（信号与信息处理专业论文）嵌入式电脑绣花机控制系统中的应用程序研究与开发.pdf

武汉理1 ：人。节硕f j 化论文 摘要 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件均可裁剪， 能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机 系统。随着计算机技术的发展，嵌入式系统进入了一个新的历史发展阶段。目 日，j 广泛应用于工业控制、信息家电、娱乐设施等领域，具有很好的市场前景。 电脑绣花机是随着电子技术和机电一体化技术面逐渐发展起来的电脑刺绣 设备，它极大地提高了纺织行业的生产力。随着刺绣品需求餐的增加，高性能 的电脑绣花机越来越受到人们的青睐。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统在 电脑绣花机控制系统中的应用越来越广泛。 a r m 是目前使用广泛的主流嵌入式处理器体系结构。本文采用$ 3 c 2 4 4 0 ( a r m 9 内核) 作为绣花机控制系统的圭控制器，研制了一种基于$ 3 c 2 4 4 0 的 电脑绣花机控制系统。$ 3 c 2 4 4 0 是韩国三星公司生产的一款基于a r m 9 2 0 t 体系 结构的高性能c p u 。丰富的外设接口，4 0 0 m h z 的主频使它特别适合进行操作 系统的移植和应用程序丌发。 嵌入式操作系统是嵌入式系统中最蓬要的组成部分。而在各种嵌入式操作 系统中，l i n u x 凭借其代码公开，性能稳定，网络功能强大等多方面的优势，在 嵌入式系统中被广泛地采用。研究l i n u x 操作系统，进行嵌入式l i n u x 系统的移 植和应用程序的丌发，具有重要的理论意义和现实意义。本文订三是基于这些优 势，提出一种电脑绣花机控制系统在l i n u x 下的实现方式。 论文在研究a r m 、l i n u x 和q t o p i a 的基础上，对绣花机控制系统进行了研 究，重点论述其硬件电路设计、系统移植和应用程序的丌发。论文首先论述系 统结构和硬件电路设计方案，利用$ 3 c 2 4 4 0 强大的功能和丰富的接口资源扩展 了n a n d 兀a s h 、n o rf l a s h 、s d r a m 、触摸屏、l c d 功能模块。 论文在嵌入式系统理论的基础上，结合l i n u x 自身特点，提出了基于l i n u x 进行嵌入式开发的方案，并搭建了嵌入式开发环境。本文分析了u b o o t 的日录 结构、启动流程以及u b o o t 移植的难点问题，成功地将其移植到控制系统中。 分析了嵌入式l i n u x 的内核特点、目录结构，实现了嵌入式l i n u x 系统的移植。 并根据系统需要，构建了y a f f s 文件系统。最后分析了d s t 花样文件格式，结 合多进程、多线程应用程序的结构和实现原理，以q t o p i a 为歼发工具，开发出 了一种绣花机控制系统中的多线程应用程序。 关键词：电脑绣花机，$ 3 c 2 4 4 0 ，嵌入式系统，嵌入式q t a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sas p e c i a lc o m p u t e rs y s t e mw h o s ep u r p o s ei s f o rs p e c i a l a p p l i c a t i o n s b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe m b e d d e d s y s t e mc a nb ec u s t o m i z e d w i t h t h ed 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 y ，t h e e m b e d d e ds y s t e mh a se n t e r e dan e wd e v e l o p i n gs t a g e i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o m a n yf i e l d s ，s u c ha si n d u s t r yc o n t r o l ，e l e c t r o n i ch o u s e h o l da p p l i a n c e s ，a m u s e m e n t s ， e t c i th a ss t r o n gp o t e n t i a lm a r k e t t h ec o m p u t e r i z ee m b r o i d e r ym a c h i n ei s ad e v i c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c sa n dm e c h a n i c a la u t o m a t i o n ，i ti n c r e a s e st h ep r o d u c t i v i t yo ft e x t i l ei n d u s t r y t h ec o m p u t e r i z ee m b r o i d e r ym a c h i