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基于嵌入式的提花织袜机控制器的设计 摘要 电脑织袜机发展迅速，目前国外主要以织袜机整机供应国内市场，不单独 提供高水平的控制器给国内厂家配套，致使国产织袜机在技术含量和价格上与 进口产品存在较大差距。本文提出了一种基于嵌入式的提花织袜机控制器设计 方案，主要的研究工作和成果如下： 1 结合$ 3 c 2 4 1 0 x 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的性能特点和织袜机的构建原理和 功能要求，制定了系统的总体设计方案和具体实现方法，设计了系统的部分硬 件电路和软件体系结构。 2 建立了a r m 的l i n u x 交叉编译环境和d s p 的c c s 开发环境共存的系统 开发环境，为系统各个功能模块的实现提供了有效的软件平台。 3 在分析a r m 嵌入式l i n u x 系统软件结构的基础上，介绍了l i n u x 操作系 统在$ 3 c 2 4 10 x 处理器上的移植过程，包括引导加载程序b o o t l o a d e r 的设计实 现、l i n u x 内核的移植、根文件系统的建立，并介绍了图形用户界面系统m i n i g u i 在l i n u x 操作系统上移植方法，讲述了m i n i g u i 界面程序的开发流程。 4 设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的针筒主轴伺服控制系统，采用基于空间 电压p w m 的矢量控制技术控制针筒主轴电机，给出了s v p w m 的具体算法及 其在t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上的硬件实现。 关键词：嵌入式系统电脑织袜机 m i n i g u i伺服控制 d e s i g no fc o m p u t e rh o s i e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e m b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t t h ec o m p u t e rh o s i e r ym a c h i n ei sd e v e l o p i n gr a p i d l y a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cf a c t o r y c a np u r c h a s eh o s i e r ym a c h i n ef r o mo v e r s e a s ，b u tw ec a n n o tg e th i g hl e v e lc o n t r o l l e r t h e d o m e s t i ch o s i e r ym a c h i n ep r o d u c t se x i s tb i gd i s p a r i t yw i t ht h ei m p o r t e dp r o d u c t si n t e c h n i q u ec o n t e n ta n dp r i c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dak i n do fja c q u a r dh o s i e r ym a c h i n e c o n t r o l l e rd e s i g np r o p o s a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n d a c h i e v e m e n ta r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，w i t ht h ef e a t u r e so f $ 3 c 2 4 10 xa n dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，a n d 谢t h t h ec o n s t r u c t p r i n c i p l ea n df u n c t i o nr e q u e s to fh o s i e r ym a c h i n e ，w ef o r m u l a t e dt h ew h i l ed e s i g np r o p o s a l o ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n c r e t em e t h o dt or e a l i z ei t ，a n dd e s i g n e dt h es y s t e m sp a r t i a l h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e s e c o n d l y ，t h es y s t e m s c o e x