基于LH7A404和LPC2214 CPU芯片实现绣花机控制系统的软硬件设计

引言

随着全自动绣花机的不断发展，机械方面的改进对机器的性能改善已经没有太大的效果。因而，控制系统就成为了绣花机提高性能和降低成本的关键，也是各大绣花机厂商的竞 争重点。控制系统的硬件决定了整个系统的可靠性和稳定性，硬件质量的好坏除了 CPU 芯片之外，外围芯片的选择和电路的设计也起着至关重要的作用。而控制系统所有的功能都 需要通过软件来实现，软件的设计对于将来系统的稳定运行至关重要。

由于市场上绝大部分微处理器芯片都是以 ARM 为基础，本文研究了基于 ARM 的绣 花机控制系统的软硬件设计。首先在 LH7A404 和 LPC2214 的基础上确定了绣花机控制系统的硬件框架，详细设计了电源电路、复位电路、存储器接口电路、键盘与显示电路等具体电 路以及接口；然后按照上位机和下位机的层次构建了绣花机控制系统的软件框架，对键盘输入、图形显示、USB 驱动、花样存储与管理、串口通信等具体模块的软件进行了设计。

1 、控制系统软硬件框架

根据绣花机系统的模块划分和系统架构，硬件可以分为上位机和下位机系统，两者通过串行接口进行实时通信，分别围绕 LH7A404 和 LPC2214 两个 CPU 进行设计。硬件框架如图 1 所示，LH7A404 作为上层 CPU 负责输入输出接口和花样存储系统，LPC2214 作为下层 CPU 负责绣花机机械动作的控制。其中电源电路和复位电路为两个 CPU 共用。

控制系统的软件部分的设计也依据此结构划分层次，上位机系统包括键盘输入、图形显 示、USB 驱动、花样存储与管理，下位机系统即为机电控制模块，包括机电控制系统和机 电执行系统。软件框架如图 2 所示。

2、 控制系统硬件设计

2.1 电源电路

开关电源系统提供 5V 和 12V 两套电源，5V 电源用于驱动各 I/O 口，12V 电源直接作为机电和底层设备的驱动电源。由于整个系统控制电路的工作电压并不都是 5V 和 12V，需 要对 5V 电源进行 DC-DC 转换，因此本文采用 TI 公司的 TPS54310PWP 电压转换芯片将 5V 电源转换成 3.3V/3A 的电源，用于给 CPU 及其外围电路供电。另外，系统 CPU 内核需要1.8V 的电压供给，且消耗电流的极限不超过 200mA，为保证可靠性并留下一定余量，1.8V 的电源系统提供的电流应不小于 0.5A。备份电池用于断电时给 SRAM 供电，以便及时备份 数据，需要 3.9V/0.5A 的电源供给。

2.2 复位电路

复位电路主要实现系统上电复位、手动复位和电源监控三个功能。系统上电时 CPU 状态不稳定，需要有一个复位逻辑将其初始化为某个确定的状态；系统运行过程中，程序可能“跑飞”或进入死循环，这时需要强行对系统手动复位；电源系统的可靠性直接影响到控制 系统的稳定性，需要有一个监控电路来监控电源的变化。

2.3 存储器接口电路

数据存储器分为动态存储器和静态存储器两种。本控制系统中应用了同步动态存储器（SDRAM）和双口静态存储器（SRAM）。SDRAM 成本低廉，容量大，应用比较广泛，在 上位机系统的设计中根据 LH7A404 存储器接口的特点选用 Micron Technology 公司的 MT48LC16M16GT-75 作为设计基础。双口静态存储器 SRAM 成本较高、容量较小，但具有 存取速度快、接口简单、掉电后保存数据的优点。根据 LPC2214 的接口特点，设计中选用ISSI 公司的 IS61LV25616AL 芯片，具有 512KB 的容量。 程序存储器用于存储启动代码、操作系统、应用程序和部分重要数据。考虑到系统的软件升级和数据擦写，选择 FLASH 存储器，它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或 分扇区在线编程（烧写）和擦除等特点。在上位机和下位机系统的设计中，选用 INTEL 公 司的 3V StrataFlashTM 存储器 E28F128J3，其单片容量可达 16MB，有 128 个 128K 字节可擦除块，每个数据块 100000 个擦除周期。

2.4 键盘与显示电路

键盘是系统操作的输入设备，用于输入数字参数和控制命令。本控制系统的按键总共有36 个，采用矩阵式结构。ROW1~ROW6 和 COL1~COL7 分别为 6 行和 7 列按键的接口。将 行线 ROW1~ROW6 设为输出，输出值设为 0，列线 COL1~COL7 设为输入，在每一行和每 一列的交叉点放置一个按键，每个按键就是一个瞬时接触开关，AT89C2051 通过这些接口 按照一定的频率对键盘进行定时扫描。uP_KMIDAT 和 uP_KMICLK 为 PS2 键盘接口。

显示器是系统的输出设备，用于反馈系统的运行状态，并给用户以直观信息，用户可以 根据提示进行相应的操作。本控制系统采用 LCD 显示屏，没有驱动电路，需要设计驱动电路与之配合使用。设计中所选的液晶显示屏是 SHARP 公司的 5.7 寸显示屏 LQ057Q3DC12I， 其供电要求是 3.0V~3.6V，需将芯片接上 3.3V 的电压。