n ew i t hh i g hp e r f o r m a n c ei sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ep o p u l a rw i t ht h ei n c r e a s eo fr e q u i r e m e n to fe m b r o i d e r y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mi sa d o p t e di nt h ea r e ao f e m b r o i d e r ym a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m a rmi st h em o s tp o p u l a re m b e d d e dp r o c e s s o rs t r u c t u r e i nt h i sp a p e r w e s e l e c t e dt h e $ 3 c 2 4 4 0c p ua sm a i nc o n t r o l l e ro ft h ee m b r o i d e rc o n t r o ls y s t e m ，a n d d e v e l o p e dak i n do fe m b r o i d e r y m a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e do n $ 3 c 2 4 4 0 t h e $ 3 c 2 4 4 0i sah i g hc a p a b i l i t yc p ub a s e do na r m 9 2 0 ts t r u c t u r e ，a n d s u i t a b l ef o ro p e r a t i n gs y s t e mm i g r a t i o na n da p p li c a t i o nd e v e l o p m e n tb e c a u s eo fi t s a b u n d a n tp e r i p h e r a le q u i p m e n ti n t e r f a c ea n d4 0 0 m h zm a i nf r e q u e n c y e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n to ft h ee m b e d d e d s y s t e m s i na l l k i n d so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，l i n u xh a st h ea d v a n t a g eo f o p e ns o u r c e ，g o o dp e r f o r m a n c e ，a n ds t r o n gc a p a c i t yo f n e t w o r ks u p p o r t i n g ，s oi th a s b e e nw i d e l yu s e di ne m b e d d e ds y s t e m s i t i so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et os t u d yt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，t op o r tt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m a n dt od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r e b a s e do nt h ef o r e g o i n ga d v a n t a g e s ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r da ni m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ho ft h ee m b r o i d e rc o n t r o ls y s t e mi n l i n u x b a s e do nt h es t u d yo fa r m ，l i n u xa n do t o p i a ，t h ee m b r o i d e rc o n t r o ls y s t e mi s n r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ek e y o ft h i sd e s i g ni sh a r d w a 。e ，o p e r a t m gs y s t e m m i g r a t i o na n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t 。