i s t e n te n v i r o n m e n to fa r ml i n u xc r o s sc o m p i l e e n v i r o n m e n ta n dd s p c c sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw a sc o n s t r u c t e d ，w h i c hp r o v i d e sa n e f f e c t i v es o f t w a r ep l a t f o r mf o re a c hf u n c t i o nm o d u l eo ft h es y s t e m t h i r d l y ，a f t e ra n a l y z e dt h el i n u xs y s t e m ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，w ei n 仃o d u c e dt h e t r a n s p l a n tp r o c e s so f l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt o $ 3 c 2 4 1 0 xp r o c e s s o r ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no fl i n u xg u i d el o a d i n gp r o g r a mb o o t l o a d e r ，t h et r a n s p l a n to fl i n u xk e m e l ， a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fr o o tf i l es y s t e m a sw h i l e ，t h et r a n s p l a n to fm i n i g u ig r a p h i c s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n tf l o wo fm i n i g u ii n t e r f a c ep r o g r a ma r ei n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h em a i n a x i ss e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw a sd e s i g n e d ， a n dt h es p a c ev o l t a g ep w mv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e dt oc o n t r o lt h em a i na x i s m o t o r ，t h e nw eg a v eo u tt h ec o n c r e t ea l g o r i t h mo fs v p w ma n dh a r d w a r er e a l i z a t i o no n t m $ 3 2 0 l ，f 2 4 0 7 a k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；c o m p u t e rh o s i e r ym a c h i n e ；m i n i g u i ；s e r v o - c o n t r o l 图表清单 图2 1 袜机提花机构原理图4 图2 2 控制系统构成5 图2 3 控制器系统总体设计6 图3 1 系统电源设计1 0 图3 2 系统复位电路1 0 图3 3u s b 模块1 2 图3 4s r a m 电路设计1 3 图3 5n a n df l a s h 电路设计1 3 图3 6l c d 电路设计1 4 图3 7a d s 7 8 4 6 内部结构图1 5 图3 8 触摸屏模块1 5 图3 9 网络模块1 6 图3 1 0 串口通讯硬件电路1 7 图3 11j t a g 调试模块硬件电路18 图3 1 2 伺服控制系统硬件框图1 8 图3 1 3 选针驱动电路设计1 9 图3 1 4 通信单元1 9 图4 1 开发环境示意图2 1 图4 2 嵌入式l i n u x 系统软件分层2 3 图4 3f l a s h 空间分配图2 4 图4 4b o o t l o a d e r 启动流程2 5 图4 5m i n i g u i 配置界面3 7 图4 6c c s 2 0 0 0 安装界面小3 8 图4 7c c s 开发环境界面3 8 图4 8c c s 开发流程3 9 图5 1 应用软件需求框架4 0 图5 2 主控制部分流程图。4 1 图5 3m i n i g u i 的分层体系结构4 3 图5 4 图形用户界面的开发流程图4 3 图5 5p m s m 矢量控制原理框图。