（机械设计及理论专业论文）基于uclinux的嵌入式织机控制平台的研究与开发.pdf

淅江大学硕士学位论文 摘要 随着纺织工业的发展，织机正加快向高速化、宽幅化、自动化方向发展。织 机自动化和网络化研究具有很高的经济价值。在嵌入式操作系统的领域中，l i n u x 以其特有的魅力得到了众多开发商的青睐。l i n u x 这些特性包括可以移植到多个 不同结构的c p u 和硬件平台上，有很好的稳定性以及各种性能的升级能力。嵌入 式织机控制平台正是在这个背景下开发的，此平台的目的在于将不同的织机控制 部分模块化并集成到一个操作系统平台下，使织机的控制系统更具灵活性更多功 能化。 本文主要介绍了平台的设计研究和实际开发工作，主要内容包括以下几个方 面： 1 、分析目前国内外纺织机械的现状和发展趋势，比较了目前应用较普遍的 织机控制系统的特点及性能； 2 、分析比较了目前流行的几种嵌入式操作系统和嵌入式处理器，最终选择 了u c l i n u x 和a r m 微处理器芯片$ 3 c 4 5 1 0 b ； 3 、将u c l i n u x 移植到$ 3 c 4 5 1 0 b 的开发板上，建立了织机控制平台； 4 、分析了开发板的存储器接口电路、以太网接口电路、j t a g 调试接口电路， 并分析了j t a g 调试原理； 5 、设计了平台接口模块和输入输出控制模块，使用并行总线的方式将输入 输出模块串接起来实现织机控制； 6 、分析了剑杆织机的织造原理，介绍了剑杆织机控制模块的主要功能。介 绍了机上设备并分析了它们各自的功能作用。编写了剑秆织机控制模块程序，并 特别分析了剑杆织机的找纬过程： 7 、详细分析了人机界面与平台的通讯协议，编写了与人机界面通讯的程序， 并设计了人机界面的控制画面； 8 、在u c l i n u x 上建立w e b 服务器、编写动态网页及c g i 程序，实现了平台 的远程监控。 关键词：嵌入式系统a r mu c l i n u x 剑杆织机控制平台 淅江大学碗士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r y , t h el o o m st u mt oh i g hs p e e d ，w i d e r b r e a d t ha n da u t o m a t i z a t i o n t h er e s e a r c ho f1 0 0 m sa u t o m a t i z a t i o na n dn e t o r i e n t e d h a sh i g he c o n o m i cv a l u e i nt h ee m b e d d e do sr e g i o n ，l i n u xi sw e l c o m eb ym a n y p r o d u c e r s b e c a u s el i n u xh a sf o l l o w i n gc h a r a c t e r ss u c ha se a s i l yp o r t a b i l i t y ， s u p p o s i n gm a n yd i f f e r e n tc p ua r c h i t e c t u r e s ，s t a b i l i t ya n de a s i l yb e i n gu p g r a d e da n d o p e n r e s o u r c ep o l i c y e m b e d d e dl o o mc o n t r o lp l a t f o r mi sd e v e l o p e di nt h i s b a c k g r o u n d t h i sp l a t f o r m sa i mi si n t e g r a t i n gd i f f e r e n tl o o mc o n t r o lm o d u l e si n t oa n o p e r a t i n gs y s t e m i tw i l lm a k et h el o o mc o n t r o ls y s t e mm o r ea g i l ea n df u n c t i o n a l t h i sp a p e ri sa b o u tm yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k i t sc o n s i s t e do ft h e f o i l o w i n gp a r t s ： 1t h ea u t h o ra n a l y s i st h es t a t u sa n dt r e n do ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt e x t i l e m a c h i n e a n ds e v e r a lc u r r e n tl o o mc o n t r o ls y s t e m s c h a r a c t e r i s t i ci sc o m p a r e d 2t h ea u t h o rc o m p a r e ss e v e r a l p o p u l a r e m b e d d e do sa n de m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r