i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g ns c h e m e a n ds t m c t u r c o fs v s t e mh a r d w a r ei sd i s c u s s e da tf i r s t ，a n dd e v e l o pt h ef u n c t i o nm o d u l e s s u c h a s n a n df l a s h ，n o rf l a s h ，s d r a m ，t o u c hs c r e e n ，l c dd i s p l a y b a s e d0 nt h et h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e ma n dc o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t l c so f l i n u x t h es c h e m eb a s e do nl i n u x i sp r o p o s e da n dd e v e l o p m e n te l l v i r o n m e n t i s f b 姗e d i nt h i sp a p e r , t h ec o n t e n ts t r u c t u r e ，b o o t i n gs e q u e n c ea n dt h ed i f f i c u l t y o f u b 似p o r t i n ga r ea n a l y z e d ，a n du b o o ti s p o r t e ds u c c e s s f u l l yt o t h ee m b r 0 1 d e r c o n t r o ls v s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dl i n u xk e r n e l ，c o n t e n t s t r u c t u r ca r c a n a l y z e d ，a n dt h ek e r n e li sp o r t e ds u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u l 。e m e n t ， y a f f sf i l es v s t e mi sc o n s t r u c t e d a tl a s t ，t h e f i l ef o r m a to ft h ed s tp a t t e mi s a n a l v z e d ，i n t e g r a t e dw i t hm u l t i p r o c e s sa n d m u l t i t h r e a d e da p p l i c a t i o n sa r c h n e c t u 。e a n dp r i n c i p l e ，a d o p t i n gq t o p i a a st h ed e v e l o p m e n tt o o l ，a nm u l t i t h r e a d e da p p l i c a t l o n o ft h ee m b r o i d e rc o n t r o ls y s t e mi sf i n i s h e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r y m a c h i n e ，$ 3 c 2 4 4 0 ，e m b e d d e ds y s t e m , q t o p i a 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 期：2 0 略牛2 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵j ) ：此规定) 期：7 略午2 0 武汉理i ：人硕十学位论文 1 1 嵌入式系统概述 第1 章绪论 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件都i ，j 配 置、可裁减，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用计算机系 统1 1 1 。它结合了先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各个行业的具体 应用，被看作技术密集、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统由硬件和软件 两大部分组成，硬件包括了嵌入式处理器和外围硬件设备，软件一般由嵌入式 操作系统和应用软件组成，嵌入式系统是集软硬件为一体的可以独立完成某项 具体工作的计算机系统1 2 j 。 随着计算机软件技术的发展和嵌入式处理器性能的不断提高，从上世纪八 十年代丌始就出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作系统大部分都 是为专用微处理器而开发的。现在其中许多嵌入式操作系统已经得到了广泛应 用，如w i n d o w sc e 、v x w o r k 、l ac o s i i 、l i n u x 等等。 