（控制理论与控制工程专业论文）电脑绣花机控制系统.pdf

浙江人学颀十学位论文 摘要 摘要 随着电子技术及机电一体化技术的发展，电脑绣花机已成为主流的刺 绣设备，极大地提高了纺织行业的生产力水平。本文主要研究嵌入式电脑 绣花机系统，在分析系统的功能需求的基础上，设计系统的软硬件平台； 开发电机控制系统，使其协同工作，设计步进电机驱动器，使步迸电机运 转精度高、性能稳定。 本文主要工作包括： 1 设计控制系统硬件，采用高速的a r m 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作为m c u ， 外围扩展u s b 主机、l c d 显示屏、以太网控制器、u a r t 、6 4 ms d r a m 、 i mn o rf l a s h 、6 4 mn a n df l a s h 等模块，并采用c p l d 扩展键盘、 u s b 软驱控制器等。 2 引入嵌入式系统w i n c e n e t ，分析w i n c e n e t 的启动流程和设 备驱动模型，开发板级支持包使系统支持w i n c e n e t ，包括启动代码b o o t l o a d e r 、o a l 代码和外围设备驱动程序。根据系统需求，在开发b o o tl o a d e r 时，分别设计了基于串口的s b o o t 和基于以太网的e b o o t 。 3 深入研究u s b 协议、w i n c e n e t 下的u s b 设备驱动模型以及u s b 客户设备驱动加载流程，开发u s b 软驱驱动程序，使系统能识别软驱、 支持软盘的读写、格式化等操作。 4 设计系统的应用程序，构建系统工作主流程；研究电机控制策略， 实现对主轴电机、步进电机和换色电机的协同控制；设计步进电机驱动器， 使步进电机的细分数高达6 0 0 0 0 步；提供健全的保护措施，使步进电机运 转稳定。 关键词：电脑绣花机、w i n c e n e t 、启动程序、板级支持包、u s b 软驱、电机控制系统、步进电机驱动器 浙江人学硕= i j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e 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 eh a sb e c o m eam a i n s t r e a m e m b r o i d e r ye q u i p m e n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n dm e c h a n i c a l a u t o m a t i o n ，i th a sg r e a t l yi n c r e a s e dt h ep r o d u c t i v i t yo ft h et e x t i l ei n d u s t r y t h e m a i nr e s e a r c ht h e m ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni st h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ee m b e d d e d 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 ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m a r e d e s i g n e db a s e do ns y s t e md e m a n d ；m o t o rc o n t r o ls y s t e mi s c o n c e i v e dt om a k e s u r em a i nm o t o r sw o r kh a r m o n i o u s ；m o t o rd r i v e ri sd e s i g n e dt om a k et h em o t o r r u ns t a b l yw i t hh i g hp r e c i s i o no ns t u d y i n gs t e p - m o t o rs u b d i v i s i o np r i n c i p l e t h em a i nr e s e a r c hi nt h i sp a p e rc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 h a r d w a r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d ，a r mc h i p $ 3c 2 410 ，h i g h s p e e dm c u i su s e d ，u s bh o s t ，l c d ，e t h e r n e tc o n t r o l l e r ，u a r t ，6 4 ms d r a m ，1mn o r f l a s h ，6 4 mn a n df l a s hm o d u l e sa r ee x t e r n a le x p a n d e d ，k e y b o a r d ，u s b f l o p p yd r i v ec o n