基于 ARM 的繡花機控制系統(tǒng)設計

摘要:繡花機控制系統(tǒng)作為繡花機最核心的部分，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，首先研究了繡花機控制系統(tǒng)的硬件框架，詳細設計了電源電路、復 位電路、存儲器接口電路、鍵盤與顯示電路、USB 接口電路等電路。然后按照上位機和下 位機的結(jié)構(gòu)層次，構(gòu)建了繡花機控制系統(tǒng)的軟件框架，對鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅(qū)動、 花樣存儲與管理、串口通信等具體模塊進行了軟件設計。這樣可設計出一套基于 ARM 的技 術(shù)先進、功能精簡、高性價比的繡花機控制系統(tǒng)。

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

0 引言

隨著全自動繡花機的不斷發(fā)展，機械方面的改進對機器的性能改善已經(jīng)沒有太大的效果。因而，控制系統(tǒng)就成為了繡花機提高性能和降低成本的關(guān)鍵，也是各大繡花機廠商的競 爭重點[1,2]。控制系統(tǒng)的硬件決定了整個系統(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計也起著至關(guān)重要的作用。而控制系統(tǒng)所有的功能都 需要通過軟件來實現(xiàn)，軟件的設計對于將來系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(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[3]，本文研究了基于 ARM 的繡 花機控制系統(tǒng)的軟硬件設計。首先在 LH7A404 和 LPC2214 的基礎上確定了繡花機控制系統(tǒng)的硬件框架，詳細設計了電源電路、復位電路、存儲器接口電路、鍵盤與顯示電路等具體電 路以及接口；然后按照上位機和下位機的層次構(gòu)建了繡花機控制系統(tǒng)的軟件框架，對鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅(qū)動、花樣存儲與管理、串口通信等具體模塊的軟件進行了設計。

1 控制系統(tǒng)軟硬件框架

根據(jù)繡花機系統(tǒng)的模塊劃分和系統(tǒng)架構(gòu)，硬件可以分為上位機和下位機系統(tǒng)，兩者通過串行接口進行實時通信，分別圍繞 LH7A404 和 LPC2214 兩個 CPU 進行設計。硬件框架如圖 1 所示，LH7A404 作為上層 CPU 負責輸入輸出接口和花樣存儲系統(tǒng)，LPC2214 作為下層 CPU 負責繡花機機械動作的控制。其中電源電路和復位電路為兩個 CPU 共用。

圖 1 繡花機控制系統(tǒng)硬件框架

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

圖 2 繡花機控制系統(tǒng)軟件框架

2 控制系統(tǒng)硬件設計

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)動各 I/O 口，12V 電源直接作為機電和底層設備的驅(qū)動電源。由于整個系統(tǒng)控制電路的工作電壓并不都是 5V 和 12V，需 要對 5V 電源進行 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)提供的電流應不小于 0.5A。備份電池用于斷電時給 SRAM 供電，以便及時備份 數(shù)據(jù)，需要 3.9V/0.5A 的電源供給。

2.2 復位電路

復位電路主要實現(xiàn)系統(tǒng)上電復位、手動復位和電源監(jiān)控三個功能。系統(tǒng)上電時 CPU 狀態(tài)不穩(wěn)定，需要有一個復位邏輯將其初始化為某個確定的狀態(tài)；系統(tǒng)運行過程中，程序可能“跑飛”或進入死循環(huán)，這時需要強行對系統(tǒng)手動復位；電源系統(tǒng)的可靠性直接影響到控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要有一個監(jiān)控電路來監(jiān)控電源的變化。

2.3 存儲器接口電路

數(shù)據(jù)存儲器分為動態(tài)存儲器和靜態(tài)存儲器兩種。本控制系統(tǒng)中應用了同步動態(tài)存儲器（SDRAM）和雙口靜態(tài)存儲器（SRAM）。SDRAM 成本低廉，容量大，應用比較廣泛，在 上位機系統(tǒng)的設計中根據(jù) LH7A404 存儲器接口的特點選用 Micron Technology 公司的 MT48LC16M16GT-75 作為設計基礎。雙口靜態(tài)存儲器 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。根據(jù) LPC2214 的接口特點，設計中選用

ISSI 公司的 IS61LV25616AL 芯片，具有 512KB 的容量。 程序存儲器用于存儲啟動代碼、操作系統(tǒng)、應用程序和部分重要數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)的軟件升級和數(shù)據(jù)擦寫，選擇 FLASH 存儲器，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。在上位機和下位機系統(tǒng)的設計中，選用 INTEL 公 司的 3V StrataFlashTM 存儲器 E28F128J3，其單片容量可達 16MB，有 128 個 128K 字節(jié)可擦除塊，每個數(shù)據(jù)塊 100000 個擦除周期。

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，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 設為輸出，輸出值設為 0，列線 COL1~COL7 設為輸入，在每一行和每 一列的交叉點放置一個按鍵，每個按鍵就是一個瞬時接觸開關(guān)，AT89C2051 通過這些接口 按照一定的頻率對鍵盤進行定時掃描。uP_KMIDAT 和 uP_KMICLK 為 PS2 鍵盤接口。

顯示器是系統(tǒng)的輸出設備，用于反饋系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并給用戶以直觀信息，用戶可以 根據(jù)提示進行相應的操作。本控制系統(tǒng)采用 LCD 顯示屏，沒有驅(qū)動電路，需要設計驅(qū)動電路與之配合使用。設計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)軟件設計

3.1 鍵盤輸入程序

鍵盤輸入模塊的工作任務包括鍵盤掃描、鍵盤驅(qū)動和鍵盤處理。鍵盤掃描獲得按鍵的掃描碼，鍵盤驅(qū)動接收掃描碼并對其進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送至應用程序，應用程序獲得鍵值信息后對信息進行處理，實現(xiàn)按鍵功能。

鍵盤采用循環(huán)掃描方式，按照設定的掃描頻率對鍵盤輸入進行檢測。系統(tǒng)創(chuàng)建一個掃 描任務，當檢測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，通知系統(tǒng)某鍵 被按下，被按鍵的掃描碼通常放置在一個緩沖區(qū)內(nèi)，直到該應用程序準備處理一個按鍵為止。鍵盤驅(qū)動由 VxWorks 操作系統(tǒng)的一個可選組件――多媒體庫 WindML 提供[4]，包括下 層驅(qū)動和上層驅(qū)動。下層驅(qū)動負責驅(qū)動設備控制器并向上層驅(qū)動傳送設備的原始數(shù)據(jù)，它是 作為 I/O 驅(qū)動來實現(xiàn)的，被設置在系統(tǒng)內(nèi)核。上層驅(qū)動接收來自下層驅(qū)動的設備原始數(shù)據(jù)，并進行解釋處理，將其打包成一個輸入事件信息，然后將該信息發(fā)送至驅(qū)動接口。 應用程序通過驅(qū)動獲得鍵盤的狀態(tài)之后，根據(jù)從緩沖區(qū)讀出的鍵值，按照鍵盤的預定義對各控制模塊的組態(tài)信息進行設置，以執(zhí)行相應的功能。