基于EraSoC-1000C的電腦繡花機解決方案

　　系統(tǒng)簡介

　　EraSoC-1000系列芯片是基于龍芯內(nèi)核的高性能SoC（System on Chip），憑借其較為強大的CPU處理能力、64位浮點運算能力、高效的總線架構(gòu)、可實現(xiàn)低功耗的動態(tài)變頻技術(shù)以及豐富的片上設(shè)備，已廣泛地應(yīng)用在國內(nèi)各種嵌入式領(lǐng)域。

　　基于EraSoC-1000C的電腦繡花機系統(tǒng)主要由三個電機協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)繡花功能。三個電機的協(xié)調(diào)原理是：一個主軸電機，采用交流伺服交流來控制針頭的上下運動；X、Y軸步進電機各一個，以實現(xiàn)工作面的橫向與縱向移動（系統(tǒng)控制流程圖參見圖1）。

　　硬件設(shè)計

　　根據(jù)圖1所示的整個系統(tǒng)方案的控制實現(xiàn)原理，把此方案的主控制單元分為上、下位機結(jié)構(gòu)，并由一顆EraSoC-1000C芯片來完成上、下位機的協(xié)同工作：

　　上位機結(jié)構(gòu)

　　上位機主要負責人機交互、文件讀取與解析、部分傳感器信號的處理；

　　STN/TFT LCD顯示與觸摸控制的實現(xiàn)

　　這部分是人機交互的主要平臺，通過控制觸摸屏來控制電機做出相應(yīng)的動作就是在此實現(xiàn)的。其中液晶部分對東芝T6963CFG LCD驅(qū)動芯片的控制由EraSoC-1000C引出的8位數(shù)據(jù)線和5個gpio實現(xiàn)，本次用的黑白屏，如果需要可以用彩色屏，尺寸也可以任意選擇。而觸摸屏的控制由EraSoC-1000C的spi信號線和片選線時鐘線經(jīng)過觸摸屏控制器ADV7843實現(xiàn)。

　　傳感器通過GPIO與EraSoC-1000C的通訊

　　該繡花機共用到6個傳感器，分別由EraSoC-1000C提供的6個可以作為中斷輸入的gpio控制。這些傳感器分別是：x軸方向電機的傳感器、y軸方向的電機傳感器、z軸方向的電機傳感器、測試繡花針是不是在上針位的傳感器（此時針在所有位置的最高點）、測試繡花針是不是離開布的傳感器以及一個用于是否繞線的輔助功能的傳感器。

　　下位機結(jié)構(gòu)

　　下位機主要負責輸出電機控制信號（PWM）、協(xié)同工作以及部分傳感器信號的處理：

　　PWM對交流伺服電機的控制

　　在EraSoC-1000C芯片中共有六路脈沖寬度調(diào)節(jié)/定時/計數(shù)控制器（以下簡稱PWM），每一路PWM工作和控制方式完全相同，都有兩路輸入信號（gate_clk_pad_i, capt_pad_i）和一路脈沖寬度輸出信號(pwm_o)。由于系統(tǒng)時鐘高達60MHz，計數(shù)寄存器和參考寄存器均32位數(shù)據(jù)寬度，這樣開發(fā)人員可通過編程讓PWM產(chǎn)生各種復雜的近似線性的輸出信號，非常適合高檔電機的控制。

　　步進電機的驅(qū)動

　　主要采用專門的步進電機驅(qū)動芯片，由EraSoC-1000C給出控制信號，控制電機按照要求運動。本次設(shè)計步進電機的驅(qū)動芯片用的是UTC公司的L6219，只需用EraSoC-1000C的4個gpio控制1個L6219來控制電機的轉(zhuǎn)動速度和所轉(zhuǎn)的角度。

　　主軸電機的控制

　　同步檢測：由1個外部中斷完成，為了能夠控制直流電機轉(zhuǎn)動速度，用一個時鐘作為計數(shù)器來計數(shù)一個時間段的針數(shù)，可根據(jù)快慢做出調(diào)整。

　　電機控制：由1個gpio完成，此gpio用來控制電機電源的開通與關(guān)閉。

　　圖2和圖3分別為系統(tǒng)方案的電路構(gòu)造圖和電路板實圖。

　　軟件設(shè)計和系統(tǒng)程序移植

　　Bootloader：

　　EraSoC-1000C的bootloader使用PMON2000。經(jīng)過裁剪和增加相關(guān)驅(qū)動的代碼在EraSoC的官方網(wǎng)站可直接下載。用戶只需按照EraSoC-1000C的用戶手冊進行配置和編譯即可。

　　內(nèi)核移植

　　EraSoC-1000C使用Linux2.4.17和Linux2.6.18.1內(nèi)核。經(jīng)過移植后的源代碼可以在EraSoC的官方網(wǎng)站下載，交叉編譯工具鏈mipsel-linux-gcc也可以在該網(wǎng)站下載。

　　配置內(nèi)核使用erasoc_defconfig配置文件，用戶可根據(jù)自己需要裁剪不用的驅(qū)動和文件系統(tǒng)等。

　　Qtapia編譯

　　QT是目前在linux上使用較廣的一個圖形系統(tǒng)。在網(wǎng)上下載以下軟件的源碼包之后，按照EraSoC的QT完全安裝手冊，編譯生成QT的可執(zhí)行代碼。

　　qt-embedded-2.3.7.tar.gz

　　qt-x11-2.3.2.tar.gz

　　qtopia-free-1.7.0.tar.gz

　　tmake-1.11.tar.gz

　　e2fsprogs-1.35.tar.gz

　　驅(qū)動及fireware開發(fā)