t r o l l e ra r ee x t e n d e db yc p l d 2 t h ee m b e d d e ds y s t e mw i n c e n e ti si n t r o d u c e d ，t h es t a r t u pp r o c e s s a n dd e v i c ed r i v e rm o d e la r ea n a l y s i s e d ，t h eb o a r ds u p p o r tp a c k a g ei n c l u d i n g b o o tl o a d e r , o a lc o d ea n de x t e r n a ld e v i c ed r i v e r si sd e v e l o p e dt os u p p o r t w i n c e n e t s b o o ta n de b o o ta r ed e s i g n e da c c o r d i n gt os y s t e mc o m m a n d 3 u s bf l o p p yd r i v e ri sd e v e l o p e do nd e e p l ys t u d y i n gt h eu s b p r o t o c o la n d u s bd r i v e rm o d e lo fw i n c e n e t ，i tm a k et h es y s t e ms u p p o r to p e r a t i o n sl i k e r e a d i n g ，w r i t i n g ，f o r m a t t i n gf l o p p yd i s k s 4 t h ea p p l i c a t i o na n dm a i nf l o wo fs y s t e mi sd e s i g n e d m o t o rc o n t r o l m e t h o di ss t u d i e dt or e a l i z et h eh a r m o n i o u sc o n t r o lo fp r i n c i p a la x i sm o t o r ， e m b r o i d e r s t e p - m o t o r a n dc o l o r - - c h a n g e dm o t o r a c c o r d i n gt o t h e p a r a l l e l o p e r a t i o no fc o n t r o l l e r t h es t e p - m o t o rd r i v e ri sd e s i g n e d ，t h es u b d i v i s i o no f m o t o ri su pt o6 0 0 0 0 s o u n dp r o t e c t i o nm e a s u r e sa r ee q u i p e dt om a k et h em o t o r r u ns t a b l y 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 ，w i n c e n e t ，b o o tl o a d e r ， b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，u s bf l o p p y , m o t o rc o n t r o ls y s t e m ，m o t o rd r i v e r c i r c u i t 浙江火学顾十学位论文：电脑绣花机控制系统 1 1 引言 第1 章绪论 随着改革开放的深入，我国的国民经济得到了飞速的发展。在普通社会公 民所说的“衣食住行中占首位的服装产业也取得了蓬勃的发展，我国已经成 为了一个立足本国面向世界的服装产业大国。与此同时，随着计算机技术、电 子技术、机械加工技术的发展，作为服装产业附属产业之一的刺绣业这一传统 手工艺术得到了质的飞跃。电脑绣花机就是传统刺绣与电子、机械相结合的高 自动化的刺绣设备，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，可极大地提高纺织行业的生产力。 电脑绣花机是在电脑缝纫机的基础上发展起来的，自1 9 7 5 年引入了电子技 术以来，一直由机械技术占统治地位的缝纫机领域开始进入了电脑控制的机电 一体化时代。随着电脑刺绣的普及，高性能价格比的电脑绣花机越来越受到人 们的青睐，此类产品的市场需求也越来越大【l 】。然而目前市场上的电脑绣花机 多采用单片机作为处理器，控制精度低，运算速度低，存储容量小，急需高性 能的处理器替代。另外，受步进电机结构的限制，电机的步进角不能达到理想 的精度。 本文采用高速的a r m 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作为m c u ，运算速度快，并扩展系统 存储量；引入嵌入式操作系统，使系统管理更加有效；设计电机控制系统，使 主要电机有效地协同工作；采用基于c p l d 和e p r o m 的步进电机细分技术， 使步进电机的控制精度更加精确。 1 2 电脑绣花机国内外研究现状及趋势 1 2 1 电脑绣花机发展历程 1 9 8 8 年，北京一轻研究所( 现称：北京兴大豪电脑公司) 与青岛缝纫机厂合 作，研制了我国第一台电脑绣花机。