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浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 摘要誓8 7 6 3 8 3 电脑针织横机是一种由电脑控制的自动化程度很高的横编针织机械，主要用 于针织服装和工艺品的编织制造，主要用户为羊毛绒衫( 裤) 及手套生产厂家，尤 其是高档产品一羊绒制品的生产厂家。电脑针织横机除了用于传统的棉、毛针织 外，还可用于山羊绒、天然丝、麻、兔毛以及晴纶、锦纶等人造纤维和混纺纱线 的针织。 本论文在对电脑横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f p g a 器件为中心构建硬件平台、基于l i n u x 的嵌入式横机控 制系统解决方案。 横机控制器可以根据编织要求输入的信号和来自机器的同步信号，及时发出 各个控制指令，以实现编织所需的各个特定动作，自动完成编织。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2 4 1 0 的c p u 核 心电路、基于f p g a 的协处理器设计用以完成外围电磁铁和同步信号等的辅助 管理、电磁铁以及电机等的功率驱动这几部分。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的逻辑程序。 与传统的基于m c u 或工控机的电脑横机控制系统相比，本横机系统设计合 理，系统集成度高，具有很高的性价比，初步估算价格为同类进口产品的1 2 ， 性能优越，有很强的市场竞争力，同时系统可设计和读取市面上流行的多种花型 文件，具备很强的通用性。 关键词：电脑横机、嵌入式系统、现场可编程逻辑门阵列、控制器 1 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 a b s t r a c t c 0 m p u t e r i z e df l a t1 d l i t t e ri sa “n do fl l i g l l l ya u t o m a t e dn a tl 【n i tm a c h i n e r y ，u s e d m a i l l l yi nf a b r i c a o no fd o t h e sa l l dc r a f t sb yt e x t i l ei n d u s t r y c o m p u t e r i z e dn a t l m i t t e rc o u l db eu s e df b ff 曲r i c a t i o no fb o t ht r a d i t i o n a lm a t e r i a l sa n dv a r i o u s0 t l l e r l 【i n d s b 越e do nt h e 蛆a l y s i so fc o n s t m d i o na n df u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h ep r o j e c t p r o p o s e sad e s i 锄o f a i ie n l b e d d e dc o n 昀ls y s t e mb 鹤e do na r m ，f p g a 孤di j n u x f o r t h e n a t k n i t t e l t h e f ep a r to ft h em a c h i n ei st h ec o n o ls y s t e m ，w h i c hg e n e r a t e si s t m c t i o n s f o l l o w i n gt h er c q u e s t so fw e a v i n ga n dt h es y l l c h m n i z e ds i 印a l s 舶mt h em a c l l i n et o m a k ei tw o r ka u t o m a t i c a l l y t h eh a r d w a r ep l a b 珊o ft h i ss c h e m ei n c l u d e sc o r e 叩p l i c a t i o ns y s t c mc i r c u i t ，i m p l e m e n t i n gc i r c u i to fp r o c e s s ，如dt t l o s e 曲v o l v i n g k e y b o a r da n dd i s p l a yd e v i c e s p e c i 6 c a i l y s 3 c 2 4 1 0 ap r o c e s s o rb a s e do na r m 9 r c o fs a m s u n gi sa p p l i e d 勰c p u f 0 r t h ep - 0 b l e mo fm o r et h a i l2 0 0c o n e c t i o s 劬m i ot om a i np r o c e s s o r w ea p p l yt 、】l r o 即g ac h i p sa st h ee x p a n s i o nt of o h nt h e i m p l e m e n t i n gc i r c u “o fp m c e s s t h es o f t w 盯ep l a t f o 