（机械电子工程专业论文）嵌入式电子提花机控制系统设计.pdf

浙江理一 人学硕十学位论文 摘要 随着小批量多品种提花织物需求量的增加，要求配装电子提花装置的织机数 量和种类也越来越多，因此对电子提花机的工作性能和配套适应性提出了更高的 要求。采用嵌入式操作系统和高性能的微处理器实现提花装置的控制是电子提花 装置控制系统更新换代的一个重要发展趋势。本文在比较了国内常见的电子提花 机控制系统方案后，针对嵌入式提花机控制系统的要求，选择a t m e l 公司的 a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为核一t l , c p u ，选用丌源免费的嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系 统，并采用核心板加底板的系统构架方式实现了电子提花机控制系统的设计。 核心板采用华恒科技有限公司的h h a r m 9 2 0 0 ，底板则是针对核心板的各个 功能模块的电路的集合，包括u a r t 、网络、u s b 、l c d 液晶显示、触摸屏、花 型数掘输出、八色选纬、输入输出信号等的电路。其中u a r t 是系统调试专用 模块，网络模块既可满足调试要求，同时也实现了提花机控制系统对网络化的要 求，人机界面模块采用彩色液晶屏幕和触摸屏，方便操作。花型存储可通过u s b 和网络进行读入。设计方案预留了一定数量的i o 口以备特殊织机配套的要求。 建立了嵌入式l i n u x 的开发环境。移植了嵌入式l i n u x 内核，用u b o o t 作 为嵌入式l i r l u x 的b o o t l o a d e r ，文件系统选用r a md i s k 、n f s 、j f f s 2 ，r a md i s k 是断电不保存数据，作为根文件系统可以保证系统的稳定性。嵌入式d i l u x 的 s h e l l 采用小巧的b u s y b o x 。 嵌入式l i n u x 系统通过驱动程序实现对硬件的控制，本文第四章介绍了驱动 程序的设计。人机界面采用m i n i g u i 的图形系统，应用程序基于m i n i g u i 图形 系统，采用了模块化的设计方法，方便扩展。 软硬件完成后在实验室进行了系统调试，达到了预期的设计要求。 关键词：电子提花机；控制系统；嵌入式；l i n u x ：m i n i g u i 浙江理i 人学硕士学位论文 d e s g i n o fe l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n df o rs m a l l 一b a t c ha n dm u l t i p l et y p e so fj a c q u a r df a b r i c s i n c r e a s i n g ，t h en u m b e r so fe l e c t r o n i cj a c q u a r dw e a v ed e v i c e sa n di t st y p e s h a v eb e e nr i s i n g t h u st h ee l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n e sp e r f o r m a n c ea n d a d a p t a b i i i t yn e e dah i g h e rr e q u e s t u s e i n ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa n d t h eh i g h p e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o r sr e a l i z ec o n t r o lo fj a c q u a r dd e v i c e i sa nm a i nt r e n do fe l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t i nt h i s p a p e rv i aa n a l y z i n gs e v e r a ld o m e s t i ce l e c t r o n i cj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m d e s i g n ，t h ew r i t e rc h o o s e sa t m e lc o r p o r a t i o n sa t 9 1 r m 9 2 0 0a sc o r ec p u ， s e l e c t so p e ns o u r c ef r e e e m b e d d e dl i n u xa st h ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m a n dt h ec o n t r o ls y s t e mf r a m e w o r ki sc o r eb o a r da d d