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过裁剪小型化后，可同化 在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合的号用l i n u x 操作系统。嵌入式 l i n u x 的开发和研究己经成为目前操作系统领域的一个热点。嵌入式l i n u x 操作 系统的使用，使嵌入式系统的可靠性、稳定性得到很人提高，同时使得嵌入式 系统的多任务处理能力得到大大的增强。与其它嵌入式操作系统相比，l i n u x 具 有如下特点例： 第一，l i n u x 操作系统是层次结构且内核代码完全开放。l i n u x 是山很多体 积小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和 不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，设计和开发 出满足自己需要的嵌入式系统。 第二，成本低。来源于l i n u x 的嵌入式l i n u x 是丌放源代码的自由软件，嵌 入式l i n u x 的丌发工具也可以免费获得。 第三，强大的网络助能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性，保 武汉理i ：人学硕f ：。z 位论文 证了它支持所有标准凶特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其丌发成 为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。 第四，l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交 叉运行环境，可以跨越嵌入式系统丌发中仿真工具的障碍。 第五，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最 新硬件技术，比如本论文中所使用到的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 。 随着嵌入式技术的刁i 断发展，嵌入式l i n u x 的应用领域已经涵盖了从工业控 制、军事电子设备、航空航天到消费类电子产品、网络通信设备等人们生活的 各个领域【4 1 。由于嵌入式系统在工业控制领域中的应用越来越广泛，相关研究也 是层出不穷。本文主要将嵌入式l i n u x 系统应用在电脑绣花机控制系统中。并在 该系统上进行应用程序的开发和研究。 1 2 嵌入式系统的发展状况 嵌入式系统的兴起是在1 9 6 5 1 9 7 0 年。嵌入式系统的快速发展则是在微处 理器问世之后。1 9 7 1 年1 1 月，i n t e i 公司成功地把算术运算器和控制器电路集成 在一起，推出了世界上第一片微处理器i n t e l4 0 0 4 。之后的几年中各厂家纷纷推 出了许多8 位微处理器，包括i n t e l 公司的8 0 8 0 8 0 8 5 ，z i l o g 公司的z 8 0 等。 随着微电子工艺水平的提高，集成电路设计制造商丌始把嵌入式应用所需 要的微处理器、i o 接l 、a ，d 转换、d a 转换、串行接口及r a m 和r o m 全 部集成到一块芯片中，制造出面向i o 设计的微控制器，即人们俗称的单片机。 如今，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数宁化家电等巨大需求的牵 引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展，应用领域进一步扩大。4 位、8 位、1 6 位微处理器芯片已逐步让位于3 2 位嵌入式微处理器芯片，面向不 同应用领域、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉和低功耗的3 2 位芯片 已大量应用于各种各样的军用和民用设备。 3 2 位芯片能够执行由上百万行代码构成的复杂程序，使得嵌入式系统应用 具备了高度复杂和智能化的功能。嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统，系 统的功能不断扩大和丰富，由2 0 世纪8 0 年代只有内核，发展为包括内核、网 络、文件、图形接口、嵌入式j a v a 及分布式处理等丰富功能的集合。此外，嵌 入式丌发工具更加丰富，其集成度和易用性也在不断地提高中。目前，不同厂 2 武汉理l ：人学硕卜学何论文 商已丌发出不同类型的嵌入式丌发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程的各个 阶段，提高了嵌入式软件丌发效率。 1 3 电脑绣花机的发展状况与研究现状 缝制设备工业是与人类生活紧密相关的传统产业，是精密机械加工业中典 型的装备工业，也是融劳动密集犁与技术密集型为一体的产业。它涉及多种学 科、多种技术，市场容量大，规模效益明显i5 1 。 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械和缝制设备，是随着电子、计算机技 术、精密机械的发展和应用而逐渐成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、 机、电三者合一的刺绣设备1 6 j 。