（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式的绣花机控制器的设计.pdf

摘要 绣花机发展迅猛，但是国产绣花机着重于中低端产品的开发，忽视高性能绣花 机的研制。基于嵌入式的绣花机控制器具有较高的稳定性和智能性，而且有利于使用 模块化方法促使众多厂商共同发展。本文介绍了一种模块化的软硬件构架，便于更新 换代、促使各厂商开发优势部件和有利于整体发展。基于这种构架，本文设计了基于 a r m 和d s p 嵌入式处理器的高性能绣花机控制器。 硬件主要包括基于$ 3 c 2 4 1 0 x 的信息处理模块和基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 机械控制 模块。软件包括d s p 机械控制、l i n u x 系统软件、m i n i g u i 界面，以及控制部分和l i n u x 的信息交换、l i n u x 和外部( u 盘、以太网等) 的信息交换，本文的重的在于应用软 件的开发，并做了以下研究工作： 1 ) 制定了系统总体方案和具体实验方案，设计了信息处理部分和机械控制分离 的结构，有利于系统的可持续发展和用户的多种选择。 2 ) 采用虚拟机技术建立了a r m 的l i n u x 交叉编译环境和d s p 的c c s 共存的系 统开发环境，节约了使用资源。 3 ) 详细分析了绣花花样文件存储格式和d s t 、d s b 的解码方法。 4 ) 采用了m i n i g u i 图形系统编写了控制器的界面。 5 ) 使用r s 2 3 2 接口，并编写了传输协议实现了信息处理部分和机械控制部分的 信息传递。 关键词：模块化嵌入式系统绣花机控制器l i n u xm i n i g u i a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ei n d u s t r yi sr a p i d ，b u tt h ee m b r o i d e r y m a c h i n e sm a d ei no u rc o u n t r ya r em a i n l yf o c u s e do nl o wg r a d eo rm e d i u mg r a d ep r o d u c t s ， r a r e l yo nt o pg r a d e t h ee m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g i e s h a sg o o ds t a b i l i t ya n ds o m ek i n d so fi n t e l l i g e n c e a n da tt h es a n l et i m e i ti sg o o df o ra 1 1 p r o v i d e r st od e v e l o pac o m m o nm e a n sb yu s i n gm o d u l ed e s i g np a t t e m s am o d u l a r i z e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ew a si n t r o d u c e db yt h i sd i s s e r t a t i o n b yu s i n gt h i sd e s i g ni t i sv e r yc o n v e n i e n tf o rp r o v i d e r st ou p g r a d et h e i rp r o d u c t sa n dd e v e l o pt h e i rn e wg e n e r a t i o n p r o d u c t aw o n d e r f u le m b r o i d e rm a c h i n ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do na r m a n d d s pi nt h i sd i s s e r t a t i o nb yu s i n gt h i ss t r u c t u r e t h eh a r d w a r es e c t i o ni n c l u d e s ：s 3 c 2 4 1 0 xm o d u l e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am o d u l e t h e s o f t w a r es e c t i o ni n c l u d e s ：m e c h a n i c a lc o n t r o lm o d u l eb a s e do nd s p , l i n u xs y s t e m ， m i n i g u ii n t e r f a c e ，e x c h a n g eo fl i n u xi n f o r m a t i o na n de x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nb e t w e e n l i n u xa n de x t e r n a ls y s t e ms u c ha sud i s ko re t h e r n e tn e t w o r k t h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c ha c t i v i t yi nt h ed i s s e r t a t i o ni st h ed e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o np r o g r a ma n dt h e f o l l o w i n g - u pr e s e a r c ha c t i v i t i e sh a v eb e e n d o n e a sw e l l ： f i r s t l y ，t h ew h o l es y s t e ms o l u t i o na n ds p e c i