基于arm和cpld的电脑绣花机控制器的设计.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文基于ARM和CPLD的电脑绣花机控制器的设计姓名：黄安成申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：颜钢锋20060501浙江大学硕士学位论文警翱咖绣花蝴设8 7 6 嗍摘要电脑绣花机是随着电子技术和机电一体化技术发展逐渐发展起来的电脑刺绣设备，它极大地提高了纺织行业的生产力，随着刺绣品需求量的增加，高性能的电脑绣花机越来越受到人们的青睐。我国电脑绣花机控制系统发展相对而言比较落后，而我国又是纺织大国，因此高性能电脑绣花机控制系统的研究也提上了日程。本论文在对电脑绣花机系统的结构和功能进行分析的基础上，提出了一个以A R M 微处理器和C P L D 器件为中心构建

2、硬件平台的绣花机控制系统解决方案。本系统以S a m s u n g 公司的A R M 芯片s 3 C 4 4 8 0 作为核心控制器，外围扩展了U S B H o S T、L C D 显示器、砌C、U A R T 接口、2 M b y t e 的F L A S H 等功能模块。以A I t e r a 公司的C P L D 芯片E 聊衢7 0 T 1 4 4 C 5 作为协控制器，解决了I o口、4 t 8 键盘的扩展，并系统的管理了外部中断。本系统中还以s L 8 1 l H s T 芯片作为u s B 接口芯片，结合微软公司的F A T l 6 文件系统，自主开发出了一套优盘文件读写系统

3、，使得优盘在微控制系统中的应用得到了进一步的发展。该电脑绣花控制系统性能优良，运行稳定，抗干扰能力强，不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。关键词：电脑绣花机、通用串行总线、复杂可编程逻辑器件、高级精简指令集微处理器浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计A b s t r a c tT h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r)，m a c h i n ei sad e v i c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa

4、 1 1 dm e c h a n i c a la u t o m a t i o n，i ti n c r e a s e st l l ep r o d u c t i v i t yo ft c X t i l ei n d u s 枉yT h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r yw i t l ll l i 曲p e r f o H a n c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep 叩u l a rw i t ht 1 1 ei n c r e a s eo fr e q u i r e m

5、e n to fe m b r o i d e r y I no u rC o u n t I yt h en”c h n o l o g yo ft h ee m b m i d e rm a c h i n sc o n t m ls y s t e mh a sd r o p p e db e l l i n dt h ed e v e l o p c dc o u n n y，b u to l l rc o u 玎t r yh a st h es t r o n gr e q u i r eo f t e x t i l e，s o 也er e s e a r c ho ft h ec

6、 o m p u t e fe m b n o i d e rm a c h i n em u s tb ep a y e dm o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o n s B a s e do nt h ea 1 1 a l y s i so fc o n s 劬c t i o n 锄df L l n c t i o no fm es y s t e m，t h ep r o j e c tp r o p o s e sad e s i g no fa ne I n b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do

7、nA R Ma n dC P L Df o r t h ee m b r o i d e r ym a c h i n e I nt h ec o n 舡o ls y s t e m，w eu s eS 3 C 4 4 8 0t ob ct h ec 叫ec o n t r o l l e ra n dd e v e l o ps o m e 矗m c t i o nm o d u l e s：U S BH O S Tc o n t r 0 1 1 e r，L C D，r e a lt i m ec l o c k，U A R Tp o r ta n d2M b”eF L A S H C o

8、p r o c e s s o rE P M 5 7 0 T 1 4 4 C 5o fA l t e r aC o m p a I l yi n c r e a s e st h en 啪b c ro fI op o n 柚dm a l l a g e st h ce x t e m a l i n t e m I p t I nt 1 1 i sc o n t r o ls y s t 锄，w eu s eS L 8 1 l H S Tc l l i pt ob e 也eU S Bi n t e r 蠡瓣ec l l i p，d e v e l 叩an a S hd i s k6 1 ea

