纱针块(embedded electronic jacquard guide bar，EEJGB)的硬件电路设计方案。同时，提出了一种动态地址分配机制，保证了花型文件可靠传输的同时，极大地便利了EEJGB的故障定位、快速检修和分布式扩展。

传统压电贾卡控制系统的工作原理如图 1所示。工作原理如下：CAD软件设计的经编织物花型文件经网络传输到贾卡控制器(一般由PLC或工控机组成)，贾卡控制器根据工艺要求将收到的花型文件经中继板发送到贾卡驱动板，并在同步信号的配合下，驱动压电贾卡针偏移，在经编织物上形成花纹。但是，传统的压电贾卡控制系统结构复杂，维护困难及可靠性低。

图 1 传统压电贾卡控制系统的工作原理 Fig.1 The working principle of traditional piezoelectric jacquard control system

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本文提出的EEJGB将高性能8位STC微控制器(STC15F2K60S2^[17])、贾卡驱动模块(低压串口-高压并口转换芯片HV507)、升压模块、串行通信模块(MAX488)、电源模块以及贾卡导纱针块高度集成为一体，替代了传统压电贾卡控制系统中的中继板和驱动板，成为经编机控制系统中的一个智能节点，具有集成度高、结构简单、维护方便、可靠性高的特点。

一般情况下，一台具有压电提花功能的经编机上安装了上百个EEJGB，与上位机共同构成一个复杂分布式结构的嵌入式电子贾卡控制系统，如图 2所示，因此通信的实时性和可靠性显得尤为重要，成为贾卡控制系统的关键技术。

图 2 嵌入式电子贾卡控制系统 Fig.2 Embedded electronic jacquard control system

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EEJGB与上位机及其相互之间的通信采用抗干扰能力强的TIA/EIA-485 (RS485) 物理接口，如图 3所示。从图 3可以看出，本文采用全双工MAX488CSA芯片实现RS485菊花链式串行通信。

图 3 嵌入式电子贾卡控制系统的串行通信拓扑结构 Fig.3 Serial topology structure of embedded electronic jacquard control system

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下行通道采用驱动能力强、扩展性好的逐级激励方式。上位工控机向下传送数据时，不受各级嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的干预和控制，逻辑表现为总线型拓扑结构。

1) 花型数据传输：在经编机开始工作前，上位工控机中的CAD软件生成的花型工艺文件被逐级传送。

2) 同步信号传输：在经编机主轴电机开始工作后，上位工控机通过RS485菊花链的下行总线通道仅需输出同步信号数据帧到所有嵌入式电子贾卡导纱针块，有效保证了通信的实时性。

上行数据传输过程中，下位嵌入式电子贾卡针块向上位工控机传输应答信号时，受各级嵌入式电子贾卡针块内微处理器的干预和控制，加上上位工控机与最后一个通信节点的下行通道，整体逻辑表现为环型拓扑结构。其中最后一个通信节点只是参与通信，不安装导纱针。

其分布式特性表现为：每个贾卡针块接收到广播数据后，仅向相邻的上位嵌入式电子贾卡针块发送响应帧，接收到该响应帧的嵌入式电子贾卡针块应用此数据验证自身接收到的广播同步数据的正确性，并且不再往前传递该数据，可极大减少数据的传输量，有效提高通信系统的实时性。

如上文所述，对RDPJ5/1型经编机单支梳栉升级贾卡功能，就需安装208块EEJGB。以E32为例，EEJGB的宽度为25.4 mm，导纱针数为16，导纱针的偏移量为0.79 mm；经编机主轴每转1转，针前允许角度ϕ_F=70°，针后允许角度ϕ_B=160°，如图 4所示。根据经编机的工艺要求和文献[18]，导纱针的偏移允许时间典型值为：18≤t_DE≤43 ms。

图 4 贾卡导纱针偏移运动示意图 Fig.4 Migration movement diagram of jacquard guide needle

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从嵌入式电子贾卡控制系统的串行通信拓扑结构(图 3)可以看出，下行通信通道虽然在逻辑上表现为总线式，但物理结构上是基于MAX488CSA的中继传输数据模式。信道模型的动态特性如下所示：

