（机械设计及理论专业论文）电脑混合绣嵌入式控制系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着嵌入式计算机系统的发展，嵌入式系统逐渐成为一种热门的技术， 并在各个领域( 如消费电子、工业控制等行业) 得到了广泛的应用。尤其是在工业控 制领域，嵌入式系统更是凭借其卓越的性能而渗透于其间每一个角落。 另一方面，从行业的角度出发，鉴于我国工业绣花行业与国外同行业的技术落差 较大，我们有针对性的对国内工业绣花技术的弱点进行调查和重新设计。本文提出了 混合绣的概念，正是这项工作得出的结论。 本文主要针对国内步 同行业在控制系统设计上的差距，进行了深入地研究，将嵌 入式系统应用于工业绣花机控制系统，并开发成型，使平绣和特种绣混合在一个机械 平台上进行控制成为可能，从而提高了刺绣效率和精度。 本课题采用多种嵌入式技术来设计： 1 采用嵌入式计算机p c 1 0 4 作为系统控制核心，简化了外设配置工作，控制了 系统的基本体积； 2 采用嵌入式单片机作为系统协作处理器，并控制步进电机驱动器； 3 采用嵌入式l i n u x 作为系统软件，大幅提高了系统稳定性，同时引入实时内 核，使系统具有实时数据采集能力： 此外，为了适应系统的嵌入式要求，我们采用了e d a 技术，使用c p l d 器件作 为系统的逻辑核心；可编程方式使得系统的逻辑设计更具灵活性，同时节约了大块电 路板面积，使系统的嵌入式方案成为可能。 本文详细地介绍了系统控制原理、硬件架构的各个组成模块及其运作方式和嵌入 式操作系统内核的构建过程，列出了各个模块应用程序细节，并进行了系统可行性和 稳定性分析；最后，对系统研究和开发过程中的一些问题进行归纳总结，并展望了绣 花机工控技术的发展前景。 关键词：混合绣嵌入式单片机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sn o wb e c o m i n gap o p u l a rt e c h n o l o g yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d c o m p u t e rs y s t e m s i ti sw i d e l yu s e di nc e r t a i na r e as u c h a sc o n s u m e e l e c t r o n i c s ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n ds o o n s e ef r o ma n o t h e ra s p e c t ，t h ed i f f e r c n o sb e t w e e nn a t i v ea n do v e r s e a so fi n d u s t r i a le m b r o i d e r y t e c h n o l o g yi ss ol a r g et h a tt h e ya r en o ti nt h es a m el e v e l w e s h o u l dc h a n g et h i sp h e n o m e n o n s ow ed o s o m er e s e a r c ha n dd e s i g nw o r k so ni t w eb r i n gf o r w a r dan e wc o n c e p tc a l l e dc o m m i x i n c o m m i x m e a n sm i xs o m e t h i n gt o g e t h e ra n dx i ni st h ec h i n e s ee x p l a i n i t yo fe m b r o i d e r y , w h i c hm e a n st h a tt h e s y s t e mw e h a v ed e s i g ni st om i xm o r et h a no n et y p eo fe m b r o i d e r ym o d e st oo n em e c h a n i c a lp l a t f o r m a n d p e r f o r m a n u n i f o r m l yc o n t m l e m b r o i d e r ye f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nc a n b ei m p r o v e d b yd o i n g t h i s t os h o d e nt h ed i f f e r e n c ed i s c u s s e da b o v e ，w eh a v ed o n ead e e pr e s e a r c ha n d d e v e l o p e dan e wt y p e o fe m b r o i d e r yc o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mc o n t a i n ss e v e r a lb r a n c