9、c c e s ss y s t e mb a s e do nt h eF A T l 6f i l es y s t e mo fM i c r o s o f t T h en a s hd i s k sa p p I i c a t i o nh a sb e c o m em o r ee x t e n s i v e 1 1 1 i sc o n 仃o ls y s t e m sa p p l i c a t i o nh a sp r o v e dt h ee m b r o i d e rm a c l l i n ec o m o r ls y s t e mh a

10、v eg o o dp e r f b m a n c ea 1 1 ds t a b l i 饥i sn o v c lp r a c t i c a b l ec o n h D ls y s t e m K e)r V o r d s：C o m p u t e r i z e de m b r o i d e 叮m a c h i n e、U n i v e r s a lS e r i a lB u s、C P L D、A R M浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计第一章绪论1 1 研究背景与国内外现状1 1 1 引言以计算机为主体的现代信息

11、控制技术已经渗透到纺织服装的各个领域。二十世纪八十年代以来，高科技纺织品在整个纺织品市场中的比例不断增长。资料显示，最近五年，发达国家高科技纺织品的市场份额增长了一倍多。在欧洲纺织品市场上，高科技纺织品的市场占有率已达4o 以上。全球纺织工业现在普遍采用电子、电脑程序控制，从市场信息到产品的花型设计，颜色、织物结构的设计，到纺纱、织布、染整等生产领域和管理领域都能找到电子计算机的身影。利用C A D c A M 等生产辅助手段，可以实现小批量、多品种的市场需求，增强产品竞争能力，达到经济效益的最大化。【1】电脑绣花机是随着电子技术和机电一体化技术发展逐渐发展起来的电脑刺绣设备，电脑绣花机的出现

12、极大的提高了纺织行业的生产力，目前国内的电脑绣花机生产厂家超过了3 0 0 家。但目前市场上流行的电脑绣花机采用单片机作为控制器，控制精度低，运算速度慢，存储花样文件容量低，所以急需高性能的控制器的出现；另外主轴电机采用滑差电机，调速性能差，效率低，价格高，可以用普通交流电机代替。目前很多纺织机械控制器的主c P U 进行了升级换代，由原来的单片机换成性能更高的A R M。本文设计的系统的M c u 采用更为先进的A R M 芯片S 3 C 4 4 B o，比主控板采用1 6 位单片机的控制系统运算速度更快，效率更高；系统的存储容量与普通电脑绣花机相比扩充了一倍以上，系统里面可以存储将近2 0

13、 0 个花样。1 1 2 电脑绣花机发展过程2 0 0 2 年6 月，专业生产绣花机的北方天鸟公司成为上市公司，成为缝制设备行业的第三家上市公司；生产绣花机核心部件电脑控制系统的北京兴大豪科技开发有限公司被中国企业家杂志评为“2 0 0 4 年度未来之星最具成长性浙江大学硕士学位论文基丁：A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计的中小企业”，2 0 0 1 2 0 0 3 年的营业收入分别为1 5 亿元、3 亿元和3 5 亿元，年平均增长率达5 2 7 5；2 0 0 3 年，国内骨干缝纫机生产企业飞跃公司正式介入电脑绣花机生产；而标准公司早在1 9 8 9 年就开始生产绣花机，

14、最近两年，由于各级领导重视，标准旗下专业生产绣花机的上海惠工缝纫机二厂也高速发展，2 0 0 3 年产值比上年翻一番，2 0 0 4 年前四个月产值已接近去年全年。当人们在惊叹之余仔细审视这个行业时，让我们看看下面一组数据：1 9 8 8年，北京一轻研究所(现称：北京兴大豪电脑公司)与青岛缝纫机厂合作研制成功我国第一台电脑绣花机，当时生产绣花机的企业不超过1 0 家，年产量也不到1 0 0台：到1 9 9 8 年，生产电脑绣花机的企业也仅有数十家，年产量1 0 0 0 台左右；然而，2 0 0 3 年，据业内人士统计，国内已经有了3 0 0 余家生产电脑绣花机的企业，年产量达3 万余台，企业主