它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实 现，并且还能实现手工刺绣无法达到的“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。 电脑绣花机是以传统手工绣花为基础结合现代机械制造、自动控制、计算 机软硬件技术而逐步发展起来的。二十世纪下半叶随着电子信息技术产业的迅 速崛起，国际经济格局经历了大调整。发达国家和地区由于劳动力成本的上升、 竞争激烈等原因，纷纷从传统工业中退出，一些幽家已基本停止缝制设备或中 低档次的缝制设备生产。八十年代以来，同本、德国、意大利这些传统缝制设 备生产强国的一些著名企业冈市场竞争激烈而相继破产、兼并、转产或转移到 境外生产。缝制设备的行业布局和结构发生了前所未有的大调整，也使市场得 以重新划分。国际产业结构的变化给我困缝制设备行业带来了发展机遇，推动 了中固产品进入国际市场，使我国缝制设备在囡际市场的份额逐年扩大，形成 新的市场格局。目前，世界上除我闺外，仅有日本、德国、意大利、韩阁、印 度及台湾等地区在生产缝制设备。 我国电脑绣花机的发展已经走过了十多年的历程，生产厂家由最初的不过 四、五家发展到现在的数百家，年产量从最初的二百多台发展到现在的三万多 台，发展速度之快令人惊叹! 特别是近两年来国产绣花机发展得非常迅速，以 前国外品牌。一直是受追捧的主角，比如德国z s k 、同本f 目岛( t a j i m a ) 、百灵 达( b a r u d a n ) ，他们无疑是绣花企业的首选。现在我国的绣花设备产销绩效 明显提高，行业投资速度明显加快，丌始在市场上崭露头角，国产绣花机币在 不断的发展壮大。日f ； 中凼已成为缝制设备的生产大困和出口大国。 3 武汉理i ：人学硕十学何论文 尽管我旧电脑绣花机产业发展迅速，出口量越来越大，有着良好的性价比 等优势，f 日是产品主要集中在中低端市场，整机水平与国际品牌仍有较人差距， 在机器平均无故障时i 日j 、机器寿命、刺绣效果、刺绣速度、降低噪音等方面都 落后于国际品牌。因此采用新技术研究和改进电腩绣花机，提高其整体性能和 产品竞争力，使我国由一个电脑绣花机生产大国变成生产强围，打造出酗际品 牌的电腑绣花机，满足和引导人们对于刺绣品消费品味的追求，显得门益蓖要。 电脑绣花机是集机械、电子技术于一体的高科技产品，其机械结构设计和 电控系统的设计是相互协调的、相互发展的，因而要提高电脑绣花机的整体性 能，可以从机械结构和电控系统两方面入手。本文主要针对电脑绣花机的控制 系统进行研究，机械方面将不在本文的讨论范畴之内。绣花机的控制器是完成 绣花动作和实现各种功能的灵魂，绣花机的诸多功能很大程度上都是由电控部 分决定的。因而，控制系统的好坏强弱有接决定了绣花机的质量。 国外电脑绣花机生产厂商在精密机械部分平稳运行的基础上不断采用新的 技术，诸如采用先进的实时操作系统进行系统管理、u s b 闪存或c f 卡大容量存 储器存贮花样数据、以太网信息共享、网络远程控制、无线控制等技术提高电 脑绣花机的性能。而当前国内有能力丌发电控部分的厂家却寥寥无几，其中以 北京兴大豪公司的产品为最，其产品在国内已处于较为先进的地位，大部分电 脑绣花机厂家产品的控制系统均为兴大豪的产品，但从兴大豪的产品中可以看 出，其大部分产品虽然能够满足电脑绣花机完成刺绣工作的基本需求且性能稳 定，但足由于其控制平台的局限性，如果以现有的平台进行系统升级并采用完 善成熟的操作系统进行移植，从而赶上国外先进技术水准，则会存在不少困难。 因此提高系统运行速度，实现多任务实时控制必须采用先进的硬件平台，采用 成熟的操作系统如嵌入式l i n u x 进行管理，是绣花机控制系统丌发的迫切需要。 在硬件方面，目前比较先进的绣花机控制系统常采用以下几种结构： ( 1 ) 以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为主控制器结合外围电路组成的控 制系统。利用d s p 运算速度快，拥有丰富的片内外设接口、大容最的片内f l a s h 和r a m 等丰富的资源特点达到实时精确控制的目的。 ( 2 ) 采用已丌发好的工控主板，利用工控主板提供的接口和可重用模块实 现控制逻辑要求。这样可以使得设计简便，缩短丌发周期，降低开发难度，可 靠性容易保证，但是成本较高且灵活性较差。 ( 3 ) 采用基于a r m 微处理器的嵌入式系统，其中软件的可重用模块较多， 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 且有一些a r m 微处理器己经内嵌u s b h o s t 模块或l c d 控制器等模块，所以 能够直接控制大多数常用外围设备，因此大大降低产品成本，减少丌发周期。 随着a r m 微处理器在幽内的推广和使用，其极高的处理能力和集成度非常 适合作为电脑绣花机的控制系统的主控器。而且l i n u x 这种丌源且近乎免费的操 作系统在国内己经发展的非常成熟，甚至丌发商已经在个别a r m 微处理器上做 了操作系统移植，这些不仅能充分满足开发新型电脑绣花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。 