（系统工程专业论文）基于ARM的电脑绣花机监控系统的设计与实现.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于a r m 的电脑绣花机监控系统的设计与实现 摘要 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，随着人们对刺绣品质量的追求 以及刺绣品需求量的增加，高性能的电脑绣花机越来越受到市场的推崇， 用户对c a n ( 现场总线) 、远程控制、海量u s b 存储、彩色l c d 显示等技 术在新型电脑绣花机中的应用有了新的需求。然而，国内电脑绣花机监 控系统平台由于存在技术上的困难或成本上的障碍而使这些功能难以实 现嘲。随着电脑的不断发展和电子产品成本的不断降低，采用先进架构和 体系的处理器，加上相应的实时操作系统进行任务管理，就能大大提高 电脑绣花机监控系统的性能。本文设计了一种电脑绣花机监控系统，在 详细分析电脑绣花机工作原理和功能需求的基础上，采用a r m 处理器与 p c o s 实时操作系统构建了监控系统平台，实现了实时操作系统任务 管理、网络通信、u s b 设备读写、花样图案预览等功能，具体工作如下： ( 1 ) 在介绍电脑绣花机的工作原理以及分析电脑绣花机监控系统性能 需求的基础上，构建了基于a r m 7 核的嵌入式处理器与p c o s i i 实时操 作系统的监控系统平台，并给出了系统的整体设计方案。 ( 2 ) 根据电脑绣花机监控系统的整体设计方案，设计实现了系统的硬 件电路，处理器采用s t 公司生产的具有a r m 7 核的s t r 7 1 0 f z 2 t 6 ，利用 s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的外部存储器接口的三个b a n k ，分别设计实现了以太网 浙江工业大学硕士学位论文 通信接口、u s b 设备读写接口以及彩色l c d 实现接口等。 ( 3 ) 在系统的接口电路设计方面，采用以太网控制芯片c s 8 9 0 0 a 使其 通过i s a 总线与系统处理器相连，构建了以太网通信接口，负责远程传输 数据( 花样文件) 控制信息等；利用u s b 主从控制器s l s ll f i s ，在处理器 s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的控制下设计实现了对海量u s b 设备读写的u s b 接口，负 责读写在u 盘上的花样文件以及其它的数据信息；利用5 6 英寸的彩色液 晶屏及其控制板q d - 1 3 设计实现了监控系统的l c d 显示接口，系统处理器 通过控制q d 1 3 向l c d 写入要显示的图案以及文字数据；组建了一个基 于c a n 通信的安全检测模块，主要包括电源检测以及断线检测等。监控 系统的c a n 节点利用系统处理器自带的c a n 模块结合1 1 的c a n 收发器 s n 6 5 h v d 2 3 0 实现，电源检测节点、断线检测节点以及运动控制系统交互 的c a n 节点的控制器采用m i c r o e h i p 公司的带有c a n 模块的1 8 系列单片 老i l p i c l 8 f 4 6 8 0 ，c a n 收发器采用该公司的m c p 2 5 5 1 芯片。 ( 4 ) 设计实现了基于b c o s - i i 操作系统的软件，包括两个部分，一是 功能接口的驱动程序，另一个是操作系统中的应用程序软件。驱动程序 负责控制相应功能接口的运行，操作系统中的应用程序软件实现具体的 功能应用，例如t c p i p 协议栈以及u s b 协议的实现等。 ( 5 ) 整合了系统各个功能模块，并做出监控系统的p c b 板，利用a d s 开发环境进行系统的整体调试，给出了系统的运行效果，实验表明监控 系统工作稳定，性能良好。 最后，文章分析了电脑绣花机的监控系统需要改进的地方，并对电脑 浙江工业大学硕士学位论文 绣花机监控系统未来发展趋势作出了展望。 关键词：电脑绣花机，实时操作系统，以太网，u s b ，现场总线 n l 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g n ea n dr e a l i z a t i o no fc o m 呼u t e r e m 嘬r o i d e r ym l 地h i n em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do na r m n o w a d a y s , c o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n e i st h em o s ta d v a n c e de m b r o i d e r y m a c h i n e - r y a l o n gw i t hp e o p l e sp u r s u i to ft h eq u a l i t ya n dt h ei n c r e a s ei nd e m a n df o r e m b r o i d e r yp r o d u c t s ，h i g h - p c r f o r m 撇e m b r o i d e r yi sn e e d e dm o r ea n dm o r e s o m e t e c h n o