（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式数控系统的研究及其在自动绗绣中的应用.pdf

摘要 摘要 绗绣系统是将控制技术、缝纫技术与绣花技术相结合的智能控制系统。它在单 台缝纫机绣花的基础上，将若干台缝纫机连接起来，运用自动控制技术，使缝纫绣 花制品这种传统的手工艺术可以批量生产。我国绗绣数控技术起源于九十年代中， 经过了十多年的发展，由当初的凸轮绗缝机到电脑连续花模数控绗缝机，现在已经 发展为电脑连续独立多花模数控绗缝机、电脑绣花机。国内相关的技术不断进步， 控制模式已由当初单纯单板机控制到现在的工业计算机控制。但国内企业生产的缝 制设备一般存在速度低、精度不高，稳定性差，机器易损坏等缺点。 本文在深入研究传统的p c + n c 控制模式数控绗缝系统的基础上，提出将嵌入式 系统技术应用到绗缝、绣花机的数控系统。引入嵌入式技术的绗绣数控系统不但具 有n c 系统的实时性、可靠性、成本低及功耗低的优点，而且具有p c 平台的开发环 境好、软硬件资源丰富、具备操作系统、用户界面友好的特点。本文的研究主要围 绕嵌入式绗绣数控技术的关键问题进行展开。 针对嵌入式系统平台，探讨了嵌入式操作系统v x w o r k s 在s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器 控制目标板上的裁剪移植，主要是对其最小系统的b s p 配置进行了分析，并通过测 试确定嵌入式控制器的c p u 、s d r a m 和f l a s h 等工作的稳定性。 深入分析v x w o r k s 操作系统的图形系统显示技术，研究了v x w o r k s 操作系统 w i n d m l 下的直线、圆弧、椭圆等的显示优化技术，设计了包括直线图元、圆弧图 元的矢量图形储存数据结构，为后续的打版和控制技术的深入研究作了铺垫。 在控制算法方面引入模糊控制技术，使用t - s 模糊推理模型，将绗绣精度密切 相关的绗绣步距误差，步距误差变化率，位置误差，位置误差变化率四个参数作为 模糊推理模型的输入参数，将数控插补值的修正量作为模糊推理的输出参数。模糊 控制系统中的模糊控制器是在s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器上软件实现的，使用了离线计算、 在线查表的方法，通过获取系统的运动状态信息并与控制信息一起经过模糊化、模 糊运算推理和清晰化处理后输出。针对绗绣加工工件的特殊性，本文提出了基于象 限进行位置补偿的绗绣数控柔性工件加工补偿算法，分别对直线图元和圆弧图元在 四个象限内的补偿算法作了分析和研究。 广东卫i k 大学工学硕士学位论文 研究了v x w o r k s 操作系统下绗绣数控系统软件的设计。在对控制系统进行多任 务合理划分的基础上，对任务优先级分配与调度策略进行了研究，并设计了各任务 间的消息队列。对系统急停中断和作业控制任务的通信，本文也作了深入研究。 嵌入式绗绣数控系统克服了基于p c + n c 结构的传统控制系统在体积、功耗和 成本方面的缺陷，具有实时性高，运算速度快等特点。同时，采用了嵌入式v x w o r k s 实时多任务操作系统，软件开发和移植容易，可采用构件化结构和功能模块行组态。 这种控制方式应用到柔性工件加工及相关领域，具有一定的实用价值和前景。 关键词：绗绣数控；嵌入式；t _ s 模糊推理；柔性工件补偿算法 l i a b s n a c t t h es e 、v i n ga n de m b r o i d e r ys y s t e mi sn l ei n l e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e mt h a lc o m b i n eo f t h ec o n f r o li e c h n i q u e ，蛐v i n gt e c h n i q u ea n de m b r o i d e r yt e c h l l i q u et o g e t h e r i tl i n ks o m e s 洲i n gm a c h i n es e t s ，c a i lm a k ei r a d i t i o n a lh a i l m c 嘣ia nt u l nt om a s sp r o d u c e sb a s e do n 印p l i e do fl l l e a u t oc o n t r o lt e c l l l l i q u e t h es e wa n de m 由f o i d e r yn u m e r i c a lc o n t r o l t e c i l n i q u eo r i g i n a t ea tt h em i d d l eo f9 0 si no u rc o u n t r y ，w i t l lt 1 ed e v e l o p m e mo fm o r e l h a nt e ny e a r s ，i th a dp a s s e da tt h eb e g i n n i n go ft h ec a r ns e wm a c l l i n et i m e s ，a 1 1 dn o w h a v i l l gd e v e l o p e di n t oc o m p u c e rc o n i i n u