（电路与系统专业论文）基于ARM和Linux的嵌入式绣花机控制器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于a r m 和l i n u x 的嵌入式绣花机控制器的研究 摘要 嵌入式系统广泛应用于各种智能控制器中，目前国外高端绣花机控制器主 要采用高性能嵌入式微处理器，而国内绣花机控制器仍以单片机为主，存在绣 花色泽单调，数据处理能力欠佳，缺乏图形控制界面等不足。本文在分析了绣 花机的结构和功能的基础上，研制了基于l i n u x 一2 6 的嵌入式绣花机控制器，论 文的主要工作和成果如下： ( 1 ) 设计并实现了基于嵌入式微处理器的绣花机控制器开发平台，建立宿 主机开发环境，制作了针对l i n u x 一2 6 的交叉编译器，实现了宿主机和目标机之 间的数据传输，设计了基于双口r a m 的双处理器通信接口。 ( 2 ) 深入研究了嵌入式系统的引导装载程序v i v i 、l i n u x 2 6 内核和根文件 系统，成功移植了基于$ 3 c 2 4 1 0 硬件平台的v i v i 、嵌入式l i n u x 一2 6 操作系统 和c r a m f s 根文件系统，系统运行稳定可靠。 ( 3 ) 对l i n u x 2 6 内核设备驱动程序进行了分析和研究，在设备驱动程序开 发原理的基础上，设计了基于l i n u x 。2 6 内核的i i c 键盘驱动程序和双处理器通 信接口驱动程序。 ( 4 ) 深入分析了三种主流绣花机花样文件存储格式和解码方法，采用 m i n i g u i 图形系统，设计实现了绣花机控制器的图形控制界面。 关键词：嵌入式系统；设备驱动；b o o t l o a d e r ；l i n u x ；m i n i g u i t h er e s e a r c ho ft h e e m b r o i d e r yc o n t r o l l e rb a s e do n a r ma n de m b e d d e dl i n u xs y s t e m a bs t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi s w i d e l yu s e di na l lk i n d so fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a t p r e s e n t ，t h eh i g h - e n de m b r o i d e r y c o n t r o l l e ra ta b r o a di s d e s i g n e d w i t h h 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 ，h o w e v e r ，t h ed o m e s t i ce m b r o i d e r yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e db a s e do nsc m ，e m b r o i d e r yc o l o rm o n o t o n o u s ，w e a kd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n s ， a n da l s ot h el a c ko fg r a p h i c a lc o n t r o li n t e r f a c e b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o n s t r u c t i o n a n df u n c t i o no ft h ee m b r o i d e r y , t h ep a p e rd e v e l o p e re m b r o i d e r yc o n t r o l l e rb a s e do n l i n u x 一2 6 ，t h em a i nw o r ka n dr e s u l t so fd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，w ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt h ed e v e l o p e dp l a n t f o r mo fe m b r o i d e r y c o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dm p u ，f o u n d e dd e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo ft h eh o s t m a c h i n e ，b u i l tt h ec r o s sc o m p i l e rb a s e do nl i n u x 2 6 ，c a r r i e do u td a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nt h eh o s tm a c h i n ea n