瑚i n d u d e sb o o tl o a d e r ，d e v i c e d r i v e r ，m a n m a c h i n ei n t e r f 她e 柚dc o t r o la p p l i c a t i o n ( ) o m p 盯c dt ot r a d i t i o n a lc o n t m ls y s t e m sb 髂e do nm c uo ri p c ，t i l i sp 卿e c t p m c e s s e st h ep m p e n i e so fp r o p 盯d c s i 驴蛐dh i 曲l yi n t e 掣a t c dc o n t m la b m t y ，h i 曲 p e r f b n n a n c e p r i c er a t i 0 ，e s t i m a t c d 够h a l fo ft l l ec o n t e m p o r a r yi m p o n s ，a n df i r s tc l a s s v e r s a t i l i t y ，m e a i l i n ga b i l i t yt or e a d 柚dd e s i 弘v a r i o u sp a n e mf i l e sp o p u l a ro nt h e m a f k e t k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e df l a tk n i 竹盯、e m b e d d e ds y s t e m 、f p g a 、c p u 2 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 第一章序论 1 1 研究背景与国内外现状 1 1 1 引言 以电子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。全球纺织工业普遍采用电子、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 a m 等生产辅助手段，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。20 世纪80 年代以 来，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5 年， 发达国家高科技纺织品的市场份额增长了一倍多。在欧洲纺织品市场上，高科技 纺织品的市场占有率已达40 以上。 纺织机械包括纺纱机械、织造机械、针织机械等几个大类，电脑针织横机 是一种由电脑控制的，自动化程度很高的横编针织机械，主要用于针织服装和工艺 品的编织制造，主要用户为羊毛绒衫( 裤) 及手套生产厂家，尤其是高档产品羊绒 制品的生产厂家。电脑针织横机除了用于传统的棉、毛针织外，还可用于山羊绒、 天然丝、麻、兔毛以及晴纶、锦纶等人造纤维和混纺面料的针织。当今的新型全 成型电脑针织横机能够编织出整件针织服装，由于采用计算机设计和编程，可以从 纱线直接制成成衣( 裤) 等成品，而且花色、款式变化多、式样的适应性强。更重要 的是，电脑针织横机的生产效率非常高，是一般手动横机的4 - 5 倍，编织速度快、生 产周期短，能够进行多品种、小批量的生产，能够满足快速应对市场变化需要，而这 一点正是当前快速多变的服装市场对于服装生产企业的要求。 1 1 2 电脑横机的发展过程 横机是一种双针床型纬编针织机，它是羊毛衫生产行业的主要机种。自1 8 世 纪中页到现在，横机经历了一个从无到有、功能从简单到复杂、控制方式从机械 1 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 控制到电脑程控的发展过程【1 】脚。 第一台电子控制的横机，如德国s t o l l 公司的a w 和d s l r 机型，是在1 9 7 5 年意大利米兰的1 1 m a 国际纺织机械展览会中首先展出。四年后，s t o l l 公司 展出了第一台电脑横机( c n c a 一3 ) 和世界上第一个花型准备系统【v d u ( v i s u a l d i s p l a yu n i t ) 】。经过2 0 多年的研制和发展，不仅原来复杂的机械结构大为简化， 而且花型设计范围不受限制，工艺制作时间大大缩短。现在，各个电脑横机生产 厂家在电脑横机上不断创新，导致了针织工业的快速发展。同时电脑横机及其花 型准备系统的更新换代越来越快，如近年来出现的一些新功能的机器，其设备朝 着高机号和全成形方向发展，功能更强大，更齐全，操作更简单，生产效率更高， 工作性能更可靠。有代表性的如：德国斯托尔公司的c m s 系列，日本岛精公司 的s w g 系列等。 回顾电脑横机发展的历史，可以清楚地发现它是沿着以下的路线一步一步向 前发展的，即以提花一 半成形一 全成形一 序贯编织一 整体编织。机头行程可调和 沉降片技术的结合，大大提高了横机的成形编织能力，大大缩短了衣片编织时间。 毫无疑问，电脑横机是一种投资较大的织机。显然，能够进行全成形编织和具有 整体编织技术是评价电脑横机水平高低的一个重要方面。i t m f 最近公布了2 0 0 0 年以来的针织横机的销售量。2 0 0 1 年电脑针织横机的销售量总计9 0 8 7 台其中4 9 销往亚洲3 7 销往西欧( 包括土耳其) 。香港、意大利、中国、土耳其和巴西是电 脑横机的最大购卖区域。 