1 4 本文的主要研究内容及论文的组织结构 目l j i 国内外的电脑绣花机控制系统的设计方案主要分为两种： 第一种是用一个处理器作为主控芯片，控制电机，采集实时信息，空闲时 显示信息到显示设备( 例如：l e d ，液晶屏，c r t 显示器) 上。第二种是用两个 处理器，一个作为下位机控制机械i 部分，另一个作为上位机部分，主要控制显 示设备，外部存储器( 例如硬盘，u s b 存储器) ，网络和其它模块。 本文主要针对第二种情况进行研究，研究工作主要集中在上位机部分，下 位机控制机械的部分不在本文的讨论范隔之内。 本论文共分6 章，各章概要如下： 第1 章介绍了嵌入式系统的概念及常见的嵌入式操作系统，然后对嵌入式 l i n u x 操作系统重点进行了说明。同时还简单介绍了电脑绣花机发展状况与研究 现状，并分析了目前电脑绣花机控制系统的缺点与不足。 第2 章对电脑绣花机工作原理进行了介绍，并在此基础上进行了主控制器 的选择并给出了控制系统的总体设计方案。最后给出了n a n df l a s h 、n o rf l a s h 、 s d r a m 、触摸屏、l c d 的具体电路设计。 第3 章介绍了构建一个嵌入式l i n u x 系统的方法与步骤。包括u b o o t 的移 植，内核的移植，文件系统的移植等。 第4 章对l i n u x 上编写多进程、多线程应用程序的方式进行介绍说明，同时 介绍了q t 多进程、多线程应用程序的编写方式。 第5 章详细介绍了o t o p i a4 在控制系统上的移植方式，并给出了控制系统应 用程序的设计思路及具体实现步骤。 第6 章对全文进行总结，并提出进步需要开展的工作。 5 武汉理i ：人学硕十学何论文 第2 章电脑绣花机控制系统的硬件设计 2 1 电脑绣花机的工作原理 电脑绣花机的工作原理是按照传统绣花流程，使用成熟的计算机嵌入式系 统对生产过程进行摔制，以达到提高，芏产效率和稳定产品质鼍的目的。当需要 进行绣花操作时，工作人员首先利用刺绣打版软件进行制版，生成样版后，将 载有刺绣程序及花样的存储器件分别与嵌入式系统接口连接( 如软盘、s d 卡或 u 盘) ，主控制器读取存贮于磁盘驱动器中的花样文件，并对文件进行解码，将 得到的啦标值换成与绣框x 、y 方向位移量相当的电信号，送到x 、y 方向的步 进电机进行速度和位移控制。x 、y 步进电机通过传动机构带动绣框及面料作平 面运动，并将面料上每个待绣点送往主轴绣针下等待刺绣。同时，z 轴电机带动 机针运动，并与绣框移动的方向、移动量以及移动速度进行协调配合，使面线 和底线绞合，在面料上绣出花样图案。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，继续进行刺绣。当刺绣 完毕时，剪线电机带动剪刀将线剪断。这就是电脑绣花机刺绣功能的实现过程1 7 1 。 图2 1 电脑绣花机工作流程 2 2 控制系统的总体设计方案 在目前的绣花机控制系统中，大致有两种设计方案：单处理器控制方案和 双处理器控制方案f 剐。 单处理器控制方案，可以采用r t l i n u x 或v x w o r k 作为嵌入式操作系统。它 6 武汉理l ：人学硕十：f 节论文 们都是属于强实时操作系统，将控制和信息处理放在起仍可以保证很好的实 时性。但是问题在于大量的人性化界面，网络信息和绣花文件的处理会使嵌入 式处理器不堪重负，因此这种方案存在其局限性，在提升绣花机性能方面具有 瓶颈。 双处理器控制是将控制和信息处理的部分分开，有利于使剧特殊处理器来 实现各自的功能。控制部分要求强实时性，绣花机的机械控制主要是通过控制 电机来控制绣花操作，将针位信息转换为控制电机运动的p w m 脉宽调制信剐9 1 ， 对芯片的运算能力有一定的要求，因此一般选择d s p 类型的微处理器；而信息 处理部分一般都是选择a r m 处理器或者直接选择p c 机。本文采用的j 下是这种 设计方案。结构图如图2 2 所示。 p 。一一一一。1 r 。一。一。1 信息处理部分ij 机械控制部分j ：一一一j ：一一一一一一j 图2 2 系统总体结构图 这种设计的重点是把绣花机控制系统的信息处理部分和机械控制部分分离 丌来，最终产品是由不同厂家设计的各种m c u 组成的。这种设计的好处是：减 少设计复杂度，提高通用性；减少重复劳动，利于企业和行业长远发展：为用 户提供多种组合方案，易于更新换代和升级：并且可以显著提升产品性能1 1 0 l 。 本文主要针对上位机( 信息处理部分) 进行讨论，下位机( 控制部分) 如 何控制电机，将不在本文的讨论范围之内。 2 3 主控制器的选择与简介 2 3 1 主控制器的选择 在电脑绣花机控制系统中较常用的主控制器有8 位单片机、d s p 、a r m 系 列。8 位单片机做主控制器在早期的绣花机控制系统中比较常见，它具有价格低 廉、容易实现等优点，但由于8 位单片机的功能少、速度低、片内资源也不丰 富等缺点，现在基本己经被淘汰。 7 武汉理1 ：人：硕十学 节论文 目自订比较流行的结构是以基于a r m 内核的微处理器为核心，配以外围接口 电路，控制过程主要是以软件控制为主。这种结构的优势就是它利用了a r m 处 理器强大的功能和丰富的外部接口资源。a r m 处理器泛指所有使用英国a r m 公司3 2 位处理器i p ( 知识产权) 核所生产的各种微处理器芯片。a r m 3 2 位体 系结构是日前公认的业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结构。