o u s i n d e p c n d e n c “m u l t i - f l o w e r ss e wm a c h j n e a i l dc o m p u l c rc o n t r 0 1e m b r o i d e r ym a c i l i n c m e a i l w h i l ei h er e l a i e dt e c h n i q u ep r o g r c s s e s u 1 1 r e m i h i n 9 1 yi nd o m e s t i c ，t h es y s t e m sc o n t r o l l i n gm o d ea l r c a d yf r o ma tt h eb e g i n n i n g o n i ys i n g l ec l l i pc o n t r o l t ot h ei n d u s 啊a lc o m p u t e rc o n t r o i t i l ln o w b u tt h el o c a ie n c e r p r i s e p r o d u c e st i l es e w i n ga n de m b r o i d e r ye q u i p m e n c si sg e n e m l l yl o ws p e e d ，l o wa c c l i r a c y ， b a ds t a b i l i t y ，a 1 1 de a s yb ed 啪a g e de t c t h i sp a p e rp u tf b r 州dt h a t 印p l yt h ee l b e d d e dt e c i l i l i q u et ot h es e “n ga n d e m b r o i d e r yn u r n e r i c a lc o n 缸d is y s t e mi n 血ef o u n d a 虹o no fm o f o u 曲r e s e a r c h e do nt h e 仃a d i t i o n a lp c + n cc o n t r o lm o d es y s t e m t h ee m b e d d e ds e 、v i n ga n de m b r o i d e r yc o m r o l s y s t e mn o to n l yh a v ea d v a n t a g eo ft h en cs y s t e 耐s 豫a ld m e ，w e ud e p e n d a b k ，1 0 wc o s t a i l dl o we n c r g yc o l l s u m e ，b u fa l s oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h cp cg o o dd e v e l o p m e n t e n “m n n l e n t ，p l e n t j f u lo fs o f h a r d w a r ef e s o u r c e s ，t h e 衔e n d l yh n e r f 如ea n dp o s s e s s o p e r a t i n gs y s f e m t h ep 印e rw o u l dm a i n l y r e s e a r c hm ek e yt e c l l i l i c a lp r o b l c mi n e m b e d d e ds y s t e m a st 0t 1 1 ee m b e d d e ds y s t e mt e r r a c e ，c h ep 叩e r h a dr e s e a r c h e dc h ee m b e d d e do p e m i i l l g s y s t e mv x w o r k st r a n s p la r 】 a “o no nt h es 3 c 2 4 1 0 am i c r o p m c e s s o r 切r g e tb o a r d ，p r i m a r i l y a i l a l y z et oi t st h eb s pi n s t a l i e do ft h em i n i m 啪s y s 钯m ，a n dp a s sm et e s tt oc o l l f i 肌t h c e m b e d d e dc o r 岫l l e r f sw o r ks f a b i l i t yo f t h ec p u ，s d r a ma n df l a s h 1 1 1 0 r o u g ha 1 1 a l y s i st h ed i s p l a yt e c h n o l o g yo f 血ev x w o r k s0 p e r a l j n gs y s t 咖，h a d s t u d i e dm cd i s p l a yo p t i m i z eo fm el i i l e a r ca 1 1 de l l i p s ei l n d e rt 1 1 ev x w 0 r k so p e m t i n g s y s i e m sw i n d m l ，a n dh a dd e s i