1 1 3 国内外现状与发展趋势 近年来在各种纺织机械展览会上，电脑横机不断以崭新的面貌出现，其创 意革新和技术细节的改变，与其他针织机械相比尤甚，特别是伴随着计算机技术 的迅猛发展，横机的电子计算机化已成为一个重要趋势。另外横机编织的产品除 了服用要求的高品质、多花色款式外，正在向产业化方面发展。当前正在发展的 一次成形技术，发明了一些按缝制工艺方法不能达到的、结合了针织工艺方法的 技术细节，因而此种产品的生产首先节约了纱线原料并且无需缝制操作。如利用 新型电脑横机生产三维织物，使用全成形技术无需裁剪和缝纫就可得到各种管 状、锥形、球形等结构的织物不仅降低了成本，而且能更好地满足技术要求， 2 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 这一创新使得整体一次成形产品具有了一种”集合”的特征【2 】【3 】，也就是说该产品 不是由分离的部分组成，而是来自于”铸造”工序。连续不问断编织产生出协调的 整体感，使得整体一次成形产品在视觉上呈现天衣无缝的外观，同时可以大大节 约面料的消耗，在提倡建设节约型社会的今天，发展高档横机对我们节省资源的 消耗有着重要的意义，由此，可见横机产品市场广阔，前景诱人。 电脑针织横机是目前中国纺织服装机械中最为落后的机群。目前国内可以生 产编织机和手动横机的企业有几十家，但是国内企业对于电脑针织横机基本上还 处于研制、消化、吸收阶段。由于电脑针织横机对编织软件、电控硬件开发及配 套、重要零部件的制造加工工艺有着严格的要求，需要很高的技术水平和巨大的 资金投入，目前国内企业还都只能生产个别功能简单的电动针织横机，在品种、质 量、电脑控制、机电一体化方面与国际水平差距很大，根本无法满足国内针织产 品生产的需求，国内使用的相关设备基本上完全依赖进口。国内针织服装行业的 快速发展急需大量的电脑针织横机，但是进口电脑横机价格比较高，约为8 1 0 万美 元一台，国内大部分的毛针织企业难以承受，市场急需技术水平和质量与进口产品 相当而价格相对便宜很多的国产电脑针织横机。为了尽快适应我国毛针织行业对 于电脑自动横机的需求，缩短在电脑自动横机上与国外的差距，国内有一批企业 向电脑自动横机发起了冲击。常熟市盛星针织机械有限公司、福建红旗股份有限 公司、北京北方天鸟智能科技有限公司和江苏宏源纺机股份有限公司等采用了不 同方式方法，开发了不同型式的电脑自动横机。电脑自动横机是纺织机械中机电 一体化、智能化程度较高的一种产品，国产产品与国际先进水平的差距较大。随 着我国电脑自动横机开发取得一定进展，将会逐步缩小这方面的差距。今后我国 电脑自动横机的发展和提高，首先还需继续完善现有产品自动化程度不足的部 分，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，所以我们必须抓住这一机遇，在学习国外先进技术的基础上，投入更 多的入力、物力去研发基于嵌入式处理器的电脑横机控制器，跟上国际技术发展 的前沿。 3 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 1 2 课题的研究内容与关键技术 1 2 1 课题的研究内容 横机是一种平型纬编针织机，主要由传动机构、给纱机构、牵拉机构、密度 调节机构、针床横移机构、检测自停装置、整机控制系统和花型设计系统【4 】等组 成。课题的任务是设计高性能电脑横机以及通用型花型设计系统，本系统利用计 算机来辅助设计，从图案的输入，工艺参数的设置，经过计算机运算转化为横机 能够识别动作的文件，通过软盘或者u 盘传输到横机控制器中，实现整个织物花 型的设计和编织工作。 整机部分我们针对国产横机在压脚机构的稳定性、电磁铁控制的可靠性以及 缺少挂毛( 虚线提花) 这几个方面做出改进，同时将可变针距、四针床、织可穿 等凡项单一技术集成在一台机器上，因而扩展了可编织结构与服装的种类。例如： 可变针距技术可使一块衣片或一件服装的不同部位形成两种不同针距( 横密) 的 效应；四针床技术可实现各种双面织物的快速收放针成型，并在收放针部位形成 均匀良好的外观结构：织可穿技术可以一次完成一件服装的整体编织，不仅节省 了原料，缩短了工序，而且提高了产品档次。为了在横机上编织出立体等结构的 织物，应该使持有线圈的某些织针暂时停止工作，待需要时再重新进入编织，这 称之为休止编织或局部编织方法。在电脑横机上可以很容易地通过选针实现休止 编织，在横机上进行局部编织和持圈收放针的编织，形成三维立体结构等特殊结 构和花式效应。从而使得我们开发的横机具备了生产高技术含量高附加值产品的 能力。 横机控制器可以根据编织要求输入的信号和来自机器的同步信号，及时发出 各个控制指令，以实现编织所需的各个特定动作，自动完成编织。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2 4 1 0 的嵌入式 处理器、外围基于f p g a 的协处理器设计、功率驱动电路这几部分。软件平台 主要包括中断控制、设备驱动程序、文件系统、纺织虚拟机和f p g a 程序。 近年来，随着嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗 和集成度等的不断提高，这些处理器片内大多都集成了多种现代嵌入式系统所必 需的功能部件，同时在软件层面上来看，很多的设计和实现的质量都很优异的支 4 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 持库也被广泛提供。这一切使得嵌入式应用系统的开发者更多的把注意力集中到 与产品密切相关的功能传口业务功能或控制功能等) 上，大大地方便了新产品的研 发。