4 8 图5 6 矢量控制系统流程图4 9 图5 7 空间电压矢量分布5 0 图5 8s v p w m 算法流程5 2 表5 1 不同扇区对应的t 1 、t 2 值5 1 表5 2 不同扇区对应的切换点5 1 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及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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 明确的说明并表示谢意。 一虢叫魄 签字日期：弘加7 年名月，石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日里王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒g 墨王些太堂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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 劫玩 1 签字日期：渺7 年年月厂莎日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 刮春 f 签字日期：猁7 ) 年争月f 日 电话： 邮编： 致谢 近三年的研究生生活即将结束，这三年是我人生转变的重要时期，其间有 快乐，有伤悲，最重要的还是心灵上成长和专业知识的增长，人生就是这样不 断成长和蜕变的过程。研究生阶段中，在工作、生活的各个方面我都受益非浅， 除了自己的努力，更多的是来自老师、家人和朋友的支持与帮助。 首先感谢我的导师刘春副教授，刘老师不仅在学术上给了我悉心的指导， 更在生活上给了我无微不至的关怀。刘老师渊博的知识、丰富的实践经验、严 谨的治学态度和积极的人生观都深深的影响了我，激励着我不畏困难、永远向 1 日o 特别感谢鲁昌华教授。鲁老师亲自参加和领导了课题的研究工作，付出了 大量心血，并为课题提供了良好的科研环境。 感谢8 0 3 实验室的王强、李姜姜、杨铸、陶磊、利新琴、冯纪归、汪淳、 王远兵等同学。几年的学习生活中，我们互相帮助，相处的很愉快。同时，在 对本课题的研究和撰写中，他们在许多问题上给我提出了宝贵的意见，感谢他 们对我的无私的帮助。 感谢李卫国、张超等，我们曾经是最好的室友，你们也是我最好的朋友， 谢谢你们一直以来对我的默默支持，谢谢你们在我困难时候对我心灵的关怀。 最后，我要感谢我的父母和我的姐姐和关心我的每一位亲人，多年来你们 一直站在我的身后支持我，我们相互扶持面对生活的风雨，在最寒冷的时候互 相取暖。感谢父母对我的含辛茹苦的抚养，我身上所有的闪光点都来自你们的 谆谆教导，感谢我的姐姐，感谢你们多年来对我的照顾和包容，感谢所有爱我 的人。 作者：刘长柱 2 0 0 9 年3 月 1 1 研究背景 1 1 1 嵌入式系统简介 第一章绪论 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， 适合于应用系统，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4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制，监控或管理等目标【lj 。 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算 机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件 层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制 命令，执行所规定的操作或任务1 2 j 。 任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面，嵌入式系统硬件的核心是嵌 入式微处理器，嵌入式微处理器有各种不同的体系，其中主流的体系有a r m 、 m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 和s h 等。嵌入式系统软件的核心是嵌入式操作系统。随 着c p u 和软件技术的发展，嵌入式操作系统也从不支持m m u 到对m m u 的支持。 不支持m m u 的嵌入式操作系统有g c l i n u x 、g c o s i i ，支持m m u 的嵌入式操作 系统有嵌入式l i n u x 、w i n d o w sc e 和e m b e d d e dl i n u x 等。嵌入式微处理器和嵌 入式操作系统的发展决定了嵌入式系统的发展。 嵌入式系统具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、特定应用的。它通常都具有功 耗低、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。 2 嵌入式系统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 具体应用相结合的产物，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。 