g n e dm ev e c t 0 唧p hd e p o s i td a t as t 九l c n l r ei n c i u d i n gm e i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 l i n e ，a r c ，a i l de l l i p s e ，w h i c ho ft h e mi s t l l e r e s e a r c hb a s eo ft h eg u ia i l dc o n t r o l t e c h n o l o g y a fc o n t m la l g o r i t l l mi n d u c et h em s s yc o n 仃d lt c c 1 n i q u e ，u s i n gt 1 1 et - sf i l s s y l o g i c a l l ym o d e l ，t l l ea c c u r a c yc l o s e l y - r e l a t e dp 踟e t e r ss u c ha s t h es t e pe o r ，s f 印 c h a n g i n gr a c ee 玎0 r ，p o s i t i o ne h o r ，p o s i t i o nc h a n g i n gr a c ee r r o ru s e da s 恤如z z y1 0 9 i c a l l y m o d e lp a r a m e t e ri n p u t ，t h em i i i l e r i c a li n t e r p o l a t o rc o r r e c f i o nu s e da s 血e 如s s yl o g i c a l o u c l ) u tp 猢e t e r w eu s e dt 1 1 eo 昏l i n ec a l c u l a t e ，o n l i n es e a r c ht a b l em e t h o dt oc a p t i l r e t l l es y s t e m sm o v i n gs t a m s ，a f e rt h e 如s s i n g ，l o g i c a lm c i o c i n a t i o n ，a n i c u l a t i o na i l de x p o r t ， w h i c ho ft h e ma r er e a l i z ei nt h es 3 c 2 4 l o am i c r o p r o c e s s o r a i m i n ga tt h es e w i n g m a i e a l sp a n i c u l a r i t ) ，t h i sp 印e rp u tf o 刑a f dt l l en e x b i l i t ym a i e r i a lc o m p e n s a “n g a l g o r i t h r nb a s eo nq u a d r 觚tp o s i t i o nc o m p e n s a l i o l l ，a n dh a dr e s e a r c h e da n da n a l y s i st i l e l i n ea i l da r ci nt h ef o l l rq u a d r a n f s t h ep a p e rs t u d i e dt l es e w i n gn u m e r i c a ic o n t r o is y s t e ms o n w a r ed e s i g nu n d e rt h e v x w o r k so p e m t i n gs y s t e m i th a sr e s e a r c h e dl h et a s kp r i o r i t yl e v e la 1 i o c a t ea n dd i s p a t c h s t r a l e g y ，d e s i g n e dt h em e s s a g eq u e u eb e 似e e nt h ei a s k b a s e do nt h em u l t “a s kr e a s o n a b l e d i v i s i o n a l s oh a dr e s e a r c h e dt h o r o u 曲t h es y s t e me m e r g e n c ei n t e m 印t i o na i l dc o n t r 0 1t h e c o r r e s p o n d e n c eo f t h et a s k t h ee m b e d d e ds e w i n ga n de m b r o i d e r yn 岫e r i c a lc o m f o ls y s t e mh a sf h eg o o dr e a l t i m e ，c a l c u l a t ef a s t e ra n do v e r c a r l l et h ep c + n cs t r u c t u r et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m s d i