（信号与信息处理专业论文）基于arm的电脑圆机控制系统.pdf

捅要 电脑圆机是一种涉及到计算机、机械、电子、控制等诸多领域，且比较复 杂的多功能机电一体化产品。近几年，伴随着我国针织行业的快速发展，传统 的针织机械已经无法满足要求，电脑自动圆机的需求急剧增加。同时，随着微 处理器技术的发展，嵌入式技术以其高集成度、高稳定性以及高性价比在工控 领域得到广泛的应用。 本文首先介绍了嵌入式系统的特点及其发展趋势，然后在对圆机的功能和 需求进行分析的基础上，设计了一种全自动的电脑圆机控制系统。系统分为主 控与执行单元两级，两级之间通过c a n 总线进行通信。 主控是电脑圆机控制系统的硬件核心，采用s a m s u n g 公司具有a r m 9 内核 的$ 3 c 2 4 1 0 作为主控系统c p u ，基于c p l d 的协处理器完成辅助信号管理。外 围扩展了u a r t 、e t h a n e t 、u s b 以及l c d 接口等。执行单元采用8 0 5 1 单片机 构建分布式执行单元。 系统采用分级控制的模式，更符合圆机的实际结构，使系统结构清晰可靠。 与传统的基于m c u 或者工控机的圆机控制系统相比，本电脑圆机控制系统设 计合理，系统集成度高，具有较大的实用价值和广阔的应用前景。 关键词：电脑圆机；嵌入式系统；a r m 9 ；l i n u x 操作系统 a b s t r a c t c o m p u t e rc i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n ei sak i n do fm u l t i p l ef u n c t i o nk n i t t i n g m a c h i n ew h i c hi n v o l v e sal o to ft e c h n o l o g yi nc o m p u t e r , m e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c ， c o n t r o la r e a a tt h es a m et i m ei ti sa t y p i c a lc o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a lm a c h i n e i n r e c e n ty e a r s ，f a s td e v e l o p m e n to fc h i n ak n i t t i n gi n d u s t r yc a l l sf o rc o m p u t e r i z e d c i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n ei ng r e a td e m a n d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - p r o c e s s o r t e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l db e c a u s e o f h i g h l yi n t e g r a t i o n ，s t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mi si n t r o d u c e di nt h e b e g i n n i n go ft h i sp a p e r t h e n ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n ta n d f u n c t i o no ft h e c i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n e ，an e wk i n do fc o m p u t e r i z e dc i r c u l a r k n i f i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d t h i sc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot w ol e v e l ， i n c l u d e m a i nc o n t r o ll e v e la n de x e c u t i n gl e v e l ，t h ec a nb u si su s e dt oc o m m u n i c a t i o nt o e a c ho t h e r m a i nc o n t r o li st h ek e r n e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，$ 3 c 2 4 10p r o c e s s o rb a s e do n a r m 9c o r eo fs a m s u n gi sa p p l i e da sc p u c p l di su s e dt of o r mt h ei m p l e m e n t i n g c i r c u i to fp r o c e s s u a r t ，e t h e m e t ，u s ba n dl c da r ea p p l i e da sp e r i p h e r a ld e v i c e u s i n g8 0 5 1m c uf o r md i s t r i b u t e de x e c u t i n gu n i t u s i n gt h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o lm o d e ，t h i si s f i l t e rf o rt h em e c h a n i c a l c o n s t r u c t i o no fc i r c u l a rk n i t t i n gm a c h i n e ，a n dm a k i n gt h ec o n s t r u c t i o nm o r ec l e a r a n dr e l i a b l e c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nm p uo ri p c ，t h i s s y s t e mp r o c e s s e st h ep r o p e r t i e so fp r o p e rd e s i g na n dh i 曲i n t