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硕士论文 绣花机控制系统的研究与改进 摘要 电脑绣花机是随着数控加工技术和电子技术迅速发展而发展起来的刺绣设备，作为 一种典型的数控设备，它被广泛地应用于针织行业。虽然我国电脑绣花机产业发展迅速， 但是国产基于a r m + “n = 的电脑绣花机控制系统仍处于起步阶段。本文在分析了电脑 绣花机工作原理及功能需求的基础上，对基于a r m + l i n u x 的电脑绣花机控制系统进行 了研究及改进，主要工作有： 1 ) 分析了d s b 格式的花样文件，并研究了主轴伺服电机和绣框步进电机的控制规 律。随后结合常规控制算法特点及电脑绣花机的实际运行情况，设计了新的刺绣电机协 调控制算法，并详细地阐述了花样文件中控制信息转化为电机控制信息的过程，从而提 高了电脑绣花机的刺绣性能。 2 ) 划分了电脑绣花机的工作状态，明确了电脑绣花机在各个工作状态下需要完成的 任务，并按照刺绣工作流程，使用q t 开发工具完成了人性化界面的设计，提升了电脑 绣花机控制系统的操作性能。设计中使用了按键事件响应、软件定时应用、花样显示处 理、子菜单隐藏等技术，并实现了人机界面的动态国际化。 3 ) 设计了电脑绣花机的断电数据保护方法，增强了绣花机控制系统对意外断电故障 的处理能力。首先给出了存储介质和文件系统的选择过程，详细地分析了m t d 设备及 y a f f s 文件系统；然后完成了y a f f s 文件系统的移植；最后给出了断电数据保护的具 体实现方法。 关键词：电脑绣花机，嵌入式l i n u x ，协调控制，人机界面，断电保护 硕士论文 a b s t r a c t t h ec o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei sad e v i c ew i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc n c t e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a sat y p i c a ln u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t , i th a sb e e n w i d e l ya p p l i e dt o t h ek n i t t i n g i n d u s t r y a l t h o u g hc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n eh a s d e v e l o p e dr a p i d l y , t h ed o m e s t i ca r m + l i n u x - b a s e dc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l s y s t e mi s s t i l li ni t si n f a n c y i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o m p u t e r e m b r o i d e r ym a c h i n ew o r k i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t , t h er e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n ta b o u ta r m + l i n u x b a s e dc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e mw i l lb e d o n ei nt h i sp a p e r , a n dt h ew o r ko ft h i sp a p e rs h o w sa sf o l l o w s ： 1 ) t h ed s bf o r m a tp a t t e r nf i l e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fs p i n d l es e r v o m o t o ra n ds t e p p i n gm o t o ri sr e s e a r c h e d t h e nc o m b i n ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o n v e n t i o n a lc o n t r o la l g o r i t h m sa n dc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n e sa c t u a lo p e r a t i o n ，an e w c o n t r o la l g o r