（电工理论与新技术专业论文）电脑绣花机嵌入式平台的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r y m a c h i n ei st h em o s ta d v a n c e d e m b r o i d e r y m a c h i n e r y , w h i c he n a b l et r a d i t i o n a lm a n u a le m b r o i d e r yt ob eh i g l ls p e e d ，h i 曲 e f f i c i e n c ya c h i e v e d i tc a l la c h i e v et h e ”m u l t i l e v e la n dm u l t i f u n c t i o n a l ，a n dp e r f e c t u n i f o r m i t y r e q u i r e m e n tw h i c hh a n de m b r o i d e r yu n a b l et oa c h i e v e t l l i sp a p e rp r e s e n t st h es o l u t i o no ft h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e m f o e u so nt h e i d e a sa n dc o n c r e t er e a l i z a t i o nf o rt h eb u i l d i n go fe m b r o i d e r ym a c h i n ee m b e d d e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r n l a b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n , w eu s es 3 c 4 4 b o x 船 t h es u p e r v i s o r yp r o c e s s o r ，e x p a n d i n gt h ee x t e r n a lm o d u l es u c h 鹪m e m o r y , u s b h o s t l c da n dk e y b o a r de t c 鹊t h eh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e u s el p c 2 11 9 罄t h e c o n t r o lp r o e e a s e r , l e ti tc o n t r o la n dm a n a g ea l lt h eb u t t o me l e e t r o m e e h a n i c a ls y s t e m s a n dw ed e s i g ni od r i v ec i r c u i tt om e e tt h ee l e c t r i e a lr e q u i r e m e n t n mt w o p r o c e s s o r st r a n s m i tc o n t r o li n f o r m a t i o na n ds t a t u sb yi ，a r t o nt h eh a r d w a r eb a s i s ，w ep r o g r a m m e dd r i v e ri n t e r f a c ef u n c t i o n sf o re a c h h a r d w a r em o d u l ea n dc o n s t r u c t e db a s i cs o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h er e a l t i m e k e r n e li t c o s l i i nt h i sp l a t f o r m ，w ed e s i g n e dau s bh o s tp r o t o c o ls t a c ka n dm a s s c a p a c i t y - d r i v e nm o d e l e s t a b l i s h e df i l es y s t e mb a s e do nt h eu s b h o s t a st on a n d f l a s hm e m o r yf e a t u r e ，w eh a v em a d ew r i t i n gb a l a n c ea n db a db l o c km a n a g e m e n tt o c o n s t r u c tf l a s hf i l es y s t e ma n dm a d ei tt ob eah i g l yr e l i a b l ef i l es y s t e m w e t r a n s p l a n ta n dc o n s t r u c te m b e d d e dg u i e s p e c i a l l yd i s c u