（信号与信息处理专业论文）嵌入式智能绣花机控制系统设计.pdf

嵌入式智能绣花机控制系统设计 摘要 电脑绣花机是随着计算机技术、电子技术、机械加工技术的应用发展而不 断发展起来的机电一体化设备，而目前国内智能绣花机还存在性价比不高等问 题。本论文在对智能绣花机的功能结构分析基础上，提出一种以a r m 和d s p 组 成双处理器的智能绣花机系统，主要研究工作和成果如下： 1 ) 设计基于a r m 9 2 0 t 为内核的信息处理系统，以及外围扩展接口：s d r a m 、 f l a s h 、u s b 数据存储、以太网通信、u a r t 、l c d 显示模块。 2 ) 采用虚拟技术建立了a r m 的l i n u x 交叉编译环境和d s p 的c c s 共存的开 发环境，为整个系统软件的开发提供了有效的工具。 3 ) 分析了绣花机所使用的花样文件的存储格式以及相应的解码方法，并使 用m i n i g u i 编写用户图形界面。 4 ) 设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为内核的机械控制系统，以及绣框电机和主 轴电机等机械模块。 5 ) 使用r s 2 3 2 实现a r m 与d s p 之间的信息传递，并编写传输协议。 关键词：电脑绣花机双处理器交叉编译a r m d s pm i n i g u i c o n t r o ls y s t e md e s i g no fe m b e d d e di n t e l l i g e n te m b r o i d e r y m a c h i n e a b s t r a c t c o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei sa ne l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o ne q u i p m e n t w h i c hd e v e l o p e db yt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i et e c h n o l o g y ，m a c h i n i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ci n t e l l i g e n t e m b r o i d e r ym a c h i n eh a ss o m ep r o b l e m sw i t hl o wc o s t p e r f o r m a n c e t h i sp a p e r p r o p o s e dad s pa n da r m p r o c e s s o rd u a l - s y s t e m s t r u c t u r eb a s e do na n a l y s i so f e m b e d d e dc o m p u t e re m b r o i d e r y m a c h i n e sf e a t u r e sa n ds t r u c t u r e t h e m a i n r e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： f i r s f l y d e s i g n e dt h ei n f o r m a t i o nt r e a t m e n ts y s t e mb a s e do na r m 9 2 0 t g o r e ， a n dt h ee x t e r n a le x p a n s i o ni n t e r f a c e s ：s d r a m ，f l a s h ，u s b d a t as t o r a g e ， e t h e r n e t ，u a r t l c dd i s p l a ym o d u l e s e c o n d l y s e tu p t h ea r m l i n u xc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t a n dc c s c o 。e x i s t e n c es y s t e mo fd s pd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tu s i n gt h ev i r t u a lt e c h n o l o g y p r o v i d e da ne f f e c t i v ec o m p i l e r e n v i r o n m e n tf o rt h ee n t i r es y s t e m s o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h i r d l y a n a l y z e dt h ed e s i g n f i l e ss t o r a g ef o r m a ta n dc o r r e s p o n d i n gd e c o d i n g m e t h o dt h a tt h ee m b r o i