i t h mo fe m b r o i d e r ym o t o rc o o r d i n a t i o ni sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h ep r o c e s st h a t t h ec o n t r o li n f o r m a t i o no fp a t t e mf i l et r a n s l a t e dt oi n f o r m a t i o no fm o t o rc o n t r o li sd e s c r i b e d ， a n dt h ee m b r o i d e r yp e r f o r m a n c eo f c o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei si n c r e a s e d 2 ) t h ew o r k i n gs t a t e so fc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ea r ed i v i d e d ，a n dw o r kw h i c h w i l lb ed o n ei ne v e r yw o r k i n gs t a t ei sc l a r i f i e d t h e na c c o r d i n gt h ee m b r o i d e r yw o r k f l o w , q t d e v e l o p m e n tt o o li sa d o p t e dt od e s i g nt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h es e r v i c e a b i l i t yi s i m p r o v e d t h et e c h n o l o g yo fk e y - p r e s se v e n t ，s o f t w a r et i m i n g ，p a t t e r nd i s p l a y , s u b m e n u h i d d e ni su s e d ，a n dt h ed y n a m i cm a i l m a c h i n ei n t e r f a c ei n t e r n a t i o n a l i z a t i o ni sr e a l i z e d 3 ) p o w e r - o f fp r o t e c t i o nf o rc o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei sd e s i g n e d ，t h ea b i l i t yo f d e a l i n gw i t hp o w e ro f fi l l e g a l l yi se n h a n c e d f i r s tt h er e a s o no fc h o o s i n gs t o r a g em e d i aa n d f i l es y s t e mi sg i v e n m t dd e v i c ea n dr e a l i z a t i o no fy a f f sm e c h a n i s ma r ea n a l y z e d ，t h e nt h e t r a n s p l a n t a t i o no fy a f f sf i l es y s t e mi sc o m p l e t e d ，f i n a l l yt h ea p p r o a c ho fd a t ap r o t e c t i o n w h e np o w e ro f fi l l e g a l l yi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n e ，e m b e d d e dl i n u x ，c o o r d i n a t e dc o n t r o l ， m a i l m a c h i n ei n t e r f a c e ，p o w e r - o f fp r o t e c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：强黼 冲移月妇 硕士论文绣花机控制系统的研究与改进 1 绪论 1 1 本文的研究背景及意义 随着社会的不断发展，消费者对消费品的要求也不断提高，传统的制造设备和制作 工艺已经难以满足人们的需求。因此数控技术便在这种情况下得到了迅速发展【l 】。电脑 绣花机作为典型的数控设备，它的出现使得多年来一直由机械技术占主导地位的缝纫刺 绣领域开始进入了电脑控制的机电一体化时代。 1 1 1 电脑绣花机的发展回顾 第一台绣花机起源于1 8 2 8 年，在j o s h u ah e i l m a n 制造出这台手摇绣花机之前，刺 绣直都是手工制品。