e g r a t e dc o n t r o la b i l i t y i tw i l lh a v eg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n db r o a dp r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e dc i r c u l a rk n i t t e r ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 9 ，l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：毵 签字日期：姗f 月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津工业大学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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蚣 签字日期：肿f 月j , - n 导师签名： 签字日期： 乡坳缸 汤够年1 月妒 学位论文的主要创新点 一、提出了实现电脑圆机自动化的系统模型。 二、对系统的性能、可维护性以及可操作性做出了较大的改进。 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在针织行业中，一般都是利用机械控制实现花型编织工艺，它存在更换品种 不方便，设计周期长，控制复杂等缺点。之后，也有采用光电控制的电子提花装 置，但仍存在花样更新不灵活、颜色控制不可靠、机构复杂等不足之处。随着大 规模集成电路技术的迅猛发展，针织提花工艺控制中也开始采用微型计算机技 术。 以电子计算机为主体的现代信息控制技术己经渗透到纺织服装的各个领域。 全球纺织工业普遍采用电子、电脑程序控制，从市场信息到产品的花型设计，颜 色以及织物结构的设计到纺纱、织布、染整等生产领域和管理领域都能找到电子 计算机的应用实例。利用c a d c a m 等生产辅助手段，可以实现小批量、多品种 的市场需求，增强产品竞争能力，达到经济效益的最大化。2 0 世纪8 0 年代以来， 高科技纺织品在整个纺织品市场中的比例不断增长。资料显示，最近5 年，发达 国家高科技纺织品的市场份额增长了一倍多。在欧洲纺织品市场上，高科技纺织 品的市场占有率已达4 0 以上。 1 2 课题研究内容 本课题的任务是设计高性能电脑圆机控制系统，该系统利用计算机作为辅助 设计，从图案的输入，工艺参数的设置，经过计算机运算转化为圆机能够识别的 动作文件，通过软盘或者u 盘传输到圆机控制器中，实现整个织物花型的设计和 编织工作。 根据编织要求输入的信号和来自机器的同步信号，圆机控制器可以及时发出 各个控制指令，以实现编织所需的各个特定动作，自动完成编织。近年来，随着 嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等的不断 提高，这些处理器芯片内大多都集成了多种现代嵌入式系统所必需的功能部件。 同时在软件层面上来看，很多设计和实现质量都很优异的支持库也被广泛提供。 这一切使得嵌入式应用系统的开发者把更多的注意力集中到与产品密切相关的 功能( 如业务功能或控制功能等) 上，大大地方便了新产品的研发。电脑圆机控制 系统主要由硬件平台和软件平台两部分组成。在本课题中，我们选用基于a r m 第一章绪论 内核的嵌入式处理器替代以往的单片机作为主控制器，配合最新的c p l d 技术搭 建硬件平台进行新型电脑圆机控制系统的研发。 1 硬件平台主要包括基于三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器组成主控、基 于c p l d 构成的协处理器以及单片机构建的分布式执行单元组成。 2 软件平台主要包括l i n u x 操作系统、文件系统、底层驱动以及应用程序开 发工具，另外还有实现c p l d 逻辑功能的硬件描述语言开发工具。 花型文件准备系统的功能是将织物转化成圆机可以识别的文件格式。本系统 提供简单而又功能强大的圆机花型文件设计功能，使非专业人员可以经过简单培 训就可以操作此软件，操作简单快捷。系统可设计和读取市面上流行的多种花型 文件，具备很强的通用性。通过花型准备系统的编程来实现各种组织的编织及产 品款式的设计。系统利用计算机作辅助设计完成图案、工艺参数的设置，然后将 转化为电脑圆机能够识别的动作文件，通过软盘或者u 盘传输到电脑圆机主控制 器中，从而实现整个织物花型的设计和编织工作，达到快速、精确设计针织花型 的目的。同时针对日前市面上不同厂家生产的圆机只能识别其自身定义的花型文 件，但本系统最后生成的数据文件可选择多种数据格式，以对应不同的圆机。 1 3 课题目的与意义 近几十年来，我国从国外引进不少的电脑圆机，这些圆机的引进大大提高了 我国纺织行业的生产水平。同时，在消化吸收引进设备的基础上，一些单位也在 积极开发我国自己的电脑圆机，它们中有的已经生产出来，但是尚未形成系列的 生产能力。同时这些电脑圆机的性能并不突出，技术含量也不高。而且它们大多 使用单片机作为主处理器或者以工控机为基础开发出来的，集成度不高，稳定性 也不好。在与国外进口先进产品的竞争中，多以低价格低利润生存。因此，开发 高性能的新型电脑圆机对于我们这样一个纺织大国来说非常必要的。 2 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，嵌入式系统已经广泛应用于各个科技 领域和日常生活的每个角落，由于其本身的特性，使得我们很难发现它的存在。 甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人员也不能确定什么是嵌入式系统。那什么 是嵌入式系统呢? 本章围绕嵌入式系统进行了一些讨论。 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功甜6 1 。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括以下几 部分： 嵌入式处理器微处理器数字信号处理器( d s p ) ； 存储器及外设器件：包括动态以及静态r a m ，程序以及数据存储器等； 输入输出端口； 图形控制器； 机电一体化装置等。 软件部分包括操作系统软件( o s ：要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。 嵌入式操作系统控制和协调应用程序与硬件之间的交互作用，应用程序则控制系 统的运作和行为。 因此嵌入式系统是计算机硬件与软件的综合体，整个综合体的设计目的在于 满足某种特殊功能，并应用于各类具体的应用系统中，例如，实验仪器、办公设 备、医疗设备，甚至航天设备等。 