dt h et a r g e tm a c h i n e ，d e s i g n e dd u a lc o n t r o l l e r c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nd u a l p o r tr a m s e c o n d l y , w em a d ead e e ps t u d ya b o u tt h ee m b e d d e ds y s t e m sb o o t l a d e r p r o g r a mv i v i ，t h el i n u x 一2 6k e r n e la n dr o o tf i l es y s t e m ，a n dt h e nt r a n s p l a n t e d v i v i ，e m b e d d e dl i n u x 一2 6o p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f $ 3c 2 410 ，s t a b l ea n dr e l i a b l es y s t e mo p e r a t i o n t h i r d l y ，w ea n a l y s e da n ds t u d i e dt h ed e v i c ed r i v e r so fl i n u x 一2 6k e r n e l ，o n b a s e do fd e v e l o p m e n tp r i n c i p l eo fd e v i c ed r i v e r s ，d e s i g n e dd r i v e rp r o g r a mo fi i c a n dd u a lc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nl i n u x 一2 6k e r n e l f o u r t h l y ，t h ef o r m a to ff i l e ss u c ha sd s t ，d s b ，a n dd s zs t o r e di nt h es y s t e m i sd e s c r i b e di nd e t a i la n dt h ed e c o d i n gm e t h o di sd e s c r i b e da sw e l l ，t h eg r a p h i c a l i n t e r f a c eo fc o n t r o l l e rw a sp r o g r a m m e db yu s i n gm i n i g u is y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d e v i c ed r i v e r s ，b o o t l o a d e r ，l i n u x ，m i n i g u i 表清单 表2 1j t a g 引脚功能一6 表3 。1 资源压缩软件包1 4 表3 2 嵌入式l i n u x 根目录结构一2 7 表3 3i n i t t a b 动作类型3 0 表4 1 数字十六进制编码表一4 6 表5 一ld s t 头文件结构5 2 表5 2 线迹字节表示5 2 表5 3d s t 格式一帧中位对应权值5 2 表5 4d s t 格式功能码：5 3 表5 5d s b 格式功能码5 3 表5 - 6d s z 格式功能码5 4 图清单 图2 1 电脑绣花机工作流程图4 图2 2 系统整体结构图8 图2 3 通信接口硬件结构图一1 0 图3 一l 开发环境结构1 2 图3 2 虚拟机1 3 图3 4v i v l 控制台1 7 图3 5a r m l i n u x 启动基本过程2 0 图3 - 6l i n u x 根文件系统结构图3 0 图3 7l i n u x 系统启动运行图3 2 图4 1 设备驱动程序3 3 图4 2 虚拟文件系统与具体文件系统的关系3 6 图4 3 设备文件3 6 图4 4k s e t 与k o b j e c t 的关系4 1 图4 5 双口r a m 设备驱动程序调用过程4 7 图5 一l 绣花文件编辑软件5 0 图5 2d s t 花样文件存储数据分析5 1 图5 3 图形用户界面的开发流程图5 5 图5 4 程序界面5 7 独创性声明 本人卢明所牛交的学位论文是本人在导师指导f 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，占和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 弓过的研究成果，也不包含为获得 金a 曼：l 些太堂 或其他教育机构的学位或证二i _ 5 而使 用过的材料。与我一同j ：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。 擗勉瓠蚴厂年尹月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金g 墨王些叁堂 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什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名； 氖农一 啦爷f 月叫日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翮签名身扇竿 签字日期。