与其它3 2 位 嵌入式处理器相比，a r m 处理器具有以下三个突出的优点【1 1 】： ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能： ( 2 ) 1 6 位3 2 位双指令集： ( 3 ) 全球众多的合作伙伴。 本文采用三星公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，它不但具 备上述r i s c 结构特性的优点外，还具有丰富的外部接口。另外，$ 3 c 2 4 4 0 可以 比较方便的进行操作系统的移植。 2 3 2 主控制器的简介 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式处理器，内核主频高达 4 0 0 m h z ，最高可达5 3 3 m h z ，而且功耗低、性能高，广泛地应用于p d a 、便携 媒体播放器、卫星导航仪等多媒体终端。片上集成指令数据分丌的1 6 k c a c h e 、 s d r a m 控制器、l c d 控制器、4 通道d m a 、3 通道u a r t 、i i c 总线、i i s 总 线、s d 主机接口、p w m 定时器、看门狗、片上p l l 时钟发生器、8 通道1 0 位 a d 控制器和触摸屏接口以及带同历函数的实时时钟，极大地方便了系统开发。 正是由于$ 3 c 2 4 4 0 的卓越性能，将其作为电脑绣花机控制系统的主控制器，可 以极大地提升绣花机的性能，同时也能简化硬件电路设计1 1 2 j 。 2 4 控制系统硬件的设计与实现 2 4 1n o rf l a s h 存储器电路设计 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 是一类非易失性存储器，即使在供电电源关闭 后仍能保存片内信息，它可用来存储诸如操作系统、程序代码和花样文件等数 据信息。它具有电擦写式特点，还具有功耗低、密度高、体积小、价格便宜、 可靠性高、可重复编程等优点。凭借其优良的性能，闪速存储器被广泛地应用 到嵌入式系统的各个领域。闪存已经成为了目前最成功、流行的一种阎念存储 8 武汉理i ：人学硕 ：f 节论文 器，与e e p r o m 相比具有读写速度快，而与s d r a m 相比具有非易失、以及价 廉等优势。因此在嵌入式领域，大部分存储器都选用洲速存储器i l 引。 目日订应用在嵌入式领域中的闪速存储器主要有两种类型，n o rf l a s h 和 n a n df l a s h 。这两类闪速存储器各有所长，n a n d 型闪存的单元排列是串行的， 而n o r 型闪存则是并行的。在n a n d 型闪存中，存储单元被分成页，再由页 组成块。 n o rf l a s h 的特点是芯片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) 代码，这样应用 程序可以直接在洲存内运行，不必把代码读到系统r a m 中。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，但是很低的写入速度 和擦除速度大大影响了它的性能。价格相对n a n df l a s h ，单位成本更高的多。 因此大部分嵌入式系统中，n o rf l a s h 都不会很大，仅仅是用来存储引导程序 b o o t l o a d e r 。 由于考虑到成本，本文使用的n o rf l a s h 足容量为1 m ( 5 1 2 k 1 6 b i t ) 的 a m 2 9 l v 8 0 0 d 。s 3 c 2 4 4 0 提供了外接r o m 、s r a m 、s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n d f l a s h 的接口。外接存储器的空f 日j 被分为8 个b a n k s ，每b a n k 容量为1 2 8 m 。 当访问b a n k x ( x 从o 到7 ) 所对应的地址范围( x 宰1 2 8 m 到( x + 1 ) 1 2 8 m 1 ， b a n k 6 、7 有稍微差别) 时，片选信号n g c s x 有效。由于只有一片n o rf l a s h 芯片，因此选择b a n k o 进行连接。电路图如下所示。 a d d r l 1 9 d a t a 0 1 4 d a t a l 5 n g c s o n o e n w e s 3 c 2 4 4 0 o m o o m l v d d a 0 a 1 8 d q 0 一d q l 4 d q l5 a - 1 c e o e w e ry 甩ya m 2 9 l v 8 0 0 d r e s e t b y t e v d d 0 v s s 0 v s s l 图2 3n o rf l a s h 电路图 电路图说明： ( 1 ) $ 3 c 2 4 4 0 的地址线a d d r l 1 9 与a m 2 9 l v 8 0 0 d 的地址线a 0 1 8 依次 9 武汉理1 ：人学硕 ：学何论文 相连。由于n o rf l a s h 选择的足5 1 2 k 1 6 b i t 存储形式，即n o rh a s h 的最小 存储单位为2 字节，而$ 3 c 2 4 4 0 最小寻址单位为1 字节，凶此需要将地址线的 第二位a d d r l 与a 0 相连，而a d d r 0 不与n o rf l a s h 芯片相连。 ( 2 ) 1 6 位数据线依次相连。其中端口d q l 5 a 1 有两种用途，如果n o rf l a s h 芯片选择的是1 0 2 4 k 8 b i t 存储方式，该端口将作为最低位的地址线，而本文选 择的是5 1 2 k 1 6 b i t 存储方式，因此该端口用作数据线的最高位d q l 5 。 ( 3 ) c e 是片选信号，由于n o rh a s h 连接到b a n k 0 ，冈此需要用到b a n k 0 的片选信号n g c s 0 。读使能o e ，写使能w e 与$ 3 c 2 4 4 0 对应引脚相连。 ( 4 ) r y b y 表示n o rf l a s h 是就绪还是繁忙的状态信息，此处没有使用， 所以悬空。r e s e t 低电平有效，与电路的复位模块相连。 ( 5 ) b y t e 是n o rf l a s h 芯片读写方式的选择，高电平对应1 6 b i t 模式，低 电平对应8 b i t 模式。本文使用的是1 6 b i t 模式，因此直接接v d d 。 ( 6 ) o m 0 ，o m l 是s 3 c 2 “0 启动方式的选择。当o m 0 = i ，o m i = 0 芯片置 为1 6 b i t 方式，并且将n o rf l a s h 芯片映射到b a n k 0 地址0 x 0 处。s 3 c 2 4 4 0 只 有1 6 b i t 和3 2 b i r 两种使用n o rf l a s h 启动的方式，因此前面的a m 2 9 l v 8 0 0 d 只 能使用1 6 b i t 读写方式，而不能使用8 b i t 模式。 n o rf l a s h 的读写方式基本与内存一样，可以直接在其地址范罔内进行读写。 因此将启动程序拷贝到n o rf l a s h 罩面，上电后便可以直接运行。但n o rf l a s h 价格昂贵，而且1 m 容量也湿不足，因此本系统还加上了一块n a n df l a s h 芯片 作为补充。 2 4 2n a n df l a s h 存储器电路设计 相对于n o rh a s h 的昂贵，n a n df l a s h 则要便宜很多，因此更适合作为较 大容量的存储介质使用。1 9 8 9 年东芝公司发表了n a n df l a s h 技术( 后将该技 术无偿转让给韩国三星公司) ，n a n df l a s h 技术强调降低每比特的成本，更高 的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。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。其缺点在 于需要特殊的系统接口，并且c p u 需要驱动程序才能从n a n df l a s h 中读取数 据，使用时一般是将数掘从n a n df l a s h 中拷贝至0s d r a m 中，再供c p u 顺序 执行，这也是大多数嵌入式系统不能从n a n df l a s h 中启动的原因。 $ 3 c 2 4 4 0 不仅支持从n o rh a s h 启动，而且支持从n a n df l a s h 启动。这是 l o 武汉理i ：人学硕 ：学俯论文 因为从n a n df l a s h 启动的时候，f l a s h 中丌始4 k 的数据会被$ 3 c 2 4 4 0 自动地复 制到芯片内部一个叫“s t e p p i n g s t o n e ”的r a m 中，并把0 x 0 设置为内部r a m 的起始地址，然后c p u 从内部r a m 的0 x 0 位置丌始执行。这个过程不需要程 序干涉。而程序则可使用这4 k 代码来把更多数据从n a n df l a s h 中拷贝到 s d r a m 中去，从而实现从n a n df l a s h 启动。 选择是从n o rf l a s h 启动，还是n a n df l a s h 启动，需要对o m o 和o m l 引脚进行不同的设置，如果常常需要切换启动模式，可以将这两个引脚接到跳 线柱上，通过跳线央对其进行设置。 本文选用的是三星公司出品的k 9 f 1 2 0 8 u o bn a n df l a s h 芯片，该芯片容量 为6 4 m 8 b i t 。由于$ 3 c 2 4 4 0 已经内置了n a n df l a s h 控制器，因此电路设计十 分简单，不需要再夕i - j j h 控制芯片。电路图如图2 4 所示。 苡丽面蛎西 f r n bl 叫r b n f c e c l e a l e n f w e s 3 c 2 4 4 0n f r e g p g l 3 g p g l 4 g p g l 5 n c o n o m 0 o m l v d d c e c l e a l e w e r e w p v c c v s s 0 v s s l k 9 f 12 0 8 u o b 图2 4n a n df l a s h 电路图 电路图说明： ( 1 ) 由于n a n df l a s h 芯片是以字节为单位存储的，因此的数据线i o o 7 直接与$ 3 c 2 4 4 0 的数据线d a t a 0 7 相连，不需要像n o rh a s h 那样偏移一位进 行相连。i 0 0 7 是充当地址，