虽然嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、具有嵌 入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。但是可以从以下几个方面来理解嵌 入式系统的含义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须与具体应用相结 合才会具有生命力。正因为与具体应用的紧密结合，嵌入式系统才具有 很强的专用性。 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术，以及各个行 业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、学科交叉和不断创 新的知识集成系统。 由于嵌入式系统必须根据应用需要对硬件和软件进行裁减，以满足应用 系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。因此，嵌入式系统的 开发难度比较大，技术门槛比较高。比较好的开发模式是：首先建立相 对通用的硬件和软件基础，然后针对具体的应用做最少软硬件改动。 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低 功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的 任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能 力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密； 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与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统； 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处 理器的选择更具有竞争力； 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中； 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备。开发 时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后 的执行机，开发时需要交替结合进行。 4 第二章嵌入式系统概述 2 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统已经广泛应用于通信、家电、汽车等领域，极大的便利了我们的 生活，而且它的应用也越来越受重视。计算机提供的服务和功能只是在这个过渡 时期的解决方案，而非最佳的方式。最终发展的应用将不会停留在桌面上的个人 计算机，而是从桌面上蔓延下来，进入用户的日常生活中。从技术层面来讲，将 来的嵌入式系统应用将向软硬件系统集成、s o c 设计、应用程序，以及内容服务 这几个方面发展。 系统，嵌入式操作系统，除了老牌嵌入式操作系统厂商v x w o r k s 、q n x 、 n u c l e u s 等之外，新兴的主要竞争产品有p a l mo s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 等。其中e m b e d d e dl i n u x 操作系统因为免费授权的特性，已经被很多国 际型厂商采用。 集成式芯片，s o c 系统单芯片( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 研究的领域包括创 新系统设计、系统平台建立，以及相关硅知识产权( s i l i c o ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，s i p ) 的设计、验证与集成等。 应用软件，嵌入式软件一般可以分为客户端的应用软件和服务器端的集 成软件。服务器端的软件较为单一，但客户端由于应用领域广泛，开发 出的软件也是多种多样的。 服务，由于嵌入式产品的便携性，以及消费类电子产品输入输出的多媒 体化，再加上嵌入式产品与网络的紧密结合，嵌入式产品相关的增值服 务变得更加重要。 2 4 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的发展与通用计算机技术的发展密不可分，但是又有着自己独立 的发展道路。在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将 呈现出以下几点趋势： 联网成为必然趋势，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向 2 1 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外 部联网要求，嵌入式设备必须配有通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软 件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视设备 和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式 设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时 也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 第二章嵌入式系统概述 小尺寸、微功耗和低成本，为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相 应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片这就相应提高了 对嵌入式软件设计技术要求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法， 采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验， 更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 提供精巧的多媒体人机界面，嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受， 重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如 司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵 杆。 