i n gt h em o t h e r b o a r d ， t h ec o r eb o a r du s e sh u a h e n gl t d sh h a r m 9 2 0 0 ，t h em o t h e rb o a r di s m a d eo ft h ec o r eb o a r df u n c t i o n s ，i n c l u d eu a r t ，n e t w o r k s ，u s b ，l c dl i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ，t o u c hs c r e e n ，d a t ao u t p u t ，e i g h tc o l o r sc h o o s e s ，i n p u to r o u t p u ts i g n a l ，e t c 。u a r ti st h es y s t e md e b u g g i n gs p e c i a l p u r p o s em o d u l e ： t h en e t w o r km o d u l ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e b u g g i n g ，a l s om e e ta n e t w o r kd e m a n do fj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m h u m a n e ri n t e r f a c eu s e st h e c o l o r e di i q u i dc r y s t a ls c r e e na n dt h et o u c hs c r e e nt oe a s yo p e r a t i o n d a t a c a nb es t o r e db yu s bo rn e t w o r k s t h ed e sig np l a nr e s e r v e ds o m e1 0 st o r e q u e s to ft h es p e c i a lm a c h i n e ， e s t a b l i s h e de m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t p o r t e de m b e d d e d l i n u xk e r n e l ，u s e du b o o ta sb o o t l o a d e ro fe m b e d d e dl i n u x r o o tf i l e s y s t e m u s e dr a md i s k ，n f s ，j f f s 2 r a md i s kw a sn o ts a v et h ed a t aw h e np o w e ro f f ，i t c a nm a k es y s t e mt os t a b l et h a tu s er a md i s ka sr o o tf i l e s y s t e m e m b e d d e d l i n u x ss h e l lu s e db u s y b o x t h isa r t jc l ejn t r o d u e e st h ed e v ie ed r i v e ri nt h ef o u r t h 浙江理- i ：人学硕十学位论文 c h a p t e r h u m a n e ri n t e r f a c eh s e sm i n i g u ig r a p h i c ss y s t e m a p p l i c a t i o nu s e s m o d u l a rd e s i g nb a s eo nm i n i g u it of a c i l i t a r et h ee x p a n s i o n t h ；s o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a sc a r r i e do nt h es y s t e md e b u g g i n gi nt h e l a b o r a t o r y ，i tm e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n e ：c o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e d s y s t e m ；l i n u x ：m i n i g u i i i j 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及 成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：伊叩年3 月刀曰 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密。 