l o g y , s u c h 舔c a n ，r e m o t ec o n u l ，u s bm a s ss t o r a g e ，c o l o rl c dd i s p l a y , m - e g r e a t l yu s e dt oi m p r o v et h e 肿皿a n o f t h ec o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n e a st h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dw a u c e dc o s t so ne l e c t r o n i cp r o d u c t s ，s y s t e m p e r f o r m a n c ec a nb ec o n s u m e d l yi m p r o v e db yu s m ga d v a n c e da r c h i t e c t u r ep r o c e s s o ra n d r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mf o rt a s km a n a g e m e n t i nt h i sp 獬ac o m p u t e re m b r o i d e r y m a c h i n em o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d ，0 1 1b a s eo ft h ed e t a i l e da n a y s i so fe m b r o i d e r y m a c h i n ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o nd e m a n d , t h em o n i t o r i n gs y s t e mw a sb u i l t u s i n ga r mp r o c e s s o ra n dt h er e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mp c o s - i li n c l u d i n go p e r a t i o n s y s t e m t a s k m a n a g e m e n t , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，u s be q u i p m e n tw 矗t e 谳 e m b r o i d e r y sp a t t e r np r e v i e w , a n do t h e rf u n c t i o n s ，s p e c i f i cw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n em o n i t o r i n gs y s t e mp l a t f o r mi sb u i l to nb a s eo f a n a l y s i so fe 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 dt h ef l l n c d o l ld e m a n d t h es y s t e m o v e r a l ld e s i g ni sg i 吼 ( 2 ) t h es y s t e m sh a r d w a z ec i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dr e a l i z e da c c o r d i n gt os y s t e m o v e r a l ld e s i g n s t r 7 1 0 f z 2 t 6 ，b a s e do na r m 7c o r e ，i s 删a ss y s t e mp r o c e s s o r u s i n g i v 浙江工业大学硕士学位论文 t h r e eb a n k so fp r o c e s s o r se m i s o m ei n t e r f a c e sa 托d e s i g n e da n dr e a l i t 矗a sf o l l o w i n g ： e t h e m e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，u s br e a d w r i t ei n t e r f a c ee t c ( 3 ) t h es y s t e m si n t e r f a c e sc i f g t l i t $ i n c l u d ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，u s b r e a d w r i t ei n t e r f a c e ，l c dd i s p l a yi n t e r f a c e ，a n dt h es e c u r i t yd e t e c t i o nm o d u l e sa r eb u i l t b a