基于 ARM 的繡花機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:繡花機(jī)控制系統(tǒng)作為繡花機(jī)最核心的部分，是提高性能和降低成本的關(guān)鍵。本文按照 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，首先研究了繡花機(jī)控制系統(tǒng)的硬件框架，詳細(xì)設(shè)計(jì)了電源電路、復(fù) 位電路、存儲(chǔ)器接口電路、鍵盤與顯示電路、USB 接口電路等電路。然后按照上位機(jī)和下 位機(jī)的結(jié)構(gòu)層次，構(gòu)建了繡花機(jī)控制系統(tǒng)的軟件框架，對(duì)鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅(qū)動(dòng)、 花樣存儲(chǔ)與管理、串口通信等具體模塊進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。這樣可設(shè)計(jì)出一套基于 ARM 的技 術(shù)先進(jìn)、功能精簡、高性價(jià)比的繡花機(jī)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：繡花機(jī)控制系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM

0 引言

隨著全自動(dòng)繡花機(jī)的不斷發(fā)展，機(jī)械方面的改進(jìn)對(duì)機(jī)器的性能改善已經(jīng)沒有太大的效果。因而，控制系統(tǒng)就成為了繡花機(jī)提高性能和降低成本的關(guān)鍵，也是各大繡花機(jī)廠商的競 爭重點(diǎn)[1,2]。控制系統(tǒng)的硬件決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，硬件質(zhì)量的好壞除了 CPU 芯片之外，外圍芯片的選擇和電路的設(shè)計(jì)也起著至關(guān)重要的作用。而控制系統(tǒng)所有的功能都 需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)對(duì)于將來系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

由于市場上絕大部分微處理器芯片都是以 ARM 為基礎(chǔ)[3]，本文研究了基于 ARM 的繡 花機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。首先在 LH7A404 和 LPC2214 的基礎(chǔ)上確定了繡花機(jī)控制系統(tǒng)的硬件框架，詳細(xì)設(shè)計(jì)了電源電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)器接口電路、鍵盤與顯示電路等具體電 路以及接口；然后按照上位機(jī)和下位機(jī)的層次構(gòu)建了繡花機(jī)控制系統(tǒng)的軟件框架，對(duì)鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅(qū)動(dòng)、花樣存儲(chǔ)與管理、串口通信等具體模塊的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)軟硬件框架

根據(jù)繡花機(jī)系統(tǒng)的模塊劃分和系統(tǒng)架構(gòu)，硬件可以分為上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)，兩者通過串行接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，分別圍繞 LH7A404 和 LPC2214 兩個(gè) CPU 進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件框架如圖 1 所示，LH7A404 作為上層 CPU 負(fù)責(zé)輸入輸出接口和花樣存儲(chǔ)系統(tǒng)，LPC2214 作為下層 CPU 負(fù)責(zé)繡花機(jī)機(jī)械動(dòng)作的控制。其中電源電路和復(fù)位電路為兩個(gè) CPU 共用。

圖 1 繡花機(jī)控制系統(tǒng)硬件框架

控制系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)也依據(jù)此結(jié)構(gòu)劃分層次，上位機(jī)系統(tǒng)包括鍵盤輸入、圖形顯 示、USB 驅(qū)動(dòng)、花樣存儲(chǔ)與管理，下位機(jī)系統(tǒng)即為機(jī)電控制模塊，包括機(jī)電控制系統(tǒng)和機(jī) 電執(zhí)行系統(tǒng)。軟件框架如圖 2 所示。

圖 2 繡花機(jī)控制系統(tǒng)軟件框架

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

開關(guān)電源系統(tǒng)提供 5V 和 12V 兩套電源，5V 電源用于驅(qū)動(dòng)各 I/O 口，12V 電源直接作為機(jī)電和底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源。由于整個(gè)系統(tǒng)控制電路的工作電壓并不都是 5V 和 12V，需 要對(duì) 5V 電源進(jìn)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換，因此本文采用 TI 公司的 TPS54310PWP 電壓轉(zhuǎn)換芯片將 5V 電源轉(zhuǎn)換成 3.3V/3A 的電源，用于給 CPU 及其外圍電路供電。另外，系統(tǒng) CPU 內(nèi)核需要1.8V 的電壓供給，且消耗電流的極限不超過 200mA，為保證可靠性并留下一定余量，1.8V 的電源系統(tǒng)提供的電流應(yīng)不小于 0.5A。備份電池用于斷電時(shí)給 SRAM 供電，以便及時(shí)備份 數(shù)據(jù)，需要 3.9V/0.5A 的電源供給。