3 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 随着应用的发展，嵌入式系统涵盖范围和领域越来越广泛，目前，嵌入式 系统己经广泛应用到工业控制、交通管理、能源、通信、科研、医疗卫生、国 防以及日常生活等领域。 1 1 2 电脑织袜机发展现状及趋势【3 j 【4 j 我国是袜子生产大国，2 0 0 5 年出口袜子达到6 7 亿双，全年产量近15 0 亿。 主要产地集中在浙江大唐、义乌、海宁和广东南海里水等地。随着袜业的持续 发展，袜机制造也随之兴旺起来，在江苏、浙江分布着众多的袜机制造厂，不 少是外商直接投资或中外技术合作，大大推进了我国本土生产袜机的技术水平， 这均得益于电子技术的发展和应用。电子技术的应用大大简化了袜机繁杂的机 械结构，降低了袜机加工的复杂性。由于先进的电子元器件及执行机构都能在 国内采购到，同时各种控制软件不断开发，人才不断涌现，因此机电一体化程 度，尤其是电子化程度越高的针织机械，就越容易被掌握并推向市场。目前， 义乌等地的大袜厂装备的都是最先进的罗纳地袜机，少则四五百台，多则几千 台。在产量、质量、功能等方面，国产袜机与其相比还有相当大的差距，但在 中小企业中，还是有一定的市场。国产袜机要达到国外这些资本雄厚、技术领 先的袜机领军企业水平还有很长的路要走。 从近几届中国国际纺织机械展览会( c i t m e ) 我们可以看到，为了适应我国 织袜行业对于电脑织袜机的需求，缩短与国外的差距，国内有一批企业已在电 脑织袜机方面做出了努力。上海针织机械一厂、上海第七纺织机械厂、常熟市 第二针织机械有限公司、绍兴越发公司、北京亚隆公司、浙江金昊机械制造有 限公司等采用了不同方式方法，开发了不同型式的电脑织袜机。其自动化以及 智能化水平已经具有相当高的水平，以北京亚隆公司在2 0 0 6 年中国国际纺织机 械展览会上展出的全电脑单针筒提花织袜机来说，该机型最高机速可达4 0 0 r m i n 。采用w a c 2 8 0 0 控制系统，触摸式l c d 屏，操作简单容易。配有7 个 选针器，2 4 个导纱嘴，单路编织时可以编织2 个主色、1 4 色添纱，双路编织时 可以编织3 个主色、1 2 色添纱。w a c 压电陶瓷选针器为8 级双位，密度调节 采用步进电机控制，花型输入采用u s b 接口，可循环编织1 0 种不同花型的袜 子，机器还具有多种故障检测、停机保护功能。但同时我们还应看到与同时展 出的国外先进机器在智能化以及稳定性上仍具有一定的差距。随着我国电脑织 袜机开发取得更大进展，将会逐步缩小这方面的差距。 今后我国电脑织袜机的发展和提高，首先需继续完善现有产品的自动化程 度，着力提高关键零部件在设计和制造上的精度，解决好关键零部件的专用加 工设备和精密设备以及降低成本，努力掌握和应用好电脑和电器控制部分的制 造或应用技术，抓住机遇，在学习国外先进技术的基础上，投入更多的人力、 物力去研发基于嵌入式处理器的电脑织袜器，跟上国际前沿技术的发展。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于合肥市重点科研项目( 合科 2 0 0 7 ”5 号) 。 从上节提到的电脑织袜机发展现状和趋势我们可以看出，研制具有我国自 主知识产权的电脑织袜机控制系统对提升我国民族织袜行业水平具有重大的现 实意义。 a r m 微处理器极高的处理能力和集成度非常适合作为电脑织袜机控制系 统的主控器，c 2 0 0 0 系列d s p 有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结 构特点，而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备，而 l i n u x 这种开源且近乎免费的操作系统在国内己经发展的非常成熟，这些不仅 能充分满足我们开发新型电脑织袜机控制系统的功能要求，而且能够大大降低 开发难度和开发成本，使得我们能够尽快把满足用户要求的产品推向市场。开 发基于嵌入式的织袜机控制器也有益于带动国内计算机技术以及控制、制造技 术的发展。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要目的是设计一款适用于高性能电脑织袜机控制器的嵌入式系 统平台。主要研究内容是在以3 2 位a r m 处理器为核心构成的上位机硬件平台 上移植稳定可靠的l i n u x 操作系统和文件系统，开发实现相应的应用程序以及 友好的人机交互界面等；在以d s p 处理器为核心构成的下位机硬件平台上实现 选针驱动、电机控制以及同步信号的处理等。根据以上要求本论文做了如下安 排： 第一章首先简要介绍了嵌入式系统的概念，接着对电脑织袜机的发展现状 以及本课题的主要研究工作进行了论述。 第二章在分析了电脑织袜机的基本工作原理和系统需求的基础上比较了目 前存在的各控制方案，提出了本系统整体设计方案。 第三章介绍了控制系统中的主要硬件电路模块的设计，给出了其电路实现 或原理框图。 第四章提出了控制系统应用软件开发环境的总体结构，并对如何建立a r m 和d s p 的开发环境做了介绍。 第五章分析了整个控制系统的软件体系结构，分析了采用m i n i g u i 编写图 形用户界面的方法，介绍了织袜机针筒主轴的伺服电机矢量控制技术与软硬件 实现。 