s so nt h eg u ie a l l b a c k f u n c t i o na n di n f o r m a t i o nm e c h a n i s m st ot h eg u ia p p l i c a t i o nd e s i g ni d e a s e a c h s o f t w a r em o d u l eb i l lo nt h e t c o s - i ip l a t f o r mi nt h ef o r mo ft h et a s k ，t h e y c o o r d i n a t ew i t he a c ho t h e rb ym e s s a g eq u e u e m a k ei tat r u l yr ：r o sp l a t f o r m m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t n es y s t e mp l a t f o r mn mw e l l i tc a nb a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e p r o j e c t n es y s t e mu s e sk e y b o a r do p e r a t i o n , a l lm e l u j bi se a s yt oo p e r a t ea n dt h e i n t e r f a c ei sp l e a s i n gt ot h ee y e s ，u s bo p e r a t i o na n df i l em a n a g e m e n th a v er e a c h e d c o m m e r c i a lo p e r a t i o nl e v e l i th a sh i g l lp r a c t i c a lv a l u et ot h ef o l l o w - u pd e v e l o p m e n t t ot h es y s t e m ，a n da l s oh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et ot h es i m i l a re m b e d d e ds y s t e m s d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e ，e m b e d e dp l a t f o r m ，u s bh o s t , f l a s hf i l es y s t e m , e m b e d d e dg u i l l 渐江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 近年来随着改革开放以及西部大开发的深入，我国的国民经济得到了飞速 的发展。同样，在普通社会公民所说的“衣食住行”中占首位的服装产业取得 了蓬勃的发展。我国已经成为了一个立足本国面向世界的服装产业大国。在这 样的时代背景之下，作为服装产业的附属产业之一的刺绣业也兴旺发达起来。 刺绣这一传统中的手工艺术在信息社会中得到了质的飞跃，电脑绣花机就是传 统的刺绣与电子、机械相结合的产物。 电脑绣花机具有结构简单、工作稳定、功能多、自动化程度高、操作简便 及噪声小等特点。它具有优异的可操作性，采用键盘式操作，相应处理软件的 使用使刺绣工作变的简单易于掌握；具有很强的编辑和存储功能，计算机的使 用使绣花机能记忆近百种花样，记忆针数达到3 0 多万针，内装式软磁盘或u s b 驱动器；具有完善的控制系统多种先进自动控制技术的应用，使绣花机拥有优 异的调速性能和故障识别和处理能力。 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，它能使传统的手工绣花得到高速度、 高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、多功能、统一性 和完美性”的要求。它是一种体现多种高新科技的机电产品 1 】。我国又是纺织 大国，而电脑绣花机控制系统发展相对而言又比较落后，因此开发一种高性能 电脑绣花机控制系统的具有非常重要的意义。 1 2 国内电脑绣花机控制系统的研究现状与开发背景 追溯我国电脑绣花机的历史应该从1 9 8 8 年由当时的北京一轻研究所( 兴大 豪的前身) 和青岛缝纫机厂共同研发生产我国第一台电脑绣花机开始。然后项 目组以承包的形式组建了公司，此后公司得到了迅猛发展，目前，兴大豪公司 已经具备大规模的研发、生产、销售、服务一体化综合能力，年生产能力达l o 万台( 套) ，产品国内市场占有率达到8 0 以上，国际市场占有率达到6 0 ， 产品出口到东南亚、中东、拉美、南亚、非洲等3 0 多个国家和地区。北京兴大 豪电脑控制设备有限公司已成为国内最大的电脑刺绣机控制系统供应商，在电 脑控制器研制方面创造了很多的国内第一，形成了行业和品牌一定的垄断地位。 尽管如此，为了抢得一杯“羹”，很多有实力的整机企业选择了自主开发或 与高校联手对电脑绣花机机电一体化的研发，它无疑是中国缝制机械行业“十 一五”期间科技发展的热点和趋势。