在本课题中，我们选用基于a r m 内核的嵌入式处理器替代以往的单片机， 配合最新的f p ( ；a 技术搭建硬件平台进行新型电脑横机控制系统的研发。 花型文件准备系统的功能是将织物转化成横机可以识别的文件格式，本系统 提供简单而又功能强大的横机花型文件设计功能，使非专业人员可以经过简单培 训就可以操作此软件，操作简单快捷。本系统可设计和读取市面上流行的多种花 型文件，具备很强的通用性。通过花型准备系统的编程来实现各种组织的编织及 产品款式的设计。本系统利用计算机来辅助设计，从图案的输入，工艺参数的设 置，经过计算机运算转化为横机能够识别动作的文件，通过软盘或者u 盘传输到 横机控制器中，实现整个织物花型的设计和编织工作，从而达到快速、精确设计 针织花型的目的。同时针对目前市面上不同厂家生产的横机只能识别其自身定义 的花型文件，但本系统最后生成的数据文件可选择多种数据格式，以对应不同的 横机。 1 2 2 课题的关键技术 项目主要技术关键： a ) 如何将几项单一机械技术集成到一台整机上； b ) 解决电磁铁和压脚机构控制的稳定性问题； c ) 如何将操作系统合适的移植到a r m 芯片上； d ) 如何实现f p g a 协处理器对中断的有效管理； e ) 如何处理好工艺流程控制的软件设计； f ) 基于a r m 9 的电路版的制版工艺； g ) 如何将花型文件转化为工艺过程，将工艺过程转化成对电磁铁与电机等设 备的控制： h ) 如何实现不同厂家的花型文件数据格式的兼容性问题； 此系统将具有完善和高性能的织机控制功能、良好的图形用户界面、方便的 花型数据存取功能和对织机联网的良好支持能力，支持市场上流行的各种花样文 件格式，性能优异并且集成度高。结合本公司研发的花样文件准备系统，使得产 5 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 品的品种改变变得简便、迅速，这是电脑横机最大的优点之一。电脑横机的花型 准备系统使得其花型准备工作非常简便，只需在花型准备系统中设计好花样，然 后把花样文件输入到电脑横机的控制系统中，就能达到变换品种的目的。通过这 种方式，电脑横机能适应现代服装花色流行期短、流行色不断变化的要求。 1 3 课题的研究意义与应用前景 1 3 1 课题的研究意义 近二十年来，从国内进口横机看，初期有国外s t o l l 公司的c n c a 系列和c m s 系列，德国环球公司的m c 系列，日本岛精机公司的s e c 、s e s 系列，瑞士杜比德 公司的j e t 型机器等。到了2 0 世纪9 0 年代，有2 1 0 l l 公司的c m s 系列、t c 系列， 岛精机公司的s e s l 2 x f f 紧凑型带起头梳的机器。在1 9 9 8 年的北京第六届中国国 际纺织机械展览会中，岛精机公司展出了四个针板的s e s l 2 2 r t 型机。s t o l l 公司 也展出了具有织可穿技术的c m s 3 4 0 ( k n i ta n dw e a r ) 机。1 9 9 9 年也推出了有 四个针板的t c 4 型机。这些进口电脑横机价格昂贵，维修困难，而且近年来随着 电子信息技术的飞速发展，电脑横机的更新换代也越来越快，使得我们光靠进口 很难赶的上国际技术发展的前沿，所以追切需要研发有自主知识产权的电脑横机 控制器。 浙江作为一个纺织大省，2 0 0 3 年的时候用在进口高档织机上的外汇达到2 亿美元，因此发展国产中高档织机是全面提升我省织造水平的根本之路，是我省 织机制造业的当务之急。目前国内的纺织业对低档织机的需求已经处于饱和状 态。迫切需要发展中高档织机。综上所述，我们认为开发高性能电脑横机有很必 要、重大的意义。 1 3 2 课题的应用前景 我国是一个纺织大国，江、浙两省的纺机业发展尤其迅猛，江、浙两省无论 是生产企业数还是产品产量和销售额，均已占全国一半以上或接近一半。纺织业 是我国在世界上竞争力比较强的行业之一，在浙江省的经济发展中更是占用重要 的位置，但是随着纺织业的不断发展也出现r 新的问题，其中一个最突出的矛盾 6 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 就是我们的产品档次提不上去，出口的产品以低端为主，产品的附加值很低，在 全球纺织业中的竞争优势正在不断丧失，因为我们的产品品种少、质量低、竞争 力弱，不仅不能适应国外市场的要求，也不能满足国内生产的需要。造成我国纺 织品质量不高的主要原因是生产工艺落后及设备陈旧，尤其是落后的设备制约了 技术的发展。可见我们必须调整进出口商品结构，不做低档做高档，适当增加进 口比例，多做进料加工业务，多做新的项目。努力摆脱低层次的价格竞争模式， 把外销产品全面导向大规模、专业化、深加工、高附加值的中高档种类，使纺织 产品向深加工方向发展。而生产这些高档纺织产品的机械目前为止我们还主要依 赖于进口，所以每年我国都要大量进口一些高档的纺织机械。所以我们必须采用 更加先进的纺织机械，生产出更高附加值的产品，提升产品的价值与竞争力。因 而高档电脑横机是我们纺织业下一步发展的方向，在我国有着无比广阔的市场前 景，希望通过我们的努力，加快技术创新、引进技术、消化吸收、自主开发，不 断缩短与国际先进发达国家织机的差距，使我国真正成为一个纺织强国。 7 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 第二章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的发展历程 随着信息科学技术的飞速发展和互联网的迅速普及，人们已经进入数字化时 代。