s ，a n dc h o o s e st l eu c l i n u xa n d $ 3 c 4 510 bc p u 3 t h eu c l i n u xi sp o r t e dt o $ 3 c 4 5 1 0 b a n dt h el o o mc o n t r o lp l a t f o r mi s e s t a b l i s h e d 4t h em e m o r i z e ri n t e r f a c ec i r c u i t ，e t h e r n e ti n t e r f a c ec i r c u i ta n dj t a gd e b u g i n t e r f a c ec i r c u i ta r ed e s c r i b e d a n dt h ep r i n c i p l eo f j t a gi sa n a l y z e d 5t h ea u t h o rd e s i g n st h ep l a t f o r m si n t e r f a c em o d u l ea n di n p u “o u t p u tm o d u l e t h ei n p u t o u t p u tm o d u l e sc o n n e c te a c ho t h e ri ns e r i e sb yp a r a l l e lb u s i ti su s e d t oc o n t r o l i o o m 6t h ew e a v ep r i n c i p l eo fr a p i e rl o o mi sa n a l y z e d t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h e f u n c t i o no ft h er a p i e rl o o mc o n t r o lm o d u l ea n dt h ed e v i c e so n1 0 0 m t h er a p i e r l o o m sc o n t r o lp r o g r a mi sw r i t t e n 7t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) a n d p l a t f o r mi sa n a l y z e di nd e t a i l t h ea u t h o rw r i t e st h ep r o g r a mt oc o l - m n u r l i c a t e w i t hh m i ，a n da l s od e s i g nt h eh m i sm e n u 8aw e b s e r v e ri se s t a b l i s h e di nu c l i n u x t h ea u t h o rd e s i g n st h ed y n a m i cw e b a n dc g ip r o g r a m i tr e a l i z e st h er e m o t em o n i t o r k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u c l i n u x ，r a p i e rl o o m ，c o n t r o lp l a t f o r m - 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘茔或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同： 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝 江盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日期： 年月日签字日期：年 月r 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 淅江大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论晃一早貊i 匕 我国是世界最大的纺织和服装生产国，拥有4 2 0 0 万锭短纤纺纱能力和4 0 0 万锭长纤纺纱能力。2 0 0 0 年在亚洲许多国家经济不景气的情况下，我国纺织品 和服装出口额却大幅增加。自2 0 0 5 年起，全球将全面取消纺织品配额制度，以 美国为例，据w t o 估计一旦配额取消，中国的服装将占美国服装市场份额的 半。今后全球纺织品生产重心将在中国大陆和东南亚。中国的纺织业已成为世界 纺织服装供应链中的重要环节。事实上已成为世界纺织工厂。中国的纺织产品几 乎覆盖国际消费市场的各个层面，且质量逐年提高，市场竞争力不断增强，占有 份额在2 0 0 3 年达1 7 ，居全世界首位。随着中国加入世贸组织并与他国签订纺 织品和服装协议，到2 0 0 5 年，我国市场将进一步开放，将面临更激烈的国际竞 争。纺织品和服装的质量要求不断提高，将加剧企业对尖端纺织设备的需求。 潜力巨大的中国纺织机械市场使得各纺织机械生产商对其虎视眈眈。在 2 0 0 1 年上海国际纺织工业展上，意大利对外贸易委员会和意大利纺织机械制造 商协会组织了庞大的国家展团参展，向我国纺织业界展示其最新的纺织机械及技 术。