d e r ym a c h i n eh a su s e d t h e nc o m p i l e dt h eu s e rg r a p h i c a l i n t e r f a c eb ym i n i g u i f o u r t h l y u s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad e s i g n e dt h em e c h a n i c a l c o n t r o ls y s t e m s ， t h ef l a m em o t o r ，s e r v om o t o r ，a n ds p i n d l em o t o ra n ds oo n f i f t h l y r e a l i z e dt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w e e na r m a n dd s pu s i n g t h er s 2 3 2 ，a n dc o m p i l e dt h et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：c o r n p u r e re m b r o i d e r ym a c h i n e ；d u a l - p r o c e s s o r ；c r o s sc o m p i l e r ；a r m ； d s p ：m i n i g u i 图清单 图2 一l 绣花机刺绣流程_ 5 图2 2 控制器整体结构图8 图2 3 控制系统软件结构图8 图3 一la r m 上位机的硬件结构图9 图3 2 系统电源模块1 l 图3 3l c d 电压模块1 2 图3 4s d r a m 存储器硬件电路图1 3 图3 5n a n df l a s h 接口电路1 4 图3 6l c d 显示模块接口1 6 图3 7a d s 7 8 4 6 与四线电阻式触摸屏的连接图一1 7 图3 8 $ 3 c 2 4 1 0 与a d s 7 8 4 6 连接图1 7 图3 9 $ 3 c 2 4 1 0 内部r t c 模块结构图1 9 图3 一l0r t c 硬件电路图2 0 图3 一1 1 电源监控和复位电路2 0 图3 1 2a r m 的j t a g 调试模块硬件电路2 l 图3 1 3 以太网通讯模块电路2 2 图3 1 4u s b 硬件设计原理图2 4 图3 1 5a r m 与m a x 3 2 3 2 连接原理图2 5 图3 1 6d s p 部分硬件框图2 6 图3 一1 7 主轴电机硬件结构框图2 7 图3 一1 8 主轴电机整流模块电路图2 7 图3 1 9 主轴电机驱动电路2 8 图3 2 0s p w m 法原理图3 2 图3 2 ld s p 驱动步进电机硬件示意图3 2 图3 2 2 级步数计算图3 3 图3 2 3 总长度不同时对应的三种速度曲线3 4 图4 ld s t 文件的打开图示3 6 图4 2 绣花文件头结构3 6 图4 3 文件头信息图示3 7 图4 4m i n i g u i 与嵌入式系统关系图4 0 图4 5m i n i g u i 的分层设计4 1 图4 6 绣花程序运行显示界面4 6 图4 7 发送数据和接收数据的程序流程图4 8 图5 一l 开发环境示意图一4 9 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 2 存储结构图5 1 3a r m lin u x 控制台5 2 4v i v i 控制台5 5 5 交叉编译器安装路径5 6 6 更改p a t h 变量5 6 7 编译控制文件源程序清单5 7 8m i n i g u i 程序运行界面5 9 9c c s 2 0 0 0s e t u p 5 9 i 0c c s 开发环境界面6 0 l lc c s 开发流程6 0 表3 一 表3 一 表3 一 表3 一 表4 一 表4 一 表4 一 表清单表清早 lj t a g 引脚功能：1 0 2m a x 6 2 9 各引脚说明1 2 3a d s 7 8 4 6 的控制字1 8 4 时间投放规则表3 l 1d s t 头文件结构3 7 2d s t 针结构一3 8 3d s t 功能码3 8 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 金胆至些太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。 酶；枷细飙呷堋吖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些盔堂 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件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金旦曼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： 凑磊知 签字吼叫年f 月小 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名鼻岗竿导师签名_ 啊倒千 签字日期：9 - 0 9 - o 口夕年邻月- 自 签字日期： 口7 年印月。