s a d v a n l a 薛ss u c ha sb i gc u b i cc o n t e n t ，l l i 曲e n e r g yc o n s 啪ea n dh i 曲c o s t b e s i d e st h e s o f c w a r ei se a s yt od e v e l o pa 1 1 d 呦s p l a n t ，c a i la d o p tt h em o d u l ed e s i g n1 1 1 l d e rt h e e m b e d d e dv x w o r k sr e a lt i m em u l 叭a s ko p e r a l i n gs y s t e m t h j sk i n do fc o n 怕lm e t h o d w o u l dh a v cm ec e r t a i n l yp r a c n c a lv a l u ea n dp m s p e c ti fa p p l i e st ot h en e x i b l em a i e r i a l p i e c ep r o c e s s e sa n dr e l a t e df e a l m k e y w o r d s ：s e 、v i n ga n de m b r o i d e r yn 啪蒯c a lc o n i r 0 1 ；e m b e d d e ds y s f e m ；t _ sf u s s y r a t i o c i n i t i o n ；f l e x i b l em a t e r i a lp r o c e s s e sc o m p e n s a t i o na l g o r i c h m 1 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景分析 我国缝纫、刺绣数控设备已经历从手工平缝机到凸轮绗缝机时代、电脑连续 花模数控绗缝机时代，再到电脑连续独立侈花模数控绗缝、绗绣机时代，现在 已发展成为全球最大的缝制设备生产国，缝制设备产量占全球产量的7 0 以上， 其中家用机占全球产量的7 5 以上，工业机约占全球产量的7 0 ，绗缝机、绣花 机占全球产量的7 0 以上，产品覆盖世界上1 5 0 多个国家和地区，同时中国已经 成为全球缝制设备消费的最主要市场。根据中国缝制机械协会信息部和国家统计 局的统计显示，2 0 0 5 年我国缝制机械产业6 0 以上集中在浙江、上海地区。浙江 作为我国缝制机械第一大产区，产值为8 6 亿元，同比增长2 4 6 5 ，占我国缝制 机械产值总额的4 6 。上海是我国缝制机械第二大产区，增长势头强劲，2 0 0 5 年产值同比增长3 l ，产值为2 9 7 亿元，占我国缝制机械产值总额的1 5 。广 东地区的缝制机械产业平稳发展，2 0 0 5 年的产值为2 0 6 亿元，同比增长1 3 2 5 ， 占我国缝制机械产值总额的1 1 。但统计显示，其中外资产业份量较大，就上海 地区的缝制机械产业中，外资企业创造的产值占上海产值总额的4 5 ，半壁江山 是由日本的重机、兄弟、广濑，韩国日星等企业的生产总值在支撑着【l ，2 】。 国外一些高档的绗、绣设备已经开始将嵌入式技术应用到缝制设备数控领域， 如世界上著名的电脑绗缝、绣花机品牌有日本田岛( t a j i m a ) 公司、日本百灵 达( b a r u d a n ) 公司、日本兄弟( b r o t h e r ) 公司、德国蔡斯克( z s k ) 公司、 德国百福( p f a f f ) 公司等。其中日本田岛在c i s m a 2 0 0 5 展出的t m c em i x 型便是集绗缝、毛巾绣及平绣于一身的混合机型，该机充分利用嵌入式技术，在 质量、成本、体积上改善了传统模式的不足，使控制系统广泛吸收嵌入式技术中 的丰富资源，根据不同应用对象要求，迅速、灵活地更换软硬件，同时缩短了开 广东工业火学工学硕士学位论文 发周期。目前田岛公司已在我国东莞、上海、泉州、青岛、大连等二十地点成立 多个国内办事处，全球代理商超过5 0 家公司，它以高技术、高质量得以稳健成长， 已成市场领导先驱。国外这些高档产品具有绗绣速度快，效率高、绗绣质量好等 优点，但价格昂贵，一般中、小型企业买不起，而且售后服务、维修都不方便。 我国要克服这些困难，平衡进出口价格，须借鉴国外先进经验，开发高新技术来 提高缝制产品的品质。 目前为止，国产品牌开始有集金片绣、盘带绣、平绣为一体的混合绣特种机， 还有集激光切割和贴布绣为一体的光机电特种绣花机，但并未对进口的绗绣机械 数控设备市场造成真正的威胁，每年二、三千台的进口机器市场并未萎缩，且其 利润远远大于国产机器三万台的总利润。而集绗缝、绣花于一体的国产绗绣机品 牌很少，中国标准缝纫机公司在绗缝、刺绣一体化技术上作了尝试，市场前景可 观，但绗缝的高速、高产要求和绣花的细致、高精度要求没能很好的解决，特别 是对于一些复杂的图案，很难达到理想的效果。我国生产的电脑绗缝、绣花机都 属中低档产品，而进口相应产品价格一般高达8 倍左右 1 ，3 】。与国外同类机科相比 尚有一定的差距，表现在机械结构、加工精度、工艺水平等方面，特别是控制系 统上的差距。这很大程度上是受制于传统的p c + n c 控制模式，而新兴的嵌入式 技术目前已开始在我国其他数控产品中应用，如天大精益数控技术有限公司的 t d n c 系列数控机床。 