15、要集中在浙江的诸暨、台州、宁波以及广东、江苏、北京等地区，尤其是诸暨地区，集中了1 0 0 多家绣花机生产企业，形成了行业独特的“诸暨现象”。5 年，短短的5 年，电脑绣花机的企业数量翻了1 0 倍，年产量增长了3 0 倍，这样的增长速度，在其它缝纫机品种上从来没有出现过。毫无疑问，电脑绣花机创造了中国缝制设备领域的一个“神话”。【2】1 1 3 电脑绣花机背景及现状传统的手工绣花效率低下，浪费了很多劳动力。电脑绣花机是当代最先进的电脑绣花机械，它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的多功能、多层次、统一性和完美性的要求。它是一种体现多种高新科技的机电一体化

16、产品。【3】自从国内生产出第一台电脑绣花机，价格低廉一直是国产电脑绣花机与进口机竞争的最大优势。然而，随着近几年我国生产电脑绣花机的企业增多，特别是一些家庭作坊式的企业出现，他们为了能在市场竞争中赢得一席之地，不计成本，大幅降低产品价格。以1 台2 0 头6 针的绣花机(带剪线)为例，在上世纪9 0 年代中期，国产机还能维持在进口机价格的4 0 左右，一般一台机器的价格在3 0 万元左右，然而1 9 9 8 年以后，特别是近二三年，同样一台机器的价格降至1 0 万元左右。诸多企业在近几年的价格大战中，饱尝苦果，利润已是大幅缩水。浙江大学硕士学位论文基于A 删和c P L D 的电脑绣花机控制器

17、的设计另外，国产电脑绣花机用短短的十几年时间实现了从无到有、从1 台到3万台的突破，数量上的剧增以及高额的利润创造了缝制设备行业发展的一个神话。毫无疑问，国产电脑绣花机的高速发展给行业带来了巨大的喜悦。然而，国内各电脑绣花机生产厂家在享受这个神话带来的喜悦时，对未来市场的竞争却是忧心忡忡，与进口电脑绣花机产品质量上的差距一直是他们挥之不去的隐痛。现在绣品市场也很混乱，有些企业对绣花机的质量要求不高，只要能满足一般的绣品要求就行了，而这些要求国产绣花机大多能达到，所以绣品企业当然谁便宜就买谁的了。目前，我国的电脑刺绣机厂家多为中小企业，产品多为单一的平绣刺绣机。随着平绣机市场的逐渐饱和，刺绣品市

18、场对电脑刺绣机的要求必将越来越高，日后只有具有优异性价比的产品才能立足市场。还有一个问题就是企业多而不强，2 0 0 3 年6 月1 9 日，北方天鸟(前身为华北光学仪器厂)公开发行A 股股票，并从当年7 月4 日起在上海证券交易所挂牌交易，成为上市公司。这也是国产电脑绣花机企业中唯一的上市公司。但就是这唯一的上市公司，绣花机年产量也只有3 0 0 0 台左右，销售总额3 0 0 0 万美元左右。f 2 11 2 电脑绣花机的机构和控制原理1 2 1 电脑绣花机的机构电脑绣花机由主机(机械部分)和控制器组成。绣花机的主机由机头、台板、传动机构、机架、绣框等组成。(1)机头。通过绣花机机头运转，

19、使面线和底线在面料上做出双线锁式线迹：(2)台板。是固定送布机构并完成刺绣任务的主要场所；(3)传动机构。包括主轴电机的传动机构(主轴z)和送布机构(X、Y 轴的步进电机)。用来完成x、Y、z 三个方向运动的传递，是完成刺绣工作的主要部件；(4)机架。支撑台板和各个机件，方便工作，调节整体构造和外观；6浙江大学硕士学位论文基于A 雕和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计(5)绣框。用来固定面料，受步进电机控制。可以向X、Y 轴两个方向运行。f 3】【4】嘲1 2 2 电脑绣花机的控制原理我们称刺绣的一个动作为针迹，它包含绣框的一次移动和绣针的一次刺布。针迹中绣框移动的距离称为针迹步长。在绣