2.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和電源監(jiān)控三個(gè)功能。系統(tǒng)上電時(shí) CPU 狀態(tài)不穩(wěn)定，需要有一個(gè)復(fù)位邏輯將其初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)；系統(tǒng)運(yùn)行過程中，程序可能“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，這時(shí)需要強(qiáng)行對(duì)系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位；電源系統(tǒng)的可靠性直接影響到控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要有一個(gè)監(jiān)控電路來監(jiān)控電源的變化。

2.3 存儲(chǔ)器接口電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器兩種。本控制系統(tǒng)中應(yīng)用了同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）和雙口靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）。SDRAM 成本低廉，容量大，應(yīng)用比較廣泛，在 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中根據(jù) LH7A404 存儲(chǔ)器接口的特點(diǎn)選用 Micron Technology 公司的 MT48LC16M16GT-75 作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。雙口靜態(tài)存儲(chǔ)器 SRAM 成本較高、容量較小，但具有 存取速度快、接口簡單、掉電后保存數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù) LPC2214 的接口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用

ISSI 公司的 IS61LV25616AL 芯片，具有 512KB 的容量。 程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和部分重要數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)的軟件升級(jí)和數(shù)據(jù)擦寫，選擇 FLASH 存儲(chǔ)器，它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或 分扇區(qū)在線編程（燒寫）和擦除等特點(diǎn)。在上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用 INTEL 公 司的 3V StrataFlashTM 存儲(chǔ)器 E28F128J3，其單片容量可達(dá) 16MB，有 128 個(gè) 128K 字節(jié)可擦除塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊 100000 個(gè)擦除周期。

2.4 鍵盤與顯示電路

鍵盤是系統(tǒng)操作的輸入設(shè)備，用于輸入數(shù)字參數(shù)和控制命令。本控制系統(tǒng)的按鍵總共有36 個(gè)，采用矩陣式結(jié)構(gòu)。ROW1~ROW6 和 COL1~COL7 分別為 6 行和 7 列按鍵的接口。將 行線 ROW1~ROW6 設(shè)為輸出，輸出值設(shè)為 0，列線 COL1~COL7 設(shè)為輸入，在每一行和每 一列的交叉點(diǎn)放置一個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵就是一個(gè)瞬時(shí)接觸開關(guān)，AT89C2051 通過這些接口 按照一定的頻率對(duì)鍵盤進(jìn)行定時(shí)掃描。uP_KMIDAT 和 uP_KMICLK 為 PS2 鍵盤接口。

顯示器是系統(tǒng)的輸出設(shè)備，用于反饋系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并給用戶以直觀信息，用戶可以 根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的操作。本控制系統(tǒng)采用 LCD 顯示屏，沒有驅(qū)動(dòng)電路，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路與之配合使用。設(shè)計(jì)中所選的液晶顯示屏是 SHARP 公司的 5.7 寸顯示屏 LQ057Q3DC12I， 其供電要求是 3.0V~3.6V，需將芯片接上 3.3V 的電壓。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 鍵盤輸入程序

鍵盤輸入模塊的工作任務(wù)包括鍵盤掃描、鍵盤驅(qū)動(dòng)和鍵盤處理。鍵盤掃描獲得按鍵的掃描碼，鍵盤驅(qū)動(dòng)接收掃描碼并對(duì)其進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送至應(yīng)用程序，應(yīng)用程序獲得鍵值信息后對(duì)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)按鍵功能。

鍵盤采用循環(huán)掃描方式，按照設(shè)定的掃描頻率對(duì)鍵盤輸入進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)掃 描任務(wù)，當(dāng)檢測(cè)到合法按鍵之后就將該按鍵掃描碼寫入消息發(fā)送給其他任務(wù)，通知系統(tǒng)某鍵 被按下，被按鍵的掃描碼通常放置在一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，直到該應(yīng)用程序準(zhǔn)備處理一個(gè)按鍵為止。鍵盤驅(qū)動(dòng)由 VxWorks 操作系統(tǒng)的一個(gè)可選組件――多媒體庫 WindML 提供[4]，包括下 層驅(qū)動(dòng)和上層驅(qū)動(dòng)。下層驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制器并向上層驅(qū)動(dòng)傳送設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，它是 作為 I/O 驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，被設(shè)置在系統(tǒng)內(nèi)核。上層驅(qū)動(dòng)接收來自下層驅(qū)動(dòng)的設(shè)備原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解釋處理，將其打包成一個(gè)輸入事件信息，然后將該信息發(fā)送至驅(qū)動(dòng)接口。 應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)獲得鍵盤的狀態(tài)之后，根據(jù)從緩沖區(qū)讀出的鍵值，按照鍵盤的預(yù)定義對(duì)各控制模塊的組態(tài)信息進(jìn)行設(shè)置，以執(zhí)行相應(yīng)的功能。