在国内标准、飞跃、方正、中捷等公司， 纷纷进一步组织人员，加大投入资金，组织开发和生产配套的电脑控制系统； 上海鲍麦克斯、浙江卧龙、宁波韵升、芜湖精工、深圳高科润等企业组成的专 业开发和生产电脑控制系统的队伍越来越庞大；上海交通大学、浙江大学、清 华大学、西安理工大学，包括国际上著名的芯片制造商，如美国微芯公司、日 浙江大学硕士学位论文 本瑞萨公司等高等学府、专业研究所也纷纷加入电脑控制系统的开发和研制的 行列中；同时在电脑刺绣机电控领域积累了雄厚资金、丰富经验及良好的行业 资源的兴大豪也表示将大举进攻平缝机电控领域可以预见，未来两三年乃 至整个“十一五”期间，中国缝制机械行业机电一体化领域的战争将进一步升 级。有专家预测，2 0 0 7 年中国市场上的国产电控产品有望达到5 0 万台，机电 一体化产品的比率将上升至2 0 【2 】。 就电脑绣花机的市场而言，近几年来国内市场还有国际市场，对电脑绣花 机的需求量节节暴涨，0 5 年多头绣花机产量与去年同期相比增长了4 3 3 1 ， 国内电脑绣花机产量已经突破8 万台，比较2 0 0 3 年的3 万台，产量在三年之内 翻了两倍多，这个涨幅是相当惊人的，而且电脑绣花机行业现在仍处于“愁产 不愁销”的局面，很多纺织企业都把利润增长点放到了绣花上。2 0 0 5 年国产电 脑绣花机在国际市场表现也非常抢眼，根据海关统计，我国0 5 年总共出口电脑 绣花机2 7 0 0 0 多台，总额接近2 亿美元，同比增长分别为5 6 和8 6 。市场的 不断增长无疑给生产绣花机企业带了良好的发展机遇，浙江省诸暨市正是依托 邻近的萧山、绍兴两大布料市场，加上当地民营经济的活跃，短短几年内发展 成为产量占全国4 0 以上电脑绣花机生产基地。广东潮汕地区也是外资和民营 电脑绣花机企业集中地区，这一局面的形成同样得益于当地纺织面料市场。 我们开发的绣花机是在这样一个时代背景下进行的，对于兴大豪公司的垄 断和国内绣花机市场的增长，我们有必要也有能力去打破电脑绣花机的垄断， 充分利用现代信息电子技术的发展，研发出适应各种应用要求的绣花机设备。 我们的目标是设计出一套独立的，各方面性能达到国内领先水平的绣花机控制 系统，尽快掌握产品的核心竞争力，打出具自主知识产权的电脑绣花机产品。 1 3 电脑绣花机主要组成机构和控制原理 电脑绣花机有单头、多头之分，每头中又分单针、多针，但从控制原理上 讲，基本相似，一般由两大部分组成：主机和电脑控制箱。主机由机头、合板、 传动机构、机架、绣框等组成。 1 3 1 电脑绣花机的机构 电脑绣花机如图1 1 所示，其结构包括以下几个部分 3 】： ( 1 ) 机头。通过缝纫机头运转，使面线和底线在面料上做出双线锁式线迹； r 2 ) 台板。是固定送布机构、完成刺绣任务的主要场所； ( 3 ) 传动机构。包括机头电机的传动机构( 主轴z ) 和送布机构( x ，y 轴) ，用来完 成x ，yz3 个方向运动的传递，是完成刺绣工作的主要部件； ( 4 ) 机架。支撑台板和各机件，方便工作，调节整体造型和外观： ( 5 1 绣框。用来固定面料，受电脑控制，完成刺绣工作。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 图1 - 1 电脑绣花机的结构图 1 3 2 电脑绣花机机械和控制原理 先用刺绣c a d 软件如常用的田岛或富怡绣花软件制版，生成样版后，将 载有刺绣程序及花样下载到u 盘中，电脑绣花机读取出u 盘的花版数据，花版 数据描述了刺绣作业的两种控制数据：一种是线迹落针点的坐标值( x ，称 之为坐标码；另一种是多色绣品的换色码、移框操作的跳线码以及针迹数据文 件结束的结束码等统称为控制码。在刺绣进程中，微机控制器对数据的坐标码 进行识别，确定相应的控制进程。电脑将花样坐标值换成与绣框x 、y 方向位 移量方向的步进电机的三相六拍的电信号；同时驱动z 主轴电机，带动机针作 上下运动，从而使刺绣连续地进行下去。 主轴z 电机通过同步齿轮带动驱动机头传动机构旋转，机头的特定机构使 引线机构和机针头带着面线做出上、下运动，穿刺面料；钩线机构中的旋梭旋 转，使面线绕过藏有底线梭壳；挑线机构运动，输送面线，收紧线迹，准备下 一个线迹的面线线段。x 、y 步进电机通过同步齿形带等机构带动绸框和面料 作平面运动。将面料上每个待绣线迹点送往机针刺绣，机针上下运动的速度与 绷框移动的方向、移动量以及移动速度的协调配合运动，使面线和底线绞合， 在面料上做出双线锁式线迹。当刺绣连续地进行下去，完成花样的电脑刺绣 4 】。 1 4 本文的工作和组织结构 电脑绣花机控制系统是相当复杂的系统，从技术的角度来看，它更接近于 常规概念中的“电脑”，而不是“控制系统”。本系统涉及到计算机工程的各个 方面，对设计人员提出了相当多的挑战。整个绣花机工程包括：了解绣花机的 工艺，分析绣花机的控制要求和性能要求，针对绣花机的控制和用户需求设计 一3 一 浙江大学硕士学位论文 系统的硬件电路。针对硬件电路的各个模块编写测试软件和硬件控制接口程序， 建立了基于实时内核的基础软件平台。在这个平台上设计了u s b 主机驱动模 型，建立文件系统，移植和建立了嵌入式g u i 系统等基础软件平台，最后在这 个平台之上编写针对具体应用要求的应用程序。 本人在里面扮演的角色是绣花机嵌入式平台的开发，包括了软件和硬件平 台，硬件上我要根据要求设计各个硬件模块，留出各种传动装置的i o 口，编 写硬件控制驱动程序。