1 1 2 绗绣机械数控系统的功用、组成及技术现状 绗缝制品通常由面料、填充料、底料三层物料组成，绗缝就是缝线的线迹在 物料上组合成无规则排列的、独立式的或者是有规则排列重复的各种图形的轨迹， 这些图案的轨迹主要为了牢固地缝住三层物料，防止填充料( 加喷胶棉、羊毛、羽 绒等) 移动，并增强缝制品的立体感，使其具有较好的美观及装饰功能，提高产品 档次。刺绣，又名“针绣”，俗称“绣花”，以绣针引彩线，按设计的花样，在织物 ( 丝绸、布帛) 上刺缀运针，以绣迹构成纹样或文字，图案有强烈的层次、个性 感，精度要求较绗缝制品高。绗缝机与绣花机在机械结构、工作原理上差别不大， 但在控制方式上有所区别。以下对绗缝机和绣花机分别进行分析。 绗缝机械根据机器上所带的绗缝针头的数量可以分为单针绗缝机和多针绗缝 第一章绪论 机，从目前市场的需求上看，多针绗缝机占据的绗缝机械的绝大多数的生产份额。 绗缝机运动机构由两大部分组成，第一部分为主运动，由主电机( 交流电机) ，曲 轴机构和绗缝针架组成，主要控制针架上下运动，进行绗缝。第二部分为进给运 动，由x 轴和y 轴电机( 伺服电机) 和传动机构组成，控制鞍架左右运动和卷布机 构前后运动来绗缝设计的花形。 根据机器上所带的机头的数量，绣花机有单头绣花机、多头绣花机之分，其 中每头中又分单针、多针，从控制原理上讲，与绗缝机基本相似，一般由两大部 分组成：主机和电脑控制箱。主机由机头、台板、传动机构、机架、绣框等组成。 1 1 机头。通过缝纫机头运转，使面线和底线在面料上作出双线锁式线迹； 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 ，y ，z3 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 ) 绣框。用来固定面料，受电脑控制，完成刺绣工作。 由于其机械结构、工作原理相似的原因，近年来数控缝制设备发展的方向是 绗缝、刺绣一体化，又称“绗绣”。绗绣指的是集绗缝功能、绣花功能于一身的 混合系统。 在c i s m a 2 0 0 5 展出日本田岛( t a 儿m a ) 公司的t m c em i x 型便是集绗缝、 毛巾绣及平绣于一身的混合机型【4 】。该机不但速度快、精度高，而且能自动转换 环缝机和平绣机头，由一台机器即能有效的进行本缝和环缝、刺绣机分别进行的 复杂作业，易于进行需花费工夫的精巧混合刺绣，大幅度的提高了生产性。而国 内企业在c i s m a 2 0 0 5 上却没能展出相同档次的机种，事实上，绗缝、绣花功能 一体化技术在国内才刚刚起步。当前国内绗缝、绣花等数控设备技术模式流行的 典型结构为p c + n c 模式，即将通用p c 与n c 连接在一起，构成前后台结构，形 成多机、多过程数控系统。这一模式制约着缝、绣功能一体化( 绗绣) 的发展， 在柔性物料制品的数控绗绣加工中，由于加工的方向与速度的动态变化，加工对 象容易变形，以至对控制系统的速度、精度、稳定性等要求越来越高，而在现有 的p c + n c 技术模式下，很难同时解决绗缝机的高速、绣花机的高精度的要求。 且当前两级模式结构相对复杂、实时性稳定性差，抗干扰能力差，体积大，成本 高。这需要寻求新的技术，从硬件到软件来优化现有的缝制数控设备，提高我国 广东工业大学工学硕士学位论文 的绗缝机、绣花机等的品质和性能。 1 1 _ 3 课题研究的意义 2 0 0 5 年我国缝制设备等纺织机械总产值达3 0 0 多亿元，进出口总额1 0 0 多亿 美元。其中缝制设备行业是我国最具竞争力的行业之一，约占全球产量的6 0 【5 j ， 已无可争议成为”世界第一的缝制设备大国。2 0 0 5 年国内企业的产能在7 0 0 万台 左右，而需求量在8 0 0 到1 0 0 0 万台左右【6 】供求之间有较大差距，行业前景看好。绗 缝和绣花两种数控机械是缝制设备行业中主要的设备之一，近儿年来在我国缝制 产业中出口呈现大幅增长的态势。2 0 0 5 中国国际缝制设备展览会展后报告指出， c i s m a 2 0 0 5 参展的缝纫设各和刺绣设备分别占6 2 7 5 和1 1 - 3 。数据显示，2 0 0 5 年前三季度，数控绗缝机、绣花机共出口5 0 5 6 8 台，出口创汇3 4 2 6 4 万美元，同 比分别增长8 3 和1 0 1 【l 】。我国绗缝、绣花数控技术起源于九十年代中，到目 前为止大概经历了十多年的发展。现己有国产的电脑绗缝机、绣花机，如中国标 准缝纫机公司、上海协昌缝纫机厂、青岛电脑刺绣机总厂等均有电脑绗缝机、绣 花机生产。由当初的凸轮绗缝机到电脑连续花模数控绗缝机，再到现在的电脑连 续独立多花模数控绗缝机、电脑绣花机，国内相关的技术不断进步，控制模式 已由当初单纯单板机控制到现在的工业计算机控制。然而，纵观我国缝制行业现 状，虽百花齐放，但国内企业生产的缝制设备一般存在速度低、精度不高，稳定 性差，机器易损坏等缺点，在国际市场上属于中低档产品，缺乏与国际品牌抗衡 的技术实力，缝制设备产业期待企业升级，提高竞争力。 嵌入式技术是近年来发展最快、研究最热的技术之一。嵌入式数控系统是在 我国占主流的经济型数控系统由1 6 位向3 2 位过渡的理想选择。它与传统的单片 机数控系统和基于p c 的数控平台相比，融合了两者的优点，既具有单片机系统 的实时性及可靠性、成本低、功耗低的优点，又具有p c 平台的开发环境好、软 硬件资源丰富、具备操作系统、用户界面友好的特点。