基于ARM和μC／OS-II的人造提花毛皮机控制系统

1 引言
    人造提花毛皮机是生产人造提花毛皮的针织机械。人造提花毛皮广泛用于服装、玩具、装饰等。随着人民生活水平的不断提高，市场对人造提花毛皮机的需求量也在大幅度上升。同时，对人造毛皮的质量标准也愈加严格，这就要求进一步提高人造
提花毛皮机的控制精度和工作效率。ARM处理器具备高性能、低功耗、低成本等优点，将其应用于人造提花毛皮机控制系统，可以提高人造提花毛皮机的处理速度和精度，结合μC／OS-II实时操作系统，实现实时控制，并简化设计系统软件。
    嵌入式的发展方向是32位内核，因此结合LCD显示及USB存储技术，设计基于ARM和μC／OS-II的人造提花机控制系统具有现实意义。

2 系统总体结构
    本系统主要由ARM微处理器、存储器、USB接口、步进电机控制、选针器控制、D／A转换电路和键盘及LCD显示等模块组成。系统启动后，微处理器根据设定的针筒转速参数、反馈针筒脉冲数以及梳理头密度参数来控制提花过程，不断检测断毛、断线
等自停信号，并根据反馈的针筒脉冲来统计产量和定长自停。USB接口模块主要用于输入花型数据等参数，LCD模块用于显示花型数据。串口通信模块用于实现与人造提花机主机的通讯。其系统总体结构框图如图1所示。

3 硬件电路设计
    在传统提花机的基础上，本系统更新了ARM模块、USB模块以及LCD显示模块，符合人造提花机的发展趋势,满足市场需求。
3．1 ARM微处理器系统
    ARM微处理系统用于管理整个提花控制过程。本系统采用Samsung公司的S3C44BOX微处理器。S3C244BOX微处理器采用ARM7TDMI内核，工作在66 MHz,集成有8 KB Cache、外部存储器控制器、LCD控制器、71个通用I／O端口、8个外部中断源等。此外，本系统采用专用复位器件IMP811实现准确、高效的复位。系统时钟采用外接10MHz和32．768 kHz的晶体振荡器同时工作，其中,10 MHz晶体振荡器经ARM内部PLL倍频转换为66 M：Hz。32．768 kHz晶体振荡器为ARM的RTC(实时时钟)计时。OMO经上拉电阻接高电平，OM1直接接地，确保OM[1：0]=01，从而确定nGCSO的总线宽度为16位。OM3，OM2同时接地，使得OM[3：2]=00，打开内部PLL模式。PLL-CAD外接700 pF的系统时钟环路电容；VDDRTC是RTC的电源接口，外接3 V电压，为电池供电，不支持3．3 V电压。VDD2外接2．5 V电压，为内核供电。ARM处理器基本系统电路如图2所示。

3．2 USB接口模块
    本系统采用USB接口技术，选用USB控制器SL811HS。SL811HS是Cypress公司可支持全速数据传输的USB控制器，可作为USB主机或作为设备的接口控制器：提供全速和低速两种USB总线速率：片上集成有SIE、单端口Hub、USB收发器以及256 Byte的RAM：3．3 V的工作电压；硬件自动产生帧起始包SOF和CRC5／16校验。采用S3C44BOX的nGCS5选通USB控制器SL811HS。SL811HS的其他
信号线与S3C344BOX的引脚对应相连。CPU可从外部U盘提取花型数据,具有即插即用功能，取代了传统提花机中的串口通信模块。USB接口硬件电路图如图3所示。

3．3 键盘及LCD显示模块
    本系统采用TLC-VCT256／14G型控制器，可控制640×480点阵彩色TFT液晶显示屏，显示256种颜色，实时效果好，CPU能随时写入显示存储器而不影响显示效果。