式中:t_Δ为接收同步信号的通信时间；t_T为数据串传送时间，可以表示为：

其中：N为数据帧的字节数；σ为串行字符串的字符位数；B为波特率。

t_PD为下行通道数据传输延迟时间，表示为：

其中：t_(PLH/PHL)为MAX488CSA芯片传输延迟时间，典型值为0.8 μs；α为下行信道上EEJGB的个数；β为单块EEJGB内部MAX488CSA芯片的个数。

t_PD^*为上行通道数据传输延迟时间，表示为：

在式(4) 中：当采用传统的非异构通信架构时，κ=1；采用本文提出的串行异构通信架构时，κ=0。

假定串行数据帧格式为：N=7个，σ=11位, 本文设计的每块EEJGB内部含有2个MAX488CSA芯片，即β=2个；在波特率B=0.25 Mbps时，在经编机电子贾卡控制系统配置208块EEJGB的情况下，即α=208个，根据式(2) 至式(4)，计算各项动态特性参数，如表 1所示。

经编机的主轴转速v(r/min)可以由下式计算：

式中ϕ为针偏移对应的主轴允许角度。

根据式(5) 可以得出：$v\left| {_{\kappa = 1}^{{\phi _{\rm{F}}}}} \right.$∈[149, 220] r/min, $v\left| {_{\kappa = 0}^{{\phi _{\rm{F}}}}} \right.$∈[267, 627] r/min。

从以上分析可见：采用传统通信方式，经编机主轴转速不仅受制于压电贾卡针的偏移速度，还受制于通信速率；在采用提出的分布式异构通信架构后，经编机主轴转速主要受制于压电贾卡针的偏移速度。

本文中，串行通信接口电路的硬件组成通过RS485串行总线。主机可以是工控机或PLC，也可以是嵌入式电子贾卡导纱针块，从机为嵌入式电子贾卡导纱针块。

传输方式采用远程终端单元(remote terminal unit，RTU)模式，因此数据格式为RTU消息帧。RTU模式消息帧的格式如表 2所示，设备地址为1个字节，功能码为1个字节，数据n的范围为0~252个字节，CRC校验码为2个字节，消息帧最大为256个字节。

每一帧报文包含多个字节的数据，每一个数据字节需要组成11位字符串(1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位/停止位和1个停止位)进行传输，报文以连续的字符串形式进行传输。字符串按最低有效位到最高有效位顺序发送；可通过设置使设备接收奇偶校验或无校验，默认设置为偶校验模式。

本文采用奇偶校验对每一个字符帧进行校验，采用CRC校验方法检测消息帧是否有错误。

根据Modbus协议，RTU消息帧中的设备地址用来表示设备的编号，在如图 3所示，同一条串行Modbus总线上，此编号必须是唯一的。在每一个RTU消息帧中设备地址为1个字节(8位)，即有效数值为0~255，其中1~255为各设备编号用，0作为广播专用地址(若数量超过255时，可以采用扩充地址方式)。

通常情况下，每个从设备在与主设备通信前会预设一个固定的设备地址。当采用这种固定设备地址的方法时，由于嵌入式电子贾卡针块物理位置变换后需要根据所安装的经编机的具体情况重新设定设备地址，这给现场操作增加了额外的工作负担，且容易出错。因此，本文提出了一种动态分配设备地址的方法，即每次经编机接通电源后，都会执行一次主设备为从设备重新分配设备地址的过程，以应对电子贾卡针块因为检修、故障等原因重新安装出现的位置变换问题。具体过程见图 5，其中地址表包含设备地址及与其一一对应的EEJGB的出厂唯一ID编号信息。

图 5 动态分配设置地址流程 Fig.5 Flow chart of dynamic configuration device address

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采用上述动态分配设备地址的方法，省去了传统贾卡驱动板中的地址拨码分配电路，进一步精简了电子贾卡针块的集成电路，也提高了容错能力，简化了现场操作，可靠性大幅提高。电子贾卡针块的设备地址正确分配，是后续花型数据、同步数据等通信过程有序运行的前提和保证。

