智能縫制設(shè)備嵌入實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)的定制與實(shí)現(xiàn)

摘 要：依據(jù)智能縫制設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用特點(diǎn)，首先分析了面向智能縫制設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了基于Linux開(kāi)發(fā)面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化嵌入實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)和方法。目前，基于該方法所實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件平臺(tái)已被成功應(yīng)用于新型的電子花樣縫紉機(jī)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；RT-Linux；MiniGUI；定制；智能縫制設(shè)備

中圖法分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001—3695(2007)02—0279—02

隨著嵌入式軟硬件技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，縫制設(shè)備業(yè)已開(kāi)始進(jìn)入以數(shù)字化、智能化為特征的新階段。近年來(lái)，諸多縫制設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出系列化的、具有信息化特點(diǎn)的縫制設(shè)備。該類產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)在于允許用戶通過(guò)簡(jiǎn)單操作，高效、精密地完成更為復(fù)雜的縫制任務(wù)。同時(shí)，其技術(shù)特點(diǎn)在于產(chǎn)品均采用了以嵌入式軟硬件技術(shù)為主的、集光機(jī)電氣控制技術(shù)為一體的智能控制系統(tǒng)。

1 縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

面向花樣機(jī)、繡花機(jī)等中高端縫制設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)是該類設(shè)備智能化技術(shù)的核心與關(guān)鍵，它能夠根據(jù)用戶的控制指令處理數(shù)據(jù)并自動(dòng)控制機(jī)電部件完成縫制任務(wù)。與低端設(shè)備的單控制模式相比，該類系統(tǒng)通常采用多控制系統(tǒng)并存的主從分布式結(jié)構(gòu)。本文所研究的嵌入式系統(tǒng)采用了主控系統(tǒng)＋機(jī)電控制子系統(tǒng)的松耦合體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

基于功能的系統(tǒng)層次劃分使得各子系統(tǒng)可分別采用滿足其自身需求的專用軟硬件成為可能，既簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)又保證性能。例如主控系統(tǒng)用于可視化數(shù)據(jù)處理、任務(wù)控制等，可以采用較為通用的嵌入式軟硬件；而機(jī)電控制子系統(tǒng)主要是接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)控制機(jī)電部件，因此需要采用專業(yè)化運(yùn)動(dòng)控制件及相關(guān)軟硬件技術(shù)。總體上，基于該體系結(jié)構(gòu)的縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)具有五個(gè)特點(diǎn)：①支持一主多從的點(diǎn)到多點(diǎn)控制模式；②主系統(tǒng)可采用ARM，PowerPC等高性能嵌入處理器，機(jī)電控制子系統(tǒng)基于專用矢量化協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制部件設(shè)計(jì)；③主、從系統(tǒng)通過(guò)通信接口及熱線實(shí)時(shí)通信，協(xié)同完成縫制任務(wù)；④主系統(tǒng)采用嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)軟件平臺(tái)，支持更為強(qiáng)大、靈活的應(yīng)用；⑤主系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)化、圖形化數(shù)據(jù)加載與縫制任務(wù)管理等。

由于機(jī)電控制系統(tǒng)主要解決基于專業(yè)硬件的多維高速插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)及相關(guān)控制問(wèn)題，與主控系統(tǒng)松散耦合。因此，本文將主要研究主控系統(tǒng)嵌入實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)的定制、擴(kuò)展及其優(yōu)化技術(shù)等。

2 嵌入式軟件平臺(tái)定制

智能縫制設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)除了體積小、資源受限等特點(diǎn)外，還需要滿足快速啟動(dòng)、圖形界面、實(shí)時(shí)控制、特殊設(shè)備驅(qū)動(dòng)等要求。綜合考慮系統(tǒng)的功能、研發(fā)成本及自主技術(shù)等因素，本系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件選擇了開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)分析和研究基于通用Linux定制嵌入實(shí)時(shí)內(nèi)核的關(guān)鍵技術(shù)和方法，并以Linux 2.4.20內(nèi)核等作為定制對(duì)象。

2.1 嵌入式Linux定制與優(yōu)化

(1)內(nèi)核裁減。Linux內(nèi)核的裁減非常方便，Linux操作系統(tǒng)自帶多種內(nèi)核配置工具，通過(guò)Make config，Make menuconfig和Make xconfig等命令可以快速啟動(dòng)字符或圖形模式的內(nèi)核定制程序。因此，內(nèi)核裁減的主要工作在于確定應(yīng)用需求，并完成應(yīng)用需求與內(nèi)核選項(xiàng)的映射。