在2 0 0 3 年1 2 月上海举办的s h a n g h a i y e x2 0 0 3 纺织博览会，吸引了世界各地 的纺机巨商，他们有的甚至宁取上海而放弃在英国伯明罕举办的纺织博览会i 。”。 我国的纺织机械工业系统经过三年压锭的阵痛后有了新的发展。无梭织机已 进入新的发展时期。但和先进国家的纺机业水平相差了2 0 年。纺机产品科技含 量低，在质量上难与国外产品抗衡，导致国外公司正在一步步蚕食我国纺机市场。 提高我国纺织机械的科学技术水平迫在眉睫p j 。 1 2 纺织机械的市场情况 浙江大学硕士学位论支 从1 9 世纪中期起，织机设计者就开始抛弃传统的梭子引纬原理，试制无梭 织机”1 。无梭织机发展至今已有喷气、喷水、剑杆、片梭、多梭口等类型的织机。 从国际纺织机械展览会参展情况看，机电一体化已在织机上得到普遍应用，如电 子送经、电子卷取、电子提花、故障诊断、生产统计、花纹图案和织造工艺参数 设定等。 1 2 1 纺织机械发展的新趋势 当今世界的机织设备有以下几大趋势： 1 无梭化 无梭织机以其车速高，织幅宽，织物质量好，结合电子技术，使织机性能大 大提高。剑杆织机的引纬稳定可靠，对纬纱的要求较低，因此对织物的适应性强。 喷气织机入纬率高、转速快、单位面积产量高。喷水织机引纬车速高、织幅宽、 噪音小、动力消耗小，特别适合合成纤维等疏水性纱线织造，但不适用于亲水性 纤维的纱线。片梭织机织幅宽、适应范围广、使用寿命长、能耗低。 2 智能化 以c p u 为核心的工业控制器与新型驱动技术的结合，使纺织机械的控制更 加方便，结构更加简单，性能更加优越。这些控制器能完成复杂的运算和繁杂的 逻辑控制，以及对各种指令的快速实时响应和高速通讯。p l c ( 可编程控制器) 、 p c c ( 可编程计算机控制器) 、p c ( 个人电脑) 平台等都是常用的工业控制器。 p l c 在纺织设备上的应用已相当普及。一些喷气织机的控制系统，选用p c c ， 其性能又优于一般p l c 。p c 平台在近几年的国外先进织机上应用同益广泛。新 型驱动技术的应用也更加广泛，如变频调速、直流无刷电机调速、伺服控制、直 线电机等等，其主要技术特征是大功率、高精度和智能化。 在第十届上海国际纺织z l k n ( s h a n g h a i t e x2 0 0 3 ) 上，比利时p i c a n o l ( 必佳乐) 公司展出了g a m m a x 剑杆织机，它被誉为最先进的剑杆织机，速度高，织物品 种转换灵活，制造成本低。它大部分功能都是数控的，所有参数设定都可数据化 存储并传送，还可以与互联网联接f 5 j 。在第7 届大阪国际纺织机械展览会 ( o t e m a s ) 上，津阳驹公司展出了真正的操作简便的先进喷气织机。它除了生产 浙江大学硕士学位论文 效率高、适用范围广和节能等基本功能外，还能通过智能化快速反应系统向用户 提供织造技术方面的支持扣j 。 3 网络化 工业网络技术的成熟，也带动了纺织生产管理的发展。现场总线技术的成熟 促使纺织控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 过渡。现场总 线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统，它作为智 能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统， 并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 优化及控管一体化的综合自动化功能。在纺织设备方面，具备网络接口的纺机产 品在上世纪9 0 年代就已经出现，近年来越来越多的公司推出了具备网络连接功 能的纺机和相应的软件系统。有了它管理者可以通过互联网在世界任何地方管理 控制分布在不同地点的生产工厂。 具有代表性的是p i c a n o l ( 必佳乐) 公司，他们推出的l o o m g a t e 织造车间控 制软件包、p r o j e c tt r a c k e r 网络化订单管理系统和p r t l l i n e 备件在线供应系统与 网络化织机形成三级信息数字化管理网络，第一级是织机的各项工艺参数设置及 运转中各工艺产量参数的统计及储存做到人机对话，完全掌握喷气织机的一切运 转状态，还可以经过人机对话在线调整工艺；第二级是工厂全部织机的各种数据 的统计储存及生产计划、品种及产量安排，优化总体工艺设计等，还可向织机提 供二级配件仓储信息；第三级是p i e a n o l 织机织造加工中心与世界上所有p i c a n o l 网络化织机供应网络的信息交换，只要织机需要的配件，可以通过以太网络解决 n 1 2 2 我国纺织机械的现状及发展方向 近年来我国的纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，无梭织机己进入 新的发展时期，已相继开发成功了剑杆、喷气、喷水、片梭织机，具有一定的生 产规模和能力。过去的2 0 年我国靠低廉的劳动力和原料迅速成为纺织品生产和 出口大国。纺机也从中也得到发展。但是这种生产是低水平重复建设、企业效益 差、国际市场竞争力弱。我国纺机业比先进国家的纺机业水平相差2 0 年左右。 浙江大学硕士学位论文 国际上不少国家无梭织机占织机的比例已达到高达8 0 和9 0 ，而中国的无梭 化织机比例仍比较低。国内纺机市场份额的5 0 6 0 以上已被国外占领。国际 著名的纺机生产商，如瑞士的苏拉集团、缪勒公司、“埃罗”、“史陶比尔”以及 德国的“卡尔马亚”都在中国开办了独资厂。 