诸如手机、数码相机等各式各样的数字化产品已经成为继个人电脑之后信息 处理的主要工具，集消费电子、计算机和通信技术为一体已经成为当代数字产品 发展的一种趋势，并且正在形成一个充满商机的巨大产业。 当今嵌入式产品已经渗入到人们日常生活和工作的各个方面，我们随身就可 能携带着多种嵌入式产品，比如手机、个人掌上助理、m p 3 门p 4 播放器等，此 外机顶盒、v c d d v d 、数码相机和摄像机、数码电视等各种各样的数字设备都 是广泛使用的嵌入式产品。在工业过程控制、通信设备、仪器仪表、汽车、船舶 与航空工业、军事装备、消费类电子产品等领域更是嵌入式系统的天下。 从2 0 世纪7 0 年代以8 0 5 1 为代表的单片机的出现到今天各式各样的嵌入式 微处理器例如d s p 、a r m 等的大规模应用【刁，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发 展历史。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，以8 0 5 1 为代表的单片机的普 及，使得传统的电子产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，大大提 升了生产过程的自动化程度，这些设备已经初步具备了嵌入式的应用特点。2 0 世纪8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的操作系统编写嵌入 式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，提高开发效率。如i s l 公司的p s o s 、美国w i n d r i v e r 公司的v x w o r l 【s 等。这些嵌入式实时多任务操作 系统的出现，使得应用开发人员有了很好的开发平台，可以不用从最底层做起， 针对自身系统的独特需求借鉴其它的系统加以修改，促使嵌入式有了更为广阔的 应用空间。9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高及软件规模的不断上升，实 时内核逐渐发展成实时多任务操作系统( r 1 0 s ) ，并作为一种软件平台逐步成为 目前嵌入式系统的主流【9 l 跚。比较有代表性的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 、 e m b e d d e du n u x 等。 8 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 2 1 2 嵌入式系统的定义 根据j e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。目前国内一个普遍认同的定义是：以 应用为中心，以计算机技术为基础其软硬件可配置，对系统的功能、成本、体 积、功耗有严格约束的一种专用系统，这样的计算机称为嵌入式计算机。也 就是说，嵌入式系统是一种“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、 “专用性”与“计算机系统“是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式 系统所嵌入的宿主系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开 发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。 嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件( 多 数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的) 。 2 1 3 嵌入式系统的特征 嵌入式系统的几个重要特征如下【7 1 ： 1 系统内核小。因为嵌入式系统一般应用于例如手机、个人掌上设备等小型 电子设备，通常要便于携带所以它们的系统资源相对有限。 2 硬件相关性强。嵌入式系统的软件和硬件的结合非常紧密，尤其是底层的 设备驱动程序更是和硬件精密相关，这些部分通常包括在系统的b o o t l o a d e r 里， 嵌入式操作系统通常需要针对硬件进行系统的移植，针对不同的任务，往往需要 对系统进行较大的修改。 3 系统结构紧凑。嵌入式系统的系统软件和应用软件的一般没有明显的区 别，它并不要求有着象个人电脑那样完善的功能，从而利于控制成本，同时程序 精简也有利于系统的稳定性。 嵌入式系统的应用程序可以在不使用操作系统的情况卜直接运行，但是为了 q 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 实现任务的合理调度，充分利用系统资源以及利用现成的函数库接口，用户必须 自行选配时实操作系统开发平台，这样d 能保证程序执行地实时性、可靠性，并 减少开发时间，保障软件质量。 此外嵌入式系统的开发还需要专门的开发工具和环境，这是因为嵌入式系统 本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具 和环境一般是基于通用计算机的软硬件设备以及仿真器和集成开发环境等等。 2 1 4 嵌入式系统的划分 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，可以从硬件和软件两方面来划分。 2 1 - 4 1 嵌入式系统的硬件 嵌入式处理器是系统硬件中最核心的部分，目前，世界上具有嵌入式功能特 点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的处理器体系结构包括m c u 、m p u 、d s p 等3 0 多个系列。