软件平台我要搭建以实时内核为基础的基础软件平台， 为上层的应用软件提供一个完好的运行平台，因此本文将重点阐述绣花机软硬 件平台的设计思想和工程开发。 绣花机的机械和电气部分是购买了大豪绣花机系统的一整套完整的设备， 通过缜密的分析和调研，了解了绣花机的工艺和控制需求。根据控制要求，设 计了系统的硬件电路框架。以s 3 c 4 4 b o x 作为监控处理器，外部扩展了存储器， u s bh o s t ，l c d 和键盘等人机交互的硬件模块。通过串口传输控制和状态数 据给主控控制器l p c 2 1 1 9 ，所用的绣花机传动装置的控制和状态i o 全部有它 来管理和传动控制，针对i o 的电平匹配了和扩展要求，设计了i o 的电平转 换和i o 扩展和驱动电路。 完成和调试完硬件电路之后，针对各个硬件模块编写测试软件和硬件控制 的接口函数，底层i o 为操作系统提供了b s p 板级软件支持：u s bh o s t 设计 了主机协议栈和大容量类驱动，建立嵌入式文件系统；在l c d 驱动基础上移植 和建立g u i 系统，最后在基础软件平台上编写绣花机应用软件。 本文的组织结构如图1 2 所示： 绪论 系统总体设计 l 系统的硬件设计方案和各 l 模块的测试和驱动 i 系统基础软件平台的建立 总结和展望 图l - 2 文章的组织结构 一d 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章电脑绣花机系统的总体设计 2 1 项目开发的总体情况和预期目标 本项目以大豪的控制系统为完整的需求蓝本，目标是设计出一套独立的， 各方面性能达到国内领先水平的绣花机控制系统。作为这个项目的技术开发者， 我们是非常严谨的。我们的目标是：设计一套成熟的绣花机控制系统。在这个 项目初期，没有足够的技术资料，也没有足够的相关行业背景的技术积累，所 有东西都是从摸索开始。一个商业化的成功的系统，必须进行非常严谨的规划， 全部工作都必须一丝不苟，而这一切都是建立在对整个系统有足够把握的基础 上的，也就是说，你要真正做好某个系统，你必须要有做过这个系统的经验。 在这样的指导原则下，我们在项目的前期先实现了一个试验性的原型系统，已 经完成并演示的那个系统。 先开发一个原型是常见的工程开发模型。对很多复杂的系统来说，开发一 个试验性的原型对整个开发是关键的。我们是按照首先做一套简单的绣花机系 统，然后有了这样的经验后，再做出了更复杂的，市场真正欢迎的绣花机系统 的步骤进行开发的。 目前的这个系统是完全按照最终系统的要求来规划的，但没有实现最终系 统的全部附加功能。这个系统实现了绣花机全部的基本功能，实现了全部的技 术框架，遵循了最终商业系统一样的开发流程，但这个系统的最终目的并不是 发展成为一个完善的商业化的系统。按照我们预定的计划，这个系统在完成后 就会被扔掉。开发原型系统的目的是：对相关技术进行评估，对相关工程架构 和工作量进行评估，积累工艺和相关的行业( 绣花机行业) 的背景知识，对各 个想法进行验证。开发原型系统是为了设计出一个出色的商业化的系统。 目前我们开发的原型系统是完整的，可以进行全部正常的刺绣操作，除了 几个扩展的功能外，其他基本都上逼近了商业化绣花机的水平。采用按键式操 作，菜单和界面显示使用方便，符合标准化要求。其他方面如对绣花文件的解 释，对机械的控制，对花样存储的管理，对u s b 的操作等都基本达到商业化运 作的水平。总的来说，这个原型系统，我们达到了预定的目的。 2 2 控制系统的功能分析和性能要求 2 2 1 机电传动系统的概述和功能分析 电脑绣花机最后的落脚点就是实现绣花工艺的传动控制，传动控制系统包 括了各种电机接口，光电编码器和针位状态反馈信号，限位开关等。了解绣花 机工艺就要首先要确定这些机电控制装备，也就是我们电脑绣花机系统的控制 点。本绣花机系统机电传动接口i o 控制点总结列表如下： 一5 浙江大学硕上学位论文 设备输入口输出口总计 x 方向步进电机 l34 y 方向步进电机 13 4 换色电机 o66 主轴电机 o33 针位检测口 5o5 光电编码器接口 303 限位开关接口 4o4 拉杆输入口 3o 3 断线检测接口 16 7 总计1 8 2 13 9 表2 - 1 电脑绣花机机电i o 控制点 根据绣花机的工作原理，x 、y 方向步进电机带动绣框在水平和垂直方向 运动，而在绣框运动的极限位置装有限位开关，一旦运动出格就会及时反馈信 号。换色电机是一个直流异步电机，通过机械上的巧妙设计，能使电机的运动 精确定位和选择另外颜色的绣针，而绣针的位置又对应了针位选择板上不同的 霍尔器件，能把当前的针位反馈给主控制器，一旦换色针位定好位就输出使电 机逆向运动力矩使换色电机停止运动而定位针位；主轴电机是交流伺服电机， 它的转动又会通过齿轮等机械装置转换为绣针的上下运动，绣框的一次运动和 绣针的一次刺绣就对应了一个绣迹。主轴电机的运动是通过光电编码器把速度 反馈回来，进行闭环控制。 断线检测接口是检测各个绣针位是否产生断线的情况，断线检测对于绣花 机是一个非常重要的功能部分，在电路板设计上绣花机在每个针位都有一个绣 针运动状态和断线检测板，然后专门设计有单片机电路统管各路断线信号，绣 花机核心板就可以通过这个统一的接口把信号获取。一旦在某一个绣针位有断 线情况，绣花动作就停止，直至把断线接好，拉动拉杆箱绣花才能继续运行。 而拉杆箱输入口是便于机器操作，当系统出现故障时能即时旋转拉杆箱使机器 停止运动。 