国产无梭织机的电控系统，除了一部分机器采用p l c 和p c c 组成的控制系 统外，约有三分之二的织机采用以单片机为控制元件的专用控制系统。它成本低， 但在可靠性方面因元器件质量，生产工艺等因素可靠性不高。与国外先进的纺织 机械行业相比，目前我国纺织机械行业有以下不足； 1 创新意识淡薄，对产品研发投入不足，措施不力，技术创新能力不 足，缺乏与国外相抗衡的竞争力。主要产品技术依赖国外，缺乏有 自主知识产权的产品。 2 产品质量不稳定，可靠性低，纺织行业中建立i s 0 9 0 0 0 质量认证体 系的企业不多。与国外同类型产品相比有一定差距。 3 由于产业缺少整体共识，造成行业内的无序竞争，影响到产业整体 竞争力。 要改进传统的纺机技术，保持市场竞争力，应该提高产品档次，提高机械效 率、可靠性及稳定性，降低运转成本。当前国际上传统技术对我国来讲仍然存在 较大的发展空间，不在这方面继续努力开发就会失去广阔的市场。 我国纺织机械还有以下几点发展方向： 1 柔性化 如今的纺织品需求市场要求品种多样，时尚周期短，变化快。为适应这一趋 势，纺织机械必须实现柔性化。首先是织机能满足多种织物对织造工艺的要求， 能快捷的变换品种；其次是织机制造商能根据用户的要求量身订做，及时响应市 场的需求，从而在竞争中处于有利地位。要实现柔性化产品设计应贯彻模块化的 设计思想。机电一体化水平的提高，使纺织机械的分部传动得以实现，这也使模 块化设计成为可能。将电气控制部分也采用模块化的设计，各功能单元都采用插 槽接口式的结构，不同功能模块的组合，就能满足用户不同的需求。模块化的产 品设计是今后技术的发展趋势。 2 数字化 淅江大学硕士学位论文 加强纺织工厂的信息化建设，数字化纺织机械是不可缺少的基础，应大力提 高纺织机械的机电一体化水平，采用先进的以c p u 为核心的工业控制器及先进 的驱动技术，提高我国织机水平，实现纺织机械的数字化。这样才能适应全球化 经济、知识经济、网络经济的时代。 1 3 技术分析 本课题正是基于以上我国织机的市场情况和发展趋势提出的，其目的是要实 现织机控制系统的柔性化、数字化设计。以剑杆织机为例，它的控制部分主要包 括有：主动作控制部分、电子多臀部分、电子选纬部分、电子提花部分以及送经 卷曲部分。最简单的剑杆织机可以只有主动作控制部分，而较复杂先进的剑杆织 机则多个部分都包含。该项目的目的在于为织机的各电气控制部分提供一个平 台，将各个控制部分模块化，采用插槽式结构，可以根据需要组合。它可以不仅 仅局限于剑杆织机的控制模块，在以后的进一步开发中，还可以为提花机、片梭 织机或喷气织机等多种织机的控制模块提供平台。本文为项目前期的工作，主要 包括嵌入式平台的软硬件设计以及剑杆织机主动作模块的设计。其总体框架如下 图所示： 隧卜i 、总体方案框图 一叫其他织机模； 块的控制 ! ，。 浙江大学硕士学位论文 项目主要包括以下几方面的内容 u c l i n u x 的移植 织机控制软件的设计 织机控制输入输出模块的设计 织机平台与人机界面的串口通讯设计 织机的网络通讯的设计 下面对系统的几个关键部分作一个详细的分析： 嵌入式处理器部分： 要实现织机的控制，与显示屏的通讯以及网络通讯包含很多复杂的问题。因 为要实现的功能很多，如织机的控制需要能扩展出足够多的y o 口，并有一定的 实时性要求，实现网络通讯功能需要有以太网控制器，所以必须选用功能比较强 大的嵌入式控制器，而为了便于实现模块化的设计，也便于实现网络通讯功能， 最好选用嵌入式操作系统。在后面的章节中会有更进一步的叙述。 控制模块接口部分： 它连接平台与输入输出模块。要实现模块化设计，能将各个控制部分集成到 平台上，要充分考虑控制模块与平台的接口问题。在软件上要能方便的实现装载 和卸载，且对应不同的控制模块分配不同的端口。在硬件上最好能做到标准化的 接口，能简化平台的硬件结构，方便控制模块的变换。本文利用了嵌入式控制器 的外部i o 映射以及嵌入式操作系统的输入输出端口实现了这一设计，在后面章 节有详细叙述。 网络通讯部分： 这部分主要是实现织机的远程监控。实现它的途径有很多种，可以用专用的 串行通讯方式，或是许多嵌入式控制器都支持的c a n 通讯方式，考虑到通用性及 可扩展性，选择采用以太网通讯方式，这样可以直接利用现有的i n t e r n e t 互联 网，不需要另外布线，在控制系统上配置好w e bs e r v e r 后，即可通过网页浏览 器在任何可以连通互联网的地方与织机控制系统通讯，实现织机的远程监控。 与人机界面通讯部分： 由于目前已有许多专门为织机的控制箱设计的人机界面，它已经发展得很成 熟及商业化，本文使用了用于剑杆织机控制箱的一款人机界面，它是用于与各种 浙江大学硕士学位论文 型号的p l c 通讯的，这里我们用软件模拟了p l c 的存储器特点和通讯协议实现 了与人机界面的通讯。 1 4 设计思想 目前的织机控制系统大部分采用的是p l c 控制，有部分先进的织机采用微 机控制，还有小部分采用单片机控制。单片机控制成本较低，缺点是稳定性、可 靠性和抗干扰能力较差，电子元件的质量无法保证，用户的维护费用较高。微机 控制功能全面，但是价格高且不适合恶劣的工作环境。p l c 控制系统应用最普遍， 发展的也最成熟。它可靠性和稳定性高、抗干扰能力强。它的许多功能是依靠软 件技术来实现的，这样可以减少外围硬件的使用，从而减少了故障发生的几率。 通常p l c 都具有5 1 0 万小时的正常运行寿命。目前国内p l c 市场基本由国外 厂家垄断，价格较高。也因为p l c 技术的成熟。