常用的嵌入式处理器可以分成下面几类 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t f o l l e ru n i t ) 单片机是嵌入式微控制器的典型代表，其芯片内部集成r o m 瓜a m 、总线、 定时计数器、看门狗、输入输出口、串行口、脉宽调制输出、模数转换、数模 转换、闪速存储器等各种必要功能和外设。微控制器的最大特点单片化是目前嵌 入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于工业控制 领域。比较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m s p 4 3 0 、8 7 c 1 9 6 n t 系列，目前 m c u 占嵌入式系统7 成的市场份额。 嵌入式微处理器f m i c m p t o c e s s o ru n i t ) 嵌入式微处理器是从通用计算机中的微处理器演变而来的，它的特点是具有 3 2 位以上的处理器和较高的性能，但是它的价格也相应较高，与通用计算机中 的处理器不同的是，在实际的嵌入式系统的应用中只保留了和嵌入式应用紧密相 关的硬件以期达到精简结构的目的，这样就能以最低的功耗和资源实现嵌入式 系统应用的特殊要求。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、稳定性强 的优点，目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系 列等。 1 0 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 嵌入式d s p 处理器( d i 垂t a ls i g 蛆lp f o c e s s o r ，) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，它在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，一般采用哈佛结构，程序与数据独立编址，所以具有很高的 编译效率和指令执行速度。d s p 已经广泛应用于数字滤波、f f r 、图像处理、频 谱分析等领域。目前应用最为广泛的是德州仪器公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 ，c 6 0 0 0 系列。 2 1 4 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件主要可以依据操作系统的类型划分，目前嵌入式系统的软 件主要有两大类：实时系统和分时系统，其中的实时系统又可以分为两类：硬实 时系统和软实时系统。 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，它们具有严格的实时性要求， 可以严格地按时序执行功能，其最大的特征就是程序的执行具有确定性，用于对 实时性能要求高的场合。在实时嵌入式系统中，如果系统在指定的时间内未能实 现某个确定的任务，会导致系统的崩溃，所以这样的系统被称为硬实时系统，可 是在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命性错误。 一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片， 而软实时系统主要在软件方面通过编程实现系统时限的管理。 2 2 嵌入式系统应用 2 2 1 基本概念 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，用于完成运算和指令的译码执行，是控 制、辅助系统运行的硬件单元，嵌入式处理器范围极其广泛，从最初的4 位处理 器，到目前仍在普遍应用的8 位单片机，乃至最新的发展迅速的3 2 位嵌入式处 理器例如d s p 、a r m 等。 实时操作系统嘲 实时操作系统的实时是指物理进程的真实时间，实时操作系统具有实时性， 】1 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 是能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统，需要调度一切可利用的资源 完成实时控制任务，其中实时性是第一要求，其次才着眼于提高计算机系统的使 用效率。 2 2 2 嵌入式系统的应用领域 消费类电子产品 例如电子玩具、空调冰箱微波炉等家电设备、手机、m p 3 播放器、具备网络 功能的电视机等消费类电子产品都是具有不同处理能力和存储器要求的嵌入式 系统。 生物医学设备 医院罩的设备到处都是嵌入式系统，包括c r 机、核磁共震仪、x 光机等等， 以及其他用于诊断检查的设备，比如结肠镜和内窥镜。现在基于个人电脑的e e g 和e c g 设备也投入了使用，它们属于另一种类型的嵌人式系统。 过程控制和工业自动化 在工业控制和自动化中使用嵌入式系统就一直非常普遍，在水泥、化工等过 程控制中应用也是越来越广泛。 通信设施设备 电信基础设施的组成部分包括网络部件，包括电话交换机、传送回路、i s d n 网络终端、终端适配器、删交换机、帧中继和无线寻呼基站。移动通信的组 成部分包括基站、移动交换中心，以及象基站控制器等。 