根據(jù)縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的圖形化啟動(dòng)、模塊實(shí)時(shí)加載、網(wǎng)絡(luò)化支持、串口通信、文件存儲(chǔ)與管理、自動(dòng)關(guān)機(jī)等功能，在裁減過(guò)程中需要支持Loadable Module Support，Block Devices，Networking Options，ATA/IDE Support，Network Device Support，F(xiàn)ile Systems，Console Drivers->Frame-Buffer Support，USB Support，Power Management Options等選項(xiàng)，并對(duì)其相關(guān)子項(xiàng)進(jìn)行細(xì)化。 在裁減內(nèi)核的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)庫(kù)文件的裁減也可以減少系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間。另外，通過(guò)精簡(jiǎn)、優(yōu)化系統(tǒng)，定制后系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間也從通用Linux系統(tǒng)的九十多秒縮短到十秒左右（硬件平臺(tái)為1GHz、256MB內(nèi)存的PC104板時(shí)，非網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)啟動(dòng)約需6s，網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)約需11s）。

(2)功能擴(kuò)展。縫制設(shè)備集光機(jī)電氣等多種技術(shù)于一體，外圍I/O設(shè)備種類豐富，因此擴(kuò)展操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對(duì)非通用硬件的驅(qū)動(dòng)就非常重要。目前，主要采用兩種方式來(lái)擴(kuò)展操作系統(tǒng)，即內(nèi)核模式和模塊模式。內(nèi)核模式下，每次添加新的軟件功能時(shí)均要求開(kāi)發(fā)人員修改操作系統(tǒng)源碼并重新編譯、生成新的內(nèi)核；模塊模式下，新的軟件單元被設(shè)計(jì)成與操作系統(tǒng)內(nèi)核相對(duì)獨(dú)立的模塊，并由操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地加載或卸載，當(dāng)然，應(yīng)用該模式的前提在于要啟動(dòng)內(nèi)核的相關(guān)選項(xiàng)支持。考慮應(yīng)用的擴(kuò)展性，本系統(tǒng)主要采用了后一種模式。Linux平臺(tái)本身已經(jīng)提供了init_module( )，cleanup_module( ) 等模塊操作相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，這使得設(shè)計(jì)內(nèi)核模塊就更為容易。在核心態(tài)模塊中，依照Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模型，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)編程可以完成對(duì)特定設(shè)備I/O、中斷、時(shí)鐘等的驅(qū)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用證明，基于該方式的Linux內(nèi)核功能擴(kuò)展是非常有效的。

另外，對(duì)于該類產(chǎn)品而言，直觀、友好、易操作的圖形應(yīng)用界面非常重要，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用的兩級(jí)圖形化支持。在系統(tǒng)級(jí)，通過(guò)擴(kuò)展操作系統(tǒng)的內(nèi)核源碼實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)引導(dǎo)過(guò)程的圖形化。基于操作系統(tǒng)的FrameBuffer引導(dǎo)模式，筆者采用Bootsplash 3.0.7擴(kuò)展軟件包實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化的系統(tǒng)啟動(dòng)界面。在應(yīng)用級(jí)則主要是通過(guò)在操作系統(tǒng)平臺(tái)上架構(gòu)嵌入式圖形庫(kù)來(lái)提供對(duì)應(yīng)用軟件圖形化的支持。

(3)實(shí)時(shí)化改造。通用Linux是一個(gè)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，常常導(dǎo)致主要任務(wù)不能被及時(shí)運(yùn)行。在本應(yīng)用中，直接導(dǎo)致的問(wèn)題就是縫制速度上不去、縫制過(guò)程不平滑，快速縫制時(shí)出現(xiàn)周期性停頓。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和研究可知，這主要是由Linux內(nèi)核的非實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、粗粒度時(shí)鐘等機(jī)制直接引起的。

因此，Linux實(shí)時(shí)化改造主要應(yīng)該解決如何保證實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行、如何保證實(shí)時(shí)任務(wù)能夠按需實(shí)時(shí)使用處理部件等問(wèn)題。Linux的實(shí)時(shí)優(yōu)化可通過(guò)改造Linux中斷管理機(jī)制、進(jìn)程搶占機(jī)制、進(jìn)程調(diào)度機(jī)制及時(shí)鐘粒度等方法實(shí)現(xiàn)。目前較為典型的實(shí)時(shí)化技術(shù)有兩種，即基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的外部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展和基于內(nèi)核源碼實(shí)時(shí)化重構(gòu)的內(nèi)部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展。相比而言，后一種方法較為復(fù)雜，研發(fā)周期長(zhǎng)。