这是在绣花机发展道路上人们跨出的第一步，更是重要的一步。 而在3 6 年后，瑞士的g r o e b l i 结合了绣花技术与缝纫技术，开发出第一台试验样机，这 台试验样机便是今后被广为使用的“飞梭绣花机 的原型。这台试验样机的成功开发使 得第一台飞梭绣花机于短短2 年后便出现在人们视野中。作为绣花机发展道路上的先驱 者g r o e b l i 没有停止创新的脚步，他尝试将提花技术融入于新型绣花机中，这种突破性 的设想为飞梭绣花机性能的提升起到了不可忽视地作用，而这也是绣花机发展史上的又 一个里程碑。 二十世纪四十年代前，国际绣花机行业中很难看到亚洲公司的影子，但在1 9 4 4 年 这种格局便被打破，作为日本田岛( t a j i m a ) 的母公司，东海缝纫株式会社的的成立意 味着亚洲公司开始在世界绣花行业中崭露头角。1 9 6 2 年日本的百灵达( b a r u d a n ) 公 司，便将日本国产的第一台刺绣机投入市场，并在随后的发展过程中推出了世界上首台 电脑控制的高速刺绣机与全自动换色手工仿真刺绣机。臼本的田岛公司与百灵达公司至 今仍稳站世界刺绣机市场的领先地位。 而我国在绣花机发展道路上起步则相对较晚，在1 9 8 8 以前，国内使用的电脑绣花 机全部从国外进口。直到研制出第一台国产电脑绣花机，才打破了国产电脑绣花机为零 的尴尬局面【3 1 。此后，中国在绣花机发展的道路上便势不可挡，绣花机产量每年以惊人 的速度递增，如今国产电脑绣花机年产量已经超过了1 0 万台h i 。国产电脑绣花机的发展 道路中出现了深圳富怡、北方天鸟、诸暨飞鹰、武汉佳美等骨干生产企业【5 】，这些企业 的产品已远销国外市场，也使中国成为了世界绣花机的生产基地。 国产电脑绣花机的发展速度如此迅猛是令人欣慰的，但是也需要清楚的认识到国产 电脑绣花机与国际顶尖电脑绣花机之间仍然存在着较大的差距。在刺绣性能、操作性能、 运行噪声、故障处理性能等方面，国产电脑绣花机还具有很大的提升空剐6 1 ，因此在新 平台上研制出世界顶尖水准的电脑绣花机，加固我国在国际绣花机行业的地位，势在必 1 绪论硕士论文 行。 1 1 2 电脑绣花机控制系统的发展趋势 科学技术发展使得当前的电脑绣花机控制系统呈现出了新的发展趋势，主要体现在 以下几个方面【7 。1 2 】： 1 ) 高速高效化 刺绣速度、精度、效率及绣品的美观程度是刺绣行业的关键性能指标。随着现代微 电子技术的发展，高速c p u 芯片的应用以及带有高性能检测元件的交流数字伺服系统 无一不为电脑绣花机刺绣的速度、精度、效率的提高带来了极大的帮助。此外，一些高 性能的电脑绣花机控制系统还可以实现更多的刺绣功能，如金片绣、贴布绣、特种绣等， 进一步提高了电脑绣花机的刺绣性能。 2 ) 智能化 如今人工智能发展也相当迅速，同时为适应制造业生产的自动化发展需要，使得绣 花机控制系统的智能化程度不断提高，可以看出智能化必定成为今后绣花机控制系统发 展的一个新方向。 智能化交流伺服驱动技术 现在智能化伺服系统成为眼下的一个研究热点，它可以自动的识别负载并根据具体 情况调整参数。在这种技术的支持下，电脑绣花机中的伺服系统便能获得最佳的运行状 态。 专家系统技术 专家系统是将专业人员的经验以及系统运行各种规律进行存储，并以专业数据库为 支撑的一种智能系统。在用户设置参数时可以借助专业人员提供的知识和经验，进行推 理和判断，系统还会给出推荐参数，降低了对操作工人的要求，并使系统始终处于最优 的工作状态，从而提高电脑绣花机刺绣效率。 故障自诊断技术 当今控制系统的设计中开始引入故障自诊断技术，这种技术可以使设备实现智能诊 断，增加了控制系统的安全性。 3 ) 开放化 通用个人计算机所具有的高可靠性、便于开发、价格低廉等特点吸引了国内外主要 绣花机控制系统生产厂家的目光，目前基于p c 的绣花机控制系统已经成为主流。 p c 机作可以提供强大的联网通信性能，为绣花机实现以太网信息共享、网络远程 控制提供了硬件基础，并且通过与键盘的配合可以丰富人机交互界面的功能，便于用户 操作。此外，软硬件的开放式结构不仅使系统配置灵活，而且还使系统易于扩充功能和 升级，为用户的二次开发给予了有力的支持。 2 硕士论文绣花机控制系统的研究与改进 1 1 3 本文的研究意义 随着人们生活品味的不断提高，人们对衣着的要求已不仅限于保暖舒适，时尚化、 个性化成为当今服装产业的发展趋势。绣花行业来作为服装产业之一，近几年来也得到 了迅猛的发展。在过去，传统的刺绣质量参差不齐、对技术工人的要求高、生产效率难 以提高，而电脑绣花机的出现使得这个问题得到了很好地解决。 电脑绣花机作为使用最为广泛的刺绣设备。它是随着数控技术、嵌入式技术、机械 制造技术的发展和应用而逐渐成熟起来的一种多功能、高效率、高精度的刺绣设备。从 1 9 7 7 年日本b a r u d a n 公司开发世界首台带电脑控制装置的电脑刺绣机成功至今，它可 以实现早期刺绣无法达到的“多功能、多层次、同一性和完美性”的要求【1 3 1 ，从而提升 了刺绣产品的附加值。 虽然我国的电脑绣花机产业发展迅速，产量早已超过世界总产量的7 5 ，但是主要 是中低端产品，高尖端产品的缺乏使得我国在绣花机行业利润空间有限 1 4 - 1 5 】。