口绛x _ - j l ，- 7 日 - 电话： 邮编： 致谢 三年的研究生求学经历是我人生最重要的阶段。在这三年里，有很多让我 感动和骄傲的人和事，其间有快乐，也有悲伤；在这三年里我懂得了很多，明 白了自己要去做什么，要去面对怎么样的人生，有了自己无悔的追求，使我各 个方面都得到了锻炼，感觉收益菲浅，除了自己的努力，更多的来自老师、父 母、兄弟姐妹、朋友的支持和帮助。 首先感谢我的导师鲁昌华教授，鲁老师不仅在学术上给我们悉心指导，而 且在做人方面更是给我们树立榜样，做一个对社会对家庭有用有责任的人。在 硕士论文研究的全过程中，鲁老师从论文选题、研究方案的制定、论文的撰写 等各个方面都付出了大量的心血，给予了我极大的关心和帮助。两年多来，鲁 老师以其严谨的治学态度、实事求是的精神、创新的科研风格、渊博的知识深 深地感染了我，使我受益非浅；其宽厚善良的品德、忘我的工作热情更使我终 生难忘。在论文完成之际，首先要向鲁老师表示我衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢合肥工业大学智能测试研究室的韩梅、蒲香君、符能、邓小康、田苗、 章神等同学。三年的学习生活中，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 对我的热心帮助，祝愿他们以后的人生一帆风顺。 最后特别衷心感谢我的父母对我的养育之恩! 无论在生活上还是在学习上， 他们用最朴实、最伟大和最无私的爱，给予我最永恒的支持。感谢我的兄弟姐 妹对我生活上的关心和支持! 感谢我的家人，无论身在何处，难忘故乡，难忘 故乡的亲人，故乡永远在我的心中，家永远是我不变的港湾。 衷心感谢论文评审以及答辩委员会的所有老师! 最后，谨以此文献给所有关心和帮助过我的可亲可敬的人们。 鲍尚东 2 0 0 9 年4 月于合肥 第一章，绪论 1 1 嵌入式系统的发展概况 嵌入式系统就是以应用为中心( 量体裁衣) ，以计算机技术为基础，软件硬 件可裁剪，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统。嵌入式系统的内容广泛，小到一个芯片，大到复杂的分布式系 统都可以称为嵌入式系统，通常以s o c 、单片机、单板机、多板式箱式结构或 嵌入式p c 等形式嵌入到信息家电、数字通信、工业控制、航空航天、医疗设施、 军事电子等领域的设备或系统中，作为处理和控制的核心【l l 。 嵌入式技术发展的特剧2 儿2 6 1 ： ( 1 ) 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。嵌入式系统麻雀 虽小，五脏俱全，软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件， 硬件除了c p u 外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制器、d s p 已构成 嵌入式系统硬件的基础。 ( 2 ) 嵌入式系统是资源开销小的高性价比系统。嵌入式系统的发展离不开 应用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善，各 种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性价比的一类应用 系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求，大多使用f l a s h m e m o r y 。 ( 3 ) 专门开发工具。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完 成以后，用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才 能进行开发。开发工具和环境一般基于通用计算机的软硬件设备、逻辑分析仪 和信号示波器。 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、 消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入 式技术的发展过程，大致经历四个阶段f 2 儿5 9 j ： ( 1 ) 以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指 示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中， 一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。 ( 2 ) 以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的操作系统。这一阶段c p u 种类繁多，通用性比较弱，用户界面通常不够友好，但系统开销较小，效率高，操作系统 具有一定的兼容性和扩展性。 ( 3 ) 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系 统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、 图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序 较简单；嵌入式应用软件丰富。 ( 4 ) 基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是当前嵌入式系统迅速发展的阶段，随 着i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制结合越来越紧密，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合是 今后嵌入式系统发展的主要趋势之一。 随着应用的发展，嵌入式系统涵盖范围和领域也越来越广泛，几乎包括了 我们周围的所有电器设备，如电视机顶盒、掌上p d a 、移动计算设备、多媒体 设备、医疗仪器乃至路由器、交换机等。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，嵌入式系统软件的核心是 嵌入式操作系统。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。 1 2 智能绣花机的发展概况f 3 】【4 j 【6 】 在控制系统上，绣花机的诸多功能很大程度上都是由电路部分决定。在精 密机械部分平稳运行的基础上，国外智能绣花机生产厂商将世界最前沿的计算 机技术、芯片开发、功能开发与智能刺绣的人性化、人文化紧密地结合在一起， 至今占有着绝对的科技优势。 在绣花机领域，目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛( t a j i m a ) 公司t m e f h 6 2 0 型、日本百灵达( b a r u d a n ) 公司b e m r h y s 2 0 型、日本兄 弟( b r o t h e r ) 公司b a s 4 2 3 型、德国蔡斯克( z s k ) 公司1 7 4 1 2 型、德国百福 ( p f a f f ) 公司的k s m 2 2 1 1 2 2 6 0 型等。与这些大型国际公司相比，我国目前电脑 刺绣机与他们还存在较大的差距。 在我国绣花机控制器有独立的开发公司，以北京兴大豪科技开发有限公司 的产品为最，兴大豪生产的电脑刺绣机控制系统，占据国内7 0 8 0 的市场份 额。但是中国具有数百家绣花机制造企业，控制器生产厂家却少之又少，纵观 国外绣花机生产厂家，却没有出现这种独立的绣花机控制器生产厂商，所以国 内生产的绣花机无法像国外产品那样专业化和与机械联动设备开发的紧密性。 也由此看来，国内绣花机机械联动设备厂商并不注重产品控制器产品开发。 兴大豪的产品b e c s 1 x 9 系列特种刺绣机电脑控制系统使用t f t 6 4 k 色 6 4 0 x 4 8 0 真彩色液晶显示并兼容其他种类显示器、2 0 0 万针大容量花样存储空 间、u s b 传输接口、适用于锁式绣、毛巾绣，链式绣或各种混合针迹的绣花机， 可选择多种主轴、绣框、换色、剪线电机或电磁铁控制方式，以适应不同机型 的需要，具有最高转速：链式、毛巾绣6 5 0 r p m ，锁式绣8 5 0r p m 。e m b n e t 够绣花 机网络管理系统是兴大豪的一个比较先进的绣花机控制系统，分为绣花机管理 层和生产管理层，它实现了生产自动化、网络化和智能化，能够进行网络化的、 远程的、自动的生产管理方式，它的服务器端能够远程控制管理3 2 0 台绣花机， 但是当前绣花机的实际控制器只能是a 8 8 机型系统。也就是说在绣花机控制器 2 端增加了远程控制的职能，并利用p c 机作为服务器远程控制。 1 3 课题来源及研究内容 本课题来源于2 0 0 7 年合肥科技局重点项目，合科合同( 2 ) 字2 0 0 7 ( 1 0 1 8 ) 。 嵌入式技术己经渗透到工业控制、无线通讯、网络应用、成像和安全产品 及各类家用消费类电子设备的各个领域，随着a r m 这种微处理器在国内的推 广和使用，其极高的处理能力和集成度非常适合作为我们智能绣花机的控制系 统的主控器。而对嵌入式l i n u x 操作系统的研究更是成为了开发中的热点， l i n u x 是目前最为流行的一款开放源码的操作系统。在保证系统稳定性的前提 下，如何克服硬件相关性困难来提高操作系统的可移植性，实时性仍然是人们 不断探索与追求的目标。 绣花机控制器是绣花机中最重要的组成部分，本课题正是以嵌入式微处理 器技术，嵌入式操作系统技术为基础，构造一款适用于电脑绣花机控制器的高 效、稳定的嵌入式系统平台。 本论文主要研究的内容： 第一章主要介绍了嵌入式系统的特点和发展历程以及智能绣花机的发展 状况，课题来源和研究的内容。 第二章介绍了绣花机的的基本工作原理，给出了硬件平台和系统的总体 设计，简单介绍了所采用的嵌入式微控制器和芯片外围电路，详细给出双处理 器间通信接口的设计。 第三章首先介绍了嵌入式l i n u x 的发展情况，详细给出了宿主机开发环境 的建立，最后设计并移植v i v i 、l i n u x 2 6 1 4 1 内核到a r m 平台、制作了嵌入 式l i n u x 根文件系统，给出了详细设计过程。 