h e so fe m b e d d e dt e c h n o l o g yb e c a u s ei t h a sm a n yo u t s t a n d i n gm e r i t s w h a to p t i m i z et h es y s t e mb yi n c l u d i n ge m b e d d e dt e c h n o l o g yc a nb e b r i e f l yc o n c l u d e d a sf o l l o w s ：( 1 ) u s ee m b e d d e ds i n g l eb o a r dc o m p u t e rp c 1 0 4t ob et h es y s t e mc o n t r o l k e r n e l i tc a ns i m p l i f yt h ec o n f i g u r a t i o nw o r k so fp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa n dr e d u c es y s t e m sa c r e a g e ( 2 ) u s ee m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r st ob ec o l l a b o r a t e dp r o c e s s o r s t h e i rw o r ki st oc o n t r o ls t e p p e rm o t o r d r i v e n ( 3 ) a d o p te m b e d d e dl i n u xt ob et h es y s t e mp l a t f o r ma n dt h i sc a ng r e a t l yi m p r o v es y s t e m s s t a b i l i t y a n dw e a d dr e a lt i m ek e r n e lt oi tt om a k es u r ei th a st h ea b i l i t yt oc o l l e c tr e a lt i m ed a t a i na d d i t i o n ，w ea d o p te d a t e c h n o l o g yt of i ts y s t e m se m b e d d e dr e q u i r e m e n t u s i n gc p l dd e v i c e t ob es y s t e m sl o g i ck e r n e l ，i t sp r o g r a m m a b l em a n n e rm a k et h el o g i cd e s i g nm o r ef l e x i b l e ，a n dl a r g e s c a l eo fa c r e a g ei ss a v e dw h i c hm a k ee m b e d d e ds c h e m ea v a i l a b l e t h i sp a p e r p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e dt h es y s t e m sc o n t r o lp r i n c i p l e ，m o d u l e sa n dt h e i rw o r km l e so f h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fe m b e d d e do sk e r n e l i ta l s ol i s t e da p p l i c a t i o n d e t a i l so ft h o s em o d u l e s ，a n da n a l y z e dt h es y s t e m sf e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t y a tl a s t ，i tc o n c l u d e ss o m e p r o b l e m so c c u r r e di n t h ep r o c e s so fr & d ，a n dp r o s p e c tt h ef u t u r eo fn a t i v ei n d u s t r i a l e m b r o i d e r y t e c h n o l o g y k e vw o r d s ：c o m m i x i u e m b e d d e dm c u 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期年月日 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师签名： 日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 混合绣工业绣花机的概念及意义 1 1 1 混合绣的概念 混合绣是指具有锁式线迹的平绣和其他任何一种或多种特种绣( 如链式绣、毛巾 绣等) 的混合。