家用電腦繡花機(jī)或?qū)⒆呷爰彝?yīng)用

當(dāng)托馬斯和愛(ài)迪生發(fā)明了電動(dòng)機(jī)后，美國(guó)勝家（Singer）公司于1889年發(fā)明了全世界第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了縫紉機(jī)工業(yè)的新紀(jì)元。二戰(zhàn)后，工業(yè)縫紉機(jī)制造的霸主地位已逐漸被日本所占據(jù)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)已成為工業(yè)縫紉機(jī)制造業(yè)的新盟主?？墒敲鎸?duì)工業(yè)縫紉機(jī)市場(chǎng)的日趨飽和以及服裝制造全行業(yè)的利潤(rùn)日益下降的窘?jīng)r，各國(guó)的縫紉機(jī)制造商又重新把市場(chǎng)的焦點(diǎn)投向家用市場(chǎng)，勝家公司更是希望重現(xiàn)一百年前美國(guó)家庭每戶(hù)擁有一臺(tái)腳踏式縫紉機(jī)的輝煌歲月。
　　

如今，美國(guó)勝家、日本兄弟以及中國(guó)飛躍都相繼上市家用電腦繡花機(jī),家用電腦繡花機(jī)或刺繡機(jī)，以期待縫紉機(jī)再次敲開(kāi)老百姓的家門(mén)，可受限于芯片技術(shù)的發(fā)展，使得家用電腦繡花機(jī)的智能化程度、制造成本、維修方式都難于達(dá)到民品的標(biāo)準(zhǔn)。為此，北京中科億芯信息技術(shù)有限公司使用本公司自主設(shè)計(jì)的處理器芯片所開(kāi)發(fā)的家用電腦繡花機(jī)方案，采用了Linux2.6內(nèi)核，并添加實(shí)時(shí)補(bǔ)?。╮tlinux）以使其具備更完善的實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能；精致的Qtapia圖形系統(tǒng)軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)QT），避免了采用WinCE而帶來(lái)的昂貴授權(quán)費(fèi)用，大大降低了電子控制系統(tǒng)的制造成本，使得電腦繡花機(jī)走入家庭變得指日可待。

　　系統(tǒng)簡(jiǎn)介:

　　EraSoC-1000系列芯片作為國(guó)內(nèi)唯一的基于龍芯內(nèi)核的高性能SOC（System On Chip），憑借其強(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)、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)工作實(shí)現(xiàn)繡花功能，三個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)原理：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)控制流程圖請(qǐng)參看圖1）

圖1 基于EraSoC-1000C的家用電腦繡花機(jī)

　　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，我們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：

　　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；

　　1.1 STN/TFT LCD顯示與觸摸控制的實(shí)現(xiàn)：

　　此部分作為人機(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)作就是在此部分實(shí)現(xiàn)的。其中液晶部分對(duì)東芝T6963CFG LCD驅(qū)動(dòng)芯片的控制是由EraSoC-1000C引出的8位數(shù)據(jù)線和5個(gè)gpio實(shí)現(xiàn)的，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。而觸摸屏的控制是由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)的。

　　1.2 傳感器通過(guò)GPIO與EraSoC-1000C的通訊：

　　該繡花機(jī)一共用到了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（此時(shí)針在所有位置的最高點(diǎn)）的傳感器，測(cè)試?yán)C花針是不是離開(kāi)布的傳感器，和一個(gè)用于是否繞線的輔助功能的傳感器。

　　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：

　　2.1 PWM對(duì)交流伺服電機(jī)的控制

　　在EraSoC-1000C芯片中一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(chēng)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)編成讓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 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

　　主要采用專(zhuān)門(mén)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，有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控制一個(gè)L6219來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和所轉(zhuǎn)的角度。

　　2.3 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，用了一個(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)，如果快了或者慢了就做出調(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。