s e d0 1 1c a nc o n m m l i n i c a t i o ne t c ，t h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei sd e s i g n e d b a s e do be t h e m e tc o n t r o l l e rc s 8 9 0 0 a , i ti su e dt ot r a n s f o r md a t ao rc o m m a n d r e m o t e l y t h eu s br e a d w r i t ei n t e r f a c ei sd e s i g n e db a s e do nu s bh o s tc o n t r o l l e rs l s ii h s ，i ti s u s e dt or e a do rw r i t et h ee m b r o i d e r yd a t aa n do t h e rd a t ai n f o e m a t i o ni nt h eu s b d i s k t h e l c d d i s p l a yi n t e r f a c ei s 聆a l i z e db yu s i n ga5 6i n c hc o l o rl c da n di t sc o n t r o l l e rq d - 1 3 i ti su s e dt od i s p l a yt h ep i c t u r eo rw o r d st h a ts h o u l db ed i s p l a y e di n t ol c d t h es e c u f i t - j d e t e c t i o nm o d u l e s 锄b u i l tb a s e do nc a n c o n m m u n i c a t i o n , i n c l u d i n gp o w e ra n db r e a k l i n ef a u l td e t e c t i o ne t c t h es e c u d t yd e t e c t i o nm o d u l e sn o d ei sd e s i g n e db yt h em c u p i c l 8 f 4 6 8 0h a v m gc a nm o d u l e , t h e i ri r a l k q c c i v e ri sm c p 2 5 5 1c h i p ( 4 ) t h es o f t w a r eo f t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e db a s e do no p e i 嘶o n s y s t e mt t c o s - ，i n c l u d m gt h ef u l 枷o l li n t e r f a c ed r i v e r sa n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t h eo p e r a t i o ns y s t e m t h ed r i v e r s 勰u s e dt om a k ei n t e r f a c er u n , a n dt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a ma r eu s e dt or e a l i z e dt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o ns u c h 鹄t c p i pa n du s bp r o t o c o le t c f i n a l l y ，t h ei m p r o v e m e n to f t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d ；m o r e o v e t ，t h e f u t u r eo u t l o o ko f s y s t e m f ld e v e l o p m e n tt r e n di sg i v i e na l s o 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 , r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m , e t h e m e t , u s b ，c a n v 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提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 取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证 书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名 醐：寸m 溯 学位论文版权使用授权书 本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，允许论文被查阅和借阅。