日 电话： 邮编： 致谢 短暂的研究生生涯即将结束，这三年是我人生转变的重要时期，其间有快 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 1 上 刖。 感谢智能测试研究室的田苗、邓小康、符能、鲍尚东、章棉、韩梅同学。 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。 感谢顾吴亮、凌虎、方鹏，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兄弟姐妹，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，感谢我的兄 弟姐妹和我的女朋友，感谢你们多年来对我的照顾和包容，感谢所有爱我的人 和我爱的人。 作者：浦香君 2 0 0 9 年3 月 1 1 嵌入式系统发展现状【1 】【2 】 第一章绪论 嵌入式系统，实际上是“嵌入式计算机系统 的简称，它是相对于通用计 算机系统而言的。嵌入式系统无处不在，日常生活中的电冰箱、电子表、手机、 m p 3 、数码相机，工业中的监视设备、工业控制仪器等，它们内部都有嵌入式处 理器。 1 9 9 0 年之前，嵌入式系统通常是很简单且具有很长产品生命周期的自主设 备。近些年来，由于网络于通信技术的迅猛发展及3 2 位m c u 的发展，使得嵌入 式系统从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展，并且不断提升低端应 用技术水平的时代，同时嵌入式产品也获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景。据有关机构预测分析，在3 2 位嵌入式微处理器市场上，基 于a r m 内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位，因此，追踪a r m 技术的 发展趋势显得尤为重要。 随着i n t e r n e t 技术的成熟，网络化、信息化的要求也日益提高，这就要求 在以往单一功能设备( 如电话、手机、微波炉等) 的芯片上集成更多的功能， 再提供有效的软件支持。为了满足应用功能方面的升级，一般采用更强大的嵌 入式处理器，如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或数字信号处理器d s p 来增强处理能力， 同时增加如u s b 等功能接口、c a n 等扩展总线类型，加强对多媒体、图形图像 等的处理能力等。软件支持方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技 术来控制功能复杂性，简化应用程序设计保障软件质量和缩短开发周期。为了 适应网络发展的要求，要求硬件上提供各种网络通信接口及相应的通信组网协 议软件和物理层驱动软件，系统内核需支持网络模块，甚至可以在嵌入式设备上 嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地可以用各种设备上网。 相对通用计算机系统而言，各类嵌入式系统主要具有以下共同特征： 1 ) 专用性 采用专用的嵌入式处理器。嵌入式处理器与通用型p c 处理器的最大不同就 是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在 芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网 络的耦合也越来越紧密，同时有利于降低成本。 2 ) 小型化与有限资源 嵌入式系统往往结构紧凑、坚固可靠，计算资源( 包括处理器的速度和资 源、存储容量和速度) 有限。例如，较通用操作系统，嵌入式操作系统的内核 很小( v x w o r k s 内核最小为8 k ) ；嵌入式系统的软件( 包括操作系统和应用程序) 通常以固件形式固态化存储在r o m 、f l a s h 或n v r a m 中，对该软件的升级是使用 专用烧录机或仿真器重写这些程序。这是由嵌入式系统专用性、嵌入的空间约 束以及适用环境所决定。 3 ) 系统软硬件设计的协同一体化 硬件与软件的协同设计。嵌入式系统的专用性决定了它的设计目标是单一 的，硬件与软件的依赖性强，因而一般硬件和软件要进行协同设计，量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 应用软件与操作系统的一体化设计开发。在通用计算机系统中，系统软件 与应用软件之间的界限分明，应用软件是独立设计、独立运行的。但是，嵌入 式系统中，操作系统与应用软件是一体化设计开发的，也就是说应用软件与操 作系统是为特定的应用设计开发的，嵌入式系统的配置不同，其操作系统和应 用软件的配置也需要同时进行剪裁，并且两者是作为一个整体一起编译链接后 下载到目标机中运行。 4 ) 软件开发需要交叉开发环境 由于受到嵌入式系统本身资源开销的限制，嵌入式系统的软件开发采用交 叉开发环境。交叉开发环境由宿主机( h o s t ) 和目标机( t a r g e t ) 组成，宿主 机作为开发平台，目标机作为执行机，宿主机可以是与目标机相同或不相同的 机型，因而这种开发环境称为交叉开发环境。在这种环境下，应配置完整的实 时软件开发工具，如高级语言编程器、在线调试器和在线仿真器等。