圖2 基于EraSoC-1000C的家用電腦繡花機(jī)電路系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 基于EraSoC-1000C的家用電腦繡花機(jī)的控制電路板

軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序移植：

　　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(hù)只需按照EraSoC-1000C的用戶(hù)手冊(cè)進(jìn)行配置和編譯即可。

　　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(hù)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、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
　　驅(qū)動(dòng)及fireware開(kāi)發(fā)：

　　基于EraSoC-1000C的電腦繡花機(jī)方案成功將Linux引入縫紉設(shè)備的控制是一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)突破。以前普遍認(rèn)為L(zhǎng)inux不適合應(yīng)用于像縫制設(shè)備行業(yè)這類(lèi)對(duì)功能集成度和實(shí)時(shí)性要求高的工控行業(yè)，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l(wèi)inux時(shí)，處理器可以很好的完成實(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、人際交互交由linux來(lái)處理，用戶(hù)會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程會(huì)變得輕松自如。

　　1、X，Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)：

　　X和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。而時(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)里提供一個(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)。

2、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，所以我們只要在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制程序就可以了。

　　例如，EraSoC的PWM驅(qū)動(dòng)提供一個(gè)write函數(shù)給用戶(hù)層，用戶(hù)通過(guò)該函數(shù)的參數(shù)可以控制PWM的輸出方波：

　　3、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(hù)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(hù)空間，用戶(hù)現(xiàn)在就可以通過(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。

　　4、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(hù)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。

　　5、U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(hù)只需簡(jiǎn)單的使用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)。

　　6、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(hù)接口也是十分的簡(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)。

　　7、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)，我們?yōu)檫@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(hù)只需簡(jiǎn)單的使用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)。

　　GPION是各GPIO的編號(hào)。

　　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)已被諾基亞以1.5億美元收購(gòu)）專(zhuān)為手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)排名前十的手機(jī)生產(chǎn)商有7個(gè)已經(jīng)選擇了奇趣作為嵌入式Linux平臺(tái)的合作伙伴。

　　也正是因?yàn)镼tapia的使用環(huán)境已在不知不覺(jué)中被消費(fèi)大眾所熟悉，我們特意在此解決方案里采用了類(lèi)似手機(jī)操作的圖像化用戶(hù)界面，就是為了讓消費(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(zhuān)業(yè)人員才有的技能。

　　用戶(hù)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(hù)輸入。當(dāng)用戶(hù)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，讀取花樣等等功能。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　作為第一臺(tái)使用國(guó)產(chǎn)高性能處理器的電腦繡花機(jī)解決方案，中科億芯的研發(fā)團(tuán)隊(duì)始終把“科技以人為本”的理念放在首位，那就是用業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)去創(chuàng)造大眾可接受的電子產(chǎn)品。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。而且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，讓國(guó)產(chǎn)縫制設(shè)備能夠真正意義上的國(guó)產(chǎn)化，讓這些設(shè)備都跳動(dòng)著一顆“中國(guó)芯”！

　　欲了解EraSoC-1000C和聚芯其他系列芯片的詳細(xì)規(guī)格和解決方案，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)EraSoC和北京中科億芯信息技術(shù)有限公司的官方網(wǎng)站：。同時(shí)可登陸網(wǎng)址：http:///programs/view/Ixiw9-BYvRQ/ 來(lái)觀看家用電腦繡花機(jī)的實(shí)際工作視頻，或登陸視頻搜索網(wǎng)查詢(xún)“電腦繡花機(jī)”。

　　Reference:

　　1.“Datasheet of EraSoC-1000C” / 《EraSoC-1000C數(shù)據(jù)手冊(cè)》 (by Beijing ZhongKeYiXin)

　　2.“Linux Device Drivers (2nd Edition)” / 《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)（第二版）》 (by Johathan Corbet, Alessandro Rubini & Greg Kroah-Hartman)

　　3.“Embedded System Design based on EraSoC” / 《基于聚芯SoC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京郵電大學(xué)出版社