第六章对本文所做的工作进行了总结展望，并对进一步的研究提出了一些 建议。 第二章织袜机控制器总体设计 2 1 织袜机控制系统的基本原理及系统需求 织袜机的提花织袜主要是由一个轴向旋转的针筒和在针筒周围的可由电信 号控制的若干路选针器来完成的。针筒的外缘均匀布有提花织针，每一选针器分 别与一种颜色的纱线对应，当针筒每转过一针时，每一选针器位置上都会相应地 走过一枚织针，而这一织针是否要钩取该种颜色的纱线进行编织，则取决于选针 器此时是处于“o ”控制状态还是“1 ”控制状态。当选针器处于“0 ”状态时织 针钩取该种颜色的纱线编织一针，当选针器处于“1 ”状态时则放弃该种颜色纱 线的编织。因而，当织袜机针筒连续转动走针时，只要织袜机电脑控制系统能与 走针信号同步地输出一组组与袜子图形颜色相对应的o 、1 数据去控制每一路选 针器，即可在袜机上编织出确定的花型图案了。织袜机提花机构的原理框图如图 2 1 所示( 5 】【6 】。 选 u 针 图2 1 袜机提花机构原理图 根据袜机的机械装置和袜子的组织结构，袜机要完成一只袜子的编织，必须 经历橡筋罗口、袜统、后跟、袜底、头跟、剪口等多个编织状态。并且在不同 的编织状态下，袜机的运转状态和提花的配合要求都有所不同，例如：在袜统和 袜底的编织过程中需要提花机构一起参与编织花样图案；在橡筋罗口的编织过 程中，需橡筋输送机构与提花机构共同参与；而在后跟、头跟过程时，袜机应处 于倒顺交替运转状态，不能提花等。因而，袜机的电脑控制主要应在如下的两个 方面进行。 首先，电脑控制系统必须能实时、准确、可靠地检测并跟踪袜机运转的各个 编织过程状态，及时判断并控制编织过程中提花机构、橡筋机构的适时参与或退 出，从而保证袜机的机械运转状态与电脑控制系统同步协调有序地工作，使得织 物从整体结构上符合袜子的要求。 其次，电脑控制系统必须能实时控制袜机提花织袜时的花型图案，使机械袜 机能在电脑控制系统的管理参与下，直接编织出计算机图像的效果，使袜子的图 案花样符合客户要求。 整个控制系统构成如图2 2 所示： 4 2 2 控制器嵌入式方案选择 图2 2 控制系统构成 开发方案是电脑织袜机控制器设计的第一步。一般来说，不同时期会有不 同的选择。早期，我们一般采用单片机解决方案，实现基本的控制功能，p c i 0 4 的出现使得开发难度大大降低，用户利用p c i 0 4 提供的基本功能模块，只需设 计简单的外围电路即可实现控制要求，更多的时间和精力可以用于可靠性方面 的设计。随着嵌入式技术和嵌入式微处理器的发展，又出现了新方案。因此， 我们有必要分析不同开发方案的以便做出最佳的选择【7 】。 1 单片机方案1 5 】 采用m c s 5 1 系列8 位单片机为主控制器，外扩存储器、接口以及人机交 互模块。这是国内较早采用的电脑织袜机控制器设计方案，能够实现织袜机的 基本功能，设计相对简单、成本较低。受单片机功能的限制，功能不够丰富， 因为没有操作系统，扩展性不强，也不易于升级。 2 p c i 0 4 方案【8 】 采用p c i 0 4 工业控制机作为硬件平台，嵌入式w i n d o w s c e 操作系统为软 件平台，这种控制器的特点是功能强大，可靠性好，并可以提供联网功能，但 成本偏高。 3 嵌入式方案 随着嵌入式技术以及嵌入式微处理器的发展，嵌入式系统已得到广泛应 用，目前各种纺织机械和缝纫绣花设备广泛采用此种控制方案【9 】【1 0 】【1 l l 。按照目 前比较流行的一种方法，我们可以将嵌入式处理器分为以下4 类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) ； ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ； ( 3 ) 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 ，d s p ) ； ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 嵌入式微控制器即单片机，它将c p u 、存储器和其它外设封装在同一片集 成电路中，广泛应用于工业控制场合，但如前所说，功能相对较低。嵌入式d s p 专门用于对离散时间信号进行极快的处理计算，广泛用于数字滤波、谱分析、 图像处理的分析等领域，本系统采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 作为协处 理器处理机械部分。嵌入式微处理器包括a r m 、p o w e r p c 、m o t o r o l a 6 8 系列， 广泛应用于工业控制、消费电子、无线通信等领域，功能强大。采用该类处理 器一般需要在上面移植操作系统，在嵌入式操作系统平台上进行软件开发，因 此软件容易移植和升级。目前，使用比较多的操作系统有v x w o r k s 、w i n c e 、 嵌入式l i n u x 、g c o s 等。前面两种不提供免费源代码，g c o s 功能简单，不 太适合控制要求。它的主要优点是功能强大，速度快，成本低，且代码的可移 植性好还能够提供强大的网络功能，缺点就是开发周期长、调试相对比较困难。 