f i ce x p e r i m e n t a ls o l u t i o n sw e r ep r o p o s e d a n dt h es e c t i o no fp r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o na n dm e c h a n i c a ls e p a r a t o rw a sd e v e l o p e d i t w o u l db eu s e f u lf o rt h es y s t e mt ob eu p g r a d e di nt h ef u t u r ea n da l s op r o v i d ec u s t o m e r s m u l t i p l ec h o i c e s s e c o n d l y , a r ma n dl i n u xc r o s sc o m p i l ee n v i r o n m e n ti nw h i c hc c sw o r k e dw a s d e v e l o p e db yu s i n gv i r t u a lp ct e c h n o l o g yi no r d e rt os a v er e s o u r c e s ； t h i r d l y , t h ef o r m a to ff i l e ss u c ha sd s t d s bs t o r e di nt h es y s t e mw a sd e s c r i b e di n d e t a l la n dt h ed e c o d i n gm e t h o dw a sd e s c r i b e da s , , v e i l ； f o u r t h l y ，t h ei 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 ； f i n a l l y , r s 2 3 2p r o t o c o l w a su s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h et r a n s f e rp r o t o c o lw a s p r o g r a m m e dt or e a l i z et h et r a n s f e ro fi n f o r m a t i o nb e t w e e nt h es e c t i o n o fp r o c e s s i n go f i n f o r m a t i o na n dm e c h a n i c a ls e p a r a t o r k e y w o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b r o i d e r y c o n t r o l l e r , l i n u x ， m j n i g i 儿 图2 一l 刺绣流程 插图清单 图2 2 控制器整体结构图5 图2 - - 3 软件结构图 图2 4 硬件结构图 图2 5 步进电机控制接口 图2 6 伺服电机控制接口 7 7 1l 1 ：! 图3 一l 开发环境示意图 图3 2 存储结构图 图3 3v i 控制台 图3 4a r m l i n u x 控制台 图3 5m i n i g u i 配置界面 图3 6c c s 2 0 0 0s e t u p 图3 - - 7c c s 开发环境界面。 图3 8c c s 开发流程 图4 1 刺绣软件。 图4 2 绣花文件头。 图4 3 文件头信息图示 图4 4 信息处理部分软件框图。 图4 5m i n i g u i 软件架构。 图4 6 程序界面 图4 7 轮子轨迹( 3 4 6 倍) 图4 8 界面菜单 图4 9 虚拟控制台一 1 4 1 5 1 8 1 9 2 1 2 2 2 3 2 3 2 5 2 5 2 6 2 9 ： ! ； ： 8 ，3 8 3 9 图4 一l o 机械控制部分流程图4 3 图4 一l l 数据包接收中断流程图4 4 图4 1 2 p w m 电路逻辑图 图5 1 单处理器软件结构4 7 表清单 表2 1j t a g 引脚功能。9 表2 2 e m u 0 ，e m u l 引脚功能 表4 1 轮廓文件格式 表4 2 针迹文件格式 表4 3d s t 、d s b 头文件结构 表4 4d s t 针结构 表4 5d s t 功能码 表4 6 d s b 针迹结构和功能定义 表4 7 d s b 方向定义 1 ( 2 4 2 4 ：1 6 2 7 2 7 2 7 ：1 8 表4 8 协议数据封装结构3 9 表4 9 封装结构意义 表4 1 0 数据区结构 表4 1 1 t y p e 定义 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些态堂或其他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谢意。 学位论文作者签字：瑙漉 签字日期：7 呻7 年月协掘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒墅= ! 些盍 ! l 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 签字日期：7 晶声月w 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名删 签字罗碍 电话 邮编 厶孑汨 致谢 三年的研究生生活即将结束，这三年是我人生转变的重要时期，其问有快 乐，有伤悲，最重要的还是心灵上成长和专业知识的增长，人生就是这样不断 成长和蜕变的过程。研究生阶段中，在工作、生活的各个方面我都受益非浅， 除了自己的努力，更多的是来自老师、家人和朋友的支持与帮助。 首先感谢我的导师鲁昌华教授，鲁老师不仅在学术上给了我悉心的指导， 更在生活上给了我无微不至的关怀鲁老师渊博的知识、丰富的实践经验、严 谨的治学态度和积极的人生观都深深的影响了我，激励着我不畏困难、永远向 前。 感谢智能测试研究室的汪济洲、张军、冯晓星、蔡蕾、李艳红同学。