智能化，无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种 嵌入了多种感知和计算设备，并根据上下文识别人的身体姿态、手势、 语音等，进而判断出人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环 境，它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想的氛围， 完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。a m l ( a m b i e n t i n t e l l i g e n c e ) 泛在智能的关键技术基础是“无所不在的计算( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ”，“无所不在的计算”指的就是，“无论何时何地，任何人需 要，就可以通过某种设备访问到所需的信息”。从计算技术的角度来看， 可以认为存在一个巨大的分布式网络，这个网络由围绕在用户周围的成 千上万个嵌入式系统互连而成，用来满足其在信息、通讯、出行和娱乐 等方面的需求。 2 5 嵌入式系统的开发过程 按照常规的工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成4 个阶段：需求分 析、系统设计、设计实现阶段以及测试阶段。需求分析阶段是确定要解决的问 题及需要完成的目标，也常常被称为需求阶段；系统设计阶段主要是解决如何 在给定的约束条件下完成用户的要求；设计实现阶段主要是解决如何在所选择 的硬件和软件基础上进行整个软、硬件系统的协调实现；测试阶段主要对系统 的功能以及性能进行测试。其流程如图2 1 所示。 图2 - 1 嵌入式系统设计阶段 6 第二章嵌入式系统概述 一、 需求分析阶段： 在项目开始时了解项目的情况，弄清楚用户需要做什么，分析用户的需求、 初步确定硬件和软件、检查需求分析的结果、确定项目的约束条件、概要设计 等。嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是 嵌入式系统开发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。 在需求分析建立之后，需要建立完整的功能模型，并根据现有的系统结构 库对系统模型进行设计。在需求分析阶段之后进入详细的系统设计阶段。 二、系统设计阶段： 系统设计包括设计系统的体系结构、选择处理器和相关的外部设备、选择 合适的操作系统开发平台以及软硬件的裁剪和总体系统集成。嵌入式系统包含 硬件和软件两部分：硬件结构以嵌入式处理器为中心，以存储器、i 0 设备、通 信模块等外围电路为辅；软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用程序 编程接口，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包b s p 。嵌入式系统中，软件和 硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统的预定功能。 系统设计的关键和难点在于处理器和开发平台的选择上，通常，硬件和软 件的选择包括处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件 调试工具、软件组件等。在上述选择中，处理器、操作系统和编程语言也是非 常关键的。处理器的选择常常会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限 制开发工具的选择。 1 处理器的选择： 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据不完全统计，目前 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系有3 0 几个系列。 但与全球p c 市场不同的是。没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入 式系统，仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。由于嵌入 式系统设计的差异性很大，因此选择是多样化的。a r m 是近年来在嵌入式系统 有影响力的微处理器架构，a r m 的设计非常适用于小型的嵌入式设备。 在选择处理器时要考虑的主要因素有： 处理器性能，一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率、 内部寄存器的大小、指令系统等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设 计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成 作业的处理器和i 0 子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考 虑某些新的处理器，其价格相对低廉，如i b m 和m o t o r o l ap o w e rp c 。 技术指标，当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系 7 第二章嵌入式系统概述 统所要求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以 连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器， 内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。 功耗，嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事 本、p d a 、手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品 中选购的微处理器，典型的特点是要求高性能、低功耗。许多c p u 生产 厂家已经进入了这个领域。今天，用户可以买到一颗嵌入式的微处理器， 其速度像笔记本中的p 锄t i 啪一样快；而它仅使用普通电池供电即可，并 且价格很便宜。如果用于工业控制，则对这方面的考虑较弱。 软件支持工具，仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作 用。 