第四章介绍了l i n u x 设备驱动的功能和特点，l i n u x 设备驱动的内部管理 和设备模型，在此基础上，设计并分析了基于a r m 的l i n u x 一2 6 设备驱动程序 第五章分析了绣花文件的存储格式和解码方法，分析了m i n i g u i 的工作 模式编写了人机对话界面。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并对以后的学习和研究提出了具 体的方向和所要做的工作。 第二章绣花机控制器设计 2 1 绣花机的工作原理 绣花的基本动作是在织物的上下各有一根线( 称作面线和底线) ，面线穿过 织物同底线套索形成针迹，这些针迹组成花样；智能绣花机的原理简单的说就 是控制各种电机自动执行上述的刺绣操作，流程见图2 一l 所示。电脑绣花机工 作原理有点类似于数控机床，但是不同的是这里是将刺绣的花样文件先由打版 师在p c 上通过刺绣打版软件制作成花样文件，然后将花样文件存储在软盘、u 盘或者其它存储介质中。绣花机工作时，电脑绣花机主控制器就通过从这些存 储介质中读取花样文件，并通过一定的规律来解读文件中的位置和控制信息， 控制绣花机机械系统中各电机进行配合运动，从而在刺绣目标上自动绣出各种 图案【5 1 。 图2 1 电脑绣花机工作流程图8 1 我们称刺绣的一个动作为针迹，它包含绣框的一次移动和绣针的一次刺布。 针迹中绣框移动的距离称为针迹步长。在绣针接触布料的整个过程中，布料保 持静止，当绣针离开布料到第二次接触布料期间，绣框才允许运动，因此主轴 电机的转速必须适应针迹步长的大小，步长越大，转速越低，步长越小，转速 越高。主轴电机和步进电机运动如果出现不协调，将导致断线甚至断针。花版 数据是描述刺绣线迹坐标相对位置及控制编码的数据文件，它通过制版机用 c a d 方法结合刺绣针法形成，花版数据中描述了刺绣作业的两种控制数据：一 种是线迹落针点的坐标值( x ，y ) ，称之为坐标码；另一种是多色绣品的换色码、 长距离移框操作的跳线码以及针迹数据文件结束的结束码，统称其为控制码。 在刺绣进程中，微机控制器应对数据的坐标码进行识别，确定相应的控制进程 【7 1 。 2 2 控制系统设计方案 根据目前国内外的电脑绣花机技术发展现状及系统功能需求，有以下几种 方案可供选择来实现电脑绣花机电控器的基本功能瞰】： 4 方案一：采用8 0 5 l 单片机作为主控制器【8 】【9 】【1 0 1 ，以8 2 5 5 或8 1 5 5 作为扩展 接口控制各个电机和继电器以及键盘和l e d 显示器。这种控制器结构简单，功 能单一，价格低廉，能够实现基本的绣花功能。 方案一虽然价格低廉，设计简单，但其已经不能满足现代智能绣花机的需 求，属于即将淘汰的落后产品。 方案二：采用基于i n t e l1 9 6 k c1 6 位单片机为主控制器1 1 1 2 1 ，用于控制 l c d 液晶显示器或l e d 显示器、键盘，用软驱读取花样数据并与其他控制器 或接口进行通信，同时采用8 0 51 单片机作为下位机控制主轴伺服电机。 方案二采用多控制器分散控制的思想来提高系统的整体处理能力，整体性 能有所增强。但该系统仍较难实现较好的图形化人机界面和u s b 闪盘大容量存 贮技术以及网络通信，虽然成本不高，但性能已经不能满足现代智能绣花机的 需求，因此面临更新换代的挑战，而且由于其平台的局限性升级非常困难。 方案三：采用基于工控机作为主控制器【1 3 1 【1 4 1 ，可以采用s t d 总线或p c i 0 4 技术，其中的s t d 总线系统由于采用标准模板，因此设计方便，可靠性容易保 证。p c i 0 4 技术软件可重用模块较多，其中的文件系统、u s b 接口、l c d 控制 器接口以及网络接口都已具备，因此可以缩短开发周期，降低开发难度。 方案三的功能和性能均能满足现代智能绣花机的要求，其中的s t d 总线结 构开发相对容易，但整体成本相当高，体积大，已经很少人使用，而其中的p c i 0 4 结构开发难度较低，但由于需要制作专用的接口板来控制各电机、电磁铁等模 块，使得系统结构较为复杂，单位成本也相对较高，产品体积较大。 方案四：采用基于a r m 微处理器的嵌入式主控制器，其中的软件可重用 模块较多，开发板上提供各模块的驱动和例程，并且已经移植好l i n u x 嵌入式操 作系统，有的甚至移植了m i n i g u l 人机界面，开发工具和开发环境齐全，因此大 大降低了开发难度和开发周期，系统外围扩展模块较多，能够直接控制多数设 备，因此大大降低产品成本，使得产品整体体积小，结构紧凑，能够满足现代 高级智能绣花机的需求而且升级方便。然而大量的人性化界面、网络信息和绣 花文件的处理以及多种电机的控制会使嵌入式处理器不堪重负 s l 。 方案五：双处理器控制方案，用两个微处理器，一个作为下位机控制电机， 处理实时信息，另一个作为上位机主要处理显示设备、外部存储器( 例如：硬 盘，u s b 存储器) 、网络等。双处理器控制有利于控制和信息处理的分开，有 利于使用特殊处理器来实现各自的功能。 鉴于方案五配置非常灵活，甚至不需要额外增加接口器件就可以直接获取 信号或发送控制信号，其技术支持也非常广泛，因此该方案在市场上应该具有 较好的竞争力，该方案在开发中必然会少走许多弯路，加快产品的上市时间， 因此我们选择方案五作为该项目的最终设计方案。 5 2 3 控制系统硬件设计 绣花机控制系统中，需要处理的信息可以分为两种：( 1 ) 人机操作显示界面、 网络远程控制和网络信息处理、各种外部设备信息的处理等等。