几年 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，感谢他们对我的无私的帮助。 感谢顾何方，陶珏辉，我们曾经是最好的室友，你们也是我最好的朋友， 谢谢你们一直以来对我的默默支持，谢谢你们在我困难时候对我心灵的关怀。 最后，我要感谢我的父母和大哥，多年来你们一直站在我的身后支持我， 我们相互扶持面对生活的风雨，在最寒冷的时候互相取暖。感谢父母对我的含 辛茹苦的抚养，我身上所有的闪光点都来自你们的谆谆教导，感谢我的大哥， 全家七年来对我的照顾和包容，感谢所有爱我的入。 作者：蔡磊 2 0 0 7 年6 月 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的发展状况1 5 1 1 1 嵌入式系统的概念早在1 9 7 0 年左右就已经出现了，这是由于微处理器的出现，计 算机出现了历史性的变化，以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠 性特点，迅速走出机房。它表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将 微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，于是计算机便失去了原 来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体 系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。同时他们向两个 不同的方向发展，通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方 向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则 是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能 力与控制的可靠性。 不过当时，大部分都是由汇编语言完成的，而且只能用于某一种固定的微处理器上。 直到c 语言的出现，它使得操作系统的开发越来越简单众所周知，c 语言的作者d e n n i s m r i t c h i e 和b r i a n w k e m i g h a n 利用它写出了著名的u n i x 操作系统，直接影响了这3 0 年计算机业的发展同时这对嵌入式系统的发展来说，在速度和效率上都提高了很多。 嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统，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由嵌入式微处理器，外围硬 件设备，嵌入式操作系统和用户应用程序组成，用于实现对其他设备的控制，监视或管理 等目标 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足相应的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信 设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至l a w 级。 嵌入式系统广泛的渗透到各个领域，适应着方方面面的需求。而它所拥有的特性， 例如：软件上的可裁减，可移植性和硬件上的可靠性、智能控制特性，正是我们所要研 制的智能绣花机控制系统要求的。所以，以嵌入式系统为核心，研制较高可靠性，实时性， 智能性，人性化的，可升级的高端绣花机控制系统是本文的重点。 可靠性( r e l i a b i l i t y )指真实可信方面的性能特点，就是获取信息的可信程度； 实时性( r e a lt i m e )指真实事件发生到系统得到信息的时问方面的特性； 智能化( i n t e l l i g e n t ) 指系统的容错能力和对各种环境，信息的应对能力； 人性化( h u m a n i s t i c )指把人类、人类的价值和能力作为中心点。就是在设计 中处处表现到对操作者的关怀。 设计一个同时具备这几种特性的系统是一件非常困难的事情。因为这是一个永无 止境的工作，要通过不断的研究和开发才能够满足新的情况和更复杂的要求。就像 l i n u x 操作系统一样，它是当今操作系统中更新最快的操作系统，特别是网络相关的 内容，只要有新的设备或者协议出现，很快就能在它的最新内核版本中发现，无论是 u c l l n u x ，a r m - l i n u x ，都出现的相当快，内容也是最新。这样的成果是全世界无数默 默无闻的开发者完成的。这就是可持续发展的理念，让最新的内容能在原有的平台上 快速开发。 本文设计的方案就是为绣花机控制系统提供一个可持续发展的方案，使这种思想 延伸到电脑绣花机控制领域中，使绣花机控制系统能够向更高端的方向发展，使刺绣 产业在我国经久不衰。 1 2 绣花机的发展状况i l h 2 l 从2 0 0 5 年我国缝纫设备发展迅速，产量占全球产量的7 0 以上，其中：家用机占 全球产量的7 5 以上，工业机约占全球产量的7 0 ，绣花机占全球产量的7 0 以上。【l 】 国产绣花机近两年内发展非常迅速，以前国外品牌一直是受追捧的主角，比如德 国z s k 、日本田岛( 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酋选， 现在我国绣花设备产销绩效明显，行业投资速度明显加快，开始在市场上崭露头角， 从c i s m a 2 0 0 5 上就能感觉到国产绣花机不论是产品、品质，还是企业形象、展台的 搭建都在国外品牌之上，完全展示了国内绣花机生产企业的实力。国产绣花机在不断 的发展壮大。 国产绣花机有着良好的性价比优势，但无论对机械的精准度要求，还是电控的稳 定性方面，国内绣花机与进e l 绣花机存在着一定的差距。日本的几个绣花机品牌历经 了5 0 年的制造与开发，追求的是不断地研发、创新，目前已发展到相当的高度，靠 的就是将世界最前沿的计算机技术、芯片开发、功能开发与电脑刺绣的人性化，人文 化紧密地结合在一起，至今仍占有着绝对的科技优势。国内众多厂商着重于数量和价 格的恶性竞争，盲耳追求利润，国产绣花机出口产品仍以中低端为主，高端高价产品 涉及较少。