2 2 2 人机交互和控制进程的功能分析 我们的系统是面向用户方便用户操作的，这就决定了人机交互在实现整个 系统设计开发过程中处于非常重要的地位。我们不仅要满足系统性能稳定可靠， 而且要实现一个方便，大方和美观的人机交互界面，而且随着人民对产品需求 的日益提高，在满足系统可靠运行的基础上，设计一个美观方便的人机界面已 是我们实现产品市场竞争力的关键。在开发中我们发现大豪的产品在这一块做 6 浙江大学硕士学位论文 得非常的细致、周到和美观，由于大豪产品的普及，其中很多电脑刺绣的图案 和标志实际上已经形成了电脑绣花机行业的一个非正式的标准。所以我们完全 按照大豪的图案和标志设计了我们的g u i 系统。因为现在绣花机上还普遍采用 软盘作为花版数据的接口和媒介，我们改进为方便易用的u s b 接口和u 盘作 为数据传输的接口和媒介，为了跟以前的数据媒介相兼容，我们设计了两个 u s b 主机接口，为简化设计任务，买来软驱转u s b 的设备做软驱中介接口。 键盘采用跟大豪相同的键盘排列，一共3 2 个按键，占用抛l 口共1 2 条，采用 矩阵式键盘扫描。总之作为我们设计的初版，我们设计目的就是要让用户感觉 到使用操作跟市场上大量使用的大豪绣花机界面一样的效果。 按照系统要求整个系统的控制进程主要包括了：花型数据的传输和操作管 理，花版数据的解释，键盘的获取，传动系统的控制，最后把所有任务集合到 g u i 显示界面上。所有需要显示给用户的状态包括要设置的参数读是通过l c d 显现给用户，l c d 和键盘的作用基本上相当于通用电脑的交互界面。 最后根据我们的功能需求分析，确定了除传动设备之外，我们的主系统中 的设备模块应该包括u s b 主机控制器，图形液晶屏，3 2 个按键，存储花样的 n a n df l a s h ，程序存储器n o rf l a s h ，和数据存储器s d r a m ，当然还需要程 序调试的接口和用于调试的串口。 2 2 3 电脑绣花机控制系统性能要求 前面从原理上对绣花机控制系统从其完成的功能进行了分析。要实现高速、 高效及高质量的自动刺绣工艺，要求微机控制器还要满足如下的性能要求【l 】： ( 1 ) 兼容多种花版数据 花版数据是通过制版机用c a d 方法结合刺绣针法形成，目前花版数据格 式主要有日本田岛三进制格式( d s t ) ，日本百灵达二进制格式( d s b ) 等。另外花 版数据的载体也不同，目前的制版机多以3 5 英寸软磁盘和u 盘为数据载体。 上述各种制式的花版数据，因而其控制器在硬件上须配备软盘或u s b 的数据输 入接口；在软件上应配备数据输入与转换程序，能将不同格式不同载体的花版 数据输入至控制器并转换成能控制电脑绣花机机构动作的数控文件。 ( 2 ) 根据花版控制数据控制进程 花版数据中描述了刺绣作业中两种控制数据：一种是线迹落针点的坐标值 ( x ，y ) ，称之为坐标码；另一种是多色绣品的“换色码”、移框操作的“跳线 码”以及针迹数据文件结束的“结束码”，统称其为控制码。在刺绣进程中，微 机控制器应对数据的坐标码及控制码进行识别，确定相应的控制进程。 ( 3 ) 方便的键盘操作和显示功能 电脑绣花机的刺绣作业虽然是一个自动化过程，但工艺参数的设定及编辑 修改命令等都是通过操作者的键盘输入，同时为了使控制器具有良好的人机界 面，控制器还应具备显示功能，以显示操作者输入的命令、工艺参数以及绣花 机当前状态等信息。 ( 4 ) 故障识别和处理功能 1 浙江大学硕七学位论文 在刺绣进程中，电脑绣花机可能发生断线、断针或绣框越界等工艺故障。 微控制器应能对这些故障进行在线识别与诊断，当故障发生时，应立即暂停刺 绣进程，并提示相应的故障信号。如当绣品超出刺绣范围时，机器将会自动停 止以保护棚框越程；当机械出现故障时，操作面板会显示错误头型，并告知故 障。此外，在刺绣过程中可以实现自动剪线、自动检测断线、停电保护、指令 性跳针、出错自动停机、针迹补偿、循环绣作、花样输出等功能。 2 3 基本方案的确定和主处理器的选型 根据我们对电脑绣花机的功能和性能各方面的分析，我们明显能看到两个 层次上的功能要求，在一个层次我们是要实现花版数据接口，人机交互和进程 控制协调功能；在另一个层次我们把落脚点纯粹放在底层的机电传动功能上。 如果所有的任务全部由单处理器承担可能也会带来系统反应时间迟滞，速度跟 不上的问题，在我们的设计方案采用双处理器的结构。用一块比较通用型的处 理器实现花版数据的传输和管理，解释和命令流传输。同时肩负人机接口的功 能，获取下层运行的状态流。而用一块工控级的单片机接受监控层的命令流， 控制下层机电的运动，同时把各种状态即使反馈给监控层。基本方案如图2 1 。 固 图2 - 2 基本设计方案 根据我们的功能划分和系统的组织结构，接下来最为关键的一步就要选择 合适的处理器，根据项目的要求我们认为a r m 处理器是最为合适的选择。a r m 用在工业控制器上，它具有功耗低、性价比高、体积小、成本低、可靠性高、 人机界面友好、功能丰富、实时性强等优点，现在a r m 在工控领域中占的份 额越来越大。使用a r m 作为我们系统的主控制器能满足系统的性能和功能。 结合了我们项目开发的熟悉程度我们选择适应于通用p d a 设备的 s 3 c 4 4 8 0 作为主监控处理器，它内部集成丰富的外围部件特别适应于本系统的 人机接口和交互要求；在主控制层选择特别适应于工控设备的处理器l p c 2 1 1 9 ， 它内部不仅集成了多种外围部件，而且把程序和数据存储器全部集成到单芯片 一8 一 浙江大学硕士学位论文 内，不要扩展任何外围设备包括存储芯片，这使得我们的开发特别方便。