嵌入式片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件【2 】。 由此可见，基于a r m 核的开发不仅功能强大，而且成本低。虽然开发周 期较长，但开发成功后，可移植性很好，不失为一种很好的方案。因此本系统 采用a r m 嵌入式解决方案，并采用d s p 处理器作为协处理器设计整体方案。 2 3 控制器整体设计方案 本论文在对电脑织袜机系统的结构和功能进行分析的基础上，提出了一个 以a r m 微处理器和d s p 器件为中心构建硬件平台、基于l i n u x 的嵌入式电脑织袜 机控制系统解决方案。它主要由硬件平台和软件平台两部分组成。硬件平台主 要包括基于三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 的c p u 核心电路、基于d s p 的协处理器电路用 以完成外围电磁铁和同步信号等的辅助管理、选针器以及电机等的功率驱动部 分。软件平台主要包括l i n u x 操作系统、设备驱动程序和协处理器程序等。整个 控制系统构成如图2 3 所示。 u a r t u s b 同步信号 检测电路 f l a s hfr a m 嵌入式主板 a r m $ 3 c 2 4 1 0 x l c d 触摸屏 d s pt m 粼s 3 2 版0 l f 2 4 0 7 a 电机控制模块f 、厂吲叫帅珏丁伏叭 们扩展l 曩荔鍪蠢吲选针器 图2 3 控制器系统总体设计 这种双处理器的设计方案实现了信息处理和控制部分的分离，有利于双机 更好地发挥各自的优势。上位机a r m 部分存储花型数据文件，其上移植l i n u x 操作系统，主要完成花型数据分析处理、人机交互和界面显示等功能，通过双 6 口r a m 与d s p 进行通信；以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为下位机构成的袜机机械控 制部分控制电机带动袜机机械传动部分，对选针机构发出选针信号控制织针编 织，驱动袜机活动部件如剪线电磁阀等，同时完成同步信号的采集并对系统的 故障和报警信号做出合适处理。 为了保证控制器与袜机提花控制之间的正确配合，整个系统的同步信号有 = 种 1 2 1 1 3 1 一i 1 圈同步信号：采用光电信号。在袜机针筒下边固定一个圆盘，随着针筒一 起旋转。在盘上开一个孔，经过光电检测就可以产生圈同步信号。袜机每转一 圈发出一次同步信号，送到计算机内进行圈计数。 2 针同步信号：也是采用光电信号。在上述光电圆盘上开与针数个数对应的 小孔，每个孔对应于针筒上一根固定的针以产生同样多个针同步信号。计算机 按照输出的花型数据和针同步信号的到来实现提花的逐针控制。 3 进程同步信号：是在机械的起点位置安装一个微动开关产生的。在每只袜 子开始编织时给出一个进程同步信号，表示这只袜子的编织开始。 7 第三章织袜机控制器硬件设计 3 1 系统主控芯片介绍 3 1 1a r m 及$ 3 c 2 4 1 0 x a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。如今，a r m 微处 理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，主要包括：工业控制领域、无线 通信领域、网络、消费类电子产品等【l 引。 本系统采用$ 3 c 2 4 10 x 作为上位信息处理部分主控芯片，它是一款基于 a r m 9 t 结构核心的a r m 9 系列微处理器，在高性能、低功耗上具有极佳的性 能【l 引。$ 3 c 2 4 1 0 x 片上资源丰富，运算速度为2 0 3 m h z ，支持通用的w i n d o w s c e ， l i n u x 和p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统。包含独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据的缓存( c a c h e ) ，用于虚拟内存管理的m m u 单元，l c d 控制器 ( s t n & t f t ) ，非线性( n a n d ) f l a s h 的引导单元，系统管理器( 包括片选逻辑控 制和s d r a m 控制器) ，3 个通道的异步串口( u a r t ) ，4 个通道的d m a ，4 个 通道的带脉宽控制( p w m ) 的定时器，输入输出端口，实时时钟单元( r t u ) ，带 有触摸屏接口的8 个通道的10 - b i ta d c ，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 的 主机( h o s t ) 单元，u s b 的设备( d e v i c e ) 接口，s d 卡和m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 卡接口，2 个通道的s p i 接口和锁相环( p p l ) 时钟发生单元【1 5 】。 3 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是t i 公司t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列中的一种1 6 位定点 d s p 芯片，目前应用非常广泛。