基于 ARM 的繡花機控制系統設計

摘要:繡花機控制系統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 嵌入式系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程，首先研究了繡花機控制系統的硬件框架，詳細設計了電源電路、復 位電路、存儲器接口電路、鍵盤(pán)與顯示電路、USB 接口電路等電路。然后按照上位機和下 位機的結構層次，構建了繡花機控制系統的軟件框架，對鍵盤(pán)輸入、圖形顯示、USB 驅動(dòng)、 花樣存儲與管理、串口通信等具體模塊進(jìn)行了軟件設計。這樣可設計出一套基于 ARM 的技 術(shù)先進(jìn)、功能精簡(jiǎn)、高性?xún)r(jià)比的繡花機控制系統。

關(guān)鍵詞：繡花機控制系統；嵌入式系統；ARM

0 引言

隨著(zhù)全自動(dòng)繡花機的不斷發(fā)展，機械方面的改進(jìn)對機器的性能改善已經(jīng)沒(méi)有太大的效果。因而，控制系統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(chǎng)商的競 爭重點(diǎn)[1,2]?？刂葡到y的硬件決定了整個(gè)系統的可靠性和穩定性，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(zhù)至關(guān)重要的作用。而控制系統所有的功能都 需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，軟件的設計對于將來(lái)系統的穩定運行至關(guān)重要。

由于市場(chǎng)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(pán)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建了繡花機控制系統的軟件框架，對鍵盤(pán)輸入、圖形顯示、USB 驅動(dòng)、花樣存儲與管理、串口通信等具體模塊的軟件進(jìn)行了設計。

1 控制系統軟硬件框架

根據繡花機系統的模塊劃分和系統架構，硬件可以分為上位機和下位機系統，兩者通過(guò)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，LPC2214 作為下層 CPU 負責繡花機機械動(dòng)作的控制。其中電源電路和復位電路為兩個(gè) CPU 共用。

圖 1 繡花機控制系統硬件框架

控制系統的軟件部分的設計也依據此結構劃分層次，上位機系統包括鍵盤(pán)輸入、圖形顯 示、USB 驅動(dòng)、花樣存儲與管理，下位機系統即為機電控制模塊，包括機電控制系統和機 電執行系統。軟件框架如圖 2 所示。

圖 2 繡花機控制系統軟件框架

2 控制系統硬件設計

2.1 電源電路

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

2.2 復位電路

復位電路主要實(shí)現系統上電復位、手動(dòng)復位和電源監控三個(gè)功能。系統上電時(shí) CPU 狀態(tài)不穩定，需要有一個(gè)復位邏輯將其初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)；系統運行過(guò)程中，程序可能“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，這時(shí)需要強行對系統手動(dòng)復位；電源系統的可靠性直接影響到控制 系統的穩定性，需要有一個(gè)監控電路來(lái)監控電源的變化。

2.3 存儲器接口電路

數據存儲器分為動(dòng)態(tài)存儲器和靜態(tài)存儲器兩種。本控制系統中應用了同步動(dòng)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 上位機系統的設計中根據 LH7A404 存儲器接口的特點(diǎn)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(jiǎn)單、掉電后保存數據的優(yōu)點(diǎn)。根據 LPC2214 的接口特點(diǎn)，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(dòng)代碼、操作系統、應用程序和部分重要數據?？紤]到系統的軟件升級和數據擦寫(xiě)，選擇 FLASH 存儲器，它具有低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快、可整片或 分扇區在線(xiàn)編程（燒寫(xiě)）和擦除等特點(diǎn)。在上位機和下位機系統的設計中，選用 INTEL 公 司的 3V StrataFlashTM 存儲器 E28F128J3，其單片容量可達 16MB，有 128 個(gè) 128K 字節可擦除塊，每個(gè)數據塊 100000 個(gè)擦除周期。

2.4 鍵盤(pán)與顯示電路

鍵盤(pán)是系統操作的輸入設備，用于輸入數字參數和控制命令。本控制系統的按鍵總共有36 個(gè)，采用矩陣式結構。ROW1~ROW6 和 COL1~COL7 分別為 6 行和 7 列按鍵的接口。將 行線(xiàn) ROW1~ROW6 設為輸出，輸出值設為 0，列線(xiàn) COL1~COL7 設為輸入，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(kāi)關(guān)，AT89C2051 通過(guò)這些接口 按照一定的頻率對鍵盤(pán)進(jìn)行定時(shí)掃描。uP_KMIDAT 和 uP_KMICLK 為 PS2 鍵盤(pán)接口。

顯示器是系統的輸出設備，用于反饋系統的運行狀態(tài)，并給用戶(hù)以直觀(guān)信息，用戶(hù)可以 根據提示進(jìn)行相應的操作。本控制系統采用 LCD 顯示屏，沒(méi)有驅動(dòng)電路，需要設計驅動(dòng)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 控制系統軟件設計

3.1 鍵盤(pán)輸入程序

鍵盤(pán)輸入模塊的工作任務(wù)包括鍵盤(pán)掃描、鍵盤(pán)驅動(dòng)和鍵盤(pán)處理。鍵盤(pán)掃描獲得按鍵的掃描碼，鍵盤(pán)驅動(dòng)接收掃描碼并對其進(jìn)行處理，將處理后的數據送至應用程序，應用程序獲得鍵值信息后對信息進(jìn)行處理，實(shí)現按鍵功能。

鍵盤(pán)采用循環(huán)掃描方式，按照設定的掃描頻率對鍵盤(pán)輸入進(jìn)行檢測。系統創(chuàng )建一個(gè)掃 描任務(wù)，當檢測到合法按鍵之后就將該按鍵掃描碼寫(xiě)入消息發(fā)送給其他任務(wù)，通知系統某鍵 被按下，被按鍵的掃描碼通常放置在一個(gè)緩沖區內，直到該應用程序準備處理一個(gè)按鍵為止。鍵盤(pán)驅動(dòng)由 VxWorks 操作系統的一個(gè)可選組件――多媒體庫 WindML 提供[4]，包括下 層驅動(dòng)和上層驅動(dòng)。下層驅動(dòng)負責驅動(dòng)設備控制器并向上層驅動(dòng)傳送設備的原始數據，它是 作為 I/O 驅動(dòng)來(lái)實(shí)現的，被設置在系統內核。上層驅動(dòng)接收來(lái)自下層驅動(dòng)的設備原始數據，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)送至驅動(dòng)接口。 應用程序通過(guò)驅動(dòng)獲得鍵盤(pán)的狀態(tài)之后，根據從緩沖區讀出的鍵值，按照鍵盤(pán)的預定義對各控制模塊的組態(tài)信息進(jìn)行設置，以執行相應的功能。