基于WINCE的智能缝制设备嵌入实时操作系统

0 引言

随着缝制设备生产企业的技术升级，综合使用嵌入式系统技术、运动控制技术以及机电一体化技术的智能缝制设备已成为发展重点。该类设备均采用了以嵌入式软硬件技术为主、集光机电气控制技术为一体的智能控制系统，具有操作简单的特点，能高效、精密地完成复杂的缝制任务。由于嵌入式系统是知识产权的核心，也是传统缝制设备信息化的改造关键。故对基于WINDOWS CE(简称为WINCE)的智能缝制设备嵌入实时操作系统的定制与实现进行研究。

1 缝制设备嵌入式系统体系结构

该类控制系统主要面向花样机、开袋机等需要图形操作界面的中高端缝制设备，能根据用户预先编制好的缝制数据自动控制机电部件完成缝制任务。与低端设备的单CPU控制模式相比，该类系统采用多CPU并存的主从分布式结构。嵌入式系统采用主控系统+运动控制子系统的结构，如图1。

基于功能的系统层次划分使各子系统可分别采用满足其自身需求的专用软硬件，既简化设计又保证性能。例如主控系统用于处理图像显示、文件管理、任务调度等，可采用较为通用的嵌入式软硬件；而运动控制子系统主要是接收数据并实时控制机电部件，因此需要采用专业化运动控制件及相关软硬件技术。基于该体系结构的缝制设备嵌入式系统主要具有4个特点：1)主系统可采用X86、ARM等高性能嵌入处理器，运动控制子系统采用专用控制芯片，如FPGA、CPLD等；2)主、从系统通过通信接口实时通信，协同完成缝制任务；3)主系统采用嵌入实时操作系统作为基础软件平台；4)主系统支持网络化、图形化数据加载与缝制任务管理等。

由于运动控制系统主要解决基于专业硬件的多维高速插补运动及相关控制问题，与主控系统松散耦合。因此，主要研究主控系统嵌入实时软件平台的定制、扩展及其优化技术等。

2 串缝制设备嵌入式系统体系结构

智能缝制设备的嵌入式系统除了体积小、资源受限等特点外，还需要满足快速启动、图形界面、实时控制、特殊设备驱动等要求。综合考虑系统的功能、研发成本及自主技术等因素，系统基础软件选择WINCE操作系统。

2.1 WINCE定制与优化

1)内核裁减。WINCE的内核定制可以通过Platform Builder(以下简称PB)工具来完成。PB具有成熟的集成开发环境，包括一系列开发工具、上下文菜单、工具栏和快捷键。通过PB可以根据不同的硬件配置、不同的应用场合来定制、剪裁WINCE.net操作系统，最终生成操作系统内核镜像文件。因此，内核裁减的主要工作在于确定应用需求，并完成应用需求与内核选项的映射。根据缝制设备嵌入式系统的图形化启动、模块实时加载、网络化支持、串口通信、文件存储与管理等功能，在裁减过程中需要支持核心运行库支持，C Librariesand Runtimes；显示驱动支持，Geode／MediaGX；标准输入设备(鼠标键盘等)支持，Input Devices；USB总线支持，USB Host；文件系统支持，Fat filesystem；串行通信支持，Serial等选项，并对其相关子项进行细化。在裁减内核的基础上，通过对相关库文件的裁减也可以减少系统所需存储空间。另外，通过精简、优化系统，定制后系统的启动时间也从通用WINCE系统的90多秒缩短到20秒左右(硬件平台为500MHzCPU、128MB内存的PC104板时，约需30s)。

2)功能扩展。缝制设备集光机电气等多种技术于一体，外围I／O设备种类丰富，因此扩展操作系统内核实现对非通用硬件的驱动非常重要。目前，主要采用内核模式和模块模式方式来扩展操作系统。为提高系统稳定性，采用内核方式支持扩展设备。在内核模式下，每次添加新的软件功能时均要求开发人员修改操作系统源码并重新编译、生成新的内核。在核心态模块中，依照WINCE系统的驱动模型，开发人员通过编程可以完成对特定设备I／O、中断、时钟等的驱动。实际应用证明，基于该方式的WINCE内核功能扩展非常有效。

2.2 图形化应用平台开发

图形化应用平台基于eMbedded Visual C++4.0开发，为满足轻量级、高可靠、可配置等要求，采用WIN32API组件开发，可在占用最少资源的情况下达到最大效率。在开发中运用动态链接库的方式，预留对扩展功能的支持，实现了直观、友好、易操作的图形应用界面。

2.3 基于CF卡的嵌入式系统平台构建

在完成操作系统定制及优化的基础上，需要对嵌入式软硬件进行整合。通过以下步骤完成所定制嵌入式软件系统在目标嵌入式硬件平台的部署：1)创建文件系统；2)部署定制的嵌入实时操作系统；3)安装启动装载程序；4)修改启动配置文件。完成后的CF卡文件目录如图2。

3 结束语

所形成的嵌入式软件平台现已在新型智能缝制设备嵌入式系统产品SKS-A20801中得到应用，证明该方法的技术路线可行。下一步，将结合嵌入式软构件等技术，开展可定制嵌入式软件技术研究，形成满足特定领域系列化产品需求的可定制嵌入式软件平台。