这种信息的处 理对实时性要求比较低，不过这些信息的处理的复杂度较高，通常需要借助操 作系统来完成。以上处理统称为信息的处理。( 2 ) 实时控制信息：各种电机控制、 实时数据采集、实时状况的应对和联动。这种信息实时性要求很高，但复杂度 不高。以上处理统称为机械控制处理。双处理器方案将控制和信息处理部分分 开，有利于使用特殊处理器来实现各自的功能。控制部分要求强实时性，它主 要是通过控制电机来控制绣花操作，比较好的选择是t id s p 2 0 0 0 系列微处理 器；信息部分一般都是选择a r m 处理器。本文的控制器整体设计思想是“机 械控制部分 + “传输接口”+ “信息处理部分”。 本文设计的绣花机控制器采用的是a r m + d s p 的双控制器方案并在a r m 上移植l i n u x 2 6 操作系统，使用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器作为信息处理部 分，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是德州仪器生产的一款电机控制用d s p ，本系统采用它作为 机械控制部分来控制伺服电机和步进电机，通过双口异步r a mc y 7 c 0 2 7 为数 据传递接口，这样能更好的发挥两个控制器各自的优势。 2 3 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 微控制器 $ 3 c 2 4 1 0 x 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，采用a r m 有限公司的 a r m 9 2 0 tr i s c 处理器，手持设备和一般类型应用提供了低价格功耗、高性能 小型微控制器的解决方案。三星$ 3 c 2 4 1 0 x 具有丰富的片上资源，运算速度为 2 0 3 m h z ，支持通用嵌入式系统，a r m 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、 e p o c 3 2 、标准l i n u x 等多种嵌入式操作系统【1 5 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片内部嵌入了j t a g 软件调试接口，它主要用于电路的边界 扫描测试和可编程芯片的在系统编程。标准的j t a g 接口是4 线：t c k 、t m s 、 t d i 、t d o ，分别为时钟、模式选择、数据输入和数据输出线，5 线制还包括一 个主复位信号脚。引脚功能参见表2 1 所示【1 6 1 。 引脚名称说明工作特性和用途 t c kt e s tc l o c ki n p u t时钟信号输入 t m st e s tm o d es e l e c ti n p u t测试模式选择 t d i t e s td a t ai n p u t串行数据输入 t d ot e s td a t ao u t p u t串行数据输出 t r s tt e s tr e s e ti n p u t复位信号输入 表2 1j t a g 引脚功能 a r mj t a g 主要是实现i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 和对f l a s h 等器件 进行编程。$ 3 c 2 4 1 0 x 使用的就是一个标准的j t a g 接口。 $ 3 c 2 4 1 0 x 中共有1 1 7 个多功能复用输入输出口，分为8 组，即p o r t a 到 6 p o r th 。为了满足不同系统设计的需求。可以很容易通过软件对这些i o 口进行 配置，每个引脚的功能必须在启动主程序之前进行定义。如果一个引脚没有复 用功能，那么它可以配置为i o 口。p o r ta 除了用作功能口，只能作为输出口 使用，其余的p o r tb 到p o r th 都可以作为i o 口使用。在使用这些端口引脚之 前，首先要配置引脚的功能，配置这些端口是通过设置一系列寄存器来实现的。 每组端口都有相关的寄存器对其进行控制，包括：端口控制寄存器、端口数据 寄存器、端口上拉寄存器、杂项控制寄存器以及外部中断屏蔽寄存器【1 7 】。在具 体使用某个功能单元时候，首先确定该单元的输出输入引脚是不是上面八个端 口组中的，如果是，设置相应的组端口寄存器，然后转入该功能单元的寄存器 设置。 $ 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大，比n o rf l a s h 价格低等特点，在嵌入式系统中正得到广泛的运用。在$ 3 c 2 4 10 x 中配置了一 个叫做s t e p p i n g s t o n e 的4 k b 内部s r a m ，在系统启动时n a n df l a s h 存储器的 前4 k b 将被自动加载到s t e p p i n g s t o n e ( 启动起始地址为0 x 0 ) ，在s t e p p i n g s t o n e 中运行的引导程序会将n a n df l a s h 中的操作系统镜像加载到s d r a m 中，操作 系统就能够在s d r a m 中运行，4 k b 的的启动s r a m 就可以用于其它用途。