并且，我 国生产的电脑绣花机在刺绣效率、工艺水平、操作性能上与外国同类产品相比仍有相当 的差距。因此，以提高电脑绣花机的刺绣性能和操作性能为目的，改进电脑绣花机控制 系统的电机运动算法、设计控制界面显得尤为重要，并在控制系统中加入断电保护功能， 对提高国产电脑绣花机在市场的竞争能力具有重要意义。 1 2 国内外电脑绣花机的发展现状 电子技术的极速发展和推广应用，使得电脑绣花机已经成为了当今绣花的主导设 备，并且相关技术也越发成熟，产品质量也不断提高。我国电脑绣花机已经走过了几十 年的发展历程，最初绣花机生产厂家只有零星的几家，而现在不仅仅数量上有了百倍的 提升，更是出现了许多优秀的企业，绣花机的刺绣功能也从早前的单一平绣发展到现在 的各种特种绣应有尽有。 现在国外绣花机生产企业仍然占领着这个行业中的高端地位，例如：日本百灵达公 司、日本田岛公司、德国百福( p f a f f ) 公司就是国外绣花机生产企业中的佼佼者( i 纠。日 本田岛集团成立至今，由于不断钻研及努力开发新技术，再配合出色的销售策略及优良 的售后服务，令田岛刺绣机稳稳占据着世界绣花机市场的领导地位，田岛公司推出的 t f g h 型平绣系列绣花机最高速度已经达到11 0 0 r p m 。作为世界上首次开发推出电脑控 制装置的高速刺绣机的百灵达公司，它的b e d s 系列、b e d y h y n c 1 2 系列、 b e d t - z n 1 0 1 系列不论是高速性、可靠性还是功能的多样性都已经达到了极高的水准 【1 7 1 。这两家公司在1 9 9 8 年以前占据了全球四分之三以上的市场份额，但随着中国厂家 和韩国日星的迅速崛起，全球生产电脑绣花机的局势被重新洗牌。2 0 0 4 年全球电脑绣花 机的中低端市场几乎全部被中国产品占领，我国生产的电脑刺绣机已占全球电脑绣花机 1 绪论硕士论文 供应量三分之二左右。而韩国日星把德国、日本在高端市场上产品的份额抢走了三分之 一【1 8 】。如今国产电脑绣花机也取得了很大的进步，功能上不断的完善、刺绣性能的不 断提高也使国产电脑绣花机具备了加入高尖端电脑绣花机行列的实力，我国将在全球的 绣花机行业中寻求更多的发展机遇。 毫无疑问，作为电脑绣花机的核心部分，电脑绣花机控制系统的技术含量将直接影 响电脑绣花机的整体性能。虽然我国绣花机制造厂家已有数百家之多，但是其中能自主 开发控制系统的厂家并不多，而专业制造控制系统厂家更是屈指可数，不得不提到的要 属北京兴大豪公司。现在该公司开发的全部拥有自主知识产权的“大豪”牌电脑控制系 统在刺绣机、缝纫特种机领域的在国内市场有着极高的占有率【1 9 】。可是国内多数以单片 机、工控机为主控制器的方案远远不能满足市场的需求。刺绣效率低、操作复杂、系统 不稳定这些缺点极大的制约了我国电脑绣花机的发展【2 0 1 。相比之下国外的电脑绣花机控 制系统中运用了嵌入式技术，高性能c p u 的使用也使得无人监控、远程数据传输、高 实时性等技术的实现成为可能。因此国产电脑绣花机要提高整体工作性能，实现多任务 实时控制必须采用更加先进的控制平台。 1 3 本文的章节安排 本文主要对基于a r m + l i n u x 的电脑绣花机控制系统中电机控制算法优化、用户界 面设计、断电数据保存方案等方面进行了具体研究。目的在于提高绣花机的工作效率及 绣品质量，减少对操作工人的要求，缩小了国内外电脑绣花机控制系统的差距。 本文一共分六章，各章包含如下内容： 第一章，综述了绣花机控制系统的发展历程及发展趋势，引申出电脑绣花机在国内 外的发展现状。最后给出了本文的章节安排。 第二章，首先简要分析了电脑绣花机的工作原理、功能需求及绣花机控制系统的整 体结构；然后详细分析了绣花机的软件开发环境，介绍了本次设计中用到的嵌入式l i n u x 系统及图形开发工具q t ；最后给出了建立交叉编译环境的详细步骤。 第三章，主要研究了电脑绣花机控制系统中电机协调控制的算法。首先介绍了电脑 绣花机中需要使用的d s b 花样文件，分析花样文件中包含的对电机的控制信息，其次 简要介绍了刺绣电机的基本控制原理；然后对常见协调控制算法优缺点进行分析之后， 结合实际情况设计了一个改进协调控制算法；最后给出了控制信息转化的实现方法。 第四章，主要完成了电脑绣花机的用户界面设计，作为和用户接触的上层程序，必 须体现美观、易操作、功能全面等特点。在分析了电脑绣花机的刺绣状态及主要参数的 基础上，遵循用户界面的设计原则，使用图形开发工具q t 设计了友好的用户界面程序， 并实现了用户界面的国际化。 第五章，主要设计了电脑绣花机意外断电时数据保护的方法。首先介绍了f l a s h 4 硕士论文 绣花机控制系统的研究与改进 及嵌入式文件系统，详细阐述了选择s d 存储卡及y a f f s 文件系统的理由；然后对m t d 设备及y a f f s 文件系统进行了详细分析，完成了y a f f s 文件系统的移植；最后给出断 电数据保护的具体处理过程。 第六章，总结了本论文的研究工作，并在自己工作的基础上对今后进一步研究提出 了建议与展望。 