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1 系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guó)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(lái)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(lái)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(jiàn)圖1）。 2 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(lái)完成上、下位機(jī)的協(xié)同工作： 2.1 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(hào)的處理； 2.1.1 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(guò)控制觸摸屏來(lái)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(duì)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(hào)線和片選線時(shí)鐘線經(jīng)過(guò)觸摸屏控制器ADV7843實(shí)現(xiàn)。 2.1.2 傳感器通過(guò)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(cè)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(cè)試?yán)C花針是不是離開(kāi)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。 2.2 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(hào)（PWM）、協(xié)同工作以及部分傳感器信號(hào)的處理： 2.2.1 PWM對(duì)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(jiǎn)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(hào)（gate_clk_pad_i, capt_pad_i）和一路脈沖寬度輸出信號(hào)(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(kāi)發(fā)人員可通過(guò)編程讓PWM產(chǎn)生各種復(fù)雜的近似線性的輸出信號(hào)，非常適合高檔電機(jī)的控制。 2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 主要采用專門(mén)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由EraSoC-1000C給出控制信號(hào)，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(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和所轉(zhuǎn)的角度。 2.2.3 主軸電機(jī)的控制 同步檢測(cè)：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(lái)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(lái)控制電機(jī)電源的開(kāi)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。 3 軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序移植 3.1 Bootloader EraSoC-1000C的bootloader使用PMON2000。經(jīng)過(guò)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(cè)進(jìn)行配置和編譯即可。 3.2 內(nèi)核移植 EraSoC-1000C使用Linux2.4.17和Linux2.6.18.1內(nèi)核。經(jīng)過(guò)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。 3.3 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(cè)，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 3.4 驅(qū)動(dòng)及fireware開(kāi)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L(zhǎng)inux不適合應(yīng)用于諸如縫制設(shè)備行業(yè)這類對(duì)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(lái)處理，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程會(huì)變得更為輕松。 3.5 X，Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(guò)GPIO發(fā)送一個(gè)步進(jìn)信號(hào)，電機(jī)行走一個(gè)相位。時(shí)間間隔的大小通過(guò)EraSoC-1000C的實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)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(guò)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(cè)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(xiě)函數(shù)控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)大小和開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)繡花程序啟動(dòng)，通過(guò)該驅(qū)動(dòng)的寫(xiě)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(hào)量來(lái)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)。 3.6 Z軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(kāi)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(guò)該函數(shù)的參數(shù)可以控制PWM的輸出方波： 3.7 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(xiě)應(yīng)用程序。通過(guò)open("/dev/fb0, O_RDWR") 打開(kāi)LCD顯示設(shè)備，然后通過(guò)mmap函數(shù)將顯存映射到用戶空間，用戶就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)來(lái)控制顯存，以達(dá)到控制LCD顯示的目的。 3.7.1 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。 3.7.2 3U盤(pán)驅(qū)動(dòng) EraSoC-1000C的U盤(pán)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(pán)掛載，然后通過(guò)open, read, write等標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)對(duì)U盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)。 3.7.3 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(jiǎn)單，如同訪問(wèn)其他文件系統(tǒng)一樣，可直接通過(guò)讀寫(xiě)函數(shù)訪問(wèn)。 蜂鳴器，斷線，壓腳，繞線檢測(cè)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(lái)控制。用戶只需使用open函數(shù)打開(kāi)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) 4 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(gòu)）專為手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備開(kāi)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(guò)主窗口顯示和觸摸屏接收用戶輸入。當(dāng)用戶通過(guò)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。 5 結(jié)束語(yǔ) 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(guó)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(kāi)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(wú)限的創(chuàng)意空間。 |