如 果从其它方式启动，启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 0 ，处理器直 接在r o m 上运行启动程序，而s t e p p i n g s t o n e 被定位于内存地址的 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 t 17 1 。 2 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 处理器是由美国德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ，t i ) 推出的定点产品系列，专用于控制优化的，主要用于电 机控制、数字电源控制和高级传感器。现在主要有c 2 4 x 子系列和c 2 8 x 子系列， 前者为16 位定点d s p ，后者为3 2 位定点d s p 。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x t l 8 】【1 9 1 系列d s p 控制器专门在数字电机控制方面进行了优化， 更在高级控制算法中具有较高的性能和减少了系统单元。它具有丰富的电机控 制接口：p w m 输出、定时器信号、故障保护、模拟输入和四相正交编码输入。 同时还具有s c i 串行口或者扩展网络控制器同其他设备通讯。 本文选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为机械控制部分的主控制器，它采用1 4 4 引 脚t q f p 四边形封装和改进的哈佛结构，该结构有6 条总线，使数据处理能力 达到了最大限度。这一款控制器具有优异的处理能力和丰富的外围足以胜任这 项工作，并且价格低廉，其中l f 代表片内含有f l a s he p r o m ( 3 3 v ) ，它的主 要特点如下： 运算速度为4 0 m i p s ，单指令周期为2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，四指令执行流水线。 2 组事件管理器( e v a ，e v b ) i 1 6 一c h1 0 b i t sa d c ，转换速度为5 0 0 n s 。 7 拥有c a n ( 控制器局域网) ，s p i ，s c i ( 串行通讯接口) 接口。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立将每个外设器件转入低功耗模 式。 它使用改进的哈佛结构，支持分离的程序总线和数据总线，这样的总线结 构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行，因此极大提高了 工作效率。同时可以保证系统中的大多数指令可以实现单指令多操作，即一条 指令可以实现多种操作。 2 3 3 绣花机控制器硬件结构 根据系统功能需求分析，绣花机控制系统硬件整体结构如图2 2 所示。非易 失f l a s h 存储器用来存储启动映象、操作系统文件和绣花文件信息，s d r a m 增 加系统内存；输出使用t f t 液晶显示屏并覆有触摸屏模拟鼠标作为输入；r s 2 3 2 接口可以用于连接底层设备，也可以用来连接p c 机通过超级终端控制a r m ； u s b 口用于控制系统外的u s b 设备；网络端口主要用于和p c 端进行文件传输， 它由芯片a x 8 8 7 9 6 驱动。 状态检测 转轴编码器 显示器 触摸屏 主轴电机 d s p h 剪线电机 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai 卜丙万丽 黼嚣 s 3 c 2 4 1 0 xl 卜_ 1 以太网接口 图2 - 2 系统整体结构图 ( 1 ) 触摸屏是信息处理部分的输入设备，它模拟鼠标点击动作，借助按钮 和虚拟键盘来操作界面。它与a r m 的触摸屏控制接口间用触摸屏控制器连接 1 2 0 。 f m 7 8 4 3 是一款4 w i r e 触摸屏控制器。f m 7 8 4 3 是一款带有同步串行接口的 1 2 b i t 采样率模数转换器和驱动触摸屏的低阻抗切换，+ 2 7 v ，1 2 5 k h z 转换速 度下典型功耗为7 5 0 u w ，v r e f 可以在1 v 和+ v c c 之间变动，相应输入电压范围 在0 v 到v r e f 之间。它有一个节电模式，使消耗降到0 5 u w 。它可以保证2 7 v 低电压下正常工作【2 1 1 。 ( 2 ) 以太网接i z i 通过以太网控制器连接到a r m 的数据和地址总线上。 8 a x 8 8 7 9 6 是台湾a s i x 公司推出的n e 2 0 0 0 兼容快速以太网控制器。其内部 集成有1 0 1 0 0m b s 自适应的物理层收发器和8 k x l 6 位的s r a m ，支持多种c p u 总线类型。a x 8 8 7 9 6 执行基于i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 3 u 局域网标准的l0 m b s 和 1 0 0 m b s 以太网控制功能，并提供i e e e 8 0 2 3 u 兼容的媒介无关接口m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ，用以支持在其它媒质上的应用。