学位论文作者签名：承建z 指导教师签名： 闩期：弘矿7 年；月7 日 葳豫b - r 期：叩年；月7 r 浙江理j ，人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 电子提花机发展历史 提花织物有着非常悠久的历史，在计算机控制技术没有采用以前，需要耗费 大量人力物力。随着计算机技术的出现，人们自然而然的将计算机技术与提花技 术结合在一起，这样既能降低成本，又能节约时间。 国内外在电子提花技术方面主要的技术路线有两种：一是研究直接提花的电 子笼头：二是研究间接提花的电子花版。直接提花的电子笼头摒弃了传统的由提 花花版控制的机械提花装置，从整体上安排电气控制、电磁选针机构、穿吊及提 综装置。其特点是能适应高速提花织机的要求，但对选针机构以及提综运动装置 的材质要求高，加工技术难度大。间接提花的电子花版利用了传统织机机械笼头 中基于横针、竖针的提花机构，由花型信息控制电子花版纹针孔的丌闭决定是否 推动横针横移，并控制竖针是否由提刀提起，它与直接提花的电子提花笼头相比， 具有低成本、低能耗且适合我国传统提花织机等特点。 电子提花机结合了现代电子技术和电磁原理，配合简单的机械结构实现了高 速无纹版提花。目前世界上生产电子提花机的厂家主要有英国的b o n a s 、瑞士 s t a u b l i 、德国6 r ，s s 公司。他们采用微处理器束控制电磁选针机构，开口采 用v 形复动式清晰梭口，具有结构简单、速度高的特点。”1 1 1 2 国内常见的电子提花机控制系统方案 早期的提花机控制系统大都是采用单片机( 如：5 l 系列) 来控制，随着时 代的发展，这种技术已经慢慢的破淘汰。现在，大部分厂家都采用了p c i 0 4 来 控制。操作系统方面，采用d o s 操作系统的居多，高档次机器采用q n x 、w i n c e 等嵌入式操作系统。 1 2 18 1 6 位单片机控制方案 这是一种比较早的控制方式，其性能因本身的c p u 限制变得非常有限，现在 基本上较少采用，很多以前用这种控制方式的都在逐渐向p c 1 0 4 和嵌入式系统 过渡。 1 2 2p c 1 0 4 控制方案 这是一种比较普遍的控制方式，性能较单片机控制有了很大的提高。目 浙江理f ：入学硕十学位论文 前，国内比较成熟的系统的控制方案是采用p c i 0 4 加上操作系统的的方式。t l 前，大部分操作系统还是采用d o s 这种古老的操作系统，如，江苏的常熟纺织 机械厂和杭州的奇汇电子提花机有限公司的提花机控制都采用的p c i 0 4 + d o s 的 方式。但这种方式由于d o s 操作系统本身功能的限制，只能实现最基本的提花 功能。在花型存储、图形界面、网络等方面不能有质的飞跃。采用这种方案的很 多提花机的花型的传输还得靠软盘这种古老的方式来实现。图形界面单调。要实 现网络、u s b 等功能也是非常困难的。 介于d o s 操作系统本身的弱点，于是就引入嵌入式操作系统来代替d o s 操 作系统。目前，用的比较好的嵌入式系统是q n x ，由于q n x 本身就是针对x 8 6 体系而丌发的( 后来才移植到其它c p u 体系下) ，在p c i 0 4 上从d o s 过渡到 q n x 也就顺理成章了。而且q n x 优秀的实时性能和高效的网络以及图形功能都 比d o s 有了质的飞跃。目前采用这种方案的有烟台宋和宋科学技术应用工程有 限责任公司。但是这种方案中的q n x 成本高，使得整个系统的成本急剧升高。 而且q n x 到目前为止中文资料还是相对缺乏。 另外，嵌入式操作系统还有采用w i nc e 的，即p c i 0 4 + w i nc e 。有过 w i n d o w s 编程经验的人能很容易的转到微软w i nc e 下面，w i nc e 开发工具、 资料齐全。但它到目前为止，w i n c e 还不能实现硬实时。目前，一些厂商在这 方面也正在进行一些尝试。 以上分析的是操作系统层面，而p c i 0 4 本身扩展性就不够，丌发的弹性有 限，添加新的功能比较困难。p c i 0 4 本身的成本比较高，而且目前电子技术的快 速发展，也不能保证指定的一块p c i 0 4 能够长期供货。 1 2 3 嵌入式系统控制方案 采用这种方案跟目前嵌入式系统的发展离不开。目阿，芯片技术快速发展， 一块芯片的功能可以跟过去的一块板子相比。采用这种方案的可选择性非常大， 单核心的c p u 芯片就有上千种，而根掘某一种芯片又可以选择很多种操作系统。 这样，就使得系统的弹性变得很大，而且后期成本也变得很低( 不包含前期开发 成本) ，这种方法还有一个优点就是整个系统的可移植性非常好，在不需要进行 很大的改变的情况下可以把整个系统轻松的移植到另一个控制对象里。 浙丑l 理【：人学硕十学位论文 1 3 本课题的研究内容和研究意义 目前提花机控制系统的现状是：8 1 6 位单片机方案基本上属于淘汰的方案， 本课题不予以考虑。p c i 0 4 性能上虽然可以满足要求，但是p c i 0 4 的可扩展比 较差，而且p c i 0 4 的主板以及周边的些元器件的货源现在也比较难找。p c i 0 4 板子本身的成本就比较高。另外，假设使用p c i 0 4 ，那么与之相相配套的目前比 较成熟的操作系统是d o s 和q n x ，d o s 功能上跟不上要求，q n x 的成本非常 高。