因此，嵌 入式实时软件开发过程较为复杂。 本论文的设计就是嵌入式系统在绣花机上的应用，利用嵌入式a r m 处理器 和d s p 处理器实现对绣花机刺绣过程的实时控制，并实现绣花文件的解析和友 好人机界面的操控，使绣花机控制系统能够向更高端的方向发展，并让我国的 嵌入式电脑绣花机能走上世界高端的舞台。 1 2 绣花机的发展现状 在几年前，国内外客户在选购电脑绣花机时，市场上可供选择的品牌最多 不会超过6 个，如德国的z s k 、日本的百灵达或田岛、国内的达美等。而现在服 装企业在选购绣花机时，不约而同地会碰到二个问题：一是选进口绣花机，还 是国产绣花机? 二是国产绣花机是选北方产的，还是南方产的? 目前国产绣花机品牌来看，北方有达美( 北方天鸟) 、青岛鹰轮；南方有饶 美、富怡、天虹、傲宇、展艺；福建有永信；上海有上工、标准、芬士达；张 家港有通力等，浙江就更不用洗了，尤其是浙江的台州、东阳、诸暨等地已成 为中国绣花机的一个重要而集中的制造基地，成为当地工业的支柱产业。据有 2 关权威资料显示，目前国内有名可查的绣花机制造企业有l5 0 家之多。国产绣花 机有着良好的性价比优势，但是与目前世界上著名的电脑绣花机日本田岛 ( 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 m 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 一4 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 型等相比，我国目前电脑绣花机与他们还存在较大的差 距，尤其是在机械加工方面，在结构、精度、寿命以及噪音等方面有待提高和 改进。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，盲目追求利 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 高性能绣花机增加我国绣花机的国际竞争力，才是当今绣花机发展的出路。 反观现在的国产绣花机生产厂商，由于一大批早进入这一领域的先行者， 已经完成了最初的原始积累，已经从初级阶段的制造过程向高层次的第二次创 业阶段发展，纷纷购置土地，盖上现代化的厂房，购置国内外最新的加工中心， 机械设备，甚至不惜重金聘请来自德国、日本的高级工程技术人员，合作开发， 设计新的产品。最关键的是中国零部件生产方式已经由家庭式的小作坊加工向 着企业化、现代化企业的方向发展，特别是一些国有大型机械加工企业已经跨 入了零部件制造企业行列，这就为绣花机制造厂商提供了强有力的制造基础和 条件，为整个国产绣花机制造行业的水平提高提供了先决条件。由此看来，中 国的绣花机制造水平和生产规模将以一日千里地发展速度，逼近国外著名品牌 的水平【3 1 。 在我国，绣花机控制器有独立开发能力的公司寥寥无几，其中以北京兴大 豪科技开发有限公司的产品为最，兴大豪生产的电脑绣花机控制系统，占据国 内7 0 一8 0 的市场份额。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 注重产品控制器开发”j 。 1 3 课题的来源和研究意义 本课题来源于2 0 0 7 合肥科技局重点项目，合科合同( 7 - ) 字2 0 0 7 ( 1 0 18 ) 。 随着嵌入式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，我们选用基于a r m 9 2 0 t 内 核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器作为信息处理模块。同时l i n u x 这种开源且免费的操作系 统在国内己经发展的非常成熟，甚至开发商己经在个别a r m 微处理器上做了 移植，这些不仅能充分满足我们开发新型智能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，使得我们能够尽快把满足用户要求的产 品推向市场。t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 有高速信号处理和数字控制功能所必 需的体系结构特点，而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围 设备，所以我们选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为电机控制芯片。 目前新型智能绣花机定位于单机头并且能够采用u s b 闪盘和以太网共享 数据，我们拟采用a r m 微处理器作为主控制器，选择d s p 2 0 0 0 系列的处理器 作为下位机处理器控制电机运动，选用l i n u x 嵌入式操作系统进行系统管理， 并能够设计友好的人机界面，从而实现大大缩小整机性能与国外的差距，并使 成本远低于国外同类机种的目的。 1 4 论文的研究内容 本论文是在对嵌入式电脑绣花机系统结构和功能分析的基础上，详细分析 设计了电脑绣花机的双处理器控制平台和系统的硬件结构以及软件算法体系， 主要研究内容如下： 1 ) 分析电脑绣花机的基本工作原理，提出嵌入式电脑绣花机的双处理器总 体方案设计。 2 ) 电脑绣花机的硬件平台搭建，以a r m 部分的硬件接口设计为主。 3 ) 分析绣花花样文件的存储格式和d s t 文件的解码方法，并用m i n i g u i 编 写用户图形界面。 