当时生产绣花机的企业不超过1 0 家，年产 量也不到1 0 0 台，到1 9 9 8 年，生产电脑绣花机的企业也仅有数十家，年产量1 0 0 0 台左右。2 0 0 3 年，据业内人士统计，国内已经有了3 0 0 余家生产电脑绣花机的 企业，年产量达3 万余台，企业主要集中在浙江的诸暨、台州、宁波以及广东、 1 绪论 江苏、北京等地区，尤其是诸暨地区，集中了1 0 0 多家绣花机生产企业，形成 了行业独特的“诸暨现象”【2 1 。从2 0 0 2 年到2 0 0 6 年短短的5 年，电脑绣花机 的企业数量翻l o 倍，年产量增长3 0 倍，这样的增长速度，在其它缝纫机品种 上从来没有出现过。毫无疑问，电脑绣花机创造了中国缝制设备领域的一个“神 话”。 电脑绣花机行业形成了百花齐放、百家争鸣的局面，完成了产业化进程， 成本和售价大为降低，用户选择范围宽，再加上大多厂家推出的分期付款甚至 先用后买的优惠政策，使得绣花机行业的门槛大大降低，从而促进了整个行业 的强劲发展。 1 2 2 电脑绣花机研究现状 电脑绣花机【3 】采用先进的机电技术，能使传统的手工绣花得到高速度、高 效率的实现，并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 等要求。它是一种体现多种高新科技的机电产品。 在绣花机领域，目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛公司 t m e f h 6 2 0 型、日本百灵达公司b e m r h y s 2 0 型、日本兄弟公司b a s 4 2 3 型、德国蔡斯克公司1 7 4 1 2 型、德国百福公司的k s m 2 2 1 1 2 2 6 0 型等。与这些 大型国际公司相比，国内生产的电脑绣花机还存在较大的差距，尤其是在机械 加工方面，如结构、精度、寿命以及噪音控制等方面，亟待提高和改进。 目前国内绣花机产业存在生产厂家多、标准不统一、生产混乱、竞争无序 等现象。主要体现在三个方面： 1 企业组织：国内电脑绣花机生产企业约3 0 0 多家，主要分布在北京、上 海、山东、江苏、浙江、广东和福建一带。这些企业中，除中国标准缝纫机公 司、中国长城光学仪器厂、上海协昌缝纫机厂、青岛电脑刺绣机总厂等部分厂 家具有较大生产和开发规模外，其他很多厂家仅从事简单的组装生产，技术和 服务都难以得到保证，从而造成市场一定程度的混乱。 2 机械加工：电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，产品精度很大程度 上取决于机械加工及装配的精度。当前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生 产全部零部件，而是采取外协方式，难以对零部件的质量进行很好的控制。在 装配过程中，由于电脑绣花机在精度上要求严格，很难实现装配自动化，只能 2 浙江人学硕十学位论文：电腑绣花机控制系统 由熟练装配师手工操作。 3 电路控制部分：绣花机的电路部分相当于人的大脑及神经，绣花机的诸 多功能很大程度上都是由电路部分决定。当前国内有能力开发电控部分的厂家 不多。 1 3 电脑绣花机控制器及控制技术研究现状 电脑绣花机由主机( 机械部分) 和控制器( 电路部分) 组成，控制器是完成绣花 动作的灵魂，绣花机诸多功能在很大程度上取决于其电路部分。国外许多电脑 绣花机生产厂商不断采用新技术以增强控制器的功能，诸如先进的实时操作系 统进行系统管理、u s b 闪存或c f 卡大容量存贮花样数据、以太网信息共享、 网络远程控制、无线控制等，保持其技术上的领先。此外，国外大部分产品都 采用了实时显示系统，在刺绣过程中可以十分清晰地显示刺绣状态以及机器的 故障部位，方便了操作和维修。不少公司还采用能够提供花样程序自动编辑的 电脑系统，为花样程序的自动编辑提供了方便。 而在国内，自主研发控制器的厂家很少。其中，北京兴大豪电脑公司的产 品在国内处于较先进的地位，但从兴大豪的产品线可以看出，其大部分产品虽 然满足电脑绣花机能刺绣的基本需求且性能稳定，但受限于其控制平台，难以 移植实时操作系统。因此，要提高系统的运行速度，实现多任务实时控制必须 采用先进的硬件平台，并采用完善成熟的操作系统进行管理，不但有助于系统 升级，而且为系统维护提供了方便。 在江浙一带，电脑绣花机产品已形成规模效应，生产成本几乎达到最低， 其机械结构及各种配套设施己实现标准化，改进空间不大。然而，随着计算机 技术的成熟和电子产品成本的不断下降，如果采用具有先进架构和体系的处理 器，结合实时操作系统进行系统管理，不仅能提高系统性能，同时并不显著提 高生产成本，符合市场对产品高性价比的要求。目前，国内有很多公司也正致 力于研究更先进的电脑绣花机控制器和控制策略，比较先进的绣花机控制系统 常采用以下几种结构： 1 ) 以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为主控制器，结合外围电路组成控制系 统，利用d s p 运算速度快、拥有丰富的片内外设接口、大容量的片内f l a s h 和r a m 等丰富的资源特点达到实时精确控制的目的。 3 绪论 2 ) 采用己丌发好的工控主板，利用工控主板提供的接口和可重用模块实现 控制逻辑要求。这样可以使得设计简便，从而缩短开发周期、降低开发难度， 但是成本较高且灵活性较差。 