它为c 2 x x c p u 功能强大的t m s 3 2 0d s p 结构 设计提供了低成本，低功耗，高性能的处理能力，同时几种先进的外设被集成 到该芯片内，形成了真正意义上的数字控制器。本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为协处理器控制电机以及选针驱动等功能部件。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的主要特点如下【1 6 】： 1 采用高性能的静态c m o s 制造技术，低功耗，高速度。工作电压3 。3 v ， 有4 种低功耗工作方式，有利于电池供电的场合。单指令周期最短为2 5 n s ，最 高运算速度可达4 0 m i p s ，4 级指令执行流水线。 2 片内集成3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，2 k 字的s a r a m ，5 4 4 字的d r a m ， 可外扩6 4 k 字程序存储器，6 4 k 数据存储器和6 4 k 字i o 寻址空间。 3 集成两个专用于电动机控制的事件管理器( e v ) ，每一个都包含：2 个1 6 位通用定时器；8 个16 位p w m 输出通道；1 个能够快速输出的外部引脚；可 防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3 个捕获单元；1 个增量式光电位置编码 8 器接口。 4 1 6 通道1 0 位a d c ，最快转换时间为3 7 5 n s 。 5 拥有控制器局域网c a n 2 0 模块，串行接口s p i 和s c i 模块。 6 4 0 个独立可编程的双向通用i o 口。 7 1 1 4 9 1 1 9 9 0i e e e 标准的j t a g 仿真接口。 3 2 系统电源及a r m 复位电路设计 所有嵌入式系统的设计都必须包含电源，可以选择a c 电源插座或电池供 电。如果嵌入式系统对便携性没有太高的要求，那么使用来自插座的电源是最 佳的供电方式。因为交流电电压很高，不能直接用于嵌入式系统，还需要转化 为电压低得多的直流电。可以使用实验室直流电，标准p c 电源或交流电适配 器。交流电适配器的外形就是一个小的黑盒子，通常提供+ 5 vd c + 1 2 vd c 不 等的输出电压，提供的电流可以高达5 0 0 m a ，具体的电压和电流取决于系统的 需求，从中挑选满足电压和电流要求的交流电适配器即可。电池使用方便，容 易携带，但需要选择合适的电压和足够的电流。只有电池选择恰当，系统设计 合理，才能保证嵌入式系统的正常工作。在嵌入式系统电源设计中我们常要用 到稳压器。稳压器是一个把输入的d c 电压( 通常为一个输入电压的范围) 转 换为固定输出d c 电压的半导体设备，它主要用来为系统提供稳定的电压。 d c d c 转换器型稳压器主要有3 种类型【2 j ： 1 线性稳压器，产生较输入电压低的电压； 2 开关稳压器，能升高电压，降低电压或翻转输入电压； 3 充电泵，可以升压，降压或翻转输入电压，但电流驱动能力有限。 从控制器总体结构来看，我们需要多种电压的电源【9 1 。上位机选用基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，需要3 3 v 、1 8 v 、5 v 三种电压；下位机选用d s p 2 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，是t i 公司推出的一款定点d s p 控制器，它采用高性 能静态c m o s 技术，采用3 3 v 的供电电压以减少控制器的功耗。a c d c 电源 转换器件为系统提供5 v 的供电电压，输入电压a c l 0 0 2 4 0 v ，频率5 0 6 0 h z ， 输出电压为d c 5 v ，电流为2 a 。所需的3 3 v 和1 8 v 电压是由5 v 电源经 a s l l l 7 3 3 v 和a s l l l 7 1 8 v 后得到。a s l l l 7 是一款非常高效的l d o 低压稳 压器i c 1 7 j ，输入电压范围为4 2 5 1 2 v ，输出电压通过外接电路可以分别实现 多种电压输出，具有高效率，小封装和低功耗等许多优点，非常适合于嵌入式 系统开发应用。图3 1 为3 3 v 和1 8 v 电压的产生电路l l8 | 。 9 ；1 0 1 & c 1 0 2 k t 0 0 。f c 1 0 31 4 - c 1 0 4 c = j一 4 7 u 丁 1 0 4 1 协r - - - - l - - + - n c10 6一 v 1 0 4 t i1 0 0 u f a s l l l7 1 8 v 垴 口 z oc 1 0 7l +c 1 0 8 型苎 1 0 4 4 7 u fi = 图3 - 1 系统电源设计 复位电路是嵌入式系统电路稳定可靠工作必不可少的一部分，本系统设计了 a r m 上位机复位电路实现对电源电压的监控和手动复位等操作。