20、针接触布料的整个过程中，布料保持静止，当绣针离开布料到第二次接触布料期间，绣框才允许运动，因此主轴电机的转速必须适应针迹步长的大小，步长越大，转速越低，步长越小，转速越高。主轴电机和步进电机运动如果出现不协调，将导致断线甚至断针。花版数据是描述刺绣线迹坐标相对位置及控制编码的数据文件，它通过制版机用c A D 方法结合刺绣针法形成，花版数据中描述了刺绣作业的两种控制数据：一种是线迹落针点的坐标值(X、Y)，称之为坐标码；另一种是多色绣品的换色码、长距离移框操作的跳线码以及针迹数据文件结束的结束码，统称其为控制码。在刺绣进程中，微机控制器应对数据的坐标码进行识别，确定相应的控制进程。6 11 3

21、 研究内容本课题的研究内容包括：了解绣花机的工艺，分析绣花机的控制要求，针对绣花机的控制需求设计系统的硬件电路。针对硬件电路的各个模块编写测试软件和应用软件接口程序。根据绣花机工艺编写绣花机系统应用软件。本课题中的绣花机机械部分由江苏通力制造公司提供，通过到通力公司的调研，了解了绣花机的工艺和控制需求。根据绣花机系统的控制需求，设计了系统硬件电路。以S 锄s I l I l g 公司的s 3 c 4 4 B O 为核心控制器，外围扩展了U S BH O S T、L C D 模块、R T c、u A R T、J T A G、E E P R O M、F L A S H、S D R A M 和L E

22、 D 模块。以A h e r a 公司的E P M 5 7 0 T 1 4 4 C 5 为协控制器，扩展了I O 口、键盘和中断控制。完成硬件设计后，针对各个硬件模块编写了测试软件。完成了高级应用程序的接口函数。其中u s BH o s T 读写优盘的软件设计最为复杂，涉及到了U S B 协议和文件系统的知识。7浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计在完成测试软件的基础上，根据绣花机工艺编写控制系统的应用程序。本课题分为两个重要的模块，一是绣花文件读取存储模块，一是电机控制模块。本论文的组织结构如图1 1 所示。图卜1 论文的组织结构图浙江大学硕士学位论

23、文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计第二章控制系统总体方案设计2 1绣花机系统的需求分析2 1 1 绣花机系统的控制点电脑绣花机主机由机头、合板、传动机构、机架、绣框等组成。根据绣花机的刺绣要求，总结绣花机的控制点如表2 1 所示：表2 一l 绣花机的控制点输入输出总计矩阵式键盘841 2步进电机O66换色电机O44剪线电机O44机头驱动O44断线检测538限位和拉杆检测4O4编码器1 00总计2 72 55 2此外，控制点还有主轴电机、3 1 个按键、6 个八段数码管、L c D 显示器。2 1 2 绣花机控制系统的性能要求设计多头电脑刺绣机的主体目标是实现高速、高效

24、及高质量的自动刺绣工艺，要求微机控制器具备如下的控制特性。(1)花版数据的兼容性花版数据是描述刺绣线迹坐标相对位置及控制编码的数据文件，它通过制版机用c A D 方法结合刺绣针法形成，花版数据的格式目前在国内外尚无统一的标准，国外主要有日本田岛三进制格式(D s T)，日本百灵达二进制格式(D s B)等。9浙江大学硕士学位论文基于A 刚和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计另外花版数据的载体也不同，比如早期的制版机以纸带作为数据载体，目前的制版机多以3 5 英寸软磁盘为数据载体。本系统采用优盘作为数据载体。上述各种制式的花版数据，因而其控制器在硬件上须配备纸带或软盘或者优盘的数据输入接口

25、；在软件上应配备数据输入与转换程序，能将不同格式不同载体的花版数据输入至控制器并转换成能控制电脑绣花机机构动作的数控文件。(2)进程控制特性花版数据中描述了刺绣作业中两种控制数据：一种是线迹落针点的坐标值(x，Y)，称之为坐标码；另一种是多色绣品的“换色码”、长距离移框操作的“跳线码”以及针纹数据文件结束的“结束码”，统称其为控制码。在刺绣进程中，微机控制器应对数据的坐标码及控制码进行识别，确定相应的控制进程。(3)键盘操作与显示功能电脑绣花机的刺绣作业虽然是一个自动化过程，但工艺参数的设定及编辑修改命令等往往需要操作者通过键盘输入，同时为了使控制器具有良好的人机界面，控制器还应具备显示功能，