3 ) 采用基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器的嵌入式系统，a r m 微处理器己经内嵌s d r a m 、u a r t 、u s b 、l c d 等控制器，所以能够直接控制 大多数常用外围设备，从而大大降低产品成本，减少开发周期。 课题的意义在于以不明显的提高产品成本为前提，利用现代控制技术，提 高绣花机控制系统的总体性能，在短时间内缩小与世界先进水平的差距。 1 4 论文研究内容及组织结构 本文介绍了国内外电脑绣花机发展及应用现状，分析电脑绣花机控制系统 的功能需求，给出系统的总体实现框架；提出基于w i n c e n e t 操作系统的绣花 机控制系统及相关技术的研究和丌发任务，并详细实现系统的软件开发流程； 分析电机控制系统主要电机的控制方法，设计步进电机驱动器。 主要工作包括：系统总体功能需求分析；系统的硬件电路设计；w i n c e n e t 操作系统的定制和移植；开发系统的板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ， 此流程涉及启动程序( b o o tl o a d e r ) 开发，原始设备制造商( o r i g i n a le q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r , o e m ) 适配层( o e ma d a p t a t i o nl a y e r , o a l ) 开发以及外围设备驱动 程序的丌发；电机控制策略和步进电机驱动器的研究。 根据本课题所涉及到的内容，论文主要分为以下几个部分： 第一章为绪论，主要介绍电脑绣花机的研究现状和趋势，存在的问题，以 及本文的组织结构。 第二章主要介绍系统的总体设计及软硬件相关技术。分析电脑绣花机工作 原理和控制系统的功能需求，根据需求构建系统总体框架和软件系统结构，并 简要介绍w i n c e n e t 嵌入式操作系统。 第三章阐述w i n c e n e t 操作系统在本系统中的移植以及b s p 开发。简要 介绍集成开发环境及开发的流程，重点分析b s p 中的b o o tl o a d e r 和o a l 代码 设计。 第四章阐述b s p 中的系统外围设备驱动程序丌发。介绍w i n c e n e t 下设 备驱动的模型和实现方法，分析串h ( u a r t ) 、l c d 显示屏和网卡等驱动的设计 4 浙江大学硕f ：学位论文：i 【l 脑绣花机控制系统 流程。 第五章介绍w i n c e n e t 下u s b 设备驱动模型和实现方法，u s b 客户设备 驱动的加载过程，u s b 总线的枚举过程，并着重阐述u s b 软驱的驱动设计。 第六章介绍应用程序、电机控制系统的主要模块、电机控制方法和流程、 步进电机驱动器的设计，结合实际的原理图，论述了步进电机驱动器各模块的 设计原理。 5 控制系统总体设计和软硬件技术概述 第2 章控制系统总体设计和软硬件技术概述 本章介绍电脑绣花机工作原理，分析控制系统的功能需求，构建控制系统 的总体框架，引入嵌入式操作系统w i n c e n e t ，并简要介绍操作系统。 2 1 电脑绣花机基本工作原理 电脑绣花机的工作原理是按照传统绣花流程，使用嵌入式系统对生产过程 进行控制，以达到提高生产效率和产品质量的目的。当需要进行绣花操作时， 控制系统对花样数据进行解码，将得到的坐标值转换成与绣框x ，y 方向位移 量相当的电信号，送到x ，y 轴步进电机进行速度和位移控制。控制系统主要 包含两个控制部分：一个是x ，y 轴步进电机通过同步齿形带等传动机构带动 绣框及面料作平面运动，并将面料上每个待绣迹点送往主轴绣针下等待刺绣； 另一个是主轴电机带动机针运动，并与绣框移动的方向、移动量以及移动速度 进行协调配合，使面线和底线绞合，在面料上绣出花样图案。需要注意的是只 有当主轴角度在某两个角度之间时，即绣针离开布料到插入布料之间的时隙，x ， y 轴步进电机才可以运动，否则，绣针将划伤布面或被损坏。 为了提高工作效率和降低操作难度，控制系统还需要一些能完成特定功能 如换色、勾线、剪线、扣线的自动控制模块。刺绣过程中需要换色时，控制器 驱动换色电机转动，电机带动凸轮轴旋转，滚轮沿凸轮槽移动到一定位置，带 动换色杆作水平移动，进而带动针杆箱左右移动到相应位置完成换色动作。换 色电机的运动位置则采用光电检测传感器定位来控制，以确保定位的准确，通 过传动机构带动针杆箱移动，就可以将穿有其它颜色线的针换上，继续刺绣。 当刺绣完毕或需要换线时，剪线电磁铁带动剪刀将线剪断。勾线、剪线和 扣线部分主要由扣线电磁铁、扣线连杆、下线保持器、剪线电磁铁、剪线凸轮、 剪刀、勾线电磁铁、勾刀等组成。勾线、剪线和扣线三个动作依序进行，其动 作的可靠程度是确保电脑绣花机能够高速自动刺绣的重要条件。 断线检测控制的原理是在刺绣过程中，如果遇到断线、断针或底线用尽等 非系统故障，均会造成绣线张力降低甚至消失的现象。通过压力感应元件检测 绣线张力的变化，从而判断出是否有断线的情况发生。当发生断线时，压力感 应元件发送断线信号给主控制器。控制器则及时响应，并根据情况采取处理措 6 浙江大学硕上学位论文：电腑绣仡机控制系统 施进行停机报替或补绣等工作。 2 2 电脑绣花机控制系统的性能要求 设计电脑刺绣机的主要目标是实现高速、高效及高质量的自动刺绣工艺， 要求控制系统具备如下的特性： 1 ) 进程控制特性 花样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、长距离移框操作的跳线码、 以及针迹数据文件结束的结束码，统称为控制码。