它是面向特定对象应用的， 能满足硬件平台的多样性，应用于绗绣机械数控产品中，在我国将有较长的生命 周期；它能克服基于通用p c 机结构的控制系统在体积功耗方面的缺陷，运算速 度快，有强大的外围资源和通信功能，可实现采集、处理与控制为一体的s o c 系 统：同时，它可运行实时多任务操作系统，软件开发和移植容易，可采用构件化 第一章绪论 结构，功能模块可进行组态等。 研究开发基于嵌入式技术的绗绣机械数控系统，形成有自主知识产权的特色 产品，具有较高的社会价值和研究意义。嵌入式系统以接近1 6 位单片机系统的价 格提供了接近p c 平台的性能，将是未来缝制机械数控系统发展的一个方向。它 的研发成功可以有效提高产品的质量和加工效率，有利于拉近我国数控技术与 国外先进水平的差距、填补省内缝制数控机床生产厂家的不足，对提高我国经济 效益和社会效益都有着重要的意义。本项目的研究符合现代数控技术的发展趋势， 能很好地满足我国现阶段传统缝制设备进行数控化改造的需要，对我国轻工制造 业的发展具有良好的促进作用。 1 2 本课题的来源及研究的主要内容 1 2 1 课题来源 与东莞恒业机械厂的企业合作项目中，本课题组已成功研制具有自主知识产 权的基于p c 的无梭多针绗缝和有梭多针绗缝等多种控制系统，并投入批量生产。 据合作企业反馈，我们研制的控制系统的多针绗缝机畅销于全国所有省、市、自 治区。同时，更有产品飘洋过海，出口到东南亚、中东、欧洲，北美洲、大洋洲 等国家及地区，这为本课题相关技术的作了丰富的积累。配备了我们研制的控制 系统的多针绗缝机生产的产品如图卜1 所示p j 。 图1 1 多针绗缝机生产的产品 f i 兽l 一1p r o d u c t so f m u t i l - n e e d i eq u i l f i n gn cs y s f e m 但随着越来越高的生产要求，现有的绗缝数控系统存在着成本高、速度低、 精度不高，稳定性差，机器易损坏等特点。因此，在原有多针绗缝等多种控制系 统的研发基础上，针对当前国外的绗缝、绣花一体化数控设备以及国内现有p c + n c 控制模式的绗缝、绣花分开数控设备，提出了本课题的研究。事实上，国内的绗 广东工业大学工学硕士学位论文 缝、绣花一体化技术还处于刚刚起步的状态，大部分类似数控系统都是拼装，国 产企业鲜有类似具有自主知识产权的产品出现。技术含量低，没有自主知识产权， 导致进口相应产品价格一般是出口设备价格的8 倍以上【1 ，显而易见，我国在本 行业的落后面貌已经严重制约国家缝制设备产业的发展。 1 2 2 课题研究的主要内容 在绗缝数控系统已有的研究基础上，本论文针对当前国内绗缝、绣花数控系 统基于p c + n c 模式的不足，提出将嵌入式技术应用到绗缝、绣花一体化机械数 控系统。为保证操作系统的精简，构建嵌入式数控系统，研究嵌入式操作系统 v x w o r k s 在绗绣机械数控系统上的裁剪移植。绗绣数控系统是结构、功能复杂的 系统，裁剪移植一个适合本项目的稳定、实时多任务嵌入式操作系统是一个难题。 研究矢量图形在嵌入式操作系统的开发，相对于w j n d o w s 操作系统，嵌入式操作 系统的图形系统开发是比较有难度的，因为w i n d o w s 系统的图形开发有大量现成 可用的开发控件，而嵌入式操作系统下相对可用的资源则比较少。绗绣数控系统 是一个实时性要求很高的系统，如何分配和调度系统各个任务，以及各个任务之 间如何通信等，需要合理分割绗绣数控系统的管理任务，根据任务的要求赋予不同 的优先级和调度时问。研究绗绣加工过程中由于材料变形引起的轨迹偏移补偿控 制算法，误差补偿是保证高精度的关键技术之一，尤其是当加工对象是柔性工件。 本论文的研究内容分为六章，分别从理论和应用的角度对课题的难点进行了 深八分析。 第一章为绪论，讲述了课题的课题研究的背景、研究意义，绗绣机械数控系 统的组成及技术现状，项目的来源以及主要研究内容概述等。 第二章构建r 绗绣数控系统的软硬件开发平台，在分析了当前的流行的嵌入 式操作系统与嵌入式核心处理器的基础上，选取了v x w o r k s 操作系统与s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器。作为论文研究的技术基础和根本，本章还介绍了在第五章应用的模糊 控制理论和t - s 模糊推理模型。 第三章深入研究了嵌入式操作系统v x w o r k s 的体系结构，包括其内核、任务、 中断机制，以及i o 系统等。针对本系统嵌入式系统平台，探讨了嵌入式操作系 统v x w o r k s 在s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器控制目标板上的裁剪移植，主要是对其最小系统 第一章绪论 的b s p 配置进行了分析，并通过测试确定嵌入式控制器的c p u 、s d r a m 和f l a s h 等工作的稳定性。 第四章探讨了v x w o r k s 操作系统上的媒体库w i n d m l ( w i n d m e d i a l i b r a r y ) ， 深入分析v x w o r k s 操作系统的图形系统显示技术，研究了v x w o r k s 操作系统 w i n d m l 下的直线、圆弧、椭圆等的显示优化技术，设计了包括直线图元、圆弧图 元的矢量图形储存数据结构，为后续的打版和控制技术的深入研究作了铺垫。 第五章使用t s 模糊推理模型，将绗绣精度密切相关的四个参数作为模糊推 理模型的输入参数，将数控插补值的修正量作为模糊推理的输出参数。