每一个电子贾卡针块有16根针，如果超过16根针，就以16的倍数为单位占用多个设备地址。电子贾卡针块需要的数据是贾卡导纱针动作的花型数据(数据较大时可分成多包发送)。在经编机启动前，采用如图 3所示的逐级激励串行中继方式将花型文件快速传送至每一个嵌入式电子贾卡针块。该方法具有以下优点：1) 减少了在经编机开机工作后嵌入式电子贾卡针块作高速垫纱横移运动中的数据传送量；2) 所采用的逐级激励中继传输方式较普通的总线式通信方式而言，通信节点数大为增加(4 m宽幅的经编机需要100个左右的嵌入式电子贾卡针块)，保证了整个系统的通信要求。

工控机基于Modbus协议对每一个电子贾卡针块单播发送对应的花型数据包。首先上位工控机(主站)向具有唯一的设备地址(编号为1~m)的单个嵌入式电子贾卡针块依次发送请求数据帧，要求从机转换为接收状态，接收数据暂存在预留的130(02H+80H)字节RAM存储空间中。从机正确接收完成后，转存入首地址为0000H的连续花型数据存储空间中。

在工作过程中，上位机实时采集同步传感器数据，并将该数据打包广播发送到所有嵌入式电子贾卡针块，根据该数据决定是否移动针。同步包的数据块包含的信息有当前步数(2个字节)和同步传感器数据(1个字节)。每个贾卡针块接收到广播同步数据后，向上位嵌入式电子贾卡针块发送响应帧，接收到该响应帧的嵌入式电子贾卡针块应用此数据验证自身接收到的广播同步数据的正确性，并且不再往前传递该数据。这意味着采用该协调机制后，每个贾卡针块能够收到2个内含同步信号特征的数据帧(一个是自己接收到的数据帧，一个是下位机的响应数据帧)，提高了可靠性。同时，所采用的这种嵌入式电子贾卡针块接收到下位从机发送的正确响应数据后(无故障信息)不再接力传送到上位机的机制，有效提高了数据传输效率。若产生故障或未收到下一个贾卡针块的正确响应信号，则将故障信号上传至上位机。

通信系统采用主从式多机通讯结构，主机每向从机发一个指令，从机返回一个数据。具体步骤如下：

1) 首次开机(通电)后，主机(上位机)向所有从机(嵌入式电子贾卡针块)广播默认设备地址表，如表 3所示，启动动态地址分配过程，嵌入式电子贾卡针块返回本机ID编号的正常和异常响应数据帧如表 4、表 5所示。

表 3中：设备地址00H表示广播模式；功能码16H为Modbus自定义功能码，该命令实现下传设备地址表的功能。

表 4中：诊断码00H表示正常状态，其它常用的诊断码包括01H——CRC校验错误，02H——存储容量不足，03H——从机其他故障等。

表 5中96H为异常功能码，是将正常功能码16H的二进制码最高位置1得到的。

2) 当正确配置好嵌入式电子贾卡针块的地址后，通过下行通道以单播的方式传送花型文件数据，请求帧如表 6所示，响应数据帧如表 7、表 8所示。

表 6中：设备地址01H表示主机与1号从机通信；功能码15H表示主机向1号从机发送数据。

3) 经编机主轴电机开始工作后，主机发送包含当前贾卡步数和同步控制信号的针动作同步信号数据帧，Modbus请求帧和响应帧分别如表 9、表 10和表 11所示。功能码18H表示主机向从机发送同步信号。

特别地，在故障停机或暂停而重新开机时，都需要运行上述步骤1) 至步骤3)。

本文设计了一种面向工程应用、高度集成的EEJGB，并给出了详细的硬件设计方案。基于EEJGB，提出了混合异构串行通信架构，在保证通信实时性的同时，兼顾通信的可靠性和容错性，并进行了实时性分析和提供了基于Modbus协议的通信实例。用本文提出的动态地址分配策略，在保证花型文件可靠传输的同时，极大地便利了电子贾卡导纱针块的故障定位和快速检修。基于提出的通信架构，能够实现分布式控制和通信的联合设计，为当前经编机贾卡改造的产业化推广提供了有效的参考。