基于EraSoC-1000C的電腦繡花機(jī)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(qiáng)大的CPU處理能力、64位浮點(diǎn)運(yùn)算能力、高效的總線架構(gòu)、可實(shí)現(xiàn)低功耗的動(dòng)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(jī)系統(tǒng)主要由三個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)繡花功能。三個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)原理是：一個(gè)主軸電機(jī)，采用交流伺服交流來控制針頭的上下運(yùn)動(dòng)；X、Y軸步進(jìn)電機(jī)各一個(gè)，以實(shí)現(xiàn)工作面的橫向與縱向移動(dòng)（系統(tǒng)控制流程圖參見圖1）。

　　硬件設(shè)計(jì)

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

　　上位機(jī)結(jié)構(gòu)

　　上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)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(shí)現(xiàn)

　　這部分是人機(jī)交互的主要平臺(tái)，通過控制觸摸屏來控制電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作就是在此實(shí)現(xiàn)的。其中液晶部分對東芝T6963CFG LCD驅(qū)動(dòng)芯片的控制由EraSoC-1000C引出的8位數(shù)據(jù)線和5個(gè)gpio實(shí)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(shí)鐘線經(jīng)過觸摸屏控制器ADV7843實(shí)現(xiàn)。

　　傳感器通過GPIO與EraSoC-1000C的通訊

　　該繡花機(jī)共用到6個(gè)傳感器，分別由EraSoC-1000C提供的6個(gè)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(jī)的傳感器、y軸方向的電機(jī)傳感器、z軸方向的電機(jī)傳感器、測試?yán)C花針是不是在上針位的傳感器（此時(shí)針在所有位置的最高點(diǎn)）、測試?yán)C花針是不是離開布的傳感器以及一個(gè)用于是否繞線的輔助功能的傳感器。

　　下位機(jī)結(jié)構(gòu)

　　下位機(jī)主要負(fù)責(zé)輸出電機(jī)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(jī)的控制

　　在EraSoC-1000C芯片中共有六路脈沖寬度調(diào)節(jié)/定時(shí)/計(jì)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(shí)鐘高達(dá)60MHz，計(jì)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(fù)雜的近似線性的輸出信號，非常適合高檔電機(jī)的控制。

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

　　主要采用專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由EraSoC-1000C給出控制信號，控制電機(jī)按照要求運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片用的是UTC公司的L6219，只需用EraSoC-1000C的4個(gè)gpio控制1個(gè)L6219來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和所轉(zhuǎn)的角度。

　　主軸電機(jī)的控制

　　同步檢測：由1個(gè)外部中斷完成，為了能夠控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，用一個(gè)時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)一個(gè)時(shí)間段的針數(shù)，可根據(jù)快慢做出調(diào)整。

　　電機(jī)控制：由1個(gè)gpio完成，此gpio用來控制電機(jī)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(shí)圖。

　　軟件設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)和文件系統(tǒng)等。

　　Qtapia編譯

　　QT是目前在linux上使用較廣的一個(gè)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(dòng)及fireware開發(fā)

　　基于EraSoC-1000C的電腦繡花機(jī)方案將Linux引入縫紉設(shè)備的控制是一項(xiàng)突破，以前普遍認(rèn)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(shí)時(shí)性要求高的工控行業(yè)，這其實(shí)是不正確的。正因?yàn)閼{借EraSoC-1000C芯片處理能力強(qiáng)、總線速度高、設(shè)備集成度高的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)在運(yùn)行Linux時(shí)，處理器可以很好地完成實(shí)時(shí)性工作，同時(shí)把任務(wù)調(diào)度、協(xié)議處理、數(shù)據(jù)交換、人機(jī)交互交由Linux來處理，整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程會(huì)變得更為輕松。

　　X，Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)

　　X、Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理是：每隔一定的時(shí)間間隔通過GPIO發(fā)送一個(gè)步進(jìn)信號，電機(jī)行走一個(gè)相位。時(shí)間間隔的大小通過EraSoC-1000C的實(shí)時(shí)時(shí)鐘來控制，時(shí)間計(jì)數(shù)一到，實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)中斷，CPU在中斷處理并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)步進(jìn)命令。X、Y軸電機(jī)的速度就通過這些時(shí)間間隔的大小調(diào)整。當(dāng)需要加速時(shí)，減小每次的時(shí)間間隔，反之就是減速。X和Y軸驅(qū)動(dòng)程序里分別注冊了一個(gè)時(shí)鐘中斷處理程序，并在驅(qū)動(dòng)中提供一個(gè)寫函數(shù)控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)大小和開始計(jì)時(shí)。當(dāng)繡花程序啟動(dòng)，通過該驅(qū)動(dòng)的寫函數(shù)，啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)。當(dāng)預(yù)定時(shí)間到達(dá)，中斷產(chǎn)生，中斷處理程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)步進(jìn)一個(gè)相位，此時(shí)根據(jù)一個(gè)信號量來確定是否繼續(xù)要驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果需要繼續(xù)驅(qū)動(dòng)，則再次初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)。

　　Z軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)開發(fā)

　　Z軸電機(jī)使用EraSoC-1000C的PWM進(jìn)行控制。EraSoC-1000C的PWM驅(qū)動(dòng)采用Linux通用的PWM驅(qū)動(dòng)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(dòng)提供一個(gè)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(dòng)

　　EraSoC-1000C的Linux內(nèi)核包含標(biāo)準(zhǔn)的framebuffer接口的LCD驅(qū)動(dòng)程序，用戶也只需按照標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到控制LCD顯示的目的。

　　觸摸屏驅(qū)動(dòng)

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

　　U盤驅(qū)動(dòng)

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

　　NAND Flash驅(qū)動(dòng)

　　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(dòng)

　　這些功能均使用GPIO實(shí)現(xiàn)，為這些功能分別實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)里提供一個(gè)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(tái)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(jī)等移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的產(chǎn)品。在此解決方案中采用類似手機(jī)操作的圖像化用戶界面，可使消費(fèi)者在使用家用電腦繡花機(jī)時(shí)增加互動(dòng)的體驗(yàn)，使得操作縫紉機(jī)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(dāng)用戶通過觸摸屏點(diǎn)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(dòng)程序完成繡花、繞線以及讀取花樣等功能。

　　結(jié)束語

　　事實(shí)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(shí)也可節(jié)省相當(dāng)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。