混合绣工业绣花机则是集成包括平绣在内的多种线迹的绣花机。在本 文中，混合绣特指平绣和链式绣。 1 1 2 混合绣工业绣花机的研究意义 随着国民经济的不断增强，人民的生活水平也在不断提高，与此同时人们对生活 品质追求也日渐扩大，服装和饰品上的单一绣纹无法满足现代人对美的需求，人们转 而青睐多种线迹的混合绣纹。由此引发出一个问题：国内的工业绣花机绣种单一，完 成一件绣花饰品需要将一块布料在多台绣花机上反复的安装和卸除，耗费大量工时， 同时由于定位不准，造成废品率上升。而在同一台刺绣机上实现两种以上绣迹的绣花 机械和控制系统在国内却迟迟没有出现。 因此，对混合绣工业绣花机这一领域展开研究具有重大的开创性意义。同时，也 可以看到中国巨大的潜在市场将会为该领域的开拓者们带来的可观的经济利益。 据此，我们提出混合绣的概念，意欲将多种绣迹的刺绣机构合于一台绣花机上。 根据实际试验条件，我们进行了虚拟机械平台的控制系统研究与开发。在研发过程中， 我们有目的性的采用了多种高端技术( 如嵌入式技术、e d a 技术等) 进行系统丌发， 使系统具有较高的技术含金量和技术超前性，在市场上具有较强的竞争力。 1 2 工业绣花机国内外技术研究现状 中国既是世界缝制设备最大消费国，也是最大生产国。目前，中国工业缝纫机产 量已占世界总产量的4 0 ，出口量占世界销售量的2 0 。其中，高速平缝机、高速包 缝机、圆头平缝机、电动裁剪机、电脑刺绣机等产品已完全可替代进口。如“上工”、“标 准”、“华南”、“飞跃”、“达美”等品牌。在国内外己具有很高的声望。另外，合资企业 的产品，也己大量返销世界各国，使我国有望发展成为世界缝制设备制造、销售中心。 华中科技大学硕士学位论文 目前，我国刺绣行业正处于繁荣时期，工业绣花机品神多样，但多数是实现锁式 绣迹的平绣机。平绣是一种工艺最简单、普及率最高的刺绣方式。国内生产平绣绣花 设备生产企业不胜枚举。在国内较著名的有深圳富怡、北方天鸟、武汉美佳、杭州经 纬等等。这些公司专业技术实力雄厚，生产出的平绣绣花机产品技术含量高，价格适 中，占据了国内大部分市场。如富怡3 g 电脑绣花枫，该绣花机具有独立电杌钩线、 集中电机剪线功能，采用了细分步进电机驱动、伺服主轴电机驱动和触摸显示屏等先 进设备和技术，在2 0 0 4 年3 月东莞举办的第五届中国国际纺织制衣工业技术展上炙 手可热，引来大批商家争相定购。此外，国内还有一些专业从事电路控制系统研发的 企业，如北京精大豪电脑控制设备有限公司，它们为工业绣花机设计专业的控制系统， 这类企业的出现使国产工业绣花机的技术层次大大提高。综上所述，平绣绣花机的生 产工艺和控制系统在国内已经发展的相当完善了。 特种绣( 以链式绣为例) 是一种工艺较为复杂的刺绣方式，它需要勾针将线圈勾 起，并且勾起线圈的方向由花型的下一针的位置决定，这就给绣花机的运动和控制增 加了很大难度。因此国内能够生产出链式绣花机的企业为数不多，而且总体质量与国 外的知名大型纺织设备制造商( 如日本田岛、百灵达、重机、德国z s k 等) 相比仍 有一定差距。德国z s k 公司研制的z s kc s 型链式针迹刺绣机转速高达6 0 0 转分， 可用于链式针迹、起茸针迹、绞绕、镶边等，程序控制纱线张力。z s k 公司的电子控 制系统也非常先进，并实现了自主版权。z s k 生产的s t i c k t r o n i c2 0 2 型双头绣花机采 用的自行研制的m s c d 硬件和软件技术，能够对生产进行控制和监测。该系统的数 据载体为2 个3 5 英寸软驱，存储容量各2 1 0 ，0 0 0 针；还可选用穿i l 带阅读装蔑，用 穿孔带进行操作，可从主存储库( 标准库容8 5 ，0 0 0 针，最大库容3 0 0 ，0 0 0 针) 获取花 形数据。相比之下，国内工业绣花机生产企业的产品就逊色不少了。这主要体现在： 1 ) 机械加工：电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，其电路部分主要是对机械部 分进行控制，从而产品精度很大程度上取决于机械加工及装配的精度。尤其是链绣机， 它对精度的要求远远高于平绣机。由于当前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生产 全部零部件，而是采取外协的方式，在一些配件厂订购，这样就很难对零部件的质量 进行很好的控制。此外，还存在人为因素。在装配过程中，由于电脑绣花机在精度上 的严格要求，很难实现装配的自动化，只能由熟练装配师手工操作。这也就是说，装 配的质量完全取决于装配师的技术水平在这种情况之下装配的精度也比较难于控 制。这些因素都影响了链绣机的装配精度和运动效果。2 ) 电路控制系统：绣花机的 电路部分相当于人的大脑及神经，绣花机的诸多功能很大程度上都是由电路部分决 定。而当前国内有能力开发电控部分的厂家寥寥无几，其中以北京精大豪电脑控制设 备有限公司的产品为最，其产品在国内外已处于较为先进的地位。大部分电脑绣花机 2 华中科技大学硕士学位论文 厂家产品的电控部分均为精大豪的产品。此外链绣机控制系统的设计还局限在平绣 控制系统的范围内，没有根据链绣机的控制特点进行有针对性的设计。 对于平绣和特种绣合而为一的电脑混合绣绣花机，国内尚未出现。