本人授 权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密可 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期 日期 卜确矽日 f 二月 日 雩 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 进入二十一世纪以来，我国的国民经济得到了飞速的发展。同样，在人们所说的 “衣食住行”中占首位的服装产业取得了蓬勃的发展。我国已经成为了一个立足本国 面向世界的服装产业大国。现在，以计算机为主体的现代信息控制技术已经渗透到纺 织服装的各个领域，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， 最近五年，发达国家高科技纺织品的市场份额增长了一倍多。在欧渊纺织品市场上， 高科技纺织品的市场占有率己达4 0 以上。全球纺织工业现在普遍采用电子、电脑程 序控制，从市场信息到产品的花型设计，颜色、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身影。利用c a d c 腊生产辅助手 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。在这样的时代背景之下，作为服装产业的附属产业之一的刺绣业也兴旺发达起来。 刺绣这一传统中的手工艺术在信息社会中得到了质的飞跃，电脑绣花机就是传统的刺 绣与电子、机械相结合的产物。电脑绣花机最早于7 0 年代在国外兴起，它能使传统的 手工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、 多功能、同一性和完美性”的要求，是一种体现多种高新科技的机电产品。目前世界 上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛公司、百灵达( b a r u d a n ) 公司、兄弟 ( b r o t h e r ) 公司，德国蔡斯克( z s 站公司、百福( p f a f f ) 公司，韩国的日星( s w f ) 公司等【1 电脑绣花机的机械结构设计和电控管理系统的设计是相互依赖，协调发展的。目 前，国内在江浙一带，电脑绣花机产品己形成规模效应，各项配套设备已经形成标准 生产，其成本几乎已达到最低。电脑绣花机在机械方面的改进不但要提高成本而且要 做到各原配件生产厂商和电控器生产厂商以及电脑绣花机装配厂商之间的充分沟通， 这就需要消耗较多的成本和时间，很难在短时期内就能见成效。然而，对于以太网通 信、大容量闪存、l c d 屏幕显示等技术在新型电脑绣花机中的应用，国内电脑绣花机 监控系统平台由于存在技术上的困难或成本上的障碍而使这些功能难以实现。随着电 脑技术的不断成熟和电子产品成本的不断降低，如果采用更先进架构和体系的处理器 浙江工业大学硕士学位论文 以及相应的外围硬件资源，加上合适的实时操作系统进行系统管理，能够较好的实现 上述新技术在电脑绣花机中的应用，因而能大大提高电控管理系统的性能，同时并不 显著提高硬件成本，这符合市场对产品高性价比的需求。鉴于此，本文提出了电脑绣 花机监控系统的研究和设计，旨在提高电脑绣花机电控系统的整体性能，促进国内电 脑绣花机制造业的发展。 1 2 电脑绣花机的发展与研究现状 电脑绣花机是当代最先进的电脑绣花机械，它能使传统的手工绣花得到高速度、 高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的多功能、多层次、统一性和完美性 的要求。它是一种体现多种高新科技的机电一体化产品。目前绣花机的平绣速度普遍 已经达到8 0 p l o o o r p m 。日本田岛公司推出的t f g n 型平绣系列绣花机，最高的平绣速 度已经达到l l o o r p m ，运转时的噪音明显下降；毛巾绣的绣花速度最高可达6 0 0 r p m e 。 在电脑控制下，绣花机不仅能够自动进行图案绣花缝纫，还可通过增添一些功能性装 置，使其功能更加完善。该公司的绣花机还配置了自动检测上下断线的装置，很好地 保证绣品质量；配置自动底线检测装置，当底线的余量不足时，绣花机可自动报警： 配置自动更换底线装置；配置自动剪线装置，在绣花缝纫完成后，绣花机可自动剪断 底面线；配置自动加油装置、自动整匹绣装置等，这些装置扩大了绣花机的自动化程 度，操作方便，绣花质量更好。目前国际上著名的绣花机公司如日本的田岛和百灵达， 都推出了各种各样的绷架，依据用户的需求可以进行多种自由的组合。完成各种对象 的刺绣，不仅节省了成本而且扩大了可刺绣范围。此外，百灵达公司还推出了连续式 绷架，可以不停机连续刺绣，大大提高了生产效率。绣花机的电脑控制系统。国外大 部分产品都采用了实时显示系统，在缝纫过程中，可以十分清晰地显示个缝纫状态以 及机器的故障部位，方便了操作和维修。不少公司还采用能够提供花样程序自动编辑 的电脑系统，为花样程序的自动编辑提供了方便。 在我国，自从国内生产出第一台电脑绣花机，价格低廉一直是国产电脑绣花机与 进口机竞争的最大优势。然而随着近几年我国生产电脑绣花机的企业增多，特别是 一些家庭作坊式的企业出现，他们为了能在市场竞争中赢得一席之地，不计成本，大 幅降低产品价格。以1 台2 0 头6 针的绣花机( 带剪线) 为例，在上世纪9 0 年代中期，国产 机还能维持在进口机价格的4 0 左右，一般一台机器的价格在3 0 万元左右，然而1 9 9 8 2 浙江工业大学硕士学位论文 年以后，特别是近二三年，同样一台机器的价格降至1 0 万元左右。