在刺绣进程中，控制系统应 对数据的坐标码及控制码进行识别，确定相应的控制进程。 2 ) 花样数据兼容性 花样数据是描述刺绣线迹坐标相对位置及控制编码的数据文件，花样数据 的格式目前在国内外尚无统一的标淮，另外花样数据的载体也不同，早期的制 版机多以3 5 英寸软磁盘为数据载体，目前的制版机很多以u 盘、s d 卡等大容 量存储设备作为数据载体。因而控制系统需支持多种花样数据格式，且配备软 盘的数据输入接口。 3 1 键盘操作与显示功能 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 修改命令等往往需要操作者通过键盘输入，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。 4 ) 故障诊断功能 在刺绣过程中，电脑绣花机可能发生断线、断针或绣框越界等工艺故障。 系统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 保护绣框越程；当机械出现故障时，操作面板会显示错误类型，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。 7 控制系统总体设计和软硬件技术概述 2 3 控制系统总体设计 2 3 1 控制系统功能模块划分 根据绣花机的功能需求及机械结构，控制系统采用a r m 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作 为微处理器，c p l d 作为协处理器。绣花机控制器系统架构示意图如图2 1 。 图2 1 绣花机控制系统框图 根据对绣花机的功能分析，将绣花机整体控制系统的功能模块划分为以下 几个模块。其中主要模块的功能如下： 1 ) 主控器：微处理器采用三星公司a r m 4 1 芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，芯片内部集成 了很多片上功能，时钟频率可以达到2 0 3 m h z 。协处理器使用c p l d 【5 ，q 扩展芯 片的i o 口，给系统设计带来很大的灵活性。主控器负责协调各个模块的工作， 并处理各种输入输出信息。 2 ) 存储单元：外围扩展6 4 m 的s d r a m 、6 4 m 的n a n df l a s h 和1 m 的 n o rf l a s h ，通过u s b 主机口扩展外部存储_ iy 盘和软盘。模块主要用来 存储启动程序、操作系统内核，以及实现花样数据的转存和读取。 3 ) 人机交互模块：主要包括l c d 显示屏和键盘，完成各种刺绣状态和花 样数据的实时显示，并在必要时输入各种控制命令，实现在线的实时人机交互， 从而友好地完成各种刺绣作业。 4 ) 对外通信接口模块：包括j t a g 口、串口、以太网接口。j t a g 口用于 8 浙江大学硕j ：学位论文：电腑绣化机控制系统 向f l a s h 烧写启动程序。系统提供两个串口，串口1 用作调试串口，并可以下 载文件，串口2 留给上层应用程序使用。以太网口用于下载文件，并提供局域 网内的文件上传和下载。 5 1 主轴电机控制模块：对控制器发来的数据进行处理，并完成对主轴电机 的控制。模块由主轴电机、变速装置、光电编码器、上传动轴、下传动轴、旋 梭、针杆传动机构、挑线机构等组成，通过针杆和旋梭的相互配合动作完成刺 绣过程。 6 ) 步进电机控制模块：对控制器发来的数据进行处理，并完成对x ，y 轴 步进电机的控制。模块主要由步进电机、导轨副、绣框等组成。刺绣时，绣框 在x ，y 两个方向移位，其运动轨迹受主控器控制。主控器依照所要刺绣的图 形分别向x ，y 轴步进电机的驱动器发出脉冲控制信号，步进电机按一定的步 距运动，再通过同步齿形带的传动，由导轮带动绣框沿x ，y 方向移动。 7 ) 自动换色模块：通过控制换色电机实现自动换色功能。模块主要包括换 色电机和凸轮箱。当刺绣过程中需要自动或手动换色时，主控器控制换色电机 旋转，带动凸轮箱内的凸轮轴旋转，滚轮沿凸轮槽移动到一定位置，带动换色 杆作水平移动，进而带动针杆箱左右移动到相应位置完成换色动作。 8 ) 自动剪线模块：完成自动剪线的功能，使得机器工作效率更高。模块主 要由剪线电磁铁、钩线电磁铁和扣线电磁铁构成，通过光电元件作为传感器检 测剪刀的位置，通过凸轮机构控制时序，完成勾、扣、剪三个协调动作，最终 完成整个剪线作业。 9 ) 断线检测模块：用来及时发现断线等故障。断线检测电路位于针杆箱内， 可以通过三态开关控制针头。挑线簧与央线座铜柱构成断线传感器，当断线时 断线检测电路能够报警并将断线信号传输给针位译码板，由译码板判断出哪一 个针位出现断线，并向主控器发送一个断线中断信号。 1 0 ) 针位检测、拉杆检测、限位检测：为控制系统提供这几个机械部件的位 置，并可以及时发现机器工作中出现的错误，避免生产事故的发生。 其中，主轴电机控制模块、步进电机控制模块、自动换色模块、自动剪线 模块构成了电机控制系统，它是系统的核心控制部分。 9 控制系统总体设计和软硬件技术概述 2 3 2 软件系统结构 根据电脑绣花机的工作原理和功能需求，采用功能模块的方法对控制系统 软件部分进行模块划分，便于系统的并行设计。采用实时操作系统作为软件系 统结构的基础是一种缩短开发周期、简化开发难度的有效方法。本文采用 w i n c e n e t 嵌入式实时操作系统。