下面 分别对两块处理器简介如下： 由s a m s u n g 公司推出的r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 为手持设备和一般类型应 用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案，其内部结构图如图2 2 所示。 为了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部 s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道d a r t , 4 通道d m a ，系统管理器( 片 选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，f o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c ，i i c b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。s 3 c 4 4 b o x 采用了是由a r i v l 公司设计的 1 6 3 2 位a 尉7 t d m u s c 处理器( 6 6 m h z ) ，还采用了一种新的总线结构，即 s a m b a u 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集成了t h u m b 代码压缩器，片 上的i c e 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。通过提供全面的、通用 的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化 系统的成本 5 】。 图2 2s 3 c 4 4 b o x 处理器内部结构组织图 p h i l i p s 的l p c 2 1 1 9 芯片是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i - s t m 内核的处理器，它带有1 2 8 2 5 6k 字节f k b ) 嵌入的高速1 7 1 a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时 钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码 规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。l p c 2 1 1 9 采用非常小的6 4 脚封装、 极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医 疗系统和容错维护总线。最主要的是l p c 2 1 1 9 集成了程序存储器和r a m 等形 一9 一 浙江大学硕上学位论文 成了一定意义上的s o c ，使对它的开发如传统的单片机的开发一样方便【6 】。 2 4 实时操作系统的选择 对于本系统，简单的前后台软件系统己经无法满足系统复杂的应用要求， 所以必须采取基于操作系统的软件设计。用于嵌入式系统的操作系统一般都是 实时操作系统( r t o s ) ，使用r t o s 可以容易设计和扩展应用程序；可以使时间 占重要位置的事件尽可能快的处理；可以提供信号量、信箱、队列等很有价值 的内核服务。但是使用r t o s 会增加系统的负担，需要一定的r o m 依a m 以及 2 一4 的c p u 的额外开销。 我们的系统采用了a r m + i a c o s i i 模型，系统的软件平台则是基于 i j c o s i i 实时操作系统建立起来的。选用l a c o s i i 是根据我们应用系统功能需 求、系统成本、开发的难易程度等因素综合考虑的结果，选用它的另一个重要 原因是因为0 c o s i i 的内核非常小，代码规模易于控制，还有我们开发人员对 于它的熟悉程度决定的。 l a c o s i i 嵌入式实时操作系统是由世界著名嵌入式专家j e a nj l a b r o s s e 编 写的一个开放式的内核，它是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先 式的实时多任务操作系统，它最主要的特点就是源码公开的自由软件。其绝大 部分源码是用a n s ic 写的，并且在他出版的书中详细分析了该内核，特别适合 于学习。作为源码公开的自由软件，给用户带来的好处就是它是免费的而且可 以根据用户需要对它进行修改。但是另一方面它缺乏必要的支持，没有功能强 大的软件包，用户通常得自己编写驱动程序，特别当用户使用的是不太常用的 单片机，还必须自己编写移植程序。但与此同时，由于i i c o s i i 的性能可以与 许多高端商业软件产品相媲美，甚至某些性能比它们还要好，因此它正以其巨 大的优势吸引众多开发者。其主要特点有 7 】： ( 1 ) 剥夺性 i c o s 是完全可剥夺型的实时内核，即己经准备就绪的高优先级任务可 以剥夺正在运行的低优先级任务的c p u 使用权。