而国外在这方 面却有了突破性的进展。据网络媒体报导，同本重机公司已开发出类似的工业绣花机 系统。因此，有必要尽快在国内开展混合绣的研究和开发工作，填补国内空白，并力 争赶超世界同行业先进水平。 1 3 混合绣工业绣花机控制系统发展方向及技术构成 1 3 1 混合绣控制系统的功能需求 我们要研制出自己的混合绣工业绣花机，并赶超国际先进水平，先进控制系统的 研制和开发最为重要，而且具有很高的研究可行性。这取决于控制系统在工业绣花机 中的核心作用，以及目前控制技术的高度发达和便利。 对于工业绣花机这类离散式数控系统，以下几点是系统必须具备的： 1 ) 硬件系统为嵌入式，体积小，可靠性高； 2 ) 具有方便的外设接口( 包括显示设备、输入设备、读写设备等设备的接口) ； 3 ) 软件系统必须为嵌入式，内核体积小； 4 ) 系统必须为多线程，线程切换速度快，最好具有硬实时性； 5 ) 能精确地控制绣框和机头运动轨迹和规律； 6 ) 机械系统低震动、控制系统高稳定性， 从工业控制系统的国际化发展趋势来看，控制系统都在向着微型化、高集成度的方 向发展，而具备一切先决条件的嵌入式系统必将是工控界的统治者。我们采用先进的 嵌入式系统作为底层开发平台，将会使我们的控制系统更加具有竞争力和市场价值。 1 3 2 工业绣花机控制系统的发展方向 嵌入式系统技术种类繁多、分支细密。目前，国内外的工业绣花机基本上采用了 嵌入式技术，但使用的技术却不尽相同。 如前所述，国内的工业绣花机大多采用北京精大豪电脑控制设备有限公司的产品 作为控制系统的。其特点如下：1 ) 以廉价的单片机作为控制核心；2 ) 以l e d 或l c d 作为显示设备：3 ) 以带有自制按键的控制面板作为交互式界面，若以l c d 为显示设 备，适时采用触摸屏作为交互式手段；4 ) 大量采用计算机外围接口技术，如串口技 术、并口技术、u s b 技术、网络技术甚至无线通信技术。这种做法有利有弊，好处是 华中科技大学硕士学位论文 节约了成本。缺点就是：电路设计复杂，涉及的技术面广，很多与绣花机控制无关的 外围设备驱动电路也必须一一设计，严重影响了系统开发进度。控制系统产品在市场 上是以快取胜，新产品跟进速度不快，一方面提高了时间成本，丢失了一部分市场， 从而减少了利润。另一方面，技术上分立式的电路结构必然会引发非预测性的系统不 稳定性，增大了系统调试的难度。 尽管国外很多绣花机控制系统生产企业也采用单片机控制策略，以降低系统成本， 但是已经有一些厂商意识到这种做法产生的一些负面效应。他们尝试使用一些具有各 种外围设备接口已固化好的单板机作为系统控制核心，并生产出一些控制产品。 1 3 3 电脑混合绣嵌入式控制系统的技术构成 本文研制的电脑混合绣控制系统综合了国内外现有技术各自的优点，以满足混合 绣控制系统的功能需求为主要依据和最终目的，进行- 丌创性的设计。系统设计的新颖 性具体表现在以下几个方面：1 ) 采用嵌入式单板机p c 1 0 4 作为系统控制核心；2 ) 采用嵌入式单片机构成控制协作层，协作p c 1 0 4 进行系统控制；3 ) 采用了e d a 技 术，使用功a 软件对c p l d 器件进行逻辑设计和验证；4 ) 使用嵌入式l i n u x 操作系 统作为系统软件平台，进而进行应用程序开发。下面将分别作简要介绍。 1 嵌入式系统技术 嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，符 合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统【1 】。 与通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，具有成本敏感性， 其软硬件都必须高效率地设计，量体裁衣去除冗余。好的嵌入式系统是完成目标功能 的最小系统。 嵌入式系统一般要求具有高可靠性，能够在恶劣的环境下仍然能够正常工作。同 时，在很多情况下，嵌入式系统要求具有实时功能。嵌入式系统是与具体应用联系在 一起的，其升级换代与其应用平台紧密相关。因此，嵌入式系统一旦进入市场，便具 有较长的生命周期。 由于嵌入式系统的专用性，嵌入式系统的软件也具有自身的特点： 软件要求固化存储。为提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都 固化在存储器芯片( p r o m 或f l a s h ) 中，而不是磁盘介质。 软件代码具有高质量和高可靠性。尽管处理器的速度在不断的提高，存储器的 容量也在不断增大，但在资源有限的嵌入式系统中，存储空间仍然十分宝贵。因此， 程序代码的编写和编译器的质量要高，以减少程序二进制代码长度，并提高执行速度。 华中科技大学硕士学位论文 2 新一代嵌入式工业控制计算机p c ，1 0 4 p c 1 0 4 得名于由i b m 设计的著名的个人桌面电脑p c 机，以及连接p c 1 0 4 连接头的针脚数目。p c 1 0 4 实际上是p c 机的另一种形式，能够在其上使用p c 机上 的绝大多数软件开发工具。p c 1 0 4 总线比p c 机的i s a 总线尺寸小得多，它采用叠加 式设计，省去了主板、底板存在的必要性1 2 l 。 p c 1 0 4 采用模块化设计方法以适应嵌入式的需要。