控制系统的软件系统结构如图2 2 。 程序 电机控制栏序- i 仔贮舀埋程j 予 原 故障检洪 u 网键主 步 换 电 花花 点 s 络 盘 轴 进色 磁 样 样 断电 b 通显电电电 铁 文读 线 、 机 接 信不机机机 控 件取 检 越 故 接接 控控控管分 测 框 口 制 检 障 口口 制制制 理 析 测 设备管理程序 系统主程序 系统应用程序 设备驱动嵌入式操作系统 系统硬件 图2 2 控制系统软件框架 控制系统的软件分为驱动程序、嵌入式操作系统和应用程序三个层次。驱 动程序将硬件封装起来，对操作系统和应用程序提供常用的接口支持，使得硬 件对于应用程序是透明的。操作系统提供许多有用的函数接口，使得应用程序 开发更方便。应用程序运行在操作系统之上，利用操作系统提供的中断、同步 和定时等机制，实现绣花机的各个功能。应用程序包括设备管理程序和系统主 程序。设备管理程序主要实现u 盘和软盘读写、键盘输入与处理、l c d 显示屏 图形显示、数据通信等功能。系统主程序主要实现主轴电机控制、步进电机控 制、换色电机控制、勾扣剪电磁铁控制、内存管理、故障诊断等功能。 花样数据通过u 盘或软盘输入到处理器的内存中去，绣花机控制器读取花 样数据，通过控制电机来驱动机械部分在驱动针杆和旋梭的相互配合动作下， 完成刺绣过程。 1 0 浙江人学硕士学位论文：i 乜脑绣花机控制系统 2 4 微处理器介绍 2 4 1a r m 处理器体系结构 a r m 体系结构【7 1 目前被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式精简指令集 ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，r i s c ) 微处理器结构，所有的a r m 处理器共 存这一体系结构，因而确保开发者转向更高性能的a r m 处理器时，在软件丌 发上可以得到更大的回报。 a r m 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节 到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存 储的字数据，依次排列。作为3 2 位的微处理器，a r m 体系结构所支持的最大 寻址空间为4 g b 。 1 处理器模式 a r m 处理器【8 】共有7 种运行模式： - 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行状态。 - 快速中断模式( r i c o ：用于高速数据传输或通道处理。 - 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理。 - 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式。 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于 虚拟存储及存储保护。 _ 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 - 未定义指令中止模式( u n d ) ：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于 支持硬件协处理器的软件仿真。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常 处理改变，大多数应用程序在用户模式下运行。 2 寄存器组织 a r m 微处理器共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为 状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问 的，取决于微处理器的工作状态及运行模式。但在任何时候，通用寄存器r 1 4 - - - r 0 、程序计数器、一个或两个状态寄存器( c p s r ，s p s r ) 都是可访问的。 3 异常 1 】 控制系统总体设计和软硬件技术概述 当证常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常9 1 。在处理异常之 前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继 续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。 a r m 体系结构所支持的异常及具体含义如表2 1 所示。 表2 1a r m 异常类型及具体含义 异常类型具体含义 复位当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行 未定义指令 当a r m 处理器或协处理器遇到f i 能处理的指令时，产生未定义指令异常 软件中断该异常由执行s w i 指令产生，町用十用户模式下的程序调用特权探作指令 指令预取中止若处理器顶取指令的地址小存在，或该地址卜允许当前指令访问，存储 会向处理器发 中止信吁 若处理器数据访问指令的地址不存n ：，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异 数据中止 常 外部中断请求 当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为0 时，产生i r q 异常 快速中断请求当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f 位为0 时，产生f i q 异常 2 4 2s 3 c 2 4 10 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器【1 0 ，1 1 】是一款由三星公司为手持设备设计的低功耗、高度 集成的处理器，内含一个a r m 9 2 0 t 内核，a r m 9 2 0 t 实现了内存管理单元 ( m m u ) 、a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓存体系结构，这一结构具有16 k 的指令 缓存和1 6 k 的数据缓存。