这个特点使得它的实时性比非 剥夺型的内核要好。使用l a c o s i i ，只要把关键性紧迫性任务优先级设定的高 一些，使之能及时处理中断事件，这样编程人员可以把中断响应时间限制在一 定的范围内。对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少的。 这个特点使得r t c o s 在性能上可与大多数的商业内核相媲美。 ( 2 ) 优先级调度 l a c o s i i 不支持时间片轮转法，它是一个基于优先级的实时操作系统。每 一个任务的优先级必须不同，在i j c o s i i 内部其实是把任务的优先级当作任务 的标识来使用，如果优先级相同，任务将无法区分。进入就绪态的优先级最高 的任务首先得到c p u 的使用权，只有等它交出c p u 的使用权后，其他任务才 可以被执行。 ( 3 ) 多任务 一1 0 浙江大学硕士学位论文 在系统中嵌入l a c o s i i ，可以管理6 4 ( 0 - 6 3 ) 个任务，每个任务相对独立。 然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出c p u 的使用权。 即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。这样既提高了系统的可 靠性，同时也使得调试程序变得容易。 ( 4 ) 可移植性 l a c o s i i 源码绝大部分是用移植性很强的a n s ic 写的，与微处理器硬件 相关的部分是用汇编语言写的。p c o s 1 1 支持大多数微处理器，且大多数芯片 的移植实例的源码可以从网上下载。 ( 5 ) 可固化 p c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要具备合适的系列软 件工具( c 编译、汇编、链接及下载固化) ，实际上就是可以将l a c o s u 嵌入到 产品中作为产品的一部分。 ( 6 ) 可裁剪 可以只使用i t c o $ - i i 中应用程序需要的系统服务。可裁剪性是靠条件编 译实现的，只要在用户的应用程序中( 用# d e f i n ec o n s t a n t 语句) 定义哪些l a c o s i i 中的功能是应用程序需要的就可以了。 ( 7 ) 稳定性与可靠性 l a c o s i iv 2 5 2 已经通过了非常严格的测试，并且得到了美国航空航天管 理局( f a a ) 商用航行器安全认证，可以用于飞机、航天器等与人性命攸关的控 制系统中，符合r t c a ( 航空无线电技术委员会) d o 一1 7 8 b 标准，该标准是为航空 电子设备所使用软件的性能要求而制定的。 2 5u s b 总线的介绍和主机模块的选型 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a l b u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。所 谓通用就是u s b 总线的引入现把电脑系统外围设备的接口统一起来，使用一个 4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外 设连接起来，并且不会损失带宽。也就是说，u s b 的出现较好地解决了普通串 口传输速度偏慢，连接设备有限的弊病。u s b 总线是最先是于1 9 9 5 年1 1 月制 定了u s b 0 9 通用串行总线规范，目前已经推出到了u s b 2 0 标准，u s b l 1 和 u s b 2 0 是目前计算机与外设上普遍采用的标准。 u s b 系统主要分为三个部分：主控器叫s bh o s t ) 、集线器( h u b ) 、u s b 设 备。每个u s b 系统有且只有一个u s bh o s t ，它负责管理整个u s b 系统，包括 u s b 设备的连接与删除、主机与u s b 设备的通讯、总路线的控制等负责执行 由控制器驱动程序发出的命令，利用主机驱动程序在控制器与u s b 设备之间建 立通信信道。u s b 设备s bd e v i c e ) 包括与p c 相连的u s b 外围设备，分为两 类，一类设备本身可再接其它u s b 外围设备，另一类设备本身不可再连接其它 外围设备，前者称为集线器( h u b ) ，后者称为设备( f u n c t i o n ) 。所有u s b 设备都 必须有控制芯片和f i r m w a r e ( 固件) 和各周边设备，为管理低层驱动和 浙江大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o n ( 应用) 间的通信，还必须具有设备驱动d e v i c ed r i v e r 。 在u s b 总线标准的基础上，u s b 组织还建立了基于不同类设备的规范， 使之通过一个统一的传输接口支持各种类设备。对于u 盘等移动存储设备就定 义了海量存储设备类( m a s ss t o r a g ec l a s s ) 的规范，这个类规范包括四个独立的 子类规范，即为b u l k o n l y 和c b i o n l y 传输协议和使用s c s i 和u f i 指令集协 议，前两个子规范定义了数据命令状态在u s b 上的传输方法。后两个子规范 则定义了存储介质的操作命令。