5 硕士论文 绣花机控制系统的研究与改进 2 电脑绣花机控制系统分析 电脑绣花机控制系统控制着机械部分的运动，使其完成刺绣任务，因此绣花机的诸 多功能在很大程度上都是由控制系统部分决定。本章首先分析了绣花机的工作原理及控 制系统的功能需求，随后给出了绣花机控制系统的整体结构，并对软硬件结构中各个模 块的功能做了简要的分析，在本章的最后对本次设计的软件开发环境进行了介绍。 2 1 电脑绣花机的工作原理及功能需求 2 1 1 电脑绣花机的基本工作原理 电脑绣花机发展至今经过了几十年的发展历程，随着结构及功能不断的完善，市面 上出现的电脑绣花机种类也不断增加，很好地满足了不同的需求。尽管如此，电脑绣花 机的基本工作原理却没有发生质的改变。 电脑绣花机作为一个刺绣设备，在刺绣前需要从磁盘中读取刺绣的花样文件，主控 设备通过一定的规律将抽象的花样文件显示成具体的花样图形，这样便于用户从操作界 面中选择自己需要刺绣的花样。然后需要需要对相关的刺绣参数，如：缩放比例、换色 顺序等进行设置。在确认了刺绣参数后，用户便可以发送刺绣命令通知绣花机开始刺绣。 电脑绣花机主要通过控制三台电机协调运动来进行刺绣。主轴伺服电机负责带动主 轴旋转，从而使针杆上下做垂直方向的运动。x 轴、y 轴方向的步进电机则负责带动绣 框做水平方向上的运动，绣框只有在绣针离开布面的时候才允许运动，而当绣框在绣针 扎入布面的时候是绝对不允许运动的，强行运动会使绣针划破绣布或引起断针现象【3 引。 表面上伺服电机与步进电机控制的是不同的机构，但是它们的运动却是相互联系的，只 有通过协调的配合才能绣出各种美观的产品。此外，绣花机还需要其他的电机来完成辅 助功能，比如当刺绣过程中需要更换绣线颜色时，这时就需要通过换色电机来带动针杆 箱运动，从而换上其他颜色的绣线，完成换色动作。当需要执行剪线动作时，便需要剪 线电机来完成剪线功能【2 。电脑绣花机工作原理图如2 1 所示。 7 2 电脑绣花机控制系统分析硕士论文 图2 1 电脑绣花机工作原理图 2 1 2 电脑绣花机控制系统的功能需求 电脑绣花机控制系统需要具备如下功能： 1 ) 人机界面交互。用户能通过操作界面设置刺绣参数，并能从控制界面得到相关的 实时信息反馈，如：花样针数、换色次数、模拟刺绣显示等信息。 2 ) 刺绣电机的协调控制。主要对主轴伺服电机与绣框步进电机进行协调控制，其中 的控制信息需从花样文件中读取，因此主控设备还必须有“翻译 花样文件的能力。 3 ) 辅助电机的控制。准确地控制换色电机和剪线电机的工作，以确保电脑绣花机能 高效率地刺绣。 4 ) 花样文件管理功能。用户能自行编辑花样文件，对花样进行拆分、组合等操作， 并把编辑后的花样文件进行保存。 5 ) 数据的交换功能。通过存储卡、u 盘、网络等方式来传输花样数据。 6 ) 参数管理功能。主要指辅助参数与机器参数的管理。 7 ) 断电保护功能。电脑绣花机在意外断电时，需要保存相关的刺绣信息，这样在再 次上电时能恢复断电前的工作状态。 8 ) 检测与报警功能。机器能够自检，能给出相关的错误信息并报警。 2 2 电脑绣花机控制系统整体结构 2 2 1 控制系统的硬件结构 软件的开发是建立在硬件支持的基础上的，因此系统硬件是电脑绣花机控制系统的 根本保证，电脑绣花机控制系统的硬件具体组成结构如图2 2 所示。 硕士论文绣花机控制系统的研究与改进 图2 2 控制系统硬件结构图 主控板作为整个控制系统的核心，起到了很好的信息交互作用，使得各个模块能很 好地配合工作。在本次的设计中选择了由北京飞旭科技有限公司研制的f s p a m 2 4 1 0 e 开发板作为核心板，它与主控板的另一部分即扩展板是通过p c i 0 4 插槽相连接的。 f s p a m 2 4 1 0 e 开发板采用了$ 3 c 2 4 1 0 aa r m 处理器，其最高主频达2 6 6 m h z 。性 能好、成本低、功耗小、使用方便是这款开发板的优剧2 2 1 ，此外它还具有u s b 接1 3 、 1 0 1 0 0 m 以太网接口、支持s d 卡读写【2 3 】也为功能扩展提供了良好支持。 2 2 2 控制系统的软件结构 按照对电脑绣花机控制系统的功能需求分析，结合控制系统的硬件结构，本文把软 件结构分成若干模块。这种模块式的结构使编程设计更加简单，除此之外，在调试或添 加更多功能时也更加方便，不需要对整体结构重新编排。但是模块化的设计并不意味着 它们在运行的时候毫无交互，事实上必须让各个模块协调工作才能让电脑绣花机稳定良 好的运行。 9 2 电脑绣花机控制系统分析硕士论文 刺 绣 模 拟 控制系统软件 k 机 交 互 花 样 管 理 运 动 管 理 参 数 管 理 通 信 管 理 故 障 诊 断 报 警 蓁茎il 蓁茎jj蓁fj蓍ff蓁蠢jj霎jj雾jj霎jj|jj 蓁川蓁 错 误 报 警 图2 3 控制系统软件结构图 由图2 3 可知，整个控制系统软件可以分为以下6 个模块，各模块的具体功能如下： 1 ) 人机交互模块 人性化界面，能实时显示刺绣状态及刺绣中的花样信息，并对整个刺绣过程进行 模拟，用户从显示屏上就能得知绣花机的运行状况。 响应用户的键盘按键操作，对违反绣花机操作规则的操作进行屏蔽。 