2 3 嵌入式系统的开发平台 2 3 1 硬件平台的选择 嵌入式系统开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，在一个系统中 使用什么样的嵌入式处理器主要取决于应用的领域、系统的要求、系统的成本、 开发的难易程度等因素。表2 2 3 1 列出了几种常见的嵌入式处理器的特性研。 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 处理器类型 处理器价格主要性能及应用 a r m低功耗低，适合于个人便携式电子设备 d m 9 0 n b a 】 低速度低，主要应用于个人掌上产品 p o w e r p c高通信、网络等设备，主要应用于高端嵌入式系统巾 表2 2 3 1 常见的嵌入式处理器 另外，还要考虑处理器的寻址空间，需要有足够的程序与数据存储空间，有 没有片上的n 鹤h 存储器与s d r a m 存储器，处理器是否容易调试，仿真调试工 具的成本和易用性等相关的信息。 2 3 2 常用的嵌入式操作系统 1 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是m i c m s o f t 公司1 9 9 7 年发布的应用在个人掌上等设备上的嵌 入式操作系统。1 9 9 8 年，装有中文版w i n d o w sc e 操作系统的手持设备面世。 这几年中，w i n d o w sc e 在个人掌上设备的操作系统市场中份额逐年上升。 w i n d o w sc e 不同于以往的w i n d o w s 系列产品。它是一种基于组件的操作系 统，各功能模块可方便地裁减，使系统变得很紧凑，系统运行所需的设备也就很 少。 2 u c 0 s u c o s 是j e a l ij l a b m s s 推出的一个与源码开放的嵌入式操作系统，核心代码 可以非常小，在8 0 】【5 1 等资源很少的单片机上运行，已经在多种c p u 上移植成 功，并且可以从网上得到其源代码。 3 嵌入式l i n u x 】 在l j n u x 进入嵌入式系统之后，市场格局发生了很大变化，很多用户使用 l j u x 作为嵌入式系统的开发原型。它的开放性是其它操作系统无法比拟的，任 何人都可以获得嵌入式u n l l x 的源代码，其衍生的所有嵌入式操作系统也是如 此，这使丌发者可更好地利用自己的平台和经验。 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 2 3 3 基于u n u x 的嵌入式操作系统 2 3 。3 1u n u x 操作系统的起源和发展 1 9 9 1 年底，i j n u st b r v a l d s 首次在i n t e m c t 上发布了基于i n t e l3 8 6 体系结构的 l i n u x 源代码。因为u n u x 具有结构清晰、功能简捷等特点，许多大专院校的学 生和科研机构的研究人员纷纷把它作为学习和研究的对象，他们在更j 下原有 l i n u x 版本中错误的同时，也不断地为l i n u x 增加新的功能，在众多热心者的努 力下，【j n u x 逐渐成为一个稳定可靠、功能完善的操作系统。 2 3 3 2 嵌入式u n u x 操作系统的主要特点 作为一个操作系统，嵌入式u n u x 几乎满足当今u n i x 操作系统的所有要求， 因此，它具有u l l i x 操作系统的基本特征【7 】陶。 1 ) 支持多用户访问和多任务编程 嵌入式u n u x 是一个支持多用户的操作系统，它允许多个用户同时访问系统 的资源而不会造成用户之间的相互干扰，另外，嵌入式u n u x 还支持真正的多用 户编程，一个用户可以创建多个进程，并使各个进程协同工作来完成用户的需求。 2 ) 采用页式存储管理 页式存储管理使嵌入式i j n u x 能更有效地利用物理存储空间，页面的换入换 出为用户提供了更大的存储空间。 3 1 支持多种文件系统 嵌入式“n u x 能支持多种文件系统，目前支持的文件系统有：f a t 、n r f s 、 e x t 2 等。 4 ) 支持t c m p ，s u p 和p p p 在嵌入式l j n l l x 中，用户可以使用所有的网络服务如网络文件系统、远程 登录等，除了上述基本特征外，嵌入式u n u x 还具有其独有的特色嵌入式l j n u x 上的大部分程序是自由软件。这些软件是在自出软件基会会的g n u 计划下开发 的。嵌入式l i n u x 支持多种硬件平台，支持市场上绝大多数的处理器，很多生产 商都向用户提供支持它们处理器的i j n u x 版本。 1 4 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 第三章系统的结构 3 1 横机系统的需求分析 3 1 1 横机需求总结 本课题主要研究基于a r m 的嵌入式横机控制系统。本此课题中横机系统的 机械部分由江苏省通力制造公司提供，因此课题的主要内容就是依据已有的机械 部分设计实现横机系统中的电气控制部分。花型准备系统则是另外一个课题的内 容。 图3 3 1 1 为张家港通力制造公司的电脑横机控制系统的框图【2 6 】，本课题的 任务就是为之研发一套整机控制系统。 从图中可以看出，电脑横机控制器的主要任务就是通过控制器和驱动模块来 控制针床移位、卷布、导纱器变换、梭子控制、纱线密度调节、选针器和压脚等 动作，其它电脑横机也采用相似的电脑控制系统。 横机控制器是一个整机控制系统，控制对象多且复杂，它好比人的大脑，是 电脑横机运作的指挥中心。