诸多企业在近几年 的价格大战中，饱尝苦果，利润己是大幅缩水。另外，国产电脑绣花机用短短的十几 年时间实现了从无到有、从l 台n 3 万台的突破，数量上的剧增以及高额的利润创造了 缝制设备行业发展的一个神话。毫无疑问，国产电脑绣花机的高速发展给行业带来了 巨大的喜悦。然而，国内各电脑绣花机生产厂家在享受这个神话带来的喜悦时，对未 来市场的竞争却是忧心忡忡，与进口电脑绣花机在产品质量上仍然存在较大的差距 圆。 目前，多纺织机械控制器的主c p u 进行了升级换代，由原来的单片机换成性能更 高的处理器，电脑绣花机在机械方面的改进的潜力已经很有限了。然而，随着电脑技 术的飞速发展和电子产品成本的不断降低，用户对以太网通信、u s b 存储、l c d 屏幕 显示等技术在新型电脑绣花机中的应用有着越来越高的需求，现在，国内外对电脑绣 花机控部分的研究正在不断进步，本文提出的电脑绣花机监控系统属于绣花机的电控 部分，研究的目的在于提高电脑绣花机的整体性能，满足市场对电脑绣花机的性能需 求，促进国内电脑绣花机制造业的发展。 1 3 电脑绣花机工作原理简介 电脑绣花机的工作原理有点近似于数控机床，不过这里是先设计好绣花的图案， 打版师根据刺绣的花样图案在p c 机上的通过打版软件打成花样文件，然后将花样文件 存贮于软盘或其他介质，电脑绣花机工作时，主控制器就会通过读取存贮于某种介质 上的花样数据，并通过一定的规律进行解码来控制各电机进行配合运动，从而绣出各 种花样，如图1 1 。其中主轴电机通过传动轮带动针杆，针杆带着线上下运动，而x ，y 轴步进电机带动绣框在x ，y 轴方向运动，刺绣品随绣框运动，从而刺绣出图案。刺绣 时主轴电机转速在7 0 0 r r a i n 左右，主轴角度在某两个角度之间时，即当针头离开布料 到插入布料之问的时隙，x ，y 轴步进电机才允许运动。当需要换色时，换色电机转动， 通过传动机构带动针杆箱移动，将穿有其它颜色线的针换上，继续刺绣。当刺绣完毕 时，剪线电机带动剪刀将线剪断。下面介绍各部分组成及工作原理。 电脑绣花机的机械方面可以分为机架部分、刺绣部分、换色部分、移框部分、勾、 剪、扣线部分等，其中以刺绣部分和移框的部分最为重要，这两部分各自独立又相互 协调，共同完成刺绣过程。电脑绣花机在工作时，针杆带着针和线进行上下运动的刺 3 浙江工业大学硕士学位论文 绣动作，绣框则在平面x ，y 方向作往复运动，而被刺绣品的图案是绣框沿着x ，y 方向 运动而得到的。刺绣部分由主轴电机、变速装置、光电编码器、上传动轴，下传动轴、 旋梭、针杆传动机构、挑线机构等组成，通过针杆和旋梭的相互配合动作完成刺绣过 程。刺绣时，主电机通过齿形同步带将动力传给变速部分，进而分别传给上轴和下轴： 上下轴的速度被同时按比例降低。上轴和下轴之间则通过链轮( 也有的机器是齿形同 步带) 进行同步传动，以确保转速的一致性。下轴通过梭座上的一对锥齿轮以2 ：1 的变 比将转速提高到上轴转速的两倍，带动旋梭以高速进行旋转，同时通过锥齿轮也将旋 转方向变换y g o o ，使之从x 方向旋转改变为y 方向旋转。高强度材料制造的锥齿轮可 以保证机器长时间的连续高速运转，经过降噪工序的合理处理，其运转噪音得以大幅 下降( 经测定，最高转速为7 0 0 r p m 时，正常刺绣运转嗓音约在8 2 d b 以下) 在绣过程中， 旋梭旋转时，梭尖勾住上线，使上线在梭壳上滑过并与下线形成一个线套，而上轴则 通过偏心凸轮和曲柄连杆机构带动滑块沿针杆轴进行上下滑动，从而带动针杆在一定 运动范围内以一定速度进行上下运动完成刺绣动作。上轴在旋转的同时还带动相应的 挑线臂凸轮及扇型齿轮，使得扇型齿轮在一定角度( 大约2 0 0 左右) 内完成半转往复运 动，带动挑线杆作上下运动( 由于刺绣的需要，挑线杆的上下运动速度有所不同，向 下运动时速度慢，向上运动时速度快：挑线杆的整个运程约为5 5 6 5 咖) ，适时收紧和 放松绣线，配合针杆完成整个刺绣工作，使针杆和挑线杆之间始终保持着一定的相位 关系，从而有效地保证了刺绣的顺利完成。刺绣图形的完成不仅取决于刺绣动作，还 依赖于绣框的准确移动。这一部分主要由步进电机、导轨副、绣框等组成。刺绣时绣 框在x ，y 两个方向位移，其运动轨迹受电脑控制。电脑控制部分依照所要刺绣的图形 ( 该图形已通过磁盘等输入电脑) 分别向x ，y ：y 向步迸电机的驱动器发出脉冲控制信 号，步进电机按一定的步距运动，再通过齿形同步带的传动，由导轮带动绣框沿x ， 丫方向移动。刺绣过程中不仅绣框频繁地正反向移动，丽且步距要求十分严格，位移 允许误差极小( 一般小于0 1 m m ) ，而靠步进电机的良好特性满足刺绣要求。导轨副 则由导轨和导轮组成，在x ，y 方向上各有一副导轨和四个导轮，在齿型带的拖动下导 轮带动绣框沿导轨在x 。y 方向依序往复移动。这样，步进电机和导轮的准确移动共同 确保了绣框的准确位移。进而保证了刺绣图形的精确完美嘲。绣花机的绣花形式，按 线迹可分为平缝绣、链缝绣、毛巾绣；按绣品可分为平绣、筒绣、成衣绣等，特种绣 也越来越多。如日本的田岛、北京的天鸟、青岛的鹰轮、临海的珠光、杭州的经纬等 企业，分别推出了各不相同的绣花机、在一般绣花机上，只要增加一些装置，就可以 4 浙江工业大学硕士学位论文 进行绳绣、珠片绣、雕孔绣、扁金线绣、卷带绣、卷绣、挖孔绣、羽状针迹绣、扁形 带与粗线立绣、扁形带与粗线反绣等，为了增加绣花式样，日本田岛公司和北京天鸟 公司都推出了激光切割装置，可以对绣花材料进行雕刻、表面切割、完全切割和雕孔 切割，使绣花产品具有了新的特色。 