采用这种方案也不是很合适。 最后是嵌入式方案，这种方案克服了p c i 0 4 的可扩展性问题和成本问题。 而且，嵌入式操作系统也很多，选择余地也很大。但同时也正因为如此，如何选 择也就成了一个问题。 目前，3 2 位r i s c 处理器快速的发展，其中以a r m 最为迅猛，a r m 已经 占据了3 2 位嵌入式市场的7 5 的市场份额，而且生产a r m 芯片的厂家全球有 上百家，而且价格也比较低廉。本课题选用的a r m 芯片是a t m e l 公司的工业 级别的a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片，a t 9 l r m 9 2 0 0 是基于a 砌诅9 核心的，带有m m u ， 因此能够支持大部分主流的嵌入式操作系统。 在嵌入式操作系统方面，一些非主流的嵌入式操作系统由于其资料比较匮 乏，稳定性得不到保证，所以只考虑主流的嵌入式操作系统。而国外的一些主流 的商业嵌入式操作系统性能虽然非常的优越，但同时价格却也非常的高，如： v x w o r k s 、q n x 等，它们的价格不足本课题和目的的提花机控制系统所能够承受 的。所以本课题选用了一些丌源的或者费用比较低的主流嵌入式操作系统。其中 目前用的比较多的，而且资料也比较齐全的有w i nc e 、“c o s i i 、嵌入式 l i n u x 等。pc o s i i 属于入门级的嵌入式操作系统，它的系统支持也很有限。 w i nc e 的价格虽然不是很高，但目前的w i nc e 还是属于软实时的嵌入式操作 系统，它在手持设备上用的比较多，而工业上用的还是比较少的。嵌入式l i n u x 是完全开源的，成本较低，对主流硬件和网络的支持也非常地好，内核也非常地 稳定，各类资料也很多。因此最后选定嵌入式l i n u x 作为本课题的嵌入式操作系 统。 另外，采用嵌入式方案的可移植性和扩展性非常的好，使得本课题的控制系 统能够成为一种通用的提花机控制系统成为一种可能，而且能够方便的移植到其 浙江理t ：大学硕士学侍论文 它的纺织机械的控制系统上，这也是采用嵌入式控制系统方案的一个很大的优 点。 所以最后，本课题确定电子提花机的控制方案是采用a r m 9 + 嵌入式l i n u x ， 这种方案有如下的优点： 能够实现高速提花 后期产品成本很低 系统的移植性好 当然，这个系统的缺点就是采用了嵌入式l i n u x 后前期丌发难度大，如果不 加实时补丁，嵌入式l i n u x 缺乏强实时的支持。 本课题研究的内容就是在a r m 上构建嵌入式l i n u x 。本文下面的篇章将详 细介绍基于嵌入式l i n u x 的嵌入式提花机控制系统的实现方式。第二章介绍硬件 的选择以及电路的设计。第三章主要介绍嵌入式l i n u x 的移植以及文件系统、 b o o t l o a d e r 的实现。第四章介绍驱动程序的实现。第五章介绍m h d g u i 图形系统 以及应用程序的设计。第六章是总结和展望。 浙江理i ：人学硕十学位论文 第二章基于a r m 9 的嵌入式电子提花机控制系统硬件设计 2 1 电子提花机控制系统的原理与方案 提花织物的图案主要是由经纱的提升与不提升的不同组合而获得。高速电子 提花机利用电磁力选针，再用机械力提升经纱，两者共同来完成开口过程。参考 图2 1 。 4 l 一电磁阀 2 一左选片钩 3 一右选片钩 4 一凸台 5 一提刀 6 一滑轮 7 一综丝 8 一固定架 9 一纱线 1 0 一弹性刚综 图2 1 提花机经纱提升原理 图2 1 中左右提刀5 在提综机构的带动下，始终做反方向的上下往复运动。 当提刀5 带动选片钩2 、3 上升到电磁阀1 的作用范围内时： 1 若电磁阀1 吸选片钩2 ，则当提刀下降时，选片钩停在上面的位胃，而由 于相对的另一把提刀刚好带着选片钩3 向上运动，选片钩3 通过滑轮6 提升综丝； 2 而若电磁阀1 不吸选片钩2 ，则选片钩在回综弹簧的作用下随着提刀一起 下降，则综丝不提升。 电子提花机控制系统传送提花数据，通过信号接口，有选择地驱动线圈使相 应的电磁阀1 吸合并控制吸合时间，这样控制系统输出的信号经过提综机构的转 浙江理1 人学硕十学位论文 换，提升相应的经纱而形成相应的梭口。 以上分析可知：电磁阀吸，则经纱提升；电磁阀不吸，则经纱不提升。电磁 阀吸和不吸，何时吸等是由控制系统束完成的4 羽。控制器发送信号“1 ”，则电 磁阀吸，则经纱提升。控制器发送信号“0 ”，则电磁阀不吸，则经纱不提升。控 制器何时发送“0 ”、“1 ”由花型文件来决定。所以，花型文件决定了最后的图案， 参考表2 1 ，表中只列出花型文件中自i8 纬和前1 l 针的数据，该表清楚的显示了 花型文件与最后花型的对照关系。表2 1 中只列举了一种颜色，实际生产中，每 一纬有几种颜色可供选择，一般是8 种，所以也叫八色选纬。另外，还要根据同 步器的信息要确定何时开启电磁阀。为了适应一些特殊机型的情况，预留了一些 备用的i o 。 除了上面接口模块外，控制系统还必须育电源模块、显示模块、输入模块。 另外网络模块、u s b 模块、串口模块作为扩展模块。控制方案实现的功能如下 表2 2 。 