模块化方法是一种行之有效 的嵌入式微机系统设计方法。基于模块的微机系统设计，即采用现成的由厂家提供的 模块来设计微机系统。所谓“模块”，是指一种体积较小的多集成块组件，通常在 2 1 0 ( 平方英寸) 的电路板上、安装了许多满足某种特定功能的集成电路和元件。多个 模块可采用插针和插座的方式连接，可以像安装集成块那样将模块插入用户设计的专 用底板上。基于模块的设计具有以下优点：1 ) 不需很高的投资即可获得高的器件密 度。2 ) 降低开发费用。3 ) 增多产品档次，便于升级替代。进入9 0 年代以来，模 块化的系统设计方法在国外得到了迅速的推广和普及，许多厂商为用户提供了各种具 有统一接口标准的系统级标准模块。由于上述标准模块具有相同的接口、相同的电气 和机械特性，因而在大多数情况下，系统设计师不必设计接口转换逻辑就可以把它们 直接互连起来，从而大大简化了嵌入式系统的设计。 3 通用嵌入式单片机 单片微型计算机( 简称单片机) 。它在一块芯片上集成了中央处理器( c p u ) 、只 读存储器( r o m ) 、输入输出接口、可编程定时，计数器等，有的甚至包含a d 转换器。 单片机具有如下特点： 集成度高、功能强。单片机把c p u 、r a m 、r o m 、v o 接口，以及定时 器计数器都集成在一块芯片上。目前应用得最多的m c s 5 1 系列单片机的结构如图 1 - 1 所示。和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。 m c s 5 1 系列单片机内的定时计数器为1 6 位，有4 个并行i o 接口，还有串行接1 2 1 ， 时钟频率可达1 2 m h z 。 结构合理。目前单片机大多采用h a r v a r d 结构。这是数据存储器与程序存储 器相互独立的一种结构。单片机采用上述结构有以下两个优点：存储量大。例如， 采用1 6 位地址总线的8 位单片机可寻址外部6 4 k r a m 和6 4 k r o m ( 包括内部r o m ) 。 此外还有内部r a m ( 通常为1 2 8 字节) 和内部r o m ( 一般为2 - - 4 1 0 3 ) 。使用单片机不仅 可以进行控制，而且能够进行数据处理。单片机不仅设有监控程序，还可同时汇编、 反汇编，具有高级语言以及各种函数库、子程序及图表。因此单片机的功能大为加强， 用户使用起来十分方便。速度快。单片机由于主要用于工业控制方面，一般都需要 较大的程序存储器，用以固化己调好的控制程序；丽数据存储器的容量相对较小，主 华中科技大学硕士学位论文 要用来存放少量的随机数据。小容量随机存储器直接装在单片机内部可使数据传送 速度加快。 i h t 0i n t l t 0t 1t x dr p 0p ip 2p 3 图1 - 1m c s - 5 1 单片机组成原理图 抗干扰性强。由于单片机的各种功能部件都集成在一个芯片上，特别是存储器 也集成在芯片内部，布线短数据大都在芯片内部传送，不易受到外部的干扰，增强 了抗干扰能力。使系统运行更可靠。 指令丰富。单片机一般部有传送指令，逻辑运算指令，转移指令，加、减法运 算指令等，有些单片机还具有乘法及除法运算指令特别是位操作指令十分丰富。 4e d a 技术 e d a f e i e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) ，即电予设计自动化。e d a 技术指以计算机硬 件和系统软件为基本工作平台，继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图 论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商品化e d a 通用支撑软件和应用软件包，旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设 计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至p c b 的自动设计。在e d a 软件的支持下， 设计者只需完成对系统功能的描述，就可以由软件处理得到设计结果，修改跬计如同 修改程序一样方便。利用e d a 设计工具，设计者町预知结果，减少砹计的盲日性， 极大地提高了设计的效率i 4 4 l 。 c p l d 技术是e d a 技术领域的典型代表。c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l cl o g i c d e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件专指集成规模大于1 0 0 0 门以上的可编程逻辑器件。如 本文研究的电脑混合绣嵌入式控制系统就采用了a l t e r a 公司的c p l d 器件。 5 嵌入式l ir i u x 操作系统 6 华中科技大学硕士学位论文 嵌入式操作系统是相对于其它搡作系统而言的，通常指操作系统的内核。并包含 些最基本的功能，如中断处理与进程调度等，但没有用户界面。操作系统是以库的 形式提供给用户的，用户可以通过a p i 来使用操作系统。嵌入式操作系统还具有以下 特点： 良好的可移植性。嵌入式操作系统必须支持多种开发平台，对每种微处理器提 供相应的编译器、连接器、调试器及加载工具等一系列工具链，形成从开发到调试的 一体化支持。 