26、以显示操作者输入的命令、工艺参数以及绣花机当前状态等信息。(4)故障识别功能在刺绣进程中，电脑绣花机可能发生断线、断针或绣框越界等工艺故障。微控制器应能对这些故障进行在线识别与诊断，当故障发生时，应立即暂停刺绣进程，并提示相应的故障信号。如当绣品超出刺绣范围时，机器将会自动停止以保护绣框越界：当机械出现故障时，操作面板会显示错误类型，并告知故障。此外，在刺绣过程中可以实现自动剪线、自动挖孑L 绣、自动检测断线、停电保护、指令性跳针、出错自动停机、针迹补偿、循环绣作、花样输出等功能。【3 l2 2 控制器的方案设计针对绣花机系统的控制点和性能要求，提出控制器的整体方案设计。2 2 1 微控制器的

27、选择A R M 即A d v a n c e dR I s cM a c h i n e s 的缩写。A R M 公司是1 9 9 0 年成立的设计公司，是知识产权(I P)供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生1 0浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计产各具特色的芯片。目前，采用A R M 技术知识产权(I P)核的微处理器，即通常所说的A R M 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于A R M 技术的微处理器应用约占据了3 2 位R I S C微处理器7 5 以上的市场份额，A R

28、 M 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。A R M 微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持T h u m b(1 6 位)A R M(3 2 位)双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。A R M 当前有5 个产品系列：A R M 7、A R M 9、A R M 9 E、A R M l O、s e c u r c o r e。进一步的产品来自于合作伙伴，例如I n t e lx s c a l e 微体系结构和S t r o n g A R M 产品。A

29、 R M 7、A R M 9、A R M 9 E 和A R M l 0 是4 个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 是第5 个产品系列，是专门为安全设备而设计的。因此，本系统的控制器选用三星公司的A R M 7 系列A R M 芯片一S 3 C 4 4 8 0。它拥有很多的功能模块，使得电路设计更加方便。s 3 c 4 4 B o 内部具有L c D 控制器、E E P R o M 控制器、u A R T、J T A G 接口、R T C 控制器，并且能够扩展大容量的F L A s H存储器和R A M，使得系统能

30、够存储更多的花型文件。【1 1】2 2 2 协控制器的选择由前面系统控制点的分析可以看出系统需要较多的I O 口，而S 3 C 4 4 B O 本身并没有这么多的I 0 口，所以要进行I 0 扩展。选择一片C P L D 扩展键盘、光电编码器、I 0 口。传统的方法可以选择8 2 5 5进行I 0 扩展，但是8 2 5 5 并不能完成复杂的逻辑编程，给c P U(s 3 c 4 4 8 0)增加了很多负担。而c P L D 是可编程器件，同过V H D L 语言编程，可将c P U 实现的功能转移至c P L D 中实现，这样既可以减轻c P U 的负担，又可以使得功能更加灵活。本系统利用一片

31、c P L D 扩展了4 术8 的键盘、光电编码器接口和I 0 接口，并实现了键盘、光电编码器、输入的中断请求。浙江大学硕士学位论文基于A 蹦和c P L D 的电脑绣花剪堕制器堕!星盐2 2 3 系统总体方案根据上面的分析，确定控制系统主要包括A R M 模块和基于c P L D 的协处理器。系统模块的示意图如图2 1：浩辑磊磊面一=二_ 二二；l!：!警萋 叫I，o 扩展卜h：面五 一吼Dr 磊磊卜J一【图2 一l 系统结构示意图1 A R M 芯片采用的是三星公司的S 3 C 4 4 8 0 芯片，该芯片中有L C D 控制器、U A R T 接口控制器、R T c 模块等功能单元。方便