表2 1 花型文件中的数据与图案的关系 纬纱 经纱数据 j 予号 宁符图案 1234567891 01 1 80o00o1111o0。# 群撑撑 7000o0111111群撑撑# # 聋 6 11 11100o0 11 撑# # # # # 群 50000011111撑孝孝撑社群 4 oooo011 11 00鼻撑彝群 3 o111111100o# # 并撑群群撑 211111o o o011撑# # # # 群# 1111 1 1 0o 0 0oo群# _ 苹# 嚣 表2 2 控制系统要实现的功能 功能模块重要性备注 花犁输出模块必需 八色选纬必需 同步信号输入模块必需 其它接口i o 信号模块必需包含开机芙机筲信号 预留的i o 信号横块必需针对不同机器信号预留的信号 浙江理_ | i 大学硕十学位论文 电源模块必需 显示模块必需 输入模块 必需 采剧触摸厨 网络模块可选 u s b 模块可选代替软盘 串口模块可选调试必需的模块 2 2 嵌入式操作系统简介与选择 依掘英国电机工程师协会的定义：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机 器或甚至工厂运作的装置。它是一种电脑软体与硬体的综合体，且特别强调量身 定做的原则，也就是基于某一种特殊用途。嵌入式系统一般是由硬件系统、操作 系统和应用软件组成。 硬件系统由嵌入式处理器及各种外围接口电路构成。嵌入式处理器是硬件系 统的核，d ，主要分为四类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式d s p ，嵌 入式片上系统( s o c ) 。外围电路包括r o m f l a s h 、r a m 以及各种接口如u s b ，h a r t ， p c m c i a ，p c i ，s p i ，e t h e r n e t 等。7 1 随着嵌入式系统功能和结构的多样化和复杂化，传统的阿后台控制已经不能 很好地满足系统要求，需要引入嵌入式操作系统对系统软硬件资源进行合理、高 效的分配和管理。 目前世界上有许多嵌入式操作系统开发商，约有2 0 0 余中嵌入式实时操作系 统提供设计者选择，常见的嵌入式操作系统主要有：v x w o r k s 、o n x 、p a l mo s 、 w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 、i jc o s 、uc 0 s i i 、p s o s 等。 p s o s 提供了一个基于开放系统标准的、彻底的多任务环境，是一个模块化、 高性能、完全可扩展的实时操作系统，专为嵌入式处理器设计。它包含单处理器 支持模块、多处理器支持模块、文件管理器模块、t c p i p 通信包、流式通信模 块、图形界面、j a v a 、h t t p 等。p s o s 系统不和硬件发生丝毫关系。用户在配冒 表中定义应用程序环境和相关硬件。 v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司推出的实时、多任务操作系统，是目前应用最广 泛、市场占有率最高的商业操作系统，能够支持p o w e r p c 、6 8 k 、s p a r c 、x 8 6 、 m i p s 等多种c p u ，也支持r i s c 、d s p 技术。v x w o r k s 主要应用于卫星通信设备、 浙江理l 人学硕十学位论文 航天飞行器、军事设备等对稳定性、可靠性要求极高的系统中，由于价格昂贵、 系统成本高，低端产品很少采用。其主要特点是具有良好的稳定性、实时性、可 靠性、可裁减性，组成部分包括内核、进程管理、存储管理、设备管理、文件系 统管理、网络协议和系统应用程序等。”1 q n x 是加拿大q n x 软件系统有限公司的产品，是典型的商业化分布式实时操 作系统。o n x 的主要特点是伸缩性和实时性。由于设计时着力于缩短中断延迟和 上下文切换延迟，所以有很好的实时性。目前，o n x 支持的处理器有x 8 6 、p o w e r p c 、 m i p s 、s h 4 、a r m 、s t r o n g a r m 等芯片。q n x 是一种基于客户机服务器结构的操作 系统，由核心服务程序和可选的协同进程( 文件系统管理器、进程管理器、设备 管理器和网络管理器) 组成。它的核心服务程序功能由微内核实现，如线程管理、 消息传递、任务同步和调度、时钟服务等；协同进程管理作为服务进程，以响应 客户进程操作。q n x 支持多种任务调度方式，如f i f o 调度、时间片轮转调度、 自适应调度及偶发调度，最多可支持4 0 9 5 个进程。q n x 采用了消息传递柬实现 进程间通信。内核只完成最基本的消息传送和调度控制功能，其它的重要功能都 通过一组系统进程来实现。至于实际的应用程序，则作为普通的用户迸程束执行。 q n x 的设备驱动程序也是作为标准进程来实现的。同时，q n x 还提供了一个名为 p h o t o n 的系统束实现嵌入式系统的图形系统。 p a l m ( h t t p ：w w w p a l m c o m ) 是3 c o m 公司出品的目前非常流行的1 种手持式 设备( p d a ) 上的操作系统，p a l m 是专门为手持计算领域设计的一个操作系统。 