为了提高可靠 性，控制器a r m 端复位电路没有采用简单的阻容复位电路，而是采用了专用 的复位芯片m a x 8 1 1 。m a x 8 1 1 是一款低功耗的控制器，它凭借着优异的性能 广泛应用于小功耗的微处理器、微控制器以及数字信号处理系统中。 复位电路硬件电路设计如图3 2 所示。m a x 8 1 1 产生n r e s e t 信号，再经 三极管9 0 1 2 反向后得到r e s e t 信号。n r e s e t 信号低电平有效，主要供 a r m 2 4 1 0 x 内核板使用，而r e s e t 信号高电平有效，供网卡芯片a x 8 8 7 9 6 使 用。 v d d 3 3 v d d 3 3 n r e s e t 丽v c c g n d丽 _ 3 3 存储模块设计 m a x 8 1 1 图3 2 系统复位电路 存储器是嵌入式系统硬件的中重要组成部分，用来存放嵌入式系统工作时 所用信息：程序和数据。常用的嵌入式系统存储设备有r a m ( 随机存储器) 和 r o m ( 只读存储器) 。随机存储器由静态随机存储器( s r a m ) 和动态随机存储器 l o 吐 一 o 3 一 q z o j _一 茸 s v a ( d r a m ) 之分，两者具有不同的特征： 1 s r a m 比d r a m 运行速度快； 2 s r a m 比d r a m 耗电多； 3 在一片芯片上可以置放更多的d r a m ； 4 d r a m 需要周期性刷新。 r o m 用固定数据预编程，其特点是在烧入数据后，无需外加电源来保存数 据。断电数据不丢失，但速度较慢，因此适合存储需长期保留的不变数据。f l a s h m e m o r y 是嵌入式系统中重要的组成部分，它在嵌入式系统中的功能可以和硬 盘在p c 中的功能相比。f l a s hm e m o r y 作为一种安全，快速的存储体，具有体 积小，容量大，成本低，掉电数据不丢失等一系列优点，已成为嵌入式系统中 数据和程序最主要的载体。根据结构的不同，f l a s hm e m o r y 可分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种。n o rf l a s h 的特点是应用程序可以直接在闪存内运行， 不需要再把代码读到系统r a m 中运行。n o rf l a s h 的传输效率很高，在1 - 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的 性能。n a n df l a s h 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且 写入和擦除的速度也很快。应用n a n df l a s h 的困难在于需要特殊的系统接口。 一般来说，n o rf l a s h 用于对数据可靠性要求较高的代码存储，通信产品，网 络处理等领域；而n a n df l a s h 则用于对存储容量要求较高的m p 3 、存储卡、 u 盘等领域。 3 3 1u s b 存取模块的设计 目前，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口正在被用于多种嵌入 式系统设备的数据通信中，如移动硬盘，数码相机，p d a ，高速数据采集设备 等。u s b 通用串行总线是由c o m p a q ，h p ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o f t ，n e c 和 p h i l i p s 这七家公司联合推出的新一代标准接口总线。在u s b 的网络协议中，每 个u s b 系统有且只有一个主机( h o s t ) ，它负责管理整个u s b 系统，包括u s b 设备的连接与删除，h o s t 与u s b 设备的通信，总线的控制等。h o s t 端有一个 根集线器( r o o th u b ) ，可提供一个或多个u s b 下行端口。每个端口可以连接一 个u s bh u b 或一个u s b 设备。u s bh u b 是用于u s b 端口扩展的，即u s bh u b 可以将一个u s b 端口扩展为多个端口。本系统设计的u s b 接口用于花型数据 的传输，包括一个u s b 主设备和一个u s b 从设备，其电路连接如下图3 3 所 示【9 】。$ 3 c 2 4 l0 x 芯片集成了2 个u s bh o s t 和一个u s bd e v i c e ，为u s b 接口 的设计提供了方便，系统中u s bh o s t 和u s bd e v i c e 接口由$ 3 c 2 4 10 xc p u 直 接驱动，h o s t 口带有自恢复保险。 r 1 0 3 3 3 2s d r a m 存贮器电路设计 v d d 3 3 鼍r 图3 3u s b 模块 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) 同步动态存储器，使用s d r a m 可以 简化设计，提供高速的数据传输。在功能上，它类似于常规的d r a m ，但是也 需要时钟进行刷新。在系统运行时，所有的程序和数据都是在r a