32、功能扩展。A R M 芯片内部时钟频率可以达到6 6 M H Z，使系统响应快。2 u s BH O S T 控制模块采用C y p r e s s 公司的S L 8 1 l H S T 芯片，该芯片支持U S B l 1协议，传输速度可以达到1 2 i t s，可以实现U S BH o S T 的控制功能，外围时钟采用4 8 M I z 的时钟频率。在实现u s BH 0 s T 硬件的基础上，用c 语言实现了u s B读写优盘的软件系统。本软件从下到上分为四个层次。s L 8 1 1 H s T 的芯片驱动、通用u S B 协议、U F I 类协议和文件系统。【1 2 I3 L C D 和

33、L E D 显示器。因为绣花机工作过程中要有人机交互的过程，所以L c D 和L E D 显示是必要的。L C D 采用了A R f 芯片中的L C D 控制器，L E D 用A R M 的I O 口接驱动芯片实现。4 存储单元。由于本嵌入式系统要存储绣花的花型文件，所以F L A S H 的容量必须要足够大，本系统采用2 M b y t e s 大小的F L A s H，足够存储应用程序和花型文件。另外一个信息必须要被及时的存储，掉电之后要保存，所以本系统采用了浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计I I c 接口的E E P R o M。5 另外，电

34、脑绣花机的I O 接口和矩阵式键盘由C P L D 扩展产生，根据需求规划c P L D 的输入输出接口。c P L D 和A R M 的接口有5 根中断线、4 根地址线、1 6根数据线和1 根片选线。软件上，应用V H D L 编程实现I 0 扩展和中断管理。2 3U S B 总线概述上世纪八十年代中期，提花织物计算机辅助设计软件在国内设计成功，并应用于生产，改变了提花织物旧的生产方式，极大的提高了纺织行业的生产力。目前，将花型文件从P c 机传输到纺织机械电脑控制器的传输介质一般为软磁盘、I C 卡等，这些传输介质都存在很大的局限性。软盘的使用寿命短，性能不稳定，一般的纺织机械的工作环境比

35、较恶劣，机械震动大，空气湿度大，灰尘多，温度高，更加缩短了软盘的使用寿命，软盘驱动器经常不能正常工作。I c 卡虽然工作稳定，但是I c 卡和P C 机没有通用的接口，需要额外设计I c 卡读卡器，读卡器与P C 机的串口或者并口相连，还要设计P C 机上运行的读写I c 卡的软件，设计过程复杂，通用性差。此外，软磁盘的容量一般1 4 4 M B，I c 卡存储容量一般在2 M B 以下(目前市场F 在推出大容量的F L A S H)，而大的花型文件要几百K B，这样，软磁盘和I c 卡一次传输的花型文件数量很有限，一般要分几次传输，效率较低。因此，急需一种稳定、可靠、通用性强、容量大的花型文

36、件传输介质作为替代品。u s B 通讯具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点，自从1 9 9 6 年2 月U S B l 0 版本发布后短短的几年内，使用U S B 接口的设备正在以惊人的速度发展，基于U S B 接口的优盘以其优异的性价比和大容量的特性常用作移动数据存储器。优盘作为花型文件的传输介质克服了软磁盘和I C 卡的缺点，优盘系统运行稳定，接口通用，容量大，而且只要普通的优盘就可以转移存储花型文件，本系统采用u s B 通信技术，利用优盘传输花型文件，所以本章对u s B通讯和文件系统作必要的介绍。f 8】2 3 1U S B 总线简介u s B(U n i v e

37、 r s a ls e r i a lB u s)是一种通用串行总线。它是为了实现整个计算浙江大学硕士学位论文基于A 蹦和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计机系统中总线的一致性，由C o m p a q、I n t e l、L u c e n t、M i c r o s o f t、H e w l e t t P a c k a r d、N E c 以及P h i l i 口s 七家公司共同开发的一种新的、快速的、双向的、同步传输的并可以热插拔的数据传输总线，简称U S B 总线。U S B 总线的发展至今经历了3 个主要的阶段：U S B1 1、u s B2 O 和u s BO T G