2 ) 花样管理模块 翻译花样文件并显示，实现花样的翻转、缩放、分割、拼接等编辑功能，并且能 对编辑后的花样保存。 实现对存储设备中的花样进行移动、删除、重命名操作，能与外部存储设备进行 数据交换。 3 ) 运动控制模块 控制主轴运动，主轴运动带动针杆运动，能对主轴速度、位置进行控制。 x 、y 轴步进电机是带动绣框运动的，能够控制x 、y 轴步进电机的运动速度。 对主轴电机与绣框电机的进行协调控制，使它们的动作与速度相互配合。 换色电机、剪线电机等辅助电机的单独控制，使这些电机动作到位也是保证绣品 质量的重要前提。 4 ) 参数管理模块 1 0 硕士论文绣花机控制系统的研究与改进 辅助参数指刺绣的运行参数，如：反复次数、花样原点处理、刺绣走线规则等。 机器参数设置，如：起针加速度、主轴最高转速、停车方式、变频传动比等。 5 ) 通信管理模块 通过网络实现多机器控制。 以太网通信可以用于实现数据的远程传输。 6 ) 故障诊断报警模块 实现主控板、编码器、机械部件等的自检，进行故障统计，并对发现的故障报警、 给出故障报告等。 断电保护功能。在绣花机遇到突然掉电的情况下，迅速保存当前运行参数，以便 再次上电后继续工作，而不需要重新输入刺绣参数，提高绣花机的工作效率。 本文的主要工作是设计程序结构的整体、解读花样文件信息、设计运动控制模块中 电机协调控制的算法、编写花样显示模块与参数管理模块界面程序、实现人机交互、设 计可行的断电保护方案等。结合控制规律与具体花样文件信息，设计一个新的电机控制 算法将在第三章详细介绍。第四章主要对用户的操作界面进行设计，其中包括主控制界 面、参数管理界面，实现人机交互。在第五章中根据电脑绣花机的实际情况提出了一个 断电数据保护的方案，给出了存储介质和文件系统的选择过程，最后给出了电脑绣花机 控制系统对于掉电保护的具体实现方法。 2 3 软件开发环境 典型的嵌入式系统软件一般由上层程序与内核系统构成，上层程序需要借助相应的 驱动程序才能对底层的硬件进行访问，内核系统作为嵌入式系统软件中的一个重要部 分，它需要负责管理系统资源，此外上层程序需要进行系统调用时的接口也将由内核系 统来提供。在嵌入式l i n u x 系统中，内核空间又被分为引导程序、l i n u x 内核、文件系 统三个层次。 1 ) 引导程序 在执行用户程序或对内核进行操作之前，必须执行一段程序代码，这一段程序代码 主要功能便是为执行用户程序或操作内核准备好合适的环境。这段代码就是所谓的引导 程序，驱动程序的具体工作包括建立高级语言程序的支持与内存空间的映射图、还需要 对硬件系统进行初始化。嵌入式系统技术取得了极大的发展，这也使得驱动程序不仅仅 能够完成上述基本功能，如今，为了简化开发与调试工作，在传统的驱动程序中加入了 对硬件模块功能的支持。从某种角度上来说，驱动程序经过一系列功能上扩展后已经无 异于一个微小的系统级的代码包【2 4 1 。 2 ) l i n u x 内核 内核虽然并不等价于操作系统，但是内核却是操作系统中最关键的部分。内核将会 1 1 2 电脑绣花机控制系统分析硕士论文 提供一个计算平台，这个平台被看作是对计算机硬件的一种扩展。它可以使得设计人员 不用过多的考虑硬件的细节，而则是通过程序对这些被跳过的细节以某种统一的方式进 行数据处理。l i n u x 对多任务的支持可以使得计算机运行进程时，好像专门为这一个进 程服务一样，把所有运行需要的资源都分配给这一进程。而事实并非如此，进程在内核 中运行时是各占用一定的时间片段，这种运行方式使得运行资源的分配更加合理【2 5 1 。 3 ) 文件系统 文件系统是操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构。它主要功能是组织和 分配文件存储器空间、存储文件、检索已存储的文件等。嵌入式中常提到的根文件系统 就是在内核启动到最后必须挂载的系统，如果不挂载根文件系统便不能启动初始化程 序，而这样的结果也必定导致内核启动的整个过程不能顺利完成。文件系统的类型有很 多，它们的性能与使用场合各有不同。因此需要根据实际开发设计的要求，选择合适的 文件系统。 图2 4 嵌入式软件整体结构 2 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式技术的作为现在的热门技术，已经被广泛的应用与电子类产品当中，该技术 的运用有效的提升了产品的质量与可靠性，使得产品的体积更小更加便于携带。嵌入式 系统是以计算机技术、微电子技术、通讯技术和控制技术为基础，专门用于执行特定功 能的计算机系统。它相对与一般系统来说，更加强调软硬件的整合性与协同性，同时软 硬件可剪裁的特性也使得嵌入式系统能满足对成本、功能、功耗和体积等要求。目前嵌 1 2 1一，ij 一 一 一 一 一用户空间一 内核空问 一硬件空问一 广一i，厂，l 硕士论文绣花机控制系统的研究与改进 入式系统发展速度惊人，其中嵌入式操作系统的出现使得嵌入式产品的性能有了极大的 提高。如今，各种嵌入式系统的出现给开发人员有了更多的选择，这也是嵌入式产品出 现多样化的一个原因。 在本文中采用的嵌入式l i n u x 操作系统作为系统丌发平台，l i n u x 系统与其他操作系 统相比主要有以下几个特点【2 陇卅： 1 ) l i n u x 是自由软件。