是否内置调试工具，处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 供应商是否提供评估板，许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论 是否正确，决策是否得当。 2 软件平台的选择： 嵌入式软件的开发流程，主要涉及代码编程、交叉编译、交叉连结、下载 到目标板和调试等几个步骤，因此软件平台的选择也涉及操作系统、编程语言 和集成开发环境3 个方面。 操作系统提供的开发工具，有些实时操作系统( r t o s ) r 支持该系统供应 商的开发工具，因此，还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等； 而有些操作系统使用广泛，且有第三方工具可用，因此，选择的余地比 较大。 操作系统向硬件接口移植的难度，操作系统到硬件的移植是一个重要的 问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此要选择那 些可移植性程度高的操作系统，避免操作系统难以向硬件移植而带来的 种种困难，加速系统的开发进度。 操作系统的内存要求，均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m 或 e e p r o m 来迎合操作系统对内存的较大要求。 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的a p i 。 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡等。 操作系统的可剪裁性，有些操作系统具有较强的可剪裁性，如嵌入式 l i n u x 、t o m a d o v x w o r k s 等等。 第二章嵌入式系统概述 操作系统的实时性能。 三、 设计实现阶段： 设计实现包括对系统原理图、p c b 图的设计，r t l 代码、软件代码的编写 等。 四、系统测试阶段： 嵌入式系统的系统测试是指将开发的软件系统( 包括嵌入式操作系统和嵌 入式应用软件) 、硬件系统和其它相关因素综合起来，对整个产品进行全面的测 试，其特点主要集中在以下几个方面： 测试软件功能依赖不需编码的硬件功能，快速定位软硬件错误困难； 强壮性测试、可知性测试很难编码实现； 交叉测试平台的测试用例、测试结果上载困难； 基于消息系统测试的复杂性，包括线程、任务、子系统之间的交互，并 发、容错和对时间的要求； 性能测试、确定性能瓶颈困难； 实施测试自动化技术困难。 2 6 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。到2 0 0 0 年全世界嵌入式处理器的品种 总量已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构有3 0 多个系列，其中8 0 5 1 体系占了多半。 现在几乎每个半导体厂商都生产嵌入式处理器，而且越来越多的公司有自己的 处理器设计部门。目前有大量的8 位、1 6 位和3 2 位处理器应用于嵌入式的各 个领域。其中8 位微处理器大部分都是在低端应用上，也包括了外围设备或是 内存的控制器；1 6 位微处理器通常用对精度要求较高的系统中，需要比较长的 字符宽度来处理；3 2 位微处理器大部分是r i s c ( 精简指令集) 的微处理器，则提 高芯片的运算能力，以满足大量运算的应用。 本设计使用了a r m 处理器作为微控制器，使用可编程逻辑器件对外围设 备进行扩展，另外采用单片机构建系统的执行部件。 2 6 1a r m 微处理器 a r m 是对一类微处理器的通称，同时也可以认为是一种技术的名字，它是 由a r m 公司设计的一种处理器架构。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯 片设计开发的公司，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知 识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，已经广泛应用于工业 9 第二章嵌入式系统概述 控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。 一、a r m 处理器的特点 采用r i s c 架构的处理器一般具有以下特点： 体积小、功耗低、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 ) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成： 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 二、a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括以下几个系列，以及其他基于a r m 体系结构的处 理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点之外，每个系列的微处理器都有各 自的特点和应用领域。 a r m 7 系列：a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r t s c 处理器，最 适合用于对价位和功耗要求较高的应用。 a r m 9 系列：a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最 佳的性能。a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安 全系统、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含 a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用 场合。 a r m 9 e 系列：a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处 理器内核提供了微控制器、d s p ，j a v a 应用系统的解决方案，极大的减 少了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强 的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用。 a r m l 0 e 系列：a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点， 由于采用了新的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时 钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了 两种先进的节能方式，使其功耗极低。 