$ 3 c 2 4 1 0 中集成了以下片上功能： _ 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示器) s d r a m 控制器 3 个通道的u a r t 4 个通道的d m a _ 4 个具有脉宽调件j l j ( p w m ) 功能的计时器和1 个内部时钟 8 通道的1 0 位a d c 触摸屏接口 - 1 2 c 总线接e l 一1 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备主机接口 2 个s p i 接口 _ s d 接口和m m c 卡接口 1 2 浙江人学硕十学位论文：电脑绣花机控制系统 _ 1 1 7 个通用i o1 2 1 和2 4 通道外部中断源 _ 8 通道l o 位a d 控制器 在时钟方面，s 3 c 2 4 1 0 集成了一个具有日历功能的实时时钟( r t c ) 和具有锁 相环( p h a s el o c k i n gl o o p ，p l l ) ( m p l l 和u p l l ) 上的芯片时钟发生器。m p l l 产 生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处 理器轻松运行于w i n c e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 s 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 组( a a n k ) ，每组大小是1 2 8 m b ，共1 g 。 b a n k 0 到b a n k 5 的丌始地址是固定的，用于r o m 和s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r a m 或s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地 址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程。s 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 1 8 个通用片选信号选择这些组。 s 3 c 2 4 1 0 既支持从n o rf l a s h 启动，也支持从n a n df l a s h 启动， $ 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式，可通过o m 1 ：0 1 管脚进行选择。 2 5w i n c e n e t 操作系统概述 w i n c e n e t 1 2 】是一个开放的、可裁减的、3 2 位的实时嵌入式窗口操作系统。 与其他桌面版窗口操作系统相比，它具有可靠性好、实时性高、内核体积小的 特点，是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等非 个人电脑领域而从头设计的战略性操作系统产品。 2 5 1w i n c e n e t 的功能特性 w i n c e n e t 主要功能特点如下： 1 精简的模块化操作系统 w i n c e n e t 是高度模块化的嵌入式操作系统，用户可以为了满足特定的要 求而对操作系统进行定制。w i n c e n e t 的可裁减性使其体积可以非常小，值得 注意的是，体积小并不意味着w i n c e n e t 的功能单一，如果将w i n c e n e t 的 所有功能都加进来，其功能完全可以与w i n d o w s9 x 系列相媲美。 2 多硬件平台支持 嵌入式系统的专用性特点决定了嵌入式系统的硬件设备必定是多种多样 的。为了适应嵌入式系统的要求，w i n c e n e t 支持在多种不同的c p u 硬件平 13 控制系统总体设计和软硬件技术概述 台上运行，包括x 8 6 、a r m 、m i p s 等嵌入式邻域主流的c p u 结构。 3 支持有线和无线的网络连接 w i n c e n e t 不仅支持传统的有线网络连接，还支持各种无限网络标准，如 蓝牙、红外等。 4 稳健的实时性支持 实时性是指能够在限定的时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件 做出反应的能力。w i n c e n e t 是一个实时操作系统。