4 系统软件设计
    软件设计是指在μC／OS-II的支撑平台上设计各硬件模块电路的驱动程序，创建和启动多项任务,创建消息邮箱完成各任务间的通信，从而控制整个提花过程。
4．1 主程序设计
    程序启动后，跳转至主函数开始执行，调用函数ARMT argetInit()初始化ARM系统，包括：建立相关参数和变量，配置ARM处理器中断端口，设置中断，并初始化各个器件等。调用函数OSInit()初始化μC／OS-II操作系统。 调用函数OSTask Create
(Main_Task，(void*)0，(OS_STK*)&Main_Task_Stack[TASK_STACK_SIZE-1]，Main_Task_PRIO)，创建主任务，并在主任务中创建各分任务,完成整个系统控制。调用函数OSStait()，μC／OS-II开始运行,执行主任务。
4．2 各分任务设计
    分任务设计包括USB接口、步进电机控制、选针器控制、D／A转换电路、键盘LCD显示等模块。由于各任务间不完全独立，因此要创建信号量、消息邮箱、消息队列来完成任务间通信，该操作通过调用OSSemCreate()，OSM-boxCreate()，OSQGreate()函数完成。键盘扫描图分任务函数为OSTask Create (Task KEY，(void*)0,(OS_STK*)&Task_KEY_Stack[TASK_STACK_SIZE-1]，Task_KEY_PRIO)。创建其他任务函数，驱动对应硬件。而步进电机控制模块、选针器控制模块、D／A转换电路模块则延用传统提花机设计，在此不做介绍，以下主要介绍改进的键盘LCD显示和USB接口模块。
4．2．1 键盘及LCD显示
    键盘用于管理显示以及系统所需的其他操作。当LCD任务和读取任务都挂起,读取任务向LCD任务提供显示所必要的数据。各任务间的通信通过对应的信号量，消息队列和消息邮箱来完成,任务流程如图4所示。采用TLC-VCT256／14G控制器进行显示，编程简单。该控制器指令格式如表1所列。

    其中，D3为保留位，DISP为显示开关位，A16、A17、A18为第17、18、19位显示地址，CMD2、CMD1、CMD0为组合选择内部寄存器通道位“000”时为地址低8位寄存器，“001”时为地址高8位寄存器，“010”为数据读写通道，“100”’时为4页功能寄存器。
    对于LCD任务，首先创建LCD显示任务函数：OST askCreate(Task_LCD，(void*)0，(OS_STK*)&Task_LCD_Stac [TASK_STACK_SIZE-l]，Task_LCD_PRI-O)。任务挂起，等待读取任务发送的消息队列数据,收到消息队列后，LCD任务就绪，得到CPU控制权,先调用地址写入函数void write addr (U32 address)；再调用数据写入函数void write data(U8 color)；最后
调用具体显示函数实现屏幕显示，显示函数原型：void write_word(U16 rowi，U16 tier,U8 eolr1,U8 col-or2，U16 rel)。调用完成后返回，等待下一个消息的到来，以便执行下一环节的显示任务。
4．2．2 USB接口
    USB接口主要用于传输花型数据。USB任务与中断服务函数以及存储任务同步执行。USB插入后，产生中断，中断服务函数向USB任务发送OS-SemPost()信号量，告知USB任务CPU可与外部USB设备通信以及数据处理，USB任务接收该信号量后，获得CPU的控制权，开始执行相关函数。当读完USB设备中的数据后，需要将数据存储,进而向存储任务发送消息队列OSOPost()，存储任务开始把发送的数据进行存储。USB数据读取及存储任务流程如图5所示。

    创建USB通信任务函数：OSTaskCreate(Task-USB，(void*)0，(OS_STK*)&Task_USB_Stack[TASK_STACK_SIZE-1]，Task_USB_PRIO)。任务挂起，等待来自中断处理函数的信号量：设计USB中断处理函数(USB-INTRQ．C)负责发送设备命令，接收设备状态信息，配置设备，供给电源；设计USB枚举函数(USB_MU．C)实现硬件枚举；设计Mass Storage类设备的枚举函数(UJSB_MS．C)实现Mass Storage类协议中的命令操作，实现数据读取：设计FAT文件系统操作函数(USB_FAT．C)操作文件系统，对FAT表定位，搜索和读／写等操作；设计数据读取函数(DAT．C)，完成ARM处理器通过数据线，片选线及读／写控制线完成USBN9603数据的读取。当检测到USB设备接入(中断来临)时检测设备状态，响应设置命令,发送状态信息，发送数据报告,主机开始识别这个外接设备,在确定了该设备为USB Mass Storage类的基础上，主机得到USB闪存的介质信息和文件系统信息，实现文件打开和读写操作。

5 结束语
    人造提花毛皮机控制系统结合先进的ARM技术以及性能优越的μC／OS-II嵌入式实时操作系统，精度高，效率好。采用USB技术及LCD显示技术取代传统提花机中的串口通信和数码显示，符合当今市场发展趋势,因此本提花控制系统具备良好的应用前景。