4 ) 设计了控制系统的应用软件和系统开发环境的总体结构，并且编写双处 理器之间的通信协议。 4 第二章电脑绣花机控制系统设计 2 1 电脑绣花机的工作原理 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针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，一种是针迹落针点的坐标值( 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【”。 智能绣花机的原理简单的说就是在控制器的作用下，通过软件控制各种电 机协调运作，从而完成上述的刺绣操作。打版师在p c 机上通过打版软件将刺 绣的花样打成花样文件，然后储存在软盘、u 盘、或者网络上。电脑绣花机工 作时，其控制系统从这些存储介质中读取花样文件，通过信息处理模块解读文 件中的位置和控制信息，然后将这些控制信息传递给d s p ，用d s p 芯片来控制 各种电机配合运动，自动绣出图案【6 j ，刺绣流程如图2 1 所示。 图2 1 绣花机刺绣流程 a r m 信息处理模块作为绣花机的主控制系统，主要用于实现对绣花文件的 解读和存储，u s b 和以太网的接口连接，人机界面的l c d 显示和触摸屏控制以 及控制信息对d s p 的传递。我们必须要同过u s b 或者网络方法将花样文件传输 到信息处理模块中进行解析，而刺绣所使用的绣花文件不是普通使用的图片文 件，而是有专门的打版软件制作出来的包含控制信息的d s t 文件，所以就需要 专门的程序对这些花样文件进行解析。最终我们要使用户能够简单明了的操作 该绣花机，还必须有一个友好的人机界面，这里我们使用触摸屏的方式来操作 该绣花机，这样既节省了硬件资源，又摒弃了以往那种复杂的键盘操作程序。 d s p 电机控制部分主要有主轴电机、x y 轴步进电机、换色电机、剪线电机 和断线检测等部件组成。主轴电机主要用作带动刺绣针头上下运动，来进行刺 绣动作，同时x 、y 轴步进电机带动绣框在x 、y 轴方向运动并检测主轴电机的 回转，当主轴电机的针头离开布料时，步进电机开始动作，以此连续协调动作， 完成一个完整的刺绣动作从而在织物上绣出一个完整的图案。换色电机主要是 在刺绣过程中完成不同颜色的换线动作，剪线电机作用是当一个图案刺绣结束 时控制剪刀完成剪线动作，断线检测部分是当刺绣过程中出现断线异常情况时 发出信号，让电机重新执行断线处的刺绣动作，这样才能让刺绣过程更加稳定、 便捷，自动刺绣的智能性也更高【5 1 。 2 2 电脑绣花机的性能要求 电脑绣花机具有结构简单、工作稳定、功能多、自动化程度高、操作简便 及噪声小等特点，以此实现高速、高效及高质量的自动刺绣工艺。对于这种高 智能化的绣花机则必须满足以下的性能要求： 一、优异的可操作性 电脑绣花机的刺绣作业虽然是一个自动化过程，但工艺参数的设定及编辑 修改命令等往往需要操作者自己手动输入；同时控制器还应具备显示功能，以 显示操作者输入的命令、工艺参数以及绣花机当前状态等信息。绣花机拥有一 个良好的人机界面，则更便于一般从业人员的使用。本系统采用触摸屏的方式， 将键盘功能和显示功能合二为一，既操作简便，又节省硬件资源。同时，相应 处理软件的使用使刺绣工作变得简单易于掌握。 二、具有很强的花样文件识别和存储功能 计算机的使用使绣花机能记忆近百种花样，记忆针数达到几十万针，如用 户需要可额外增加扩充配置，满足不同的需要。而描述刺绣线迹坐标相对位置 及控制编码的花版数据文件，其格式目前在国内外尚无统一的标准，绣花机系 统要求能读取常用格式的绣花花样文件，如日本田岛三进制格式( o s t ) ，日本百 灵达二进制格式( d s b ) 等。对于花样文件的存储我们采用u 盘作为数据载体，因 而其控制器在硬件上配备u 盘的数据输入接口，在软件上配备数据输入与转换程 序，能将不同格式不同载体的花版数据提取出来并转换成能控制电脑绣花机刺 绣针头动作的控制信息。 三、完善的控制系统 多种先进自动控制技术的应用，使绣花机拥有优异的调速性能，主轴电机 6 使用交流变频电机，可以获得转速的无级变换；步进电机的准确移动使刺绣定 位精确，绣出的图案更加细腻精美；在一种花样绣完以后，按照所给予的指令 可自动地再在下一位置反复绣上这一花样实现自动反复绣；当绣品超出刺绣范 围时，机器将会自动停止以保护绣框；当机械出现故障时，操作面板会显示错 误提醒，并停机告知故障。此外，在刺绣过程中可以实现自动剪线、自动挖孔 绣、自动检测断线、停电保护、指令性跳针、针迹补偿、花样输出等功能【7 1 。 2 3 绣花机控制系统的设计方案 目前，国内研究嵌入式绣花机的实例很多，提出的设计方案也是五花八门， 各有各的优点，各有各的面向对象。例如， 最早有采用8 0 5 1 单片机做绣花机主控制器的，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【8 j 【9 】【1 们。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。 另外一种方案是基于工控机作为主控制器 1 1 1 1 2 】，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。