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鍵。本文按照 嵌入式系統的開發過程，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，對鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅動、 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 術先進、功能精簡、高性價比的繡花機控制系統。

關鍵詞：繡花機控制系統；嵌入式系統；ARM

隨著全自動繡花機的不斷發展，機械方面的改進對機器的性能改善已經沒有太大的效果。因而，控制系統就成為了繡花機提高性能和降低成本的關鍵，也是各大繡花機廠商的競 爭重點[1,2]。控制系統的硬件決定了整個系統的可靠性和穩定性，硬件質量的好壞除了 CPU 芯片之外，外圍芯片的選擇和電路的設計也起著至關重要的作用。而控制系統所有的功能都 需要通過軟件來實現，軟件的設計對于將來系統的穩定運行至關重要。

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，對鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅動、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，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輸入、圖形顯 示、USB  驅動、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

開關電源系統提供 5V 和 12V 兩套電源，5V 電源用于驅動各 I/O 口，12V 電源直接作為機電和底層設備的驅動電源。由于整個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 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給 SRAM 供電，以便及時備份 數據，需要 3.9V/0.5A 的電源供給。

2.2  復位電路

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

2.3  存儲器接口電路

數據存儲器分為動態存儲器和靜態存儲器兩種。本控制系統中應用了同步動態存儲器（SDRAM）和雙口靜態存儲器（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  存儲器接口的特點選用  Micron  Technology 公司的 MT48LC16M16GT-75 作為設計基礎。雙口靜態存儲器 SRAM 成本較高、容量較小，但具有 存取速度快、接口簡單、掉電后保存數據的優點。根據 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、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，選擇 FLASH 存儲器，它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或 分扇區在線編程（燒寫）和擦除等特點。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 128K 字節可擦除塊，每個數據塊 100000 個擦除周期。

2.4  鍵盤與顯示電路

鍵盤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，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 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，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。

顯示器是系統的輸出設備，用于反饋系統的運行狀態，并給用戶以直觀信息，用戶可以 根據提示進行相應的操作。本控制系統采用 LCD 顯示屏，沒有驅動電路，需要設計驅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、鍵盤驅動和鍵盤處理。鍵盤掃描獲得按鍵的掃描碼，鍵盤驅動接收掃描碼并對其進行處理，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行處理，實現按鍵功能。

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

3.2  圖形顯示程序

進行圖形界面（GUI）的設計同樣需要加載多媒體庫 WindML，WindML 支持多線程和多任務，但圖形的資源是一定的，為了防止多線程之間產生資源沖突，需要使用互斥信號量鎖定資源。在使用一組繪圖函數前，用  uglBatchStart(gc)通過互斥信號量鎖定圖形上下文， 圖形設備及緩沖，并隱藏光標。繪圖操作完成后，再用 uglBatchEnd(gc)釋放被鎖定的資源， 以被其他的繪圖函數使用。以下根據  WindML  的編程流程，以繪制直線為例給出一個繪圖 操作的程序：

{

UGL_GC_ID gc;

......

uglInitialize();                        //    初始化

......

uglColorAlloc(devId, &colorTable[GREEN].rgbColor, UGL_NULL,

&colorTable[GREEN].uglColor, 1);         //   配置顏色

......

gc= uglGcCreate(devId);        //    創建圖形上下文

......

uglBatchStart(gc);       //   鎖定圖形資源

uglForegroundColorSet(gc, colorTable[WHITE].uglColor);       //    設置前景色 uglBackgroundColorSet(gc, colorTable[RED].uglColor);   //                                           設置背景色 uglLineWidethSet(gc, 9);    //     設定線寬

uglLine(gc, 50);       //   繪制直線

uglBatchEnd(gc);       //   釋放圖形資源

......

}

3.3 USB 驅動程序

VxWorks 操作系統的 USB 驅動模塊由四層組成：USB Client 模塊、USB 主驅動、USB主控制器驅動、USB 主控制器。最低層是 USB 主控制器（USB Host Controller），這是主系 統中控制每一個 USB 設備的硬件部分。對于每個主控制器都需要開發 USB 主控制器驅動程 序（HCD），HCD 對主控制器芯片進行了抽象，為上層軟件屏蔽底層硬件之間的差異。USB 主驅動（USBD）和 HCD 之間的接口允許一個或多個底層主控制器。Wind  River 的 USBD 能夠同時連接多個 HCD。

USBD 是在 HCD 之上的獨立于硬件的模塊，它通過提供一組抽象的服務簡化了程序員對上層 USB Client 模塊的開發工作，即為 HCD 和 USB Client 兩個模塊之間的請求和相應提 供統一的標準接口。USB Client 模塊位于結構圖最上層，屬于應用程序，根據具體應用的不 同，其內容和功能也不同，但都要實現與 USBD 的接口，對由 HCD 監測到并由 USBD 傳送 給上層應用程序的 USB 標準要求作出適當的響應。

3.4  花樣存儲與管理程序

在花樣存儲系統中，花樣文件是以一定的格式存入到系統內存的，所以文件的格式關系到系統能否識別花樣。目前刺繡生產實際中流行的花樣文件格式有四種：DST  格式、DSB格式、T01 格式和 T03 格式。

當不同格式的花樣文件被讀入到 FLASH 之后，需要對它們進行解析，轉換成內部格式 的數據結構，同時對花樣數據進行各種運算和處理，包括旋轉、放大縮小、拉伸、鏡像等。 花樣處理過程就是系統調用接口函數實現處理任務。

3.5  串口通信程序

由于串口傳輸涉及到上位機 CPU 和下位機 CPU 之間的通信，因此作出命名約定：上位機 CPU 稱為“左”側，代碼存放在以 left_*開頭的文件中，下位機 CPU 稱為“右”側，代 碼存放在以  right_*開頭的文件中。串口模塊結構大體可分為控制層、傳輸層和驅動程序， 串口傳輸層的作用在于向上層系統提供透明而高效的傳輸接口，用于兩個 CPU 之間的數據 交互。

4 結語

本文根據 ARM 處理器的選型原則，選擇 LH7A404 和 LPC2214 為上下位機 CPU 芯片；將繡花機控制系統的硬件分為上位機和下位機兩部分，在全面考慮系統功能需求的基礎上，圍繞已選定的上下位機 CPU 確定了硬件框架。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。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，以 VxWorks 操作系統為平臺，在 Tornado 開發環境下設計了鍵盤輸入、圖形顯示、USB 驅動、花樣存儲與管理等模塊程序。

本文作者創新點：將基于 ARM 嵌入式系統技術引入繡花機控制系統，詳細設計了繡花機控制系統的軟硬件系統，具有技術先進、功能精簡、高性價比等特點。