它的功能相对固定，输入输出 点也是固定，不容易进行扩展。不同厂家的p l c 有不同的指令、寄存器结构以 及通讯协议等，如果更换产品，开发人员和用户需花费额外的精力掌握新的知识。 此外，p l c 的处理速度有限，它的许多功能已不如当前不断涌现的嵌入式处理器。 依据本课题的情况本文决定采用嵌入式处理器来做织机平台的控制芯片。 嵌入式处理器的种类繁多，大体可分为： l 、嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，简称m p u ) 它的技术基础是通用计算机中的c p u 。为了便于应用到嵌入式系统中去，而 将多余的功能裁减，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样就大幅度减小了系统 体积和功耗。此外，嵌入式微处理器除了在功能上和标准微处理器基本相同外， 在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都有所增强，以应对各种恶劣的工业环 境。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然价格也相应较高。 与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性 高的优点。嵌入式处理器目前主要有x 8 6 、p o w e r p c 、m 1 p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等m j 。 2 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，其典型代表是单片机。 浙江大学硕士学位论文 内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、w a t c h d o g 、i 0 、 串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要模块。一个系 列的单片机处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这使 得单片机更能与应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比， 它最大的特点是单片化，体积更小，成本更低。微控制器是目前嵌入式系统工业 的主流 嵌入式微控制器的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括5 1 系列、 9 6 系列、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 l 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用 m c u 平i i 兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统4 j 7 0 的市场份额 1 0 1 。 3 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。d s p 算法广泛应用于数字滤波、f f r 、谱 分析等方面，在嵌入式领域里，过去是在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能， 现在已过渡到采用专用嵌入式d s p 处理器。d s p 的长处在于处理运算量较大的算 法，如向量运算、指针线性寻址等“。 目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 1 5 0 0 0 系列【1 2 】，另外如i n t e l 的 m c s - 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 也有各自的应用。 4 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 它的最大特点是软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模 块。s o c 具有极高的综合性，在一个硅片上运用v h d l 等硬件描述语言实现一个 复杂的系统。用户不需要像传统的系统设计一样，绘制复杂的电路板，再进行焊 制，只需要使用硬件描述语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理 器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付生产。由于它将大部分系统构件都 集成在一个硅片上，所以整个系统简洁、体积小、功耗小、可靠性高【日】。 目前大部分s o c 都是专用的，不为人所熟知，比较典型的有p h i l i p s 的s m a r t x a ，还有少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 、某些a r m 系列 器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n , 芯, 片等【1 4 】。 a r m 系列微处理器是目前3 2 位的c p u 中的领军芯片，2 0 0 1 年市场占有率为 淅江大学硕士学位论文 7 5 。