3 、控制系统软件设计

3.1 键盘输入程序

键盘输入模块的工作任务包括键盘扫描、键盘驱动和键盘处理。键盘扫描获得按键的扫描码，键盘驱动接收扫描码并对其进行处理，将处理后的数据送至应用程序，应用程序获得键值信息后对信息进行处理，实现按键功能。

键盘采用循环扫描方式，按照设定的扫描频率对键盘输入进行检测。系统创建一个扫 描任务，当检测到合法按键之后就将该按键扫描码写入消息发送给其他任务，通知系统某键 被按下，被按键的扫描码通常放置在一个缓冲区内，直到该应用程序准备处理一个按键为止。键盘驱动由 VxWorks 操作系统的一个可选组件——多媒体库 WindML 提供［4］，包括下 层驱动和上层驱动。下层驱动负责驱动设备控制器并向上层驱动传送设备的原始数据，它是 作为 I/O 驱动来实现的，被设置在系统内核。上层驱动接收来自下层驱动的设备原始数据，并进行解释处理，将其打包成一个输入事件信息，然后将该信息发送至驱动接口。 应用程序通过驱动获得键盘的状态之后，根据从缓冲区读出的键值，按照键盘的预定义对各控制模块的组态信息进行设置，以执行相应的功能。

3.2 图形显示程序

进行图形界面（GUI）的设计同样需要加载多媒体库 WindML，WindML 支持多线程和多任务，但图形的资源是一定的，为了防止多线程之间产生资源冲突，需要使用互斥信号量锁定资源。在使用一组绘图函数前，用 uglBatchStart（gc）通过互斥信号量锁定图形上下文， 图形设备及缓冲，并隐藏光标。绘图操作完成后，再用 uglBatchEnd（gc）释放被锁定的资源， 以被其他的绘图函数使用。以下根据 WindML 的编程流程，以绘制直线为例给出一个绘图 操作的程序：

{

UGL_GC_ID gc;

。..。..

uglInitialize（）; // 初始化

。..。..

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

&colorTable［GREEN］.uglColor， 1）; // 配置颜色

。..。..

gc= uglGcCreate（devId）; // 创建图形上下文

。..。..

uglBatchStart（gc）; // 锁定图形资源

uglForegroundColorSet（gc， colorTable［WHITE］.uglColor）; // 设置前景色 uglBackgroundColorSet（gc， colorTable［RED］.uglColor）; // 设置背景色 uglLineWidethSet（gc， 9）; // 设定线宽

uglLine（gc， 50）; // 绘制直线

uglBatchEnd（gc）; // 释放图形资源

。..。..

}

3.3 USB 驱动程序

VxWorks 操作系统的 USB 驱动模块由四层组成：USB Client 模块、USB 主驱动、USB主控制器驱动、USB 主控制器。最低层是 USB 主控制器（USB Host Controller），这是主系 统中控制每一个 USB 设备的硬件部分。对于每个主控制器都需要开发 USB 主控制器驱动程 序（HCD），HCD 对主控制器芯片进行了抽象，为上层软件屏蔽底层硬件之间的差异。USB 主驱动（USBD）和 HCD 之间的接口允许一个或多个底层主控制器。Wind River 的 USBD 能够同时连接多个 HCD。

USBD 是在 HCD 之上的独立于硬件的模块，它通过提供一组抽象的服务简化了程序员对上层 USB Client 模块的开发工作，即为 HCD 和 USB Client 两个模块之间的请求和相应提 供统一的标准接口。USB Client 模块位于结构图最上层，属于应用程序，根据具体应用的不 同，其内容和功能也不同，但都要实现与 USBD 的接口，对由 HCD 监测到并由 USBD 传送 给上层应用程序的 USB 标准要求作出适当的响应。

3.4 花样存储与管理程序

在花样存储系统中，花样文件是以一定的格式存入到系统内存的，所以文件的格式关系到系统能否识别花样。目前刺绣生产实际中流行的花样文件格式有四种：DST 格式、DSB格式、T01 格式和 T03 格式。

当不同格式的花样文件被读入到 FLASH 之后，需要对它们进行解析，转换成内部格式 的数据结构，同时对花样数据进行各种运算和处理，包括旋转、放大缩小、拉伸、镜像等。 花样处理过程就是系统调用接口函数实现处理任务。

3.5 串口通信程序

由于串口传输涉及到上位机 CPU 和下位机 CPU 之间的通信，因此作出命名约定：上位机 CPU 称为“左”侧，代码存放在以 left_*开头的文件中，下位机 CPU 称为“右”侧，代 码存放在以 right_*开头的文件中。串口模块结构大体可分为控制层、传输层和驱动程序， 串口传输层的作用在于向上层系统提供透明而高效的传输接口，用于两个 CPU 之间的数据 交互。

4 、结语

本文根据 ARM 处理器的选型原则，选择 LH7A404 和 LPC2214 为上下位机 CPU 芯片；将绣花机控制系统的硬件分为上位机和下位机两部分，在全面考虑系统功能需求的基础上，围绕已选定的上下位机 CPU 确定了硬件框架。详细设计了电源电路、复位电路、存储器接 口电路、键盘与显示电路等具体电路。然后按照上位机和下位机的层次构建了绣花机控制系 统的软件框架，以 VxWorks 操作系统为平台，在 Tornado 开发环境下设计了键盘输入、图形显示、USB 驱动、花样存储与管理等模块程序。