本文的设计工作主要在绣花机的监控系统上，因而对于电脑绣花机的运动控制系 统工作原理不再进行详细阐述，下图展示了电脑绣花机的工作流程。 图1 i 电脑绣花机工作流程图 1 4 电脑绣花机监控系统接口技术 现在诸如以太网、u s b 、彩色l c d 等技术在电脑绣花机中的应用越来越广泛， 这些新的技术能够大大提高电脑绣花机的性能，是当前电脑绣花机技术研究的热点。 本文设计的电脑绣花机监控系统充分利用了上述各种技术，设计实现了以太网远程通 信、花样文件在u s b 海量存储设备上的读写、基于c a n 网络的安全检测模块等，下 面对监控系统接口的相关技术进行简单介绍。 1 4 1 以太网简介 以太网( e t h e m e t ) 最初是x e r o x 公司在1 9 7 6 年推出的一种局域网，以曾经在历史 上表示传播电磁波的以太( e t h e r ) 来命名，最早应用于微型计算机系统的商业网络终端 【嘲。随后1 9 8 0 年9 月，d e c ，i n t e l ，x e r o x 三个公司共同制定了以太网物理层和数 据链路层的规范，称为d i x 规范。后来以太网的发展走向开放和标准化。1 9 8 3 年， 浙江工业大学硕士学位论文 美国电气与电子工程师协会i e e e 在d i x 规范基础上进行了修改并发布了i e e e s 0 2 3 标准，1 9 8 3 年国际标准化组织出版了t e e e 8 0 2 3 标准，是对d i xe t h e m e t 2 0 版本的 修改提高，随后1 9 8 5 年发布的i s 0 8 8 0 2 3 标准和它是相同的。以太网采用星型或总 线拓扑结构，传输速率为1 0 m ，1 0 0 m ，1 0 0 0 m 甚至更高，传输介质为无屏蔽( 或屏蔽) 双绞线，光纤，同轴电缆。但以太鼹区别于其他网络的最重要特点是，以太髓的介质 访问控制层( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n f f 0 1 ) 协议采用c s m a c d 介质访问控制方法， 即冲突检测载波监听多点访n ( c a r d e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 。 据统计，以太网已经在全球的局域网市场上占据了9 0 的份额。 随着以太网技术的发展，如何把以太网应用到工业领域己经成为工业控制和实 时通信研究的热点。首先，阻碍以太网作为工控网的问题已解决。以太网采用由 i e e e $ 0 2 3 定义的数据传输协议c 鼢他，c d ( 带有冲突检测的载波侦听多路访问协议) ， 该协议虽然简单，但它由碰撞而引起的信息传输时间的随机性是一切争论和反对以太 网的根源。但随着以太网速度的提高，从最初的1 0 m b i t s 发展到1 0 0 m b i t s ，目前已 有超过1 0 0 0 m b i t s 的产品了，足够的带宽足以承受很大的负荷，以上问题就得到了大 大的淡化。当网络负荷不超过带宽的3 7 时，网络冲突率很低。加之可用交换机，使 接入网络的节点各自独占一条线路来彻底解决以上问题。采用高速背板交换或微处理 器交换，响应时间是确定的。另外，以太网的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴 电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4 2 0 m a 模拟传输线路相当， 如果需要更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤通信。解决了实时性、稳性定 和抗干扰性，以太网的优越性便凸现瑚，具体如下： ( 1 ) 基于t c p i p 的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互 联。 ( 2 ) 以太网能便捷地访问远程系统。 ( 3 ) 易于与i n t e m e t 连接，能够在任何城市、地方通过i m c m e t 对企业进行监控。 ( 4 ) 能降低成本。包括技术人员的培训费用、维护费用及系统的硬件费用。 ( 5 ) 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。 ( 6 ) 以太网受到了广泛的技术支持几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开 6 浙江工业大学硕士学位论文 发，今后还会出现更好的以太网开发技术。硬件开发商以太网系统的设计提供了 广泛的硬件产品选择，人们对以太网的设计、应用有较为丰富的经验。 ( 7 ) 易于升级和移植。对于所有以太网技术，其帧结构和帧长度是不须作网络调 整，这就提供了一个非常好的升级途径。星型集线器的应用和基于1 0 1 0 0b a s e - t 的网卡及交换技术，使升级更容易。 现在，以太网正在被广泛地应用于工业控制领域。据a r c 咨询公司称，以太网在 工业领域的潜力越来越明显，以至于各种工业现场总线的合作组织正在竞相重新修订 他们的基本通信协议，以便使其可以在以太网和i n t e r n e t 协议上运行。