它的a r m 7 t d m i 系列产品是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器核， 属低端a r m 处理器核。三星公司的s 3 c 4 5 1 0 b 日p 属于孩系列的处理器。它是基于 以太网应用系统的高性价比砌s c 微控制器，最适合用于价格及功耗敏感的应用 场合。它包含以太网控制器，可以很方便的实现网络功能。所以我们选择 $ 3 c 4 5 l o b 作为系统平台的控制芯片。 选择了嵌入式处理器后便开始考虑软件的设计。出于实现控制模块化设计的 目的，本文决定采用嵌入式操作系统，选择这种方式在项目初期需要针对硬件列 操作系统做一些修改或裁减，并可能要为硬件编写驱动，会比直接用c 语言编制 自己的程序花费更多的精力。但是它为后期开发提供了便利，当需要加入新的控 制模块时，开发者不需要花太多精力重新了解系统的详细硬件情况，只需要在操 作系统上编制自己的那部分控制程序即可。 目前著名的嵌入式操作系统有： 1 、w i n d o w s c e 它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作 系统a 它的模块化设计允许它对从掌上o g 脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。因为微软视窗操作系统 拥有在个人电脑上的操作系统占有率的优势，使w i n c e 拥有强大的视窗资源支援 ”。但是，购买它的授权需要昂贵的费用。 2 、v x w o r k s 它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。是多任务， 多进程的操作系统。具备软实时特性。它支持的3 2 位的c p u 包括i n t e l 左_ 的x 8 6 和i 9 6 0 、m o t o r o l a 公司的m c 6 8 x x x 和p o w e r p c 、m i p s 、a r m 、h i t a c h i 公司的s h 。 大多数i 驹v x w o r k s a p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试科1 6 1 。它是最普及的嵌 入式操作系统，但是也要花高额费用购买授权。 3 、uc 0 s 它的源代码公开，是用移植性很强的a n s l c 写成的，和微处理器硬件相关 的部分用汇编写成，可以移植到许多微处理器上。它提供了嵌入式系统的基本功 能，其核心代码短小精悍，可剪裁，是占先式的实时内核，多任务，但不支持时 间片轮转调度法，所以赋予每个任务的优先级必须是不同的【1 7 】。uc o s 相对商 浙江大学硕士学位论文 用嵌入式系统来说还是过于简单。 4 、p s o s w i n d r i v e r 的p s o s 是一个由标准软组件组成的，可剪裁的实时操作系统。它 分为内核层、系统服务层、用户层。它专为嵌入式微处理器设计，为用户提供一 个完全多任务环境，在定制的或商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。丌发者 可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。i 墙l 5 、p a l m o s 它是一种3 2 位的嵌入式操作系统。主要用于掌上电脑1 1 9 l 。此系统是3 c o m 公 司开发的。p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应 用接i ( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发应用程序。 6 、q n x 它是一个实时的、可扩充的操作系统，其应用程序接口完全符合p o s i x 标准。 使l i n u x u n i x 程序能够方便地移植至i j q n x 系统上来，极大的扩展7 q n x 系统的 可用资源。q n x 支持同型或异型机器之间网络通信协议，如t c p i p 族的各种协 议。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服 务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空 间运行。所有其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小 ( q n x 4 x 大约为1 2 k - b ) 而且运行速度极快。【2 0 1 7 、u c l i n u x u c l i n u x 是自由软件运动的产物，包含丰富的功能，包括文件系统、各种外 设的驱动程序、通讯模块，t c p i p ，p p p ，h r r p ，甚至w e b i 报务器的代码。在 i n t e m e tl 流传的u c l i n u x 已被移植到当前几乎所有的硬件平台上，功能与p c 机 上运行的l i n u x 不相上下，其代码也十分复杂。u c l i n u x 的代码经过世界范围内的 优化，稳定可靠而且高效，所有模块的代码都可以从i n t e m e t 上获得。可以进行模 块移植。 商业的嵌入式实时系统如w i nc e 、v x w o r k s 、p s o s 等，已经十分成熟，并 为用户提供了强有力的开发和调试工具。但商用嵌入式实时系统价格昂贵而且都 针对特定的硬件平台。所以采用免费软件和开放代码不失为一种选择。