它根据编织要求输入的花样文件和来自机器的同步信 号，及时发出各个控制指令，以实现编织所需的各个特定动作，自动完成编织。 同步信号在电脑横机控制器中是一个非常重要的概念，它是机器一些状态的 反馈。它主要是一些三角座的编织位置被横机上的电子元件检测到时传感器所发 出的一些信号。它反映了机器当时的编织状态，横机控制器只有接收到同步信号 才能判断机器当前的编织状态，从而发出下一步控制信号脚。因此，同步信号 的准确与否直接影响到控制指令的准确与否，对机器的正常运作尤为重要。 一般来说，电脑横机上有两类同步信号【2 6 】。一类是织针脉冲信号。横机的三 角座上装有光电检测装置，同时针床的末端有一栅状板，一根织针对应栅状板上 一缝隙，栅状板从光电检测装置的发光管与接收管之间穿过，三角座运动时，光 电检测装置发出脉冲信号来记录三角座所走的针数，输入到控制器中。该脉冲信 号的作用是使选针信号与三角座运动达到同步。 另一类同步信号是机器一些特别位置的点信号【2 6 】。当三角座到达针床两端的 1 5 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 某些位置后，三角座在针床两端转向前后需要完成一系列机件转换动作，各机件 动作的前后配合及其和机头的相对位置关系均靠这种同步信号来协调。 同步信号在不同类型的电脑横机上的产生方法是不一样的，但它们的作用都 可以归结为倒：检测三角座的编织位置，配合横机控制器在准确的位置上发出 合适的控制信号。 显示器键盘琚b 花耋【存储设鲁 主控捌嚣暴缓 lill l 主传动电艟i 口碍步进电h1 1 2 略电毒侥阿孝鲁接口 i 压计密度稿节卜8 膏一 睡疆 i 着布控砌 卜1 诗一 一1 6 奄一 梭子控制 针床移位 卜1 踌一一4 诗一 弗霸，威圈切攮 一8 诗- 集叠控翻 l 同步，目停僖弓卜一扪峙 一4 诗 l健雹控嘲 i敲砖信号i 5 珞一鲫诗一 遵竹嚣控糊 图3 3 1 1 其中8 0 路普通型电磁铁分成8 组用以控制8 个选针器的动作，每组控制1 0 把刀片的动作。这种电铁铁的闭合初始阶段用高电压加在它的两端加速它的闭 合，延时一段时间后再用低电压加在它的两端维持它的闭合。另外的3 2 路电磁 铁是磁保持电磁铁，这种电磁铁有两个线包，一个用于加磁，一个用于去磁，要 用两个反向信号来控制。 1 6 浙江大学硕士学位论文 电脑横机控制器的硬件设计 3 1 2 横机控制器的总体设计方案 本论文在对电脑横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f p g a 器件为中心构建硬件平台、基于l i n u x 的嵌入式横机控 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2 4 1 0 的c p u 核心电路、基于f p g a 的协处理器设计用以完成外围电磁铁和同 步信号等的辅助管理、电磁铁以及电机等的功率驱动这几部分。软件平台主要包 括l 抽u x 操作系统、设备驱动程序和协处理器的逻辑程序。 3 2 微控制器的选择 3 2 1a 砌汀处理器的选型 目前，在国内流行的a r m 芯片主要来自于这些厂商：s u m s a n g ( s 3 c 4 j 4 b o 、 s 3 c 4 5 1 0 、s 3 c 2 4 1 0 、s 3 c 2 4 4 0 ) 、a t m e l ( a t 9 1 系列、a r m 9 2 0 t 系列、a r m 9 2 6 e 系列) 、p h i l i p ( l p c 系列) 、h y i l i x 、i l l t e l ( p x a 系列、d 系列) 、s h a r p 、c o n c x a n t 、 m o t o r o l a ( d m g b a l lm x ) 、c i m l sl o 西c 等【7 】。 另一方面，a r m 7 1 1 d m i 没有m m u ，不支持w i i l d o w sc e 和标准i j n u x ，但 目前有u c u n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台 之上。而a r m 7 2 叽以上的芯片例如a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 明、a r m 9 2 2 t 、 a r m 9 4 6 t 、s t m n g a r m 等都带有m m u ，可以用于需要移植w i n c e 和标准n u x 等需要m m u 支持的操作系统的应用中。 基于下列原因，最终我们选用的是s 眦s u n g 公司推出的基于a r m 9 1 r d m i 内 核的s 3 c 2 4 1 0 a 芯片。 3 2 2s 3 c 2 4 1 0 a 介绍 韩国三星( s a m s u n g ) 公司的a r m 微控制器s 3 c 2 4 1 0 a - 2 0 是基于a r m 9 2 0 t 内核的嵌入式处理器的1 6 ，3 2 位的r i s c ( r c “c e dh l s t m c t i o ns y s t e mc o m p u t e r ) 微控制器们。该芯片负责整个系统的运行控制。 1 7 浙江大学硕士学位论文电脑横机控制器的硬件设计 s 3 c 2 4 l o a 一2 0 微控制器是专为低成本、低功耗、高性能的手持设备及通用嵌 入式应用而设计的，它拥有增强的m m u ( m e m 甜ym a n a 驴m e n tu n i t ) 功能，可 以支持w i n c e 、e p o c3 2 以及工j n u x 操作系