占用硬件资源少。通常嵌入式系统的资源有限，所以嵌入式操作系统必须体积 小巧以满足硬件限制1 6 l 。 可装载和卸载。嵌入式操作系统须根据应用的要求进行装卸，所有嵌入式操作 系统也必须能够根据应用需求进行装卸，对系统各个部分进行优化。 固化代码。在嵌入式系统，嵌入式操作系统和所有的应用软件都被固化到r o m 或f l a s h 中。 具有高度可靠性。 具有友好的图形用户界面。现代的嵌入式系统需要大量的入机交互操作，图形 g u i 将成为嵌入式操作系统重要的一环。 嵌入式操作系统种类繁多，其中典型的有： w i n d o w s c e 。m i c r o s o f t w i n d o w s c e 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。 它不是削减的w i n d o w s 9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程，完 整优先权，多任务的操作系统。 q n x 。o n x 是一个实时的，可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它提供了一个很小的微 内核以及一些可选的配合进程。q n x 内核非常小巧而且运行速度极快。 l i n u x 家族。嵌入式l i n u x 在市场上极为活跃。由于l i n u x 开发源代码，可以 在g p l 保护下自由发布l i n u x 版本，因此有很多优秀的嵌入式l i n u x 版本工作于各式 各样的嵌入式设备中。典型的有u c l i n u x 、r t l i n u x 等。本章4 4 节将介绍作者自己发 布的版本【1 1 。 此外，还有v x w o r k s ，p s o s y s t e m ，p a l mo s ，l y n x o s ，v r t x ，等得到广泛应用的嵌 入式操作系统。 6 实时操作系统 实时系统可以定义为；一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和对外 部或内部、同步或异步时间作出响应的系统l _ ”。 实时操作系统有高效的中断处理能力和i o 能力，来处理异步事件和有严格时间 华中科技大学硕士学位论文 限制的数据收发应用，其具体能力是： 1 ) 系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力； 2 ) 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据1 8 】。 开发嵌入式实时系统，就需要个支持实时多任务的操作系统( r t o s ) i 勾核。嵌入 式的应用不仅仅局限于原来的只是面对系统级的需求，而是需要面对用户级的应用， 满足在各个层次上的需求。因此，嵌入式的应用系统的丌发和定制变得越来越重要 。 7 电磁兼容的概念 电磁兼容性( e m c ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 是指设备或系统在一定的电磁环 境下能正常工作，并且不对该环境中任何事物构成不能容忍的电磁骚扰的能力i l ”j 。 电磁兼容是人们对电子系统的一个基本要求，也是系统可靠性工程的组成部分。电 磁干扰( e m i ) 将以电和磁的形式向外传输，严重时可导致设备自身及其它电子设备无法 正常工作。 1 4 电脑混合绣控制系统成本分析 电脑混合绣嵌入式控制系统全局开发的成本构成如图1 - 2 所示 图1 - 2 电脑混台绣控制系统成本结构图 1 原材料成本 相对于普通的单片机为核心的控制系统，电脑混合绣控制系统唯一的成本劣势就 是p c 1 0 4 的成本较高，通常一块4 8 6 d x 型号的p c 1 0 4 售价在1 5 0 0r m b 左右。而 对于其它所有的成本选项，电脑混合绣控制系统都有其独特的优势。 华中科技大学硕士学位论文 控制系统为了达到稳定性的目的，通常在微处理系统中添加操作系统作为软件平 台。电脑混合绣控制系统采用了嵌入式l i n u x 操作系统作为软件平台，l i n u x 的任何 产品遵守g p l 协议，任何人都可以免费下载，成本为零。c p l d 集成了大量逻辑，省 去了大量的分离式元件，而其自身的价值只不过十几元，成本极为低廉。其他原材料 成本与单片机控制系统持平。 2 技术成本 一般在控制系统开发费用最大部分是技术成本，因为开发商要付给资深技术人员 昂贵的酬劳。对于控制系统的开发，最核心的工作就是控制系统本身的驱动开发，但 单片机系统没有完整的系统解决方案，所有的外围接口电路和驱动程序都需要单独开 发，电源系统也要另外设计。从而大大增加了系统开发成本。 3 空间成本 由于嵌入式系统需要，控制系统对硬件和软件的体积都有很高的要求。电脑混合 绣控制系统通过采用p c 1 0 4 计算机模块化系统，开发的用户控制卡与p c 1 0 4 具有相 同的面积，并且可以自层叠方式叠加与p c 1 0 4 上，充分利用纵向空间来节约横向空 间，使整体空间缩小。此外，c p l d 的使用更是大大地节约了电路板面积。