38、。从1 9 9 8 年7 月的w i n d o w s9 8 丌始，基于u s B1 1 的外围设备开始陆续出现，u s B成为最受欢迎的接口。但u s B1 1 的传输速度只有1 2 M b s，对于进行大量的数据传输显得力不从心。u S B2 0 是版本更新的一大跃进，它加入了许多高速传输的特性支持，传输速度达到4 8 0 M b s，为U S B1 1 的4 0 倍。U S B0 T G 是为了弥补u s B2 O 的不足，对U S B 总线的协议进行了补充，使得u S B 总线可以进行点对点的数据传输，而不像以前那样定要求主机的参与，使得设备与设备之间可以进行通信。2 3 2u S

39、B 总线的优点U S B 总线具有以下优点：用户使用方便。设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态接入和动态配置。应用范围广。传输速率从几K b s 至几百M b s，总线支持同步和异步传输方式。具有同步带宽。保证带宽，音频传输失真小。灵活。支持不同速率的设备。稳定。协议中包含错误检测，支持热插拔。易于与P C 接口。支持即插即用。成本低廉。易于升级。由于u s B 具有以上优点，使得其在接口方面的使用极其方便。u s B 可以连接多个不同的设备，一个u s B 接口理论上可以连接1 2 7 个u s B 设备。速度快也是u s B 技术的突出特点之一，u s B 接口的最高传输速度可达

40、4 8 0 M b s。所有这些突出的优点使得u S B 技术得到广泛的应用、发展和普及。浙江大学硕士学位论文基于A 删和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计第三章控制系统硬件设计与实现3 1主处理器A R M 模块设计A R M 模块是控制器的核心，担负着系统大部分的控制任务，稳定、高速的控制器会增强系统的稳定性、可靠性，并且使系统功能更加强大。本系统的A R M模块主要包括以下电路：存储模块、J T A G 接口、L E D 显示、L c D 显示、R T c、复位电路、R s 2 3 2 通讯接口。3 1 1微处理器S 3 C 4 4 B O 简介1 简介S a m s u n g

41、公司推出的1 6 3 2 位R I S C 处理器S 3 C 4 4 B O x 为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本，s 3 c 4 4 B O x提供了丰富的内置部件，包括：8 K Bc a c h e，内部s R A M，L C D 控制器，带自动握手的2 通道u A R T，4 通道D M A，系统管理器(片选逻辑，F P E D O s D R A M 控制器)，I O 端口，R T c，8 通道1 0 位A D C，I I C B U S 接口，同步s 1 0 接口和P L L 倍频器。s 3 c 4 4 8 0 x 采用了A R M 7

42、T D M I 内核，O 2 5 u m 工艺的c M O s 标准宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适合用于对成本和功耗敏感的应用。同样s 3 c 4 4 B O x 还采用了一种新的总线结构，即s A M B A I I。S 3 C 4 4 8 0 x 的杰出特性是它的C P U 核，是由A R M 公司设计的1 6 3 2 位A R M 7 T D M IR I s c 处理器(6 6 M H z)。A R M 7 T D M I 体系结构的特点是它集成了T H U M B 代码压缩器，片上的I c E 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。S 3 C 4 4

43、 B O x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。1 1 3 J2 内部结构图S 3 C 4 4 8 0 的内部结构图如图3 1 所示。浙江大学硕士学位论文基于A R M 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计图3 1s 3 c 4 4 B O 内部结构图3 1 2 存储单元电路1 F L A S H 存储器1 1 4 1由于系统需要存储的花样图案多达2 0 0 幅，每幅花样图案的大小为几K b i t到几十K b i t；而且，必须保证掉电以后，数据不会丢失；因此，系统需要容量A 2 0 1)铽1 9 o)n(1 5 一o)

44、D Q(1 5 o)置e C S On e E删0 E删0 En w En W E4 羽猕S S 夏3 9 7 V F l 6 0卧S H图3 2F L A s H 存储器电路图很大的数据存储器，而且存储器的读取速度有一定的要求，我们选用型号为1 6浙江大学硕士学位论文基于A 和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计S S T 3 9 V F l 6 0 的F L A S H 存储器，该存储器的容量为1 M 木1 6 b i t。1 b y t e 等于8 b i t，所以此F L A s H 存储器有2 Mb y t e 的存储容量。足够存储大量的花型文件和控制程序。电路图如图3 2 所示