模糊控制 系统中的模糊控制器是在s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器上软件实现的，使用了离线计算、在 线查表的方法。针对绗绣加工工件的特殊性，本章提出了基于象限进行位置补偿 的绗绣数控柔性工件加工补偿算法，分别对直线图元和圆弧图元在四个象限内的 补偿算法作了分析和研究。 第六章研究了v x w o r k s 操作系统下绗绣数控系统软件的设计。在对控制系统 进行多任务合理划分的基础上，对任务优先级分配与调度策略进行了研究，并设 计了各任务间的消息队列。对系统急停中断和作业控制任务的通信，本文也作了 深入研究。 1 3 本章小结 绗绣一体化是缝制设备发展的一个重要方向，目前国内现有的缝制数控设备 都是绗缝与绣花分开，其典型的技术结构为p c + n c 模式，在柔性物料制品的数 控缝纫、刺绣加工中，由于加工的方向与速度的动态高速变化，加工对象容易变 形，导致在加工过程中加工点很难按照原先预定的加工轨迹运动加工，加之系统 工作环境恶劣，当前p c + n c 两级模式在其工作的速度、精度、可靠性等方面不 易满足人们对产品日益增长的要求。 本章针对绗绣一体化数控技术需要的关键问题展开，引入了将嵌入式系统技 术应用到绗绣数控系统中，扼要分析了其在绗绣机械数控系统中的应用前景，并 简述了课题的研究目的和意义，绗缝、绣花机械数控系统的组成及技术现状，以 及课题来源和主要的研究内容。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章嵌入式绗绣数控技术基础 嵌入式绗绣数控系统涉及多学科的基础理论，主要包括缝纫技术、绣花技术、 嵌入式系统技术与自动控制技术等。作为论文研究的技术基础和根本出发点，本 章简单地介绍了嵌入式系统技术与自动控制技术相关知识，并对这些技术在绗绣 数控系统中的实际应用进行了分析。 2 1 嵌入式技术应用 嵌入式系统是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统，对象体系是指嵌入式 系统所嵌入的宿主系统，本文中指的是绗绣数控系统。国内的一般将嵌入式系统 定义为：以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，以适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般由嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分组成。硬件部分包括处 理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口及输入输出设备等。软件部分由嵌 入式操作系统和应用程序组成。 2 1 1 嵌入式绗绣数控系统的硬件组成 l 、嵌入式系统的硬件组成结构 嵌入式系统的硬件组成结构见图2 1 ，硬件系统的核心是嵌入式处理器，嵌 入式处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至m s c ( 精简指令集) 和 c o m p a c t r i s c 的转变，位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到6 4 位吼 现在常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ， m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r op m c e s s o r u n i t ，e m p u ) 、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 ) 和高度集成的嵌入 式片上系统( s v s l e mo nc h i p ，s o c ) 州。 2 、嵌入式微处理器( e m p u ) 第二章嵌入式绗绣数控技术基础 图2 1 嵌入式系统硬件组成 f i 9 2 - 1t h ee m b e d d e ds y s t c mh a r d w a r e 嵌入式微处理器( e m p u ) 的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样 可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处 理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面一般都做了各种增强。和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【8 ，“】。 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 行体系结构有3 0 几个系列，嵌入式处理器主要有a r m 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 s c 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 系列等。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从o 1m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。 