s c s i 命令规范用于硬盘，u f i 命令规范是针对 u s b 移动存储。f l a s h 的存储单元组织形式可以采用f a t l 6 文件系统，可以直 接通过可移动磁盘来交换数据了，w i n d o w s 负责对f a t l 6 文件系统的管理，u s b 设备不需要干预f a t l 6 文件系统操作的具体细节【8 】。 采用u s b 总线接口给我们系统带来以下优点： 用户使用方便。设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态 接入和动态配置。 应用范围广。传输速率从几k b s 至几百m b s ，总线支持同步和异步 传输方式，使用灵活，支持不同速率的设备。 稳定。协议中包含错误检测，支持热插拔。 易于与p c 接口。支持即插即用。 成本低廉，易于升级。 由于u s b 具有以上优点，使得其在接口方面的使用极其方便。u s b 可以 连接多个不同的设备，一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。速度 快也是u s b 技术的突出特点之一，u s b 接口的最高传输速度可达4 8 0 m b s 。所 有这些突出的优点使得u s b 技术得到广泛的应用、发展和普及。 本系统中u s bh o s t 模块我们选择i s p l l 6 0 1 作为嵌入式主机控制器。 i s p l1 6 1 a 1 扮演独立式u s b 主机通用的应用结构如下图2 3 ： e e d d e 基y s t e 鬻 星晷 p 嘲h 勰 秘州i - 嗽鞋 l i s 日糊b b 归丽 l j 图2 3i s p l l 6 1 作为u s b 主机的应用系统结构 i s p l l 6 0 0 1 为通用串行总线( u s b ) 3 z 机控制器，完全符合u s b 2 0 版，可支 持全速( 1 2 m b i t s ) 与低速f 1 5 m b i t s ) 传输规格，此外，它还提供两个下传端口。 高速并行接口支持多数通用微控器及r i s c ( 精简指令系统) 处理器，如：a r m 7 ， 一1 2 浙江大学硕七学位论文 a r m 9 及s t r o n g a r m ，微控器及h c 之间的数据传输率最大为1 5 m b y t e s ，支 持单周期及d m a 突发模式操作。主控器内嵌4 k 字节的f i f o 式r a m 缓冲 区，终端带有双缓冲以增加数据传输量及稳定实时数据同步传输，可使用集成 p l l 的6 m h z 晶振，以实现低e m i ，主控器的下行口可以与具有上行口的u s b 设备及u s b 集线器连接，非常适合于需要u s b 主机的内嵌式系统与便携式设 备 1 2 】。集成了i s p l l 6 0 0 1 的内嵌式系统如p d a 、智能型电话、数字相机与游 戏机等，可自行扮演u s b 主机，无须经由电脑做中介。 2 6 控制系统的硬件框架设计 图2 4 是硬件系统的总体框架图，每一个方块代表一个硬件模块，它不仅 代表了与系统总线的连接，也包含一些与这个模块相关的电路。其中右边的电 源和复位电路是两个c p u 模块共用的。 图2 4 绣花机系统硬件总体框架图 两块c p u 是通过串口来协调工作的，它们各司其职：4 4 b o x 作为主监控 一1 3 浙江大学硕士学位论文 芯片负责人机接口，花样存储和u s b 和f l a s h 管理；2 1 1 9 作为底层的主控芯片 负责下层电机的控制和绣花机机械部分的动作，其他如串口模块主要为了程序 的调试工作而设计的。下面就硬件的设计进行以下几点说明： 1 、监控层的a r m 芯片采用的是三星公司的s 3 c 4 4 b o 芯片，该芯片中有 l c d 控制器、u a r t 接口控制器、s d r 创总线控制模块等功能单元，方便功 能扩展。其芯片内部时钟频率可以达到6 6 m h z ，使系统响应快。主控层的a r m 芯片选用飞利浦的l p c 2 1 1 9 ，它自带有1 2 8 2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存 储器，不要进行存储器的扩展，其开发跟传统的s o c 型的单片机一样方便，也 因为它丰富的外围设备功能使它特别适用于工业控制应用。 2 、u s b h o s t 模块采用p h i l i p s 公司的i s p l l 6 1 芯片，该芯片支持u s b 2 0 协议，传输速度可以达到4 8 0 m b i t s ，可以实现u s bh o s t 的控制功能，i s p l l 6 0 有2 个下行口，每个下行口都拥有独立的过流检测输入引脚及电源开关控制输 出引脚。外围时钟采用6 m i - i z 的时钟频率，在实现u s bh o s t 硬件的基础上， 用c 语言实现了u s b 读写u 盘的软件系统，本软件从下到上分为四个层次： i s p l l 6 1 的芯片驱动、通用u s b 协议、u f i 类协议和文件系统。 3 、l c d 显示器和行列式键盘。l c d 采用s h a r p 公司的s t n 型l c d 模块 l m 0 5 7 q c l t 0 1 ，它是3 2 0 * g r b * 2 4 0 的点阵式图形液晶模块，直接采用4 4 b o x 芯片里面的