f f 总线的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) ，p r o f i b u s 的p r o f i n e t ，c o n t r o l n e t 虱际( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 和开放设备网制造协会( o p e nd e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 的e t h e m e t i p ，m o d b u s 用户集团的m o d b u s f r c p 等等现在都建构在以太网上的i n t e r n c t 协议之上。在国内， 以中国科学院沈阳自动化研究所和浙江中控技术股份有限公司致力于开发工业以太 网标准o e p a ，e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) ，并取得了较大的进展，现在 a 标准的 工业以太网芯片已经研制成功。 1 4 2u s b 总线简介 u s b ( u n i v c r s a ls e r i a lb u s ) 是一种通用串行总线。它是为了实现整个计算机系统中 总线的一致性，f l a c o m p a q ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o f t ，h e w l v t t - p a c k a r d ，n e c 以及p l l i l i p s 七家公司共同开发的一种新的、快速的、双向的、同步传输的井可以热插拔的数据传 输总线，简称u s b 总线。u s b 总线的发展至今经历了3 个主要的阶段：u s b i 1 ，u s b 2 0 和u s b o t g 。从1 9 9 8 年7 9 的w i n d o w s 9 8 开始，基于u s b i 1 的外围设备开始陆续出现， u s b 成为最受欢迎的接口。但u s b i 1 的传输速度只有1 2 m b s ，对于进行大量的数据 传输显得力不从心。u s b 2 0 是版本更新的一大跃进，它加入了许多高速传输的特性 支持，传输速度达到4 8 0 m b s ，为u s b i 1 的4 0 倍。u s bo t g 是为了弥补u s b 2 0 的不 足，对u s b 总线的协议进行了补充，使得u s b 总线可以进行点对点的数据传输，面不 像以前那样一定要求主机的参与，使得设备与设备之间可以进行通信u s b 总线具有 以下优点： ( 1 ) 用户使用方便，设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态接入和 动态配置。 7 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 应用范围广，传输速率从几k b s 至几百m b s ，总线支持同步和异步传输方式。 ( 3 ) 具有同步带宽，保证带宽，音频传输失真小。 ( 4 ) 灵活，支持不同速率的设备 ( 5 ) 稳定，协议中包含错误检测，支持熟插拔，易于与p c 接口，支持即插即用。 ( 6 ) 成本低廉。 f 7 ) 易于升级。 由于u s b 具有以上优点，使得其在接口方面的使用极其方便。u s b 可以连接多个 不同的设备。一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。速度快也是u s b 技术的 突出特点之一，u s b 接口的最高传输速度可达4 8 0 m b s 。所有这些突出的优点使得u s b 技术得到广泛的应用、发展和普及【6 3 l 。 1 4 4 现场总线c a n 简介 c a n ( c o n u o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德 b o s c h 公司为解决现代汽车工业中众多 的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。c a n 已成为国际 标准化组织i s o 的1 1 8 9 8 和1 1 5 1 9 标准，得到国际上许多大公司的支持。c a n 具有低成 本、易开发、实时性好以及抗噪声性能好等优点，传输速率最高为i m b p s ，最大传输 距离为1 0 k m ( s k b p s ) ，同时由于c a n 废除了传统的站地址编码，使网络上的节点理论 上为无穷大。现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通信的现场总线。 c a n 总线的m a c 协议采用c s m a 和位仲裁协议( c s m a b a ) 。当c a n 网络中存 在数据传输时，网络中的所有节点都能够帧听到网络中的数据，除了发送此数据的节 点以外，其它的网络节点都不会发送数据，这一点与以太网是相同的。当网络节点没 有帧听到网络中存在数据传输时，它就会认为此时网络空闲：如果此时节点中有数据 等待发送时它就向c a n 总线发送此数据。在发送数据的同时，节点也帧听，并且对 比网络中的数据是否与其发送的数据一致如果数据是一致的，那么节点将继续向网 络发送数据：而当发现数据不一致时节点就将停止数据发送；在以后的时间内，它将 继续帧听网络的状况，直至到下一次网络空闲的情况下重新发送节点中的等待数据。 当网络中存在多个节点同时向网络发送数时，产生冲突( c o l l i s i o n ) 。