p a l m 拥有一个提供基本任务管理的抢占式的多任务管理内核。存储器管理引入 了虚拟文件系统a p i 接口束管理相当于外存的部分存储器。用户接口程序外壳负 责管理正在运行的用户接口程序。”1 w i n d o w sc e 是微软公司推出的3 2 位嵌入式操作系统，特点是歼发环境全面， 模块化，具有实时性能、多媒体能力、网络和通信支持、高级应用程序服务、很 好的硬件支持和定制的图形设备界面。w i n d o w sc e 支持包括x 8 6 、s h 3 4 、 a r m s t r o n ga r m 、p o w e r p c 和m i p s 体系结构的3 2 位c p u 等在内的多个处理器系 列，并为支持的处理器系列提供完整的系统库。w i n d o w sc e 的组成部分主要有4 个模块：内核模块，对象存储模块，图形、窗口和事件子系统以及通信模块。内 核负责内存管理、进程管理以及特定文件管理等功能，还管理虚拟内存、调度、 浙江理l 大学硕士学位论文 多重任务处理及意外处理等。通信组件提供对下列通信硬件和数掘协议的支持： 串行i o 支持、远程访问服务、传输控制协议、局域网、电话技术a p i 、无线服 务。“ 。 pc o s 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 开发的实时嵌入式操作系统，它只是 一个实时操作系统的内核，全部核心代码只有8 3 k b ，只包含了进程调度、时钟 管理、内存管理和进程问的通信与同步等基本功能，没有包含i o 管理、文件系 统、网络等。其进程调度是按抢占式多任务系统设计的，它总是执行处于就绪队 列中的优先级最高的任务。系统可同时管理6 4 个任务，每个任务对应一个优先 级，其中4 个优先级最高的任务和4 个优先级最低任务为系统保留，其余5 6 个 供应用程序支配。优先级可作为任务的标识符，供系统调用。内存管理采用按区 分配读的方式，将系统内存分为多个区，各个区又分成大小相同的内存块，而不 同的内存区的内存块大小不同。应用程序可以根据需要选择不同的内存块或内存 块组合。1 l i n u x 于1 9 9 1 年诞生于芬兰，它是一个和u n i x 相似、以核心为基础的，完 全内存保护、多任务多进程的操作系统。l i n u x 是自由的操作系统，它的软件资 源丰富，。它的内核非常稳定，小巧灵活，易于裁剪。l if l u x 支持多几乎所有的 嵌入式处理器体系，如x 8 6 、a 聊、m i p s 、a l p h a 、s h 、p o w e r p c 和s p a r c 等等， 具备完善的网络通信、图形、文件管理机制。l j n u x 的驱动非常丰富，有着完整 的丌发工具链和i d e ，其中很多是免费的。“。嵌入式l i n u x 操作系统在本质e 和普通的l i n u x 操作系统是样的。我们通常接触到的l i n u x 操作系统运行在 p c 平台上，我们把它当成办公电脑、开发工作站，甚至服务器使用。运行在各 种嵌入式硬件平台上的嵌入式l i n u x ，和运行在p c 上的m n u x 操作系统，本 质上一模一样，只是前者的运行环境没有后者好。比如c p u 运算能力不强、存 储空间不大、和用户交互的方式不同等等。因此，我们可以将嵌入式l i n u x 操 作系统看成一种定制后的l i n u x 操作系统。我们知道，l i n u x 操作系统是一种 高级的3 2 位操作系统，具有现代操作系统的许多高级特性，比如多进程支持、 虚拟内存等等。这些特性的获得，通常需要得到硬件尤其是c p u 的支持。比如 虚拟内存，它能够让系统中运行的进程具有独立的、互不干扰的地址空间，而这 需要内存管理单元( m m u ) 的帮助才能做到。因为嵌入式l i f l u x 派生自通用操作 浙江理j 。人学硕士学付论文 系统，因此，基于嵌入式l i n u x 的开发和普通p c 上的应用程序丌发类似。嵌 入式l i n u x 有着非常丰富的软件资料，由于它与普通的l i n u x 运行环境相同，所 以应用程序可以先在p c 上丌发和测试，然后再到最终的硬件板上进行测试。“” 由于嵌入式l i n u x 是从通用的l i n u x 裁剪而来的，其实时性能不够，如果要强实 时性能，必须加上实时补丁。而近年来，随着自由软件的蓬勃发展，嵌入式l i n u x 操作系统越来越受刀= 发者欢迎，出现大量的基于l i n u x 的嵌入式系统内核，如 r t l i n u x ，u c l i n u x ，h a r d h a t l i n u x 等。【i 由以上可知，嵌入式在开发资源、资料的丰富性上有着一定的优势，成本低， 而且现在很多歼发板都是采用嵌入式l i n u x 的，这样会有很多的现成软件可用， 但如果要强实时性能，嵌入式l i n u x 还要实时补丁的支持。经过最后的考虑，决 定嵌入式操作系统还是采用嵌入式l i n u x 。 2 3 嵌入式电子提花机控制系统核心处理器的选择 目前市场上的嵌入式处理器架构类型主要有a r m 、x s c n e 、m p i s 、s u p e r h 、 p o w e r p c 等等。