s e c u r c o r e 系列：s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供 了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处 理器除了具有a r m 体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独 特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 i n t e l 的s t r o n g a r m 系列：i n t e ls t r o n g a r ms a 11 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计 1 0 第二章嵌入式系统概述 和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率，采用在软件上兼容 a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。i n t e l s t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择， 己成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 i n t e l 的x s e a l e 系列：x s c a l e 处理器是基于a r m v s t e 体系结构的解决 方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产 品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 三、a r m 处理器的选型 鉴于a r m 处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器也得到了广泛的重视和应用。但是，由于a r m 处理器的内核结 构多样，以及众多的衍生产品。因此有必要从应用的角度对a r m 处理器做以 下几个方面的选择： a r m 微处理器内核的选择，在选择a r m 处理器时要根据软件开发平 台选择能够兼容的内核； 系统的工作频率的考虑，系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微 处理器的处理能力，在应用中，应该根据具体的需要选择合适的时钟 方案； 芯片片上存储器的容量，大多数的a r m 处理器片内存储器的容量都不 大，需要用户在设计系统时扩展存储器，但也有部分芯片具有相对较 大的片内存储空间，用户在系统设计时，可以从系统要求的性能或者 简化系统设计的角度出发，选择具有较大片内存储空间的芯片； 片上外围电路的选择，由于具有a r m 公司授权的企业众多，而几乎所 有的企业都根据各自不同的应用领域，扩展了a r m 微处理器的相关功 能模块，并集成在芯片之中。如u s b 、i i s 、l c d 控制器等接口。设计 时应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这 样既可简化系统设计，又可以提高系统的可靠性。 2 6 2 可编程逻辑器件 p l d ( 现场可编程门阵y g ) - 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器 件，它们是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l 、 g a l 等相比较，c p l d p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的c p l d p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围 内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司 第二章嵌入式系统概述 都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的c p l d 器件系 列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。 尽管c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来它们是 由三大部分组成： 1 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 2 输入输出块：连接逻辑块的互连资源。 3 连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接 开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 对用户而言，c p l d 与p l d 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数 情况下，不加以区分。c p l d p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有 a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 7 - 艺的不断提高单 一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，c p l d p l d 芯片的规模也越来 越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越 强，同时也可以实现系统集成。 c p l d p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员 承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相 关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，c p l d p l d 的资 金投入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软 件就可实现不同的功能。所以，用c p l d p l d 试制样片，能以最快的速度占领 市场。