　　基于EraSoC-1000C的電腦繡花機方案將Linux引入縫紉設(shè)備的控制是一項突破，以前普遍認為Linux不適合應(yīng)用于諸如縫制設(shè)備行業(yè)這類對功能集成度和實時性要求高的工控行業(yè)，這其實是不正確的。正因為憑借EraSoC-1000C芯片處理能力強、總線速度高、設(shè)備集成度高的特點，使得系統(tǒng)在運行Linux時，處理器可以很好地完成實時性工作，同時把任務(wù)調(diào)度、協(xié)議處理、數(shù)據(jù)交換、人機交互交由Linux來處理，整個系統(tǒng)開發(fā)過程會變得更為輕松。

　　X，Y軸步進電機驅(qū)動開發(fā)

　　X、Y軸步進電機驅(qū)動的原理是：每隔一定的時間間隔通過GPIO發(fā)送一個步進信號，電機行走一個相位。時間間隔的大小通過EraSoC-1000C的實時時鐘來控制，時間計數(shù)一到，實時時鐘產(chǎn)生一個中斷，CPU在中斷處理并向步進電機發(fā)送一個步進命令。X、Y軸電機的速度就通過這些時間間隔的大小調(diào)整。當需要加速時，減小每次的時間間隔，反之就是減速。X和Y軸驅(qū)動程序里分別注冊了一個時鐘中斷處理程序，并在驅(qū)動中提供一個寫函數(shù)控制實時時鐘的計時大小和開始計時。當繡花程序啟動，通過該驅(qū)動的寫函數(shù)，啟動實時時鐘計時。當預定時間到達，中斷產(chǎn)生，中斷處理程序驅(qū)動電機步進一個相位，此時根據(jù)一個信號量來確定是否繼續(xù)要驅(qū)動電機，如果需要繼續(xù)驅(qū)動，則再次初始化實時時鐘的計時。

　　Z軸電機的驅(qū)動開發(fā)

　　Z軸電機使用EraSoC-1000C的PWM進行控制。EraSoC-1000C的PWM驅(qū)動采用Linux通用的PWM驅(qū)動接口，所以只需在應(yīng)用層開發(fā)相應(yīng)的控制程序即可。

　　例如，EraSoC的PWM驅(qū)動提供一個write函數(shù)給用戶層，用戶通過該函數(shù)的參數(shù)可以控制PWM的輸出方波：

　　顯示屏驅(qū)動

　　EraSoC-1000C的Linux內(nèi)核包含標準的framebuffer接口的LCD驅(qū)動程序，用戶也只需按照標準的控制LCD的函數(shù)接口編寫應(yīng)用程序。通過open("/dev/fb0, O_RDWR") 打開LCD顯示設(shè)備，然后通過mmap函數(shù)將顯存映射到用戶空間，用戶就可以通過簡單的讀寫來控制顯存，以達到控制LCD顯示的目的。

　　觸摸屏驅(qū)動

　　EraSoC-1000C的Linux內(nèi)核也已經(jīng)包含觸摸屏的標準驅(qū)動，采用SPI接口。用戶只需在編譯QT的時候?qū)⒃撚|摸屏驅(qū)動加入，就可以直接在QT下使用。

　　U盤驅(qū)動

　　EraSoC-1000C的U盤驅(qū)動也是標準的Linux驅(qū)動。用戶只需使用mount命令將U盤掛載，然后通過open, read, write等標準函數(shù)對U盤進行讀寫。

　　NAND Flash驅(qū)動

　　EraSoC-1000C采用最新的Yaffs2文件系統(tǒng)管理NAND Flash。用戶接口也很簡單，如同訪問其他文件系統(tǒng)一樣，可直接通過讀寫函數(shù)訪問。

　　蜂鳴器，斷線，壓腳，繞線檢測等驅(qū)動

　　這些功能均使用GPIO實現(xiàn)，為這些功能分別實現(xiàn)了驅(qū)動，在驅(qū)動里提供一個讀函數(shù)來控制。用戶只需使用open函數(shù)打開設(shè)備，就可以使用read函數(shù)讀取這些傳感器的狀態(tài)。

　　int erasoc_gpio_read(int signal)

　　上層應(yīng)用

　　EraSoC-1000C的上層應(yīng)用建立于基于Linux的軟件平臺Qtapia上。Qtapia是Linux軟件廠商挪威奇趣科技公司（Trolltech，現(xiàn)已被諾基亞收購）專為手機等移動設(shè)備開發(fā)的產(chǎn)品。在此解決方案中采用類似手機操作的圖像化用戶界面，可使消費者在使用家用電腦繡花機時增加互動的體驗，使得操作縫紉機不再是專業(yè)人員才有的技能。

　　用戶可以管理要刺繡的圖案文檔，系統(tǒng)也通過主窗口顯示和觸摸屏接收用戶輸入。當用戶通過觸摸屏點擊窗口上的按鈕，應(yīng)用程序根據(jù)這些按鈕分別調(diào)用底層的驅(qū)動程序完成繡花、繞線以及讀取花樣等功能。

　　結(jié)束語

　　事實已證明，一顆EraSoC-1000C芯片可替代兩顆基于ARM7內(nèi)核的國外處理器或者是工控領(lǐng)域的DSP，同時也可節(jié)省相當數(shù)量的外設(shè)芯片。EraSoC-1000C的二次開發(fā)潛能巨大，其所具備的高速處理能力和豐富的片上設(shè)備，將帶給縫制設(shè)備行業(yè)的工程師們無限的創(chuàng)意空間。