c a n 总线解决 冲突的方法是使用优先级，这个优先级由数据链路的数据帧格式中定义了帧标识 矗 浙江工业大学硕士学位论文 i d e n t i f i e r 字段决定。在冲突发生时，最高优先级的消息将被发送而不受中断，低优 先级信息的发送将终止，并推退出发送，而当网络空闲时，被中断的低优先级的消息 可尝试重发嗣。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 基本思路 电脑绣花机在机械方面的改进不但要提高成本而且要做到各原配件生产厂商和电 控器生产厂商以及电脑绣花机装配厂商之间的充分沟通，这就需要消耗较多的成本和 时阃，很难在短时期内就能见成效。鉴于此，本文的工作重点放在电脑绣花机监控系 统上，根据电脑绣花机工作原理，构建一个基于a r m 架构的嵌入式监控系统，采用 基于a r m 核的处理器s t r 7 1 0 f z 2 t 6 ，并向其移植嵌入式实时操作系统t t c o s i i 刑用 实时操作系统对监控系统的各项功能进行管理；利用s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的外部存储器接口 和以太网控制芯片c s 8 9 0 0 a - c q 3 进行连接，采用t c p i p 协议栈l w i p 构建基于以太网 的网络接口，建立基于t c p 的网络连接，使监控系统能够和远程主机进行数据和命令 信息的交互；利用u s b 技术。通过s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的外部存储器按1 3 和u s b h o s t 控制 器s l g l l h s 进行连接，按照u s b l 1 协议，建立一个u s b 接口，用于读取存放大容量的 花样文件以及各种数据；组建一个基于c a n 网络通信的安全检测模块，采用树型连接 的方式，包括电源检测节点，断线检测等节点，监控系统处理器的节点d a s t r 7 1 0 f z 2 t 6 以及c a n 收发器s n 6 5 h v d 2 3 0 构成，检测节点控制器采用m i c r o c h i p 公司的带有c a n 接口的1 8 系列单片机p i c i g f 4 6 8 0 ，c a n 收发器使用m c p 2 5 5 1 ；系统利用s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的e m i 和一个彩色l c d 控制器连接，构成彩色l c d 显示模块，把花样文件的图案效果 和现场织机的状态通过l c d 模块显示出来。此外监控系统还提供若干个按键，用于启 动处理器读取u s b 设备中花样文件信息传送给运动控制器的命令以及启动彩色l c d 显示模块显示花样文件的图案用以花样的预览。 1 5 2 论文结构 本文主要内容包括监控系统的硬件设计与实现以及系统软件的设计，下图为本论 文的组织结构图： 9 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2 文章组织结构图 下面介绍本文主要各章节研究内容安捧： 第一章简要介绍了电脑绣花机的发展和研究现状以及电脑绣花机的工作原理，阐 述了电脑绣花机监控系统设计相关技术原理，并对文章内容进行了总括 第二章首先介绍了电脑绣花机监控系统的整体结构，然后进行了性能需求分析， 阐述了以太网，u s b ，c a n ，彩色l c d 等技术在监控系统中的具体应用，给出了监 控系统的总体控制方案，包括采用的处理器，实时操作系统，以及各种接口的控制器 等。 第三章介绍本文研究工作重要内容之电脑绣花机硬件平台的设计与实现。系 统的c p u 为s t 公司生产的s t r 7 1 0 f z 2 t 6 ，该芯片具有2 5 6 k 的片内f l a s h ，其外 部存储器接口具有4 个可以扩展成1 6 m 的b a n k ，片上还集成了一个符合c a n 协议 2 0 a 和2 0 b 的c a n 模块，利用在现场组建了一个小型树型的c a n 网络：监控系统 的以太网接口，u s b 接口，彩色l c d 接口都是通过s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的e m i 进行连接 的。其中以太网的控制器采用c i r r u sl o g i c 公司生产的1 0 k l 以太网控制芯片 c s 8 9 0 0 a - c q 3 ，与s t r 7 1 0 f z 2 t 6 是以1 6 位数据方式进行连接的；u s b 控制器采用的 是s l 8 1 i h s ，它是c y p r e s s 公司生产的可支持全速数据传输的u s bh o s t s l a v e 控制芯片，与s t r 7 1 0 f z 2 t 6 的e m i 是以8 位数据方式进行连接的；彩色l c d 的显 示屏是2 5 6 色的模拟屏，l c d 控制器接口以8 位数据方式和测l o f z 2 t 6 的e m i 连接。 第四章针对电脑绣花机监控系统硬件平台的设计，给出了监控系统的软件设计方 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 案，电脑绣花机监控系统有若干个功能模块，特别是电源检测和绣花机断线检测任务 需要高度的实时性，还有各个模块之f 目需要互相通信