这种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 磁阀等模块，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。 还有的设计方案如采用a r m 和c p l d 相结合的双处理器绣花机控制器【1 引， 外围扩展了u s bh o s t ，l c d 显示器、r t c ，u a r t 接口、2 m b y t e 的f l a s h 等功能 模块。以a l t e r a 公司的c p l i ) 芯片e p m 5 7 0 t 1 4 4 c 5 作为协控制器，解决了i o 口、4 * 8 键盘的扩展，并系统的管理了外部中断。使用双处理器控制有利于机 械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。 本系统将使用a r m + d s p 双处理器控制方案，d s p 作为下位机芯片控制电机， a r m 作为上位机主要处理显示设备、输入设备、外部存储器、网络等。由于该 产品有开发商的技术支持，以及板上多数己有模块的驱动，基本不需要再扩展 接口板，各种接口非常丰富，方便灵活，产品结构紧凑、体积小，单位成本也 较低且完全能够满足现代智能绣花机的各种要求，其控制平台的统一性升级换 代也非常方便。但该方案需要专门的仿真器和开发板，初期投资比较大。另外 此方案配置非常灵活，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，加快产品的上市时问。 系统设计控制部分要求强实时性，上位机信息处理部分选用基于a r m 0 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 o x 处理器并在其上移植标准l in u x 来实现，同时还要实现以太网 7 传输、u s b 接口、触摸和显示设备接口。下位机我们选择d s p 2 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理器来控制电机运动，控制系统整体结构如图2 2 所示： 状态检测接口 转轴编码器 t f t 触摸屏 主轴电机| l 步进电机 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 吲剪线 r s 2 3 2 s 3 c 2 4 。x l 一 以太网if u s b 图2 2 控制器整体结构图 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，同时采用m i n i g u i 来驱动图形显示界面。人性化界面由 l i n u x 操作系统处理，并且完成所有触摸操作的消息触发和功能执行。其中机 械控制系统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。上位机与下位机之间采用r s 2 3 2 进行数据通信。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 机都有这种接口。控制系统软件整体结构如图2 - 3 所示： 图2 3 控制器操作系统软件结构图 这种将整个系统进行模块化设计的方法不仅分工明确、开发设计灵活，还 能促进生产厂家共同合作的积极性，有助于提高国产高科技绣花机的发展速度， 缩短中国的绣花机研制水平与世界发达国家的差距。 8 第三章电脑绣花机的硬件系统设计 电脑绣花机的硬件系统设计是本论文的重点，主要涉及到a r m 的外围电路 设计和d s p 的接口电路以及电机的驱动电路。首先我们要确定我们选择的主控 制器芯片，本文信息处理模块使用的a r m 处理器是三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x ，该芯 片作为整个系统的上位机，主要实现对人机界面的控制，绣花文件的分析、提 取，u s b 和f l a s h 文件存储，以太网的接入、串口通讯和触摸屏的控制，其硬 件结构如图3 1 。作为下位机的电机控制芯片我们选用t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 处理器，主要实现对所有刺绣电机的控制。 6 4 m bs d r a m 系统内存 1 6 m 字节 n a n df l a s h 电源模块 3 2 位微处理器 s a m s u n g s 3 c 2 4 10 x l c d 显示 及触摸屏 以太网接口 u s b 接口 复位与 时钟电路 图3 一la r m 上位机的硬件结构图 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核， 采用0 1 s u m 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器带一个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 ) 。2 个u s bh o s t ，1 个u s b d e v i c e ( v e r l 1 ) 。8 通道1 0 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 等) 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在 2 0 3 m h z 。 $ 3 c 2 4 10 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 9 蓑 r 一一 位信号脚。引脚功能参见表3 1 所示【14 1 。 表3 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 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 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 x 子系列和c 2 8 x 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 。 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并减少了系统单元。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 串行口以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： 1 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 2 组事件管理器( e v a ，e v b ) 。 3 1 6 c h1 0 b i t sa d c ，转换速度为5 0 0 n s 。 4 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。 5 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。 3 1 电源模块设计 3 1 1 系统电源模块设计 整个系统的设计需要多种稳压的电源，这里对系统的供电，主要是弱稳压 1 0 电源，分为上位机供电和下位机供电。上位机主要是对a r m 和一些外设的供电， 上位机a r m 9 2 0 t 处理器核，需要3 3 v 、1 8 v 、5 v 三种电压，其他外设也基本 上都是5 v 供电。下位机选用d s p 2 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，它采用高性 能静态c m o s 技术，采用3 3 v 的供电电压以减小了控制器的功耗。所以综合 起来，系统一共需要三种电压，这三种电压对系统的影响很大，稳定和抗干扰 要求也较高，三种电压源的设计是否合理关系到整个系统是否能够稳定工作。 考虑到系统的设计成本、体积和供电效率，我们使用现成的a c - d c 的开关 电源作为我们系统的总电源，开关电源具有发热量小，效率高( 7 5 以上) 而 且省掉了大体积的变压器等优点，目前市场上开关电源也不贵。所以我们直接 购买其输入电压为a c l 0 0 2 4 0 v ，频率为5 0 6 0 h z ，输出电压为d c 7 v ，电流 为2 a 的开关电源。7 v 电源电压经a s “1 7 5 v 、a s l l1 7 3 3 v 和a s l1 1 7 1 8 v 分别得到5 v 、3 3 v 和1 8 v 的工作电压【l 川。a s l l l 7 是一款非常高效的l d o 低 压差稳压i c ，输入电压范围为4 2 5 1 2 v ，输出电压通过外接电路可以分别实 现1 8 v 和3 3 v 和5 v 输出，输出电流最大值8 0 0 m a ，另外其所具有的高效率、 小封装和低功耗等特点使其非常适合嵌入式系统的应用。 系统的电源模块的原理图如图3 2 所示： 3 1 2l c d 供电模块设计 电源模块电源开关 图3 2 系统电源模块 l c d 供电模块主要是提供一个可调电压，这里我们使用芯片m a x 6 2 9 e s a 实现 我们电压的升降。它是一种8 引脚贴片集成芯片，封装形式为s d 一8 ，各引脚功能 见表3 - 2 所列 表3 2m a x 6 2 9 各引脚说明 输入电压k 。可在0 8 1 。，i 之间选取，芯片的工作电压为2 7 5 5 v 。在该 系统中，供电电源电压为5 v ，因此在输出电压i ，i 5 v 的情况下，可将v 优与 k 。( l x 引脚) 同时接到5 v 电源上，如图3 - 3 中所示。二极管采用i n 5 8 1 8 肖特基二 极管，电感采用典型值4 7 h ，应注意增大电感将减小流过的峰值电流，从而降 低输出电流；而减小电感，又将增大流过的峰值电流导致内部电流比较器延时。 输出电压。，由l x q l 脚与f b 引脚之间电阻r ，和f b 引脚与地之间的电阻r ：确定： ，矿、 r l = 足l 卫盟一1l( 1 ) l 式( 1 ) 中矿哪= 1 2 5 v ，可见输出电压圪。，只与尼、屉有关，只需通过变阻器调节尼、 尼的阻值，即可确定输出电压。具体电路连接图见图3 - 3 ， 图3 3 l c d 电压模块 3 2 上位机存储模块设计 3 2 16 4 m bs d r a m 系统内存 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) 同步动态存储器，使用s d r a m 可 以简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，它类似常规的d r a m ，但是也 需要进行时钟刷新。在系统运行时，所有的程序和数据都是在r a m ( 主要是