外部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展主要是在硬件中斷與通用Linux內(nèi)核之間增加實(shí)時(shí)內(nèi)核。實(shí)時(shí)內(nèi)核的硬件中斷接收處于常開(kāi)狀態(tài)，解決了通用Linux內(nèi)核中關(guān)中斷引起的中斷等待及中斷丟失問(wèn)題。因此，當(dāng)中斷信號(hào)需要實(shí)時(shí)進(jìn)程來(lái)處理時(shí)，該進(jìn)程可以實(shí)時(shí)搶占Linux內(nèi)核，從而保證實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先執(zhí)行。對(duì)于界面維護(hù)進(jìn)程等非實(shí)時(shí)任務(wù)，則只能在無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)被調(diào)度，且可被實(shí)時(shí)任務(wù)中斷。值得注意的是，實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)該在其處于通信阻塞等非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)適時(shí)地主動(dòng)釋放CPU，以保證非實(shí)時(shí)任務(wù)有機(jī)會(huì)得以調(diào)度，這在實(shí)際系統(tǒng)中非常重要。

本文所采用的基于Linux和RT-Linux架構(gòu)的嵌入實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)如圖2所示。其中，界面控制等非實(shí)時(shí)任務(wù)和縫制控制等實(shí)時(shí)任務(wù)之間分別采用DataFIFO（/dev/rtf0），CmdFIFO（/dev/rtf1）和ReplyFIFO（/dev/rtf2）三個(gè)實(shí)時(shí)FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)分別在核心態(tài)和用戶態(tài)運(yùn)行。

2.2 圖形化應(yīng)用平臺(tái)擴(kuò)展

圖形化應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)的關(guān)鍵是選擇適合應(yīng)用的、便于集成和使用的嵌入式圖形庫(kù)。對(duì)于縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)而言，它仍然要求圖形系統(tǒng)要滿足輕量級(jí)、高可靠、可配置等要求。目前，Qt/Embedded，MicroWindow，MiniGUI等嵌入式圖形庫(kù)已成為應(yīng)用的主流，其軟件特性如表1所示。

由表1可知，MiniGUI系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)有：①硬件性能要求低；②體積小、資源消耗少；③靈活的窗口機(jī)制和控件管理機(jī)制；④Win32風(fēng)格的API；⑤多任務(wù)支持；⑥多字符集和多字體支持；⑦

源碼開(kāi)放、易于擴(kuò)展等。

可見(jiàn)，MiniGUI的功能和性能能夠很好地滿足縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用需求;同時(shí)，MiniGUI提供的輸入抽象層（IAL）機(jī)制非常便于開(kāi)發(fā)人員對(duì)輸入方式進(jìn)行擴(kuò)展。本研究中，通過(guò)對(duì)MiniGUI 1.3.0的定制和擴(kuò)展，在構(gòu)建精簡(jiǎn)圖形化應(yīng)用環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MiniGUI對(duì)觸摸屏輸入的支持。

2.3 基于CF卡的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

在完成操作系統(tǒng)定制及優(yōu)化的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)嵌入式軟硬件進(jìn)行整合。筆者通過(guò)以下步驟完成了所定制嵌入式軟件系統(tǒng)在目標(biāo)嵌入式硬件平臺(tái)的部署：創(chuàng)建文件系統(tǒng)；部署定制的嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；架構(gòu)精簡(jiǎn)的嵌入式圖形庫(kù)；安裝啟動(dòng)裝載程序；修改啟動(dòng)配置文件；部署應(yīng)用軟件。

本研究所形成的嵌入式軟件平臺(tái)現(xiàn)已在新型智能縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品NPU-ECS-36-68(圖3)中得到應(yīng)用。

圖3 縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)

3 結(jié)論與展望

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是傳統(tǒng)縫制設(shè)備信息化改造的技術(shù)關(guān)鍵，同時(shí)也是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心。本文重點(diǎn)研究了基于Linux構(gòu)建面向領(lǐng)域的嵌入實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了一個(gè)縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)，這也說(shuō)明所研究技術(shù)路線及所采用方法是可行的。在下一步的研究工作中，我們將結(jié)合嵌入式軟構(gòu)件等技術(shù)開(kāi)展可定制嵌入式軟件技術(shù)研究，進(jìn)而形成滿足特定領(lǐng)域系列化產(chǎn)品需求的可定制嵌入式軟件平臺(tái)。

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