在3 2 位嵌入式领域，来自英国的a r m 占据高达7 5 0 的市场份 额，a r m 是目前市场上非常流行的架构，它目前有a r m 7 系列、a r m 9 系列、 a r m l 0 系列、a r m l l 系列。 x s c n e 架构其实是a r m 架构下的一种系列，9 0 年代，d e c ( d i 百t a le q u i p m e n t c o r p ) 向a r m 公司取得处理器架构的技术授权后，自行设计研发出s t r o n g a r m 手持式处理器。1 9 9 8 年d e c 正式宣布破产，其半导体设计部门由d e c 出售给 i n t e l 。i n t e r 取得s t r o n g a r m 研发权后，对其进一步的发展，在2 0 0 0 年发展成为 x s c a l e 结构，i n t e r 以此架构衍生出了p x a 系列、c 系列、i x p 系列等等处理 器，其中以p x a 系列使用最多，如p x a 2 5 x 、p x a 2 6 x 、p x a 2 7 x 等。 m i p s 的历史非常悠久，于1 9 8 4 年创立，后来也跟a r m 一样成为了一家知 识产权( 婵) 提供商。现在m i p s 以及有数百种3 2 位、6 4 位的c p u 产品皓j 。 s u p e r h ( 简称：s h ) 最早是由闩本r 立( h i t a c h i ) 开发，后来独立出来成 立了s u p e r h 公司，独立出来的s u p e r h 与a r m 、m i p s 一样采用了口授权为主 业务，s u p e r h 经历了s h 一1 、s h 一2 、s h 一3 、s h 一4 、s h 一5 ，其中从s h 一3 开始支持m m u 。 p o w e rp c 由i b m 、m o t o r o l a 和a p p l e 联合丌发的高性能3 2 位和6 4 位r i s c 浙江理1 ：大学硕七学位论文 微处理器系列。p o w e r p c 微处理器1 9 9 4 年推出。因此，基于p o w e r p c 的计算机通 过在p o w e r p c 上运行一个特殊程序就可运行d o s 或传统的m a c i n t o s h 软件，这种 特殊程序可分别识别和执行8 0 3 8 6 或6 8 0 3 0 c p u 的机器指令。后来也加入了d 技术授权行列。 m i p s 、s h 、p o w e rp c 能够在3 2 位与6 4 位之间平稳过渡。而a r m 芯片具 有产品丰富、性能优越、功耗低、可用资源较多等优点，先前选定了嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统，c p u 需要带m m u 。所以本课题的嵌入式提花机控制系统 采用了a r m 9 架构的c p u 。具体采用什么a r m 芯片，将在下一节讲到。 2 4a r m 9 处理器 2 4 1a r m 处理器概述 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是知识产权( 口) 供应商，本身 不生产芯片，靠转让设计许可，由其合作伙伴公司束生产各式各样的芯片。目前， a r m 公司的全球合作伙伴公司有1 0 0 多家，其中包括大部分半导体制造产商， 如：i n t e l 、s a m s u n g 、a t m e l 等等，各个半导体制造产商根据a r m 核设计出各 种各样的a r m 芯片，可以根据需求选择对应的芯片，基于a r m 技术的处理器 应用约占掘了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎己经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器：占片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位只益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 浙江理工_ 大学硕十学位论文 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。“” 2 4 2a r m 处理器分类 a r m 处理器当前有6 个系列产品a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l o e ，s e c u r c o r e 以及最新的系列a r m l1 。a r m i o 以上的处理器属于较新的产品，市场上相应的芯 片还很少，而且其软件支持还没到位。a r m 7 一般不带m m u ，而提花机控制系统要 一个带m m u 的芯片，所以，a r m 7 也不给予考虑。最后选定a r m 9 系列。由于电子 提花机属于工控行业，它的核心c p u 还要是工业级别的。最后，确定为a t m e l 公司的工业级产品a t 9 i r m 9 2 0 0 。 