45、。2 S D R A M 存储器1 1 4 lU i I L n 图3 3s D I 己枷电路图s D R A M 存储器电路图如图3 3 所示。此S D R A M 型号为H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 H G，存储容量为4 B a n 胁1 M 术1 6 b i t，系统上电后可以将程序搬移到s D R A M 中运行，可以提高程序的运行速度。此芯片有足够大的容量装载程序。图3 3 中的电阻R l、R 2、R 3 和R 4 作用是阻抗匹配，P c B 布线的时候要使这两个电阻尽量靠近s D R A M。R 1 和R 3 用来扩展8 M b y t e 的s D R A M，R

46、2 和R 4 用来扩展1 6 M b y t e 的S D R A M。地址线A 2 1 和A 2 2 是B a n k 选择线，可以选择4 个B a n k 中的一个B a n k。数据线宽度为1 6 b i t。另外A O A 1 2 寻址1 M 的地址范围，s D R A M 的寻址方式采用了行和列寻址方式，信号n R a s 和n c a s 为行选通和列选通信号线。行选通时，8 位地址线有效，列选通时1 2 根地址线有效。所以可以寻址1 M 的地址空间。3 E E P R 叫存储器浙江大学硕士学位论文基于A 删和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计图3 4E E P R o M

47、电路图绣花机系统在工作过程中有一些必要的数据需要保存，比如每天的工作日志，出错信息等。这些信息掉电之后不能丢失，这就需要扩展一个即时存储、掉电信息保存且容量较小的存储器。E E P R o M 是晟好的选择。S 3 C 4 4 8 0 本身拥有I I C总线，集成了I I C 控制器，使得硬件设计和软件编程更加简单。3 1 3J T A G 电路设计J T A G(J o i n t T e s t A c t i o n G r o u p)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试以及对芯片进行仿真与在线调试。J 1 A G 技术是一种嵌入式调试技术，通过专用的J T A G 测试工具对

48、芯片内部节点进行测试，从而得出芯片内部状态。目前各个芯片制造商生产的比较复杂的器件都支持J T A G 协议，如A R M、D s P、C P L D、F P G A 等。标准的J T A G 接口有2 0 针和1 4 针两种，其中重要的信号线有以下5 个：1 r I)I、T D 0、T M S、T C K、T R E S E T，分别为测试数据输入线、测试数据输出线、测试模式选择线、测试时钟线和复位信号线。此外，J，I A G 测试允许多个器件通过，r A G 接口串联在一起，形成一个J T A G 链，并且可以实现对各个器件进行分别测试。J 1 A G 接口还常用于实现在系统编程(I n

49、S y s t e mP m 蹦瑚m a b l e)以及实现对F l a s h 器件进行编程等功能。【1】S 3 C 4 4 B O x 微处理器支持J T A G 测试功能，并且提供了T M s、T C K、T D I、T D O、n T R E s E l 7 等调试信号线，因此扩展J T A G 调试接口比较容易，只需要将相应的引脚连接到标准的2 0 针的J T A G 接口上即可，其扩展原理如图3 5 所示。浙江大学硕士学位论文基于A 脚和c P L D 的电脑绣花机控制器的设计图3 5 耵A G 电路图3 1 4 串口通讯电路设计3在系统调试的过程中，串口是一个重要的调试手段。将

50、A R M 板的串口与电脑的串口相连，利用w i n d o w s 自带的超级终端软件，可以将有用的信息打印到电脑的屏幕上。当然串口的功能除了调试外，还可以与系统中其他模块进行串口通讯。本系统中串口只用于调试程序。其中T x D 0 和R x D o 是A R M 控制器的信号，A R M 中自带了串口控制器，使得硬件设计和软件编程都相对简单。图3 6 串口通讯电路图9浙江大学硕士学位论文基于A 删和c P L D 的电脑绣花机控制器的设堕3 1 5L E D 电路设计本系统需要扩展6 个8 段数码管，采用了1 4 根I O 口，其中8 根I 0 口作为L E D 的段选线，另外6 根I 0