作为自由软件它有以下两个特点：一、它开放源码并免费对 外提供，因为可以得至t j l i n u x 的源码，所以操作系统的内部逻辑是可见的。二、使用者 可以按照自己的需要进行自由修改、并把自己修改后的源码发布到互联网上，因此每一 位用户都能扮演l i n u x 开发者的角色。此# i l i n u x 操作系统可以从互联网上很方便地免费 下载得到，这样还可以节省购买付费操作系统的费用，降低了开发成本。 2 ) 良好的可移植性。l i n u x 可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台 使它仍然能按其自身的方式运行的能力。正是l i n u x 所具备的良好可移植性使得运行 l i n u x 的机器不需要另外增加复杂的通信接口，便可以实现与其他机器进行准确而有效 的通信。l i n u x 能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行，这 也是l i n u x 为什么现在如此流行的一个原因。 3 ) 安全高效稳定。l i n u x 采取了许多安全技术措施，其中有对读、写进行权限控制、 审计跟踪、核心授权等技术，这些都为系统运行的安全性提供了保障。同时l i n u x 继承 了u n i x 核心的设计思想，加上它对多处理器的支持，使得l i n u x 系统具有安全性好、执 行效率高、稳定性好等特点。l i n u x 系统的连续运行时间通常以年作单位。电脑绣花机 控制系统对稳定性的要求比较高，系统的不稳定会造成机械部分的损伤，甚至可能伤及 操作人员，l i n u x 的高稳定性就很好地解决了这个问题。 4 ) 丰富的网络功能。l i n u x 天生对网络就具有良好的支持，在l i n u x 中，用户可以轻 松实现文件传输、网页浏览、远程登陆等网络工作。而其他操作系统则不具备这种与生 俱来的能力，比如它们没有内置这些网络特性的灵活性，更没有像“n u x 那种与内核结 合在一起的连接网络的能力。因此选择l i n u x 系统能为电脑绣花机网络功能的开发与扩 展带来极大的便利。 5 ) 模块化方式。l i n u x 系统对设备驱动或文件系统等采用了模块化方式，用户在需 要某些模块时可以进行动态加载，使用完毕后可以动态卸载，很好地体现了设备的独立 性。同时用户也可以对内核进行定制，选取自己需要的功能，将不需要的部分移出内核。 这些技术都保证了内核的紧凑性和扩展性。 6 ) 强大的开发功能。l i n u x 对许多主流芯片具有良好的支持，如a r m 、x 8 6 、m i p s 等，此外几乎所有的主流程序设计语言如c 、c + + 、p a s c a l 、a d a 、f o r t r a n 7 7 、m o d u a l 2 和3 、s m a l l t a l k x 、t c l t k s c h e m e 等都已移植至u l i n u x 上并可免费得到。同时在l i n u x 系统 环境下的软件开发工具也越来越丰富，这些都为设计者提供了极大的便利。 2 电脑绣花机控制系统分析 硕士论文 2 3 2q t 开发工具 在本次的设计中，涉及到用户界面程序的开发，选用合适的开发工具能有效提高设 计出界面的质量，l i n u x 下的q t 工具就是一个很好的开发软件。 q t 是挪威t r o l l t e e h 公司的一个标志性产品，从1 9 9 5 年第一个商业版的推出至今， 它的功能不断地完善和提高，其良好的源代码可用性、高效的c + + 性能、高质量的技术 支持也让它越来越受到程序员的欢迎。 目前q t 系列的软件包括q t 、快速开发工具q td e s i g n e r 、基于f r a m e b u f f e r 的 q t e m b e d d e d 、国际化工具q tl i n g u i s t 等部分【3 0 1 。 q t 与其他图像开发工具相比，具有以下特点 3 1 】： 1 ) 优秀的跨平台特性。q t 支持u n i x 、l i n u x 、w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 x p n t 、m a co s 、 q n x 、f r e e b s d 、s u n o s 、h p u x 、a i x 、s c o 和s o l a r i s 等众多操作系统，并对不同操 作系统的专用a p i 进行了封装处理。 2 ) 丰富的a p i 资源。q t 提供了多达4 0 0 个的c + + 类，此外还提供了基于模板的f i l e 、 c o l l e c t i o n s 、s e r i a l i z a t i o n 、i o 等类，程序员可以借助如此丰富的a p i 资源简化设计。 3 ) 良好的面向对象特性。q t 提供了良好的面向对象特性，使用q t 开发应用程序十 分方便简单，这些都要归功于q t 的高重用性与高模块化程度。