2 4 3a t 9 1 r m 9 2 0 0 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司完全围绕a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器构建的系统。 它有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计 算机应用提供一个单片解决方案。a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及 一个低等待时问的外部总线接口( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部 存储器映射外设配冒的无缝连接。e b i 有同步d r a m ( s d r a ) 、b u r s tf l a s h 及 静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与s m a r tm e d i a 、c o m p a c tf l a s h 及n a n df 1 a s h 连接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传 输时间柬提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数掘控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d a 通道，使其与片内或片 外存储器传输数掘时不用经过处理器。这就减少了传输连续数掘流时处理器的j r 销。包含双指针的p d c 控制器极大的简化了a t 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器链接。 并行i o ( p t o ) 控制器与作为通用数掘的i o 复用外设输入输出口 线，以最大程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、丌漏 能力及可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种 外设束使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器束提供包括慢时钟 ( 3 2k h z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及与 多数外设和在网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e t 以太网媒体访问控制器 浙江理j ：大学硕士学位论文 ( m a c ) 。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡 红外线及智能卡中使用。 为完善性能，a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了包括j t a g i c e 、专门u a r t 调试通道 ( d b g u ) 及嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能。这些助能使得丌发、调试所 有的应用特别是受实时性限制的应用成为可能，而且变得方便。7 3 2 5 电子提花机的嵌入式控制系统设计 确定嵌入式操作系统和处理器后，对电子提花机控制系统设计方案进行规 划。硬件上，采用了a t m e l 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为c p u ，其频率达到1 8 0 m h z 。存储 系统采用1 6 mn o rf l a s h 和6 4 mr a m ，f l a s h 用来存储程序和花型数据，除去嵌 入式l i n u x 系统必要数掘和应用程序的数据后，大约可以剩下最多i o m 的数据来 存储花型文件，即一个花型文件最大大约可以是i o m 。6 4 m 的内存远远可以满足 嵌入式l i n u x 性能的要求。另外，系统还扩展了串口、以太网、u s b 等常用接口， 来满足调试、联网和数掘拷贝等需求。提花机控制系统的人机界面方面采用大屏 幕的液晶屏和触摸屏。提花机的接口方面，花型输出采用一个差分驱动。还要留 出i o 口来接收两路同步器信号输入、倒车、慢车、开车等信号的输入，以及输 出停机、丌机、八色选纬等信号。另外还扩展了多个输入输出端口来满足阻后扩 展和移植的需要。 软件上，由于嵌入式操作系统采用了基于a r m 的嵌入式1 i n u x ，因此要根据 此系统设计它的b o o t l o a d e r 和文件系统( r a m d i s k 、j f f s 2 等) ，文件系统要包 含c 函数库和图形库。有了文件系统，系统就能够初步的运行了，在此基础上， 开发特定的驱动程序，包括各种i o 接口、触摸屏等。最后应用系统的图形系统 采用面向实时的m i n i g u i 。 整个系统示意图如图2 2 浙江理t 人学硕十学位论文 i应用稃芹 i驱动秆序c 函数库图形库 嵌入式l i n u x ii i n u xk e r n e i 图2 2 系统总框图 2 6 电子提