所以研制高性能绣花机可以增加绣花机的国际竞争力，是当今绣花机发展 的出路。 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。 田岛的最新机型s t k n 系列多头刺绣机具有9 0 0 r p m m i n 的稳定转速、旋转式断线 检测、中置式挑线弹簧和上线锁装置，能进行各个花样的数据记忆( 如花样名称、针 数、换色次数等) 。国内绣花机制造厂商很多，例如：中国标准缝纫机公司、上海协昌 缝纫机厂、青岛电脑刺绣机总厂、苏州国营二六七厂等，但电控器的生产还主要是北 京兴大豪。 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 由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。h i 目前国内外的电脑绣花机控制方案分为两种： 第一种：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：用两个处理器，一个作为下位机控制机械部分，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) ，网络和其 他。 1 3 课题来源和研究内容 本课题来源于2 0 0 7 合肥科技局重点项目，合科合同( 2 ) 字2 0 0 7 ( 1 0 1 8 ) 。 本文的提出使用模块化方法，分解绣花机为机械部分，机械控制部分和信息处理 部分。主要研究的内容是： 系统开发环境和运行环境 绣花机控制器的软件实现 通讯协议的组织 绣花花样文件存储格式d s t 、d s b ，和解码方法 机械部分不是本文研究的重点。 第二章控制器的设计方案 2 1 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，这有点类似于数控车床。流程见图2 - 1 刺绣的花样 先由打版师在普通p c 机上通过刺绣专用软件制成花样文件花样文件的种类很多， 比较常用的有t a j i m a ( 田岛) 的d s t , b a r v d a n ( 百灵达) 的d s b ，通常使用的软件有 田岛( t a j i m a ) 8 0 ，w i l c o m ( 威尔克姆) 9 0 。绣花文件建立好之后储存在u 盘，移动硬 盘上或者远程p c 上；电脑绣花机控制系统从这些存储介质中读取花样文件，解读文件 中的位置和控制信息，控制绣花机机械系统走针，在刺绣目标上自动绣出图案。【1 5 l 图2 一l 刺绣流程 绣花机的机械系统的执行部件一股有主轴电机、x y 轴步进电机、换色电机、扣 剪钩电磁铁和断线检测等安全机构。数控系统控制x 及y 方向的两个步进电机带动工 作台( 绣框) 做二维平面运动，同时监视检测使针进行上下运动的电机( 主轴电机) 的回转，从而对x - y 工作台及针的穿刺动作完成间断运动的控制使绣花面线和底线在 织物上形成针迹，换色电机在刺绣中绣花线需要更换时执行动作进行换色；扣剪钩电 磁铁用于执行钩、扣、剪动作完成在自动剪线时勾起压住面线、保持住面线和剪断面 线、底线。在此基本原理上，电脑缝纫机还加入了断线检测、数据存储等功能模块， 是其工作稳定便捷。 2 0 l 智能绣花机控制系统在有以往通用的功能之外，还要具备一些特殊功能例如网络 应用。绣花机控制系统的主要职能如下： 1 ：对刺绣文件分析。简单花样处理 2 ：以人性化的理念显示和控制图样，显示绣花机机械部件当前的情况 3 ：对机械部分智能控制，安全保障 4 ：远程控制等等 4 2 2 设计方案0 1 s l l l q l l ，l 在绣花机控制系统中，所有要处理的信息可分为以下两种： 一种是实时信息：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。称为控制的处理。 另一种是g u i 显示界面，网络等人性化方案，对网络，外设的信息应对。这种信 息实时性要求低，但是复杂度高，般要借助操作系统来完成，但操作系统的引入却 减弱了系统的实时性。统称为信息的处理。 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 s 作为嵌入式操作系统。它们都是 属于强实时操作系统，将控制和信息处理放在一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， 另外r t l i n u x 和v x w o r k s 的使用是收费的，这直接增加了开发的成本。r t l i n u x 虽然也 有免费版本，现在最新的版本是v e r 3 2 ，它仅支持l i n u x 2 4 内核，虽然它有l i n u x 内 核的r t l i n u x 补丁和a r m 补丁，但却没有r t l i n u x 的a r m 补丁，所以在向a r m 中移 植时也要花费很多精力。 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。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，选择t id s p 2 0 0 0 系列微处理器、单片机或f p g a 作为下位机都是可以的；信 息部分一般都是选择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”。在软件上它是指硬件控制程序、信息处理程序和它们之间的信息传递，在硬件 上它是指机械控制电路、硬件接口电路和信息处理部分电路。这种思想现有的绣花机 的设计方案中也多有使用。但是要实现真正意义的分离却还不能做到，大多只是说是 在单个设备上功能的分离，谈到可扩展，多厂商设备的连接就不行了，要实现灵活的 分离是不局限于单个设备或者单个厂商的。整体结构参见图2 2 。 机械控 d s p 下位机单片机下位机 制部分 介 j uu 多种通信方式( 局域网，c a n 总线，串口，u s b ，其他) i 7介介 uuu 信息处 a r m 系统p c i 0 4 系统普通p c 机 理部分 图2 2 控制器整体结构图 这种设计的重点是把绣花机控制器的信息处理部分和机械控制部分的分离，和传 输协议的标准化，最终实现各个厂家设计的由各种m c u 组成的产品，无论是机械控 制器、信息控制器还是组合控制器，只要存在相同硬件接口就能在软件和硬件上连接 和工作。