实时支持功能在以下几方 面提升了w i n c e n e t 的性能：支持中断嵌套；允许更高级别的中断首先得到响 应，而不是等待低级别的中断服务线程完成；更好的线程响应能力；对高级别 的中断服务线程的响应时间上限的要求更加严格；更多的优先级别，2 5 6 个优先 级别可使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性；更强的 控制能力，对系统内的线程数量的控制能力可使开发人员更好地掌握调度程序 的工作情况。 5 丰富的多媒体和多语言支持 丰富的多媒体支持是w i n c e n e t 的一大特性，基于d i r e c t xa p i 和w i n d o w s m e d i a 的技术可以提供高性能的视频、音频、流式多媒体和3 d 图形处理服务。 同时，w i n c e n e t 是基于u n i c o d e 的，可支持国际语言。 6 强大的开发工具 w i n c e n e t 为开发人员提供了友好的丌发工具支持，可帮助开发人员简化 开发流程并提高开发效率。对于开发人员，可选择的开发工具有e m b e d d e dv i s u a l c + + 、v i s u a ls t u d i o n e t 和p l a t f o r mb u i l d e r ( p b ) 。此外，w i n c e n e t 还提供了 多种模拟器，开发人员无须拥有真实的硬件，即可进行部分w i n c e n e t 下的丌 发。 2 5 2w i n c e n e t 的体系结构 w i n c e n e t 属于比较典型的微内核操作系统，在内核中仅仅实现了进程、 线程、调度及内存管理等最基本的模块，而把图形系统、文件系统及设备驱动 程序等都作为单独的用户进程来实现。层次化的设计方法在软件体系结构中非 常普遍，层次化的设计有利于重用业务逻辑，并且使系统有良好的扩展性和可 维护性。w i n c e n e t 体系结构1 3 1 可以被分成若干个层次，图2 3 显示了 1 4 浙江大学硕士学位论文：电腑绣花机拧制系统 w i n c e n e t 的层次化体系结构。基于w i n c e n e t 构建的嵌入式系统大致可以 分为4 个层次，从下到上依次是：硬件层、o e m 层、操作系统层和应用程序层。 心州崔f t j i 云 i n t e m e t 客户端服 第= 方应用程序 务 用户界面( 国际化) w i n c e 应h j 程序 应用和服务 操作系统层 c o r e d l l对象存储 多媒体技术g w e s 设备管理器网络 内核 o e m 层 o e m 适配层( o a l ) 驱动程序 一 l ，。+ 。 b 。叭l 。a d e r配置文件 硬件层 图2 3w i n c e n e t 层次化体系结构 1 硬件层 硬件层是整个嵌入式系统的根本，指由c p u 、存储器、i o 端i z l 、扩展板 卡等组成的嵌入式硬件系统，是w i n c e n e t 操作系统必不可少的载体。 2 o e m 层 o e m 层是逻辑上位于硬件和w i n c e n e t 操作系统之间的一层硬件相关代 码，其主要作用是对具体硬件进行抽象，抽象出统一的接口，然后w i n c e n e t 内核可以使用这些接口与硬件进行通信。o e m 层包括o a l 代码、b o o tl o a d e r 、 设备驱动程序、配置文件等。o a l 是整个o e m 层的主体，它包含高度硬件相 关的代码，o a l 主要负责w i n c e n e t 内核与硬件通信；引导程序用于将 w i n c e n e t 操作系统内核加载到目标硬件系统的内存并开始启动操作系统的 执行；配置文件是一些包含配置信息的文本文件；设备驱动程序部分为 w i n c e n e t 提供设备控制，包括显示设备、鼠标、键盘和触摸屏、串口或其他 15 控制系统总体设计和软硬件技术概述 存储卡等。 3 操作系统层 操作系统层实现了w i n c e n e t 作为一个操作系统的主要功能。w i n c e n e t 的进程管理、线程管理、处理机管理、调度、物理内存和虚拟内存管理、文件 系统及设备管理等功能的实现都位于这一层。w i n c e n e t 包含提供操作系统功 能模块：内核模块；c o r ed l l ：对象存储模块；图形窗口和事件子系统( g w e s ) 模块；设备管理系统模块等。 1 ) 内核 系统运行时，w i n c e n e t 内核表现为n k e x e 进程。n k e x e 是所有基于 w i n c e n e t 的系统中都存在的核心进程，它实现了w i n 3 2a p i 核心中进程创建、 线程调度、中断处理和内存管理等核心功能。 2 1c o r ed l l c o r ed l l 模块是最基本的操作系统模块，它为其他模块提供核心功能。在 多数情况下，c o r ed l l 并不完成实际操作，而是作为应用层和操作系统层的一 个桥梁，将应用程序对操作系统的调用传递给操作系统相应的模块，并触发对 相应进程的本地过程调用。 3 ) 对象存储 对象存储是w i n c e n e t 为应用程序及其相关数据提供的存储方式。对象存 储是由w i n c e n e t 文件系统、w i n c e n e t 数据库和系统注册表三种类型的永 久存储构成的。w i n c e n e t 的文件系统又分为r a m 文件系统、r o m 文件系统 和文件分配表( f i l ea l l o c a t i o nt a b l e ，f a t ) 文件系统。所有文件系统的访问都是通 过w i n 3