所以， u c l i n u x 以其丰富的网络资源和开放的开发环境成为了本文的首选。 浙江大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究意义、研究内容及创新点 5 1 研究意义 通过对我国织机发展现状的研究，可以发现目前国内与国外的差距主要集中 在织机的自动化水平上。国内生产的织机速度低，产品适应性差。使得国外的先 进织机涌入国内，侵吞国内的织机市场，这将制约民族工业的发展。因此，加大 织机的研制力度是业内人士的迫切任务。本课题的目的是将先进的嵌入式控制系 统引入织机中，同时引入先进的网络控制方式，为我国纺机水平的提高提供有力 的技术支持。 1 5 2 研究内容 本课题涉及纺织机械的模块化、网络化控制、嵌入式操作系统及嵌入式微处 理器、剑杆织机的控制等内容，主要进行的工作如下： 1 分析国内外纺织机械控制水平的发展情况； 2 分析国内织机的几种主要控制方式； 3 研究比较了目前国内外流行的嵌入式操作系统； 4 研究比较了目前主要的几种微处理器： 5 设计并搭建了纺机控制系统平台； 6 将u c l i n u x 嵌入式操作系统移植入平台； 7 编制了剑杆织机的控制模块程序； 8 设计了控制剑杆织机的输入输出模块并制作控制电路板； 9 设计了平台与显示屏之间进行通讯的协议； 1 0 在平台上实现w e b 服务器； 1 1 编制动态网页实现织机的远程监控； 1 2 总结课题，提出系统改进方向。 渐江大学硕士学位论文 1 5 3 本课题的创新点 本文所研究的课题针对国内织机的控制现状，有如下创新之处。 1 、把多种织机的控制部分模块化集成到同一平台上，可以灵活的组合控制 方式，不同于以往单固定的织机控制方法。可以说是一种新的控制方 式的尝试。 2 、把当前控制性能优越的微处理器a i t m 应用于织机的控制，比目前一 般的织机控制性能优越，能实现比较复杂的数据处理及网络功能，系统 性价比得到了提高。 3 、将嵌入式操作系统u c l i n u x 应用到织机控制中来，利用了它丰富的功能 以及方便的软件开发环境。并为平台的后续开发提供了便利。 渐江大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了。进入9 0 年代后，以计算机 和软件为核；t l , 的数字化技术取得了迅猛发展，广泛渗透到社会经济、军事、交通、 通信等行业。随着工业自动化的发展，嵌入式技术再度成为一个研究热点。 2 1 1 嵌入式系统的定义及特点 根据i e e e ( 国际电器和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监 视、或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。其原文为d e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r , o r a s s i s t t h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s 。这主要是 从应用上定义的，不能体现其本质。目前国内有一个普遍被认同的定义是：以应 用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应特定应用系统，对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。【2 l l 也就是说，嵌入式系统是面向应用的，它具有很强的专用性，必须结合实际 系统需求，对软硬件进行合理的剪裁，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体 积等要求。再者，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以 及各行业的具体应用相结合后的产物。它往往是技术密集，投资强度大，不断创 新的知识密集型系统。它一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用 户应用程序四部分组成【2 2 】。 淅江大学硕士学位论文 至亟、 一 匝 堕匦至亟困j 目前的嵌入式系统主要有以下几个特点： 1 、 系统精简内核小。嵌入式系统大多数都应用在没有固定供电源的小 型电子装置中，或是对功耗或成本有严格要求的系统中，所以内核 较之传统的操作系统要小的多。而且嵌入式系统的系统软件和应用 软件没有明显的区别，其功能的设计及实现都力图简单实用。这样 也利于实现系统安全。 2 、 专用性强。软件系统都是为特定的硬件量身定做。一般都要针对硬 件迸行系统的移植。针对不同的任务，也要进行更改。程序的编译 下载要和具体的硬件相结合。不同的硬件有不同的软件开发环境。 3 、 高实时性。这是对嵌入式操作系统的基本要求。而且软件要求固化 存储，软件代码要求高质量和高可靠性。 4 、 多任务的操作系统。其实许多嵌入式系统的应用程序可以没有操作 系统就能直接在芯片上运行，但是为了合理地实现系统内的多任务 情况，合理地利用系统资源、系统库函数，最好是选用实时操作系 统，这样在便于可持续开发的同时还能保证程序执行的实时性、可 靠性，保障软件质量。 5 、 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统本身不具 备自主开发能力，设计完成后，用户也不能对程序进行修改。所以 嵌入式系统都是由交叉编译工具开发的。