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 最终目标是可以通过标准，非标准接口连接机械控制和信息处理的部分，实现多 或单信息处理器控制多或单机械控制器。其中多种通信方式中，除了硬件接口，例如： r s 2 3 2 、u s b 和以太网等，还包括虚拟传输接口，例如：操作系统中的消息队列，f i f o 等等，也就是说这个设计构想并不排除那些想以一个处理器来完成这两部分功能的方 案。这事实上是属于第一种控制方案，当然同时它仍然可以提供外部接口作为下位机， 来实现其他信息处理部分对它的控制，这些可以根据实际需要自由操作。第一种控制 方案系统稳定性和实时性不高，但是成本低廉，也有很多用途，所以为了保证所有的 硬件设备都能互相连接，本文的整体方案兼容这一类产品。 事实上信息处理部分在这种构架下可以只是p c 上的一个软件，因为在计算机技 术高速发展的今天，p c 机已经相当普及，它具备信息处理部分的一切硬件资源。专 用信息处理器使用范围将会越来越来小，最终只是普通p c 上的一串代码而已，这样 就充分的利用了现有资源，节约成本。 这种方案的实现需要多个厂家的联合共同开发出统一标准才能够完成。联合起来 开发标准促进我国整个绣花机控制器行业的发展固然很好，但是这种实现存在很多困 难，而在一个厂商内部建立标准和使用这套方案并不会失去它的优点。 由于实验条件限制，本文的设计只考虑单上位机和单下位机，多上下位机连接时 的识别，冲突，协调和鉴权等这里不作研究。控制部分要求强实时性，我选择d s p 2 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微处理器作为下位机处理器；信息处理部分我选用在带m m u 的a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 上移植标准l i n u x 来实现，这样在程序复杂的时候不用考 虑内存分配等诸多问题。d s p 系统控制机械系统的实际运动，包括主轴电机、换色电 机等电机运动。剪线等动作和获取机械状态信息。a r m 系统主要管理按键鼠标输入、 屏幕输出和绣花文件的输入、分析、显示等信息。 软件设计中我们采用标准l i n u x 作为操作系统管理硬件资源，和为应用程序提供 方便的控制接口；采用m i n i g u i 用来驱动图形显示界面，界面样式与w i n d o w s 9 8 类 似。软件整体构架参见图2 3 。d s p 的软件只有一条主线顺序执行用于接收并处理 命令和反馈状态；a r m 端的软件底层移植l i n u x 操作系统，应用软件包含有多个进程， 其中一个是m i n i g u i 界面进程，每个进程中又含有实现各个智能的线程。 6 图2 - - 3 软件结构图 其中机械控制器的可靠性和实时性主要由d s p 接口的外围电路和软件来控制和分 析。人性化界面由l i n u x 操作系统管理，智能化由d s p 和l i n u x 协作完成。它们之间 的数据通信主要以r s 2 3 2 接口来实现，r s 2 3 2 应用范围很广，虽然传输速率不高，并 且只能点对点的传输，但其使用简单方便，一般开发系统和p c 机都有这种接e l 。 这种可持续的发展方法还需要有配件扩展的标准化和上下位机传输协议的标准化 来支持；其中上位机的标准化例如操作系统，网络协议，g u i 晃面等等已经有现行的 标准可寻。最终可以将信息处理、控制和机械分离。 2 3 硬件结构 系统框图参见图2 一l ，本文选用a r m 9 2 0 t 结构芯片$ 3 c 2 4 1 0 x 作为信息处理 部分的主控芯片，选用t i 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为信息处理部分的主控芯片。 外围芯片选择，如下 图2 4 硬件结构图 l ：f l a s h 6 4 m n a n d ，k 9 f 2 8 0 8 ，s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 2 ：e t h e r n e ta x 8 8 7 9 6 3 ：8 寸1 6 b i tn 叮，触摸屏控制器为a d s 7 8 4 3 4 ：u a r t2 个r s 2 3 2 ，m a x 3 2 3 2 控制部件主要包括以下几部分； 步进电机驱动绣框的x y 轴移动，换色 主轴驱动电机( 交流伺服电机或步进电机) 驱动针的上下运动 编码器反馈电机转速和位置 辅助电路针位检测，断线检测等，反馈系统异常状态 剪线控制控制扣剪钩电磁铁动作 通讯接口s c i 2 3 1 信息处理部分 1 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n 叮液晶显示屏并覆有触摸屏模拟鼠标作为输入，r s 2 3 2 用于和机械控制部件通讯和p c 机通过超级终端控制a r m ；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。 2 三星$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片是信息处理部分的主控芯片，采用a r m 9 2 0 t 结构核心。它 片上资源丰富，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 1 2 l j a r m 9 2 0 t 是a r m 系列微处理器的一种，它是基于a r m 9 t d m i 的高性能，低能 耗3 2 位r i s c 整型处理器核心参数如下( 具体内容参见参考文献2 1 ) ： 带一个l c d 专用d m a 的l c d 控制器( 高达4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 3 个通用异步串行端口( i r d a i 0 ，1 6 b y t e t x f i f o ，1 6 - b y t e r x f i f o ) 2 个s p i 1 个多主i i c 总线，1 个i i s 总线控制器 2 个u s b h o s t ，1 个u s b d e v i c e ( v e r i 1 ) 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口 支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h ，e e p r o m , 和其他) 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片内部嵌入了j t a g 软件调试接口。