嵌入式l i n u x 内核是经过自行精简的，不必要的模块已被裁减掉，从而减少了系统软件占用的空间， 节约了嵌入式设备有限的资源。 4 时间成本 p c 1 0 4 的系统化解决方案无疑能够极大地提高控制系统的开发效率。p c 1 0 4 省去 了外围接口电路和驱动程序开发以及电源设计等繁琐而对控制系统没有实际意义的 工作。c p l d 采用e d a 技术进行设计，可以方便地修改电路，节省了因电路设计错 误导致的时间浪费。这些技术缩短了产品的开发周期，有利于产品快速占领市场。 1 5 本文研究的目的和内容 1 5 1 本文研究的目的 本文研究的主要目的是研制出性能稳定、功能强大的混合绣工业绣花机的主控设 备，能够在该领域填补国内空白，并发挥出其巨大的市场潜力。 1 5 2 本文研究的内容 本文以横向课题“链式绣花机系统设计”项目和院基金项目“群控绣花系统”为 技术背景，对工控绣花技术进行横向扩展，并进行技术评估，从而设计出一套完整的 9 华中科技大学硕士学位论文 系统设计方案。本文研究的内容包括机械平台的移植和控制系统的设计。 1 机械平台的移植 机械平台是检验课题成功与否的最终标准，因此我们引进武汉美佳g g 7 0 7 0 i 6 0 2 型双头六针锁式平绣绣花机以及g y l 0 1 型单头万向上链式绣花机作为本课题的机械 开发平台。图1 - 3 和图1 - 4 分别为平绣机和链绣机： 图1 - 3g g 7 0 7 0 1 6 0 2 型双头六针锁式平绣绣花机 图1 4g y l 0 - 1 型单头万向上链式绣花机 由于没有现成的混合绣机械平台，我们就对平绣机和链绣机进行改造，构造出模 拟的混合绣平台。 2 控制系统的设计 控制系统的设计分为硬件设计和软件设计。 硬件设计主要是以p c 1 0 4 工控机为控制核心的p c 1 0 4 扩展板的数字电路设计。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 扩展板是p c 1 0 4 工控机借以控制电机驱动器和接收、处理传感器信号的唯一载体。 系统将以p c 1 0 4 工控机作为“大脑”，掌握系统所有动作的命令控制权，并负责 系统级的外围设备驱动和人机交互，如显示设备、键盘、软驱、i d e 设备等。在p c 1 0 4 上添加2 块用户控制卡：一块用于控制布框x 、y 向步进电机和平绣绣花机的主轴电 机；另一块用于控制链绣机的主轴电机、产生链绣绣迹的辅助电机以及换色电机。它 们的输出信号直接通往各自的驱动器，驱动电机作相应的运动。 软件设计主要包括基于实时操作系统的应用程序开发和系统级调试、在系统芯片 ( s o c ) 的内部逻辑设计和下载以及板载c p u 的嵌入式程序设计。 基于实时操作系统的应用程序开发需要掌握操作系统的实时多任务内核的运作机 制( 包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消 息管理以及队列管理等) 和进程调度策略。该软件模块负责系统全局运作，包括外围 设备接口和系统控制。 作为下位机的板载c p u ( 嵌入式单片机) 的应用程序设计需要以5 1 单片机系列 的系统结构为背景，以c 5 1 和a s m 5 1 语言为开发工具进行嵌入式应用程序的设计、 仿真和下载。该模块负责与上位机通信并向各电机驱动器输出有效的电平信号。 1 6 本文的创新点 本文的创新点分为观念创新和技术创新。 观念创新主要体现在“混合绣”概念的提出。这个概念是对目前工业绣花机行业 进行长期而全面的调查和研究，针对目前国内在该领域的技术空白，经过反复讨论和 研究后提出的。类似“混合绣”的产业在国内尚未出现，而“混合绣”市场潜力不可 限量，这个概念的明确提出可望能够带动国内一批新兴产业的兴起，具有较强的现实 意义。 技术创新主要分为以下几点： 1 ) p c 1 0 4 在工业绣花机控制系统中的应用； 目前国内工业绣花机的控制系统主要是以特种单片机作为控制核心的，所需的外 设接口资源都是订做的，这需要大量的底层技术支持，耗费大量的人力和财力其稳 定性也较差；而且这些工作本不属于控制系统丌发人员的职责范围。p c 1 0 4 嵌入式 工控机具有p c 机的各种外设接口，省去了繁琐的接口电路设计工作，让工程师能够 专注于控制系统的研究与开发；标准化的p c 1 0 4 生产工艺流程，保证其品质与普通 p c 机无异，甚至更好；同时，p c 1 0 4 的资源适度，极其适合嵌入式系统，只要币确 的选择型号，不会出现资源匮乏或冗余等现象。因此，无论从体积、性能、资源，p c 1 0 4 华中科技大学硕士学位论文 都极其适合用作工业绣花机的主控系统。我们选用p c 1 0 4 作控制核心，大大缩短了 开发时间，而且稳定性得到了保障。 2 ) e d a 技术在电脑混合绣嵌入式控制系统中的应用； 电子设计自动化是电路系统设计的趋势，它将大大加快电子电路系统的发展速度。 电脑混合绣系统使用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 作为系统的逻辑处理核心，并使 用e d a 软件m a x + p l u si i 对c p l d 进行设计。这种方式增大了系统设计的灵活性，提 高了系统稳定性，并缩小了系统的体积【l “。 