常用的嵌入式微处理器构架体系有【1 2 ： 1 ) a i t m 体系：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l 0 ，a r m l l 等 2 ) x 8 6 体系：a m d 4 x x ，i n l e l3 8 6 e x ，a l i 3 8 6 等 3 ) 6 8 列c o l d f i r e 体系：c o l d f i r em c f 5 2 3 x ，6 8 k 6 8 3 x x ，d r a g o n b a n 系列等 4 ) p o w e r p c 体系：m p c 8 x x x ，m p c 7 x x x ，m p c 5 5 0 0 系列等 广东工业大学工学硕士学位沧文 3 、a r m 体系嵌入式微处理器 采用r j s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点 1 ”： 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a i t m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快；指令长度固定； 4 ) 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。 a r m 公司设计了许多处理器，它们可以根据使用内核的不同划分到各个系列 中。系列划分是基于a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l o 和a r m l l 内核的。后缀数字7 ，9 ， 1 0 和1 l 表示不同的内核设计，数字的升序说明性能和复杂度的提高。 表2 一la r m 系列属性的比较 t a b l e2 - lt h ec o 婴a r ! 堕垒塑! 唑! 垒堕堕塑 项目 a r m 7a r m 9a r m l oa r m l l 注：a 一在相同的0 1 3 u m 工艺上的w m h z ； b m i p s 是d h r y s t o n ev a x m i p s 。 表2 1 显示了a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l 0 和a r m l l 内核之间一个粗略的属性比 较。其中所列的一些数据可能会有较大变化，这依赖于生产过程的类型和工艺， 它们对工作频率( m h z ) 和功耗( w ) 也会产生直接影响。 4 、嵌入式绗绣数控系统的硬件选型 在嵌入式系统的硬件中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能的好 坏直接觉得整个系统的运行效果。确定嵌入式系统的硬件选型主要是嵌入式微处 理器的选型。在嵌入式绗绣数控系统的微处理器选型过程中，主要从下面三方面 考虑o 川7 】： 1 ) 应用的类型 面向应用是嵌入式系统的特色，具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能 选型，不同的应用领域所需的处理器类型是不同的。针对绗绣数控系统，应选取 第二章嵌入式绗绣数控技术基础 适合于工业控制的类型。 2 ) 处理的性能和技术指标 嵌入式处理器选择的基本原则是满足具体功能性和非功能性指标需求的、市 场应用反应良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器。 3 ) 其他因素 此外，还有一些其它的因素的考虑，比如：处理器是否有较好的软件开发工 具支持、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等。 通过需求分析获取了绗绣数控系统的功能性和非功能性指标后，分析研究市 场上各大厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指标，( 功耗、体积、成本、可靠性、 速度、处理能力、电磁兼容性等) ，选择满足应用需求的基于a r m 体系结构的 s 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式处理器。该处理器具有如下优点【1 3 j ： 1 8 va r m 9 2 0 t 内核，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储系统，带有3 3 v 1 6 k b 指令和1 6 k b 数 据缓存及m m u 单元的外部o 接口的微处理器 外部存储器控制( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) l c d 控制器( 支持4 k 颜色的s t n 或2 5 6 k 色t f t 的l c d ) ，带有1 个通道的l c d 专用 d 姒控制器 4 通道d m a ，具有外部请求引脚 3 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ，1 6 字节发送f i f o 及1 6 字节接收f i f o ) 2 通道s p i 接口 1 个通道多主i i c 总线控制器l 通道i i s 总线控制器 1 0 版本s d 主机接口及2 1 1 版本兼容的m 舭卡协议 2 个主机接口的u s b 口1 个设备u