此外，a x 8 8 7 9 6 还提供 可选用的标准打印接口，可用于连接打印设备或用作通用i 0 端口 2 2 1 。 ( 3 ) $ 3 c 2 4 1 0 x 集成有u a r t ( 通用异步收发器) 来实现和r s 2 3 2 端1 5 1 收发，它 提供有3 个独立的异步串行i o 口，都能用中断模式或者d m a 模式启动，换句话 说u a r t 能通过中断或d m a 请求在c p u 和u a r t 间传输数据。每一个u a r t 通道 都带有两个16 b y t ef i f o 用于收发。由于r s 2 3 2 所定义的高低电平与$ 3 c 2 4 10 x 内 部定义电平不相同，要使用m a x 3 2 3 2 进行电平转换才可以正常工作【2 3 】。 ( 4 ) $ 3 c 2 4 1 0 集成有u s b 控制器，这样我们就省去了外扩u s b 控制器。 ( 5 ) 键盘部分通过z l g 7 2 9 0 与i i c 总线相连。z l g 7 2 9 0 键盘部分具有键盘去 抖动处理、双键互锁处理、连击键处理、功能键处理等功能。z l g 7 2 9 0 的i i c 接 口传输速率可达3 2 k b i t s ，并提供键盘中断信号，提高主处理器时间效率。有效 的按键动作( 普通键的单击连击和功能键状态变化) ，都会令系统寄存器 ( s y s t e m r e g ) 的k e y a v i 位置l ，i n t 弓l 脚信号有效( 变为低电平) 。用户的键盘处理 程序可由i n t 弓i 脚低电平中断触发，以提高程序效率。z l g 7 2 9 0 的从地址( s l a v e a d d r e s s ) 为7 0 h ( 0 1 110 0 0 0 b ) 。 ( 6 ) j t a g 调试接口作为系统调试的接口可以通过j t a g 口下载程序或进行 在线调试。 ( 7 ) $ 3 c 2 4 1 0 x 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 通信接口设计t 1 5 1 1 1 9 11 2 5 $ 3 c 2 4 1 0 x 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 之间的数据通信采用目前广泛应用的低功耗 c o m s 双口r a m c y 7 c 0 2 7 ，c y 7 c 0 2 7 是c y p r e s s 公司生产的一种高性3 2 kx 1 6 b i t 双口异步静态r a m ，该静态r a m 二边使用两套完全独立的数据、地址 总线和读写控制线来完成对一个通常的r a m 数据存储阵列的读、写操作，它 允许两个互不干涉的设备对同一存储单元同时进行操作，从而使两个设备之间 能够进行数据交换，通信接口硬件结构图如图2 3 所示。 c y 7 c 0 2 7 在同时读取不同存储空间的数据和同时读取相同存储空间的数 据时，左右端口可以同时进行。若同时对相同的数据空间做写操作，或一端口 对一数据空间作读操作的同时另一端口对该数据空间作写操作，左右端口将发 生冲突，为此，c y 7 c 0 2 7 通过b u s y 管脚来处理这两种情况。当左右端口对 9 一。_ _ 一一 l 。h 。 一、，t 、t t l j 1 、 l 、1 厂 广一 d s n g c l叫! r 一 i 卜，山 a 15 n o e丁一ho e 1p r d o e n w e一一i 一：1 卜一 尺t r w a l a 1 5 a 0 l a 1 4 l 一1 4 r d o d 1 5 d 0 一d 1 5 d o d 1 5 d o d 1 5 f u b l l b l l b r 图通信接口硬件结构图 不同存储空间进行读写操作时，可同时存取。此时，左右端口的信号同 时置高。若对同一存储空间同时进行存储操作时，哪一端的存储请求信号先出 现，则该端的信号置高，允许存储。哪一端的存储信号出现在后，则这 一端信号置低，禁止存储。 芯片的中断功能是通过“信箱”来实现的。所谓的“信箱”是指芯片 将存储器的高地址作为左端口的“信箱”，而作为右端口的“信 箱 下面以左端口向右端口传送数据为例，说明中断功能的用法。当左端口将 数据写入右端口的“邮箱”时，右端口的管脚就会产生中断信号，即 管脚置低。右端口读取该数据后中断信号自动复位。 l的地址空间片选线作为的片选信号，这样 s 3对该双口的实际物理地址是从开始区) ，地 址线和数据线与双口的左端数据线和地址线相连接，因为双口的数 据宽度为所以的地址线必须从a l 开始。的双口 作为的外部数据存储器，对它的寻址是从 开始且外部数据存储器最大寻址空间是，所以最高地址线a 1 5 也必须作为 外部数据存储器的片选信号之一， 和分别表示数据的高8 位和低8 位是 否可用，当都为低的时候表示数据宽度为1 6 位。 第三章a r m 系统开发和运行环境的建立 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统的发展【2 6 l l i n u x 操作系统是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统，它是一种 可以在p c