c p l d p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编 程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、 优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出c p l d p l d 的优势。电路设计人员使用c p l d p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的 i c ( 集成电路1 深层次的知识，c p l d p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能 集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 第三章电脑圆机主控系统方案设计 第三章电脑圆机主控系统方案设计 3 1 电脑圆机控制系统需求分析 随着计算机和电子技术的迅速发展及普及，特别是嵌入式微控制技术的出 现。老式的机械式提花装置改造为新型电子提花装置是目前纺织设备数字化技 术发展的重点之一。电子提花装置的关键技术是采用了压电陶瓷信号作为机械 量的转换部件，根据花型数据文件由控制系统送出“0 ”或“1 ”信号驱动电磁铁吸 或不吸，再由执行机构完成对经纱的提升动作。 电脑圆机控制系统的关键在于增强系统的稳定性、可维护性以及更换花型 数据的效率。同时，由于电脑圆机控制器是整机的控制系统，控制对象多且复 杂，因此需要有良好的工作与通信性能；此外，友好的人机界面也能提高控制 系统与人的交互性能。 电脑圆机待处理信号如图3 1 所示。 控 制 系 统 驱动器 驱动器 主电机 选针器( 1 6 极) 压针三角步进电机 叫慕然 兰! ! 堕严紫 ! 丝堕厂蓠纠号匹z 州石再 ! 丝堕广翁 生堕滞i 黼刊n l 忿班皑丽 堕靠菇 图3 1 电脑圆机控制系统结构图 导纱器电磁阀2 4 v 开针器电磁阀2 4 v 二角电磁阀2 4 v 剪刀、线夹2 4 v 照布灯、风扇2 2 0 v 报警指示灯2 2 0 v 路一 路一 路一 路一 路一 路 2 一 坦一 坦一 他一 9 一 ， 一一 一一一 一一 一一 一一 一一 第三章电脑圆机主控系统方案设计 如图3 1 电脑圆机控制系统结构图所示，其功能包括： 1 输入故障信号的采集； 2 人机交互界面及外部通讯接口； 3 选针器信号控制； 4 主电机及步进电机控制； 5 花型存储系统； 6 其他辅助电路。 由图3 1 可知，电脑圆机主控需要大量的外部接口。同时，选针器控制信 号以及输纱器电磁阀等属于开关量信号，因此对主控制器提出了更高的要求。 3 2 系统方案设计 本文在对电脑圆机系统结构和功能进行分析的基础上，提出了一个以a r m 微处理器作为系统主控制器，c p l d 作为协处理器，以c a n 总线连接下位机部 件的分布式网络。这样的系统构成主要有以下优点： 1 使用3 2 位的a r m 处理器提高系统的整体性能，能够提供良好的人机交互 环境与外部通讯接口； 2 选择c p l d 作为协处理器即缓解了系统外部接口资源不足，同时也利用 c p l d 在设计上的灵活性降低了系统的设计难度与系统的集成度； 3 系统采用分布式架构，采用c a n 总线组网，相对于传统的r s 4 8 5 组网提 高了总线的传输速率、编址方式更加灵活、增强总线以及系统的抗干扰 性能也使得系统更加便于维护。 系统的结构框图如3 2 所示。 图3 - 2 控制器系统构成框图 1 4 厂画里麴警 i _ 匝型举 恼；圃璺蚴 h 亘产电肇 童瓦固粤边肇 第三章电脑圆机主控系统方案设计 由图3 2 可知，c p l d 完成了系统的故障信号采集以及辅助信号的处理：上 位机a r m 控制器完成了花纹数据存储、人机交互界面、以及外部通讯接口的 扩展；通过c a n 总线连接的下位机作为系统的执行部件对系统的功能予以实 施。 此外，由于a r m 高效的性能完全可以运行操作系统，所以我们选择精简 的l i n u x 系统作为嵌入式操作系统。采用l i n u x 操作系统作为软件平台主要有 以下优点【3 】： 1 l i n u x 作为开源的操作系统，可以降低系统的开发以及维护成本； 2 由于l i n u x 系统能够支持大多数的嵌入式a r m 处理器，可以大大减少对 b s p 开发的投入； 3 精简的l i n u x 内核最小能够裁减到l m 以下，对系统的存储器要求较低。 3 3 主处理器选型 主处理器选型包括对上位机a r m 主处理器的选型、c p l d 协处理器以及下 位机单片机的选择。 3 3 1a r m 主处理器选型 目前，国内流行的a r m 芯片主要来自：s u m s a n g ( s 3 c 4 4 8 0 ，$ 3 c 4 5 1 0 ， $ 3 c 2 4 1 0 ，$ 3 c 2 4 4 0 ) ，a t m e l ( a t 9 1 系列、a r m 9 2 0 t 系列、a r m 9 2 6 e 系列) 、 p h i l i p ( l p c 系列) 、h y n i x 、i n t e l ( p x a 系列、i x p 系y 0 ) ，s h a r p ，c o n e x a n t ， m o t o r o l a ( d r a g , b a l lm x ) ，c i r r u sl o g i c 等l 删j 。 另一方面，a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w $ c e 和标准l i n u x ， 但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m l 硬件 平台之上。而a r m 7 2 0 t 以上的芯片例如a r m 7 2 0 t ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ， a r m 9 4 6 t ，s t r o n g a r m 等都带有m m u ，可以用于移植w i n c e 和标准l i n u x 等需要m m u 支持的操作系统的应用中。 $ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 微处理器。它拥有高性能 和体积小的特点。为了节约系统的成本和增强芯片的适用范围，$ 3 c 2 4 1 0 分别 集成了独立的1 6 k b 指令和数据c a c h e ，为管理虚拟内存而设计的m m u ，支持 s t n & t f t 液晶的l c d 接口控制器，支持复杂的n a n df l a s hb o o t l o a d e r ， 支持外部的存储器总线扩展，3 通道的异步串行接口，支持4 路d m a 通道以及 2 通道