其中信号与槽作为q t 的 核心机制在q t 编程中有着广泛的应用，这种机制的存在也使得各个模块之间的协同工 作更加简单。 4 ) 强大的布局能力。界面的布局将直接影响一个界面的操作性，所以作为一个g u i 类库，布局能力是非常重要的。q td e s i g n e r 作为开发设计工具，其提供的可视化用户接 口为开发人员提供了便利。在任何时候设计者可以通过拖拉控件，更改控件属性来简化 编程，同时使得程序修改起来也更加方便。 o t 的诸多特点及其良好的性能可以很好的满足电脑绣花机控制系统中用户界面的 开发需要，故本次的设计选用q t 作为界面开发工具。 2 3 3 交叉开发环境建立 宿主机目标机的经典开发模式为基于嵌入l i n u x 操作系统的设计带来了便利。宿主 机就是常用的p c 机，它具有硬件功能强大、开发工具众多等优势。目标机则是指模拟 程序实际运行环境的嵌入式设备，开发出的程序便是在目标机上运行的，在本文中指的 是f s - p a m 2 4 1 0 e 开发板。因为一般的嵌入式设备所用的c p u 和p c 机上的c p u 有着不 同的架构，这样就需要在p c 机上编译出适用于嵌入式设备c p u 架构的软件。所以开发 嵌入式l i n u x 软件时，一般都要经过交叉编译这一步。 网络环境设置正确是成功建立交叉开发环境的前提，在l i n u x 终端中执行s e t u p 。在 f i r ew a l lc o n f i g u r a t i o n 中设置无防火墙；n e tw o r kc o n f i g u r a t i o n 中设置宿主机的m 地址、 1 4 硕士论文 绣花机控制系统的研究与改进 网关、子网掩码、d n s ；在s y s t e ms e r v i c e s 中开启n e t f s 、n e t w o r k 、n f s 、s s h d 、t e l n e t 、 t f t p 、v s f t p d 等服务；在n f s 服务器选项设置共享文件，在建立好根文件系统后就开始 建立交叉编译环境。 # e d | # t a rx v j f a r m l i n u x - g c c 一3 4 1 t a r b z 2 解压工具链 为了让系统识别交叉编译命令，必须确认u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n 在环境变量p a t h 中。 # g e d i t e t c p r o f i l e 在p a t h m u n g e u s r l o c a l s b i n 下添加一行： p a t h = b i n ：u s t l o c a l a r m 3 4 1 b 访：$ p a h 保存文件。 安装好了交叉编译工具链后还需要安装嵌入式q t 库。本文使用的嵌入式q t 库为 q t - e m b e d d e d 一3 3 8 t a r g z 。 # t a rz x v f q t e m b e d d e d 一3 3 8 t a r g z - c u s r l o c a u a r m 解压到指定目录： # c a u s r 1 0 c a l a r m # m vq t - e m b e d d e d 一3 3 8q t e 3 3 8 更改文件夹名称。 要使用嵌入式q t 库还需要设置环境变量，此时就需要编写一个脚本文件q t e s h 来 完成这一步工作，具体内容如下： 撑! b i i l s h t o p d i r = u s r 1 0 c a l a r m e x p o r tq t e d i r = $ t o p d i r q t e 3 3 8 e x p o r tq t d i r = $ t o p d i r q t e 3 3 8 e x p o r tl d l i b r a r y _ p a t h = $ t o p d i r q t e 3 3 8 l i b ：$ l d l i b r a r y p a t h 在编译q t 应用程序之前需要通过使用脚本文件来设置环境变量， # s o u r c e q t e s h 设置好环境变量后便可以使用q m a k e 工具生成m a k e f i l e 。 # q m a k e 最后使用m a k e f i l e 完成编译。 # m a k e 编译生成的可执行文件就能在目标机运行了，运行时要加上运行参数q w s 。 2 4 本章小结 本章分析了电脑绣花机的工作原理及功能需求，给出了电脑绣花机系统的总体架 构，对其中各个模块的功能进行了简要描述。然后介绍了本次设计使用的嵌入式l i n u x 1 5 2 电脑绣花机控制系统分析 硕士论文 平台，阐述了选择嵌入式l i n u x 的理由，并介绍了l i n u x 下的图形开发工具q t 。最后确 定了本次开发使用的开发模式，并给出了建立交叉环境的详细步骤。 1 6 硕士论文 绣花机控制系统的研究与改进 3 刺绣电机的协调运动控制 电脑绣花机的刺绣过程实际上就是控制电机相互配合的运动过程，在这个过程中电 机的动作将影响到整