这些交叉编译工具主要是 借助通用计算机和一些仿真器。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式系统的发展趋势 来自1 9 9 7 年美国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指 出，未柬5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个 每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特 出售的计算能力已超过了i b m ”。由此可以想象嵌入式工业的规模和广度。 随着现代计算机技术的飞速发展，我们从p c 时代过渡到了3 c ( 计算机、通信、 消费电子) 一体的后p c 时代。嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，从中可以看 到未来嵌入式系统的几大发展趋势： l 、 嵌入式系统的开发是一项系统工程，嵌入式系统厂商不仅生产嵌入 式软硬件本身，同时还应该提供完善的开发工具和开发软件。如三 星为a r l i j 7 、a r m 9 芯片提供的开发板和支持包( 8 s p ) ，而w n d o sc e 在推销系统时也提供e m b e d d e dv c 十十作为开发工具，还有v x w o r k s 的t o r n a d o 开发环境、d t l t ao s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势 的体现，当然这也是市场竞争的结果。 2 、 网络化、信息化要求提高。随着因特网技术的成熟，许多设备都可 以借助因特网实现远程监控及数据的传输，这就要求芯片能集成更 多的功能。于是不断出现更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位的 r i s c 芯片，同时增加了网络通信接口，功能接口( 如u s b ) ，扩展 总线类型( 如c a nb u s ) 。逐步出现了片上系统( s o c ) 的概念。软件 上，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入w e b 服务器， 真正实现随处与网络连接。 3 、 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。利用最低的资源实 现最适当的功能，这是设计者始终追求的目标。 4 、 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备基本上都是面向应用的， 需要直接与用户打交道，是否能提供友好的用户界面、图形界面和 灵活的控制方式是击败竞争对手的重要因素。 渐江大学硕士学位论文 2 2a r m 嵌入式微处理器 2 2 1a r m 微处理器系列 a r m ( a d v a c e dr i s cm a c h i n e ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知 识产权设计供应商。a 删公司通过转让r i s c 微处理器、外围和系统芯片设计技 术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。目前a r m 微处理 器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场。a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能：1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴。 下面所列的是a r m 微处理器的几个系列及其他厂商基于a r m 体系结构的 处理器，它们除具有a r m 体系结构的共同特点外，都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列 a 砌订9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e l 的x s e a l e i n t e l 的s t r o n g a r m a r m 7 系列为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求 较高的产品。它又分为应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，以及适 用于开放平台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。本文 中采用的s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 即是属于该系列a r m 7 t d m i 的处理器。 t d m i 的基本含义是： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ； i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。1 2 3 在选择内核时，如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统就要选挥 浙江大学硕士学位论文 a r m 7 2 0 t 以上