j t a g 是联合测试行动小组的简 称，成立于1 9 8 5 年，是由几家主要的电子制造商发起制订的p c b 和i c 测试标准。j t a g 于1 9 9 0 年被i e e e 批准为i e e e l l 4 9 1 1 9 9 0 测试访问端口和边界扫描结构标准，之后 经过两次补充，形成了现在使用的i e e e l l 4 9 1 a - 2 0 0 1 。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 3 j 。 表2 1j t a g 引脚功能 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 it e s td a t ai n p u t 串行数据输入 t d ot e s t d a t ao u t p u t 串行数据输出 t r s t t e s tm s e ti n p u t 复位信号输入 a r m j 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 使用的就是一个标准的j t a g 接口。 3 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。 a d s 7 8 4 3 是一款4 - w i 砖触摸屏控制器。a d s 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l v 和+ v e e 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o 5 u w 它可以保证2 7 v 低电压下正常工作。1 2 4 1 4 以太网接口通过以太网控制器连接到a r m 的数据和地址总线上。 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 x1 6 位的s r a m ，支持多种c p u 总线类型 1 1 8 1 o 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1 0 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 兼容的媒质无关接口m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n t i 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 o 端口1 2 ”。 5 $ 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。 $ 3 c 2 4 1 0 x 集成有u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i t l e r 通用异 步收发器) 来实现和r s 2 3 2 端口收发，它提供有3 个独立的异步串行i o1 3 ，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1 6 一b y t ef i f o s 用于收发。r s 2 3 2 所定义的高低电平与$ 3 c 2 4 1 0 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 换就才可以正常工作。 2 3 2 机械控制部分f 划f 3 5 】 机械控制部分硬件框图参见图2 4 ，这些部件的控制可以分为： 1 ) 使用事件管理器组件控制的电机设备 9 2 ) 使用i o 口来控制的剪线等设备 3 ) 使用a d c 取得的电压信息 4 ) s c i 等通信接口 控制的主控芯片和原理如下： 1 1 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( 耵! x a si n s l l r i 玎b n t s ， 1 1 ) 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1 6 位定点d s p ，后者 为3 2 位定点d s p 。 当前最高性能的是t m s 3 2 0 r 2 8 1 2 f 2 8 1 2 ，3 2 位带r a m 的定点d s e 具有： 1 5 0 m i p s ，1 6 - c hp w m , 6 个c a p , 2 个q e p 和1 6 c h1 2 b i t sa d c ，a d c 转换速度为8 0 n s 的较高性能，但是其价格也是比较高的。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 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的异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 h e 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 、r a ，e v b ) ，每一组拥有： 1 6 - c h1 0 b i t sa d c ，转换速度为5 0 0 n s 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 电源管理包括了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。也 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 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片内部嵌入了j t a g 仿真接口，用于程序的写入和调试， 与