3 ) 嵌入式l i n u x 操作系统作为控制系统的底层软件平台； l i n u x 操作系统具有众多的优点，如开放源代码、高度稳定性、可移植性等等。我 们采用嵌入式l i n u x 操作系统作为控制系统的底层软件平台能够大大增强整套控制系 统的稳定性，同时保证低廉的成本，有潜力开发出在市场上有竞争力的商业化控制系 统。 4 ) 自行编译适应电脑混合绣控制系统的嵌入式l i n u x 微内核； 这使得系统配置更加优化、精简，同时以低廉的成本开发出有自主版权的控制系 统。 5 ) 提出了硬件系统层次化结构设计模型。 该设计模型有利于提高控制系统硬件体系的开发速度，从而提高电子产品的市场 竞争力。 我们比照国际同行业的先进技术，进行有针对性的、开创式的研究和开发；集成 各种新兴的现代工业控制技术和计算机技术，提高系统的技术含量，使其具有真正意 义上的技术价值和市场价值。 1 7 本章小结 本章介绍了电脑混合绣的概念，通过引述国内外同行业现状，证明了研究混合绣 控制系统的必要性和可行性。同时，说明了目前工业绣花机的发展方向以及电脑混合 绣控制系统所采用的关键技术，对这些技术进行了可行性分析。最后阐述了本文的创 新点。 华中科技大学硕士学位论文 2 混合绣工业绣花机系统原理 2 1 电脑平绣机工作原理 2 1 1 平绣机刺绣原理 平绣绣花机的主要目标是进行锁式线迹的刺绣，锁式线迹的形成过程如图2 - 1 所 示。 圈2 - 1 锁式线迹形成过程 l 一旋梭2 一面线3 一夹线器4 一挑线杼5 面线筒6 一归线器7 一梭尖 绣花针带面线穿过绣品至最底位置，并开始回升，当针回升2 。2 5 m m 时，由于 绣花针与绣料间的摩擦力使绣线在绣品下方形成线环。此时，梭尖钩住线环转动( 图 2 - l b ) ，当梭尖带绣线环绕过梭子轴中心时( 图2 - l c ) ，绣花针退出绣品，绣线环也迅 速地从梭架上脱落，当绣花针回升至最高点时，挑线杆收紧线环，在布面下形成一个 锁式线结( 图2 - l d ) 。然后布框移动一个针距，并进行下一轮刺绣工作。绣线在两个 线结之间就形成了一道线迹，若干线迹组成了美丽的绣纹【1 2 】。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 电脑平绣机传动系统 电脑平绣机的主传动系统由三个电机组成：主电机( 控制机头绣花针进行刺布运 动) 和x 、y 向移框电机( 控制绣框在平面内做二维运动以产生绣纹) 。主电机通常 使用伺服电机，也可用步进电机代替，移框电机基本上都使用步进电机。此外，还有 换色电机，主要控制针杆箱更换载有不同颜色绣线的绣针f 1 3 】。平绣机的传动结构如图 2 2 所示。 2 2 链绣机工作原理 2 2 1 链绣机刺绣原理 图2 - 2 绣花机传动结构图 链绣机的任务是在绣料上产生链式线迹或起茸线迹。链绣机的机头结构如图2 - 3 所示。 链绣花纹是由一连串的绣线线圈串套而成，链绣的关键就在于线圈的形成。线圈 形成过程如下： 绣线从针板穿线孔穿过，第一针手工拉紧绣线，压脚压住布面，并将绣针刺入布 面。在回升途中，绣针的线钩将绣线钩住拉出布面，形成第一个线圈。进行第二：针刺 1 4 华中科技大学硕士学位论文 绣时，第一针的刺布点已经随布面被压脚移动了一个针距，同时，辅助电机转动压脚， 改变线圈的方向。此时，压脚再次压住布面，绣针刺入布面并将绣线钩出，形成第二 个线圈。此后的线圈以相同的原理实现。 针板穿线 2 2 2 链绣机传动系统 图2 - 3 链绣机g y l 0 - 1 机头示意图 通过对链绣机刺绣动作的了解，可以得知链绣机的主传动系统。其主传动系统包 含以下几个部分： 控制刺布运动的主电机传动系统；控制针杆刺布和跳线机构的配合工作。 控制绣圈方向的辅助传动系统；主要控制压脚的移动方向，改变绣圈的方向。 2 3 混合绣机械平台设计 通过对平绣机和链绣机的机械结构和传动系统分别进行分析，我们构想了混合绣 机械平台的基本主体结构，如图2 - 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 4 混合绣机械平台主体结构设计 将平绣机头和链绣机头组合在一起，机头结构维持原状，两个机头共用一个绣框 传动机构，统一使用平绣机的步进电机移框系统。此外，添加一个辅助步进电机控制 链绣绣圈的方向。 对混合绣机械平台的控制主要是对6 个电机的控制。6 个电机分别为：平绣主电 机、链绣主电机、x 、y 向移框步进电机、换色电机和链绣辅助电机。 此外，还有一些辅助性的机械机构和传感器电路，基本沿用原有平台的配置，在 此不作详细描述。 2 4 混合绣电子控制系统初步设想 通过对混合绣机械平台的构思，混合绣电子控制系统的目标已十分明确，其任务 主要是对混合绣传动系统中的6 个电机的运动进行精确控制。这6 个电机中2 个主电 机采用伺服电机，其余的电机均使用步进电机。每个步进电机由1 片单片机通过驱动 器进行单独控制，单片机接受主控设备的统一调度。 此外，电脑混合绣电子控制系统还要对相应的传感器信号进行处理。典型的传感 器信号有：针位传感器、针顶位、针底位、断线检测传感器。针位传感器检测绣针是 否刺入或离开布面，以此决定是否允许绣框移动，可防止断线、断针现象的发生。针 顶位和针底位传感器用于判断绣针是否到达最高或最低位置，通过感知绣针的位置状 态，对刺绣动作进行协调。断线传感器检测绣线的状态，若绣线因张力过大等原因断 1 6