WinCE多線程下繡花機運動控制的實現(xiàn)

　　1 引言

　　繡花機在縫制設(shè)備行業(yè)中占有極其重要的位置，在國內(nèi)外都有廣闊的市場。國產(chǎn)繡花機在速度、噪聲、品質(zhì)和功能等方面與國外高檔機相比，存在著較大的差距，競爭優(yōu)勢較小，因此，加強繡花機的開發(fā)不僅是市場需求，更有助于提高民族產(chǎn)業(yè)，具有重要意義。目前隨著SOC、ARM、FPGA 與 CPLD 等嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以嵌入式系統(tǒng)為主的繡花機主控制器在國內(nèi)已占據(jù)了主流，具有較快處理速度的CPU 和多功能的模塊擴展使繡花機運動控制系統(tǒng)更加強大，但高速度、高精度和高智能化的發(fā)展方向給繡花機運動控制系統(tǒng)提出了更高的要求，在硬件的不斷完善基礎(chǔ)上，軟件的性能已成為評估系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項重要考核指標，也是繡花機開發(fā)的難點之一。

　　本文運動控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)是基于一種高速工業(yè)繡花機的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)以ARM9 處理器S3C2440 為CPU，結(jié)合CPLD 擴展模塊，主要功能是滿足繡花機在1200 轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下的實時性要求(目前國內(nèi)高速工業(yè)繡花機的主流轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分)，即在高速運轉(zhuǎn)完成自動繡花、剪線和換色等工作的同時，保證刺繡品質(zhì)和滿足一些人性化要求。對此文中提出了一種基于Windows CE5.0 多線程機制的繡花機運動控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案，該方案已應(yīng)用于自主開發(fā)的高速工業(yè)繡花機中，取得了較好的效果。

　　2 運動控制系統(tǒng)實時性要求及模塊分析

　　繡花機運動控制系統(tǒng)是強實時系統(tǒng)，系統(tǒng)所選擇的運行環(huán)境必須能及時響應(yīng)繡花機運動控制系統(tǒng)的實時性任務(wù)，如果系統(tǒng)響應(yīng)的實時性不夠，會導(dǎo)致繡花機在自動運行過程中出現(xiàn)斷續(xù)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。由于Windows CE 系統(tǒng)在界面、人機交互能力、多任務(wù)以及開放性等方面的優(yōu)勢，開發(fā)基于 Windows CE 的工控系統(tǒng)稱為一種趨勢。

　　Windows CE5.0 屬于實時性操作系統(tǒng)，在Windows CE5.0 系統(tǒng)中，合理應(yīng)用Windows CE 多線程技術(shù)來解決系統(tǒng)的實時多任務(wù)成為開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵。繡花機運動控制系統(tǒng)對各個電機以及其它模塊的實時性提出了很高的要求。Windows CE 多線程機制因其能同時執(zhí)行多項任務(wù)而能較好的滿足這一要求，同時結(jié)合采用有效的中斷方式來加強對實時性要求的實現(xiàn)。

　　根據(jù)運動控制系統(tǒng)的功能要求，整個系統(tǒng)主要分為以下幾個模塊：(1)主軸控制模塊，控制主軸電機運轉(zhuǎn)，帶動繡針上下移動。(2)XY 步進電機控制模塊，控制XY 步進電機，移動繡框。(3)剪線模塊，控制剪線電機，完成自動剪線操作。(4)換色模塊，控制換色電機，完成自動換色操作。(5)光電檢測模塊(A 相Z 相)，主軸電機旋轉(zhuǎn)位置及圈數(shù)的計數(shù)反饋。(6)限位處理模塊，防止步進電機移框時越位。(7)斷線檢測模塊，檢測繡針上的線是否斷掉。(8)報警模塊，繡花機異常狀態(tài)報警。各個模塊之間的通信關(guān)系如圖1 所示：

　　3 多線程技術(shù)在運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　Windows CE5.0 是一個多線程的多任務(wù)操作系統(tǒng)，一個進程由一個或多個線程組成，線程來負責(zé)執(zhí)行包含在進程地址空間的代碼。實際上，操作系統(tǒng)以一種輪轉(zhuǎn)的方式為每個獨立的線程分配CPU 時間片，客觀上是所有的線程近乎同時執(zhí)行。根據(jù)線程任務(wù)的特點，在進行運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將功能相關(guān)、相互之間通信較多的任務(wù)，設(shè)計成一個進程中的多個線程，使這些任務(wù)共享該進程的地址空間，減小通信和同步的開銷。本文設(shè)計中，就是根據(jù)這一機制實現(xiàn)的。

　　在整個繡花機系統(tǒng)中。運動控制部分為一個單獨的進程，在這個進程中根據(jù)圖1 中的各個模塊之間的關(guān)系，劃分處幾個線程，這些線程主要由兩個大的部分組成：強實時線程部分，包括主軸電機線程、步進電機線程、光電編碼器線程、限位中斷線程和斷線處理線程;實時線程部分，包括換色線程、剪線線程和報警線程。系統(tǒng)中的線程同步主要是針對強實時線程而言的，而實時線程是通過像調(diào)用函數(shù)一樣被調(diào)用來實現(xiàn)功能的。

　　3.1 多線程優(yōu)先級設(shè)置

　　在多線程系統(tǒng)中，由于高優(yōu)先級的線程能隨時中斷低優(yōu)先級的線程，獲得運行權(quán)，這樣在設(shè)計系統(tǒng)時就要精心安排各個線程的優(yōu)先級，只有合理的劃分應(yīng)用線程的優(yōu)先級，系統(tǒng)才能合理調(diào)度這些線程，從而保障系統(tǒng)的實時性能要求。

　　Windows CE5.0 支持0～255 共256 了優(yōu)先級，其中0 優(yōu)先級最高，255 優(yōu)先級最低。根據(jù)Windows CE 操作系統(tǒng)中的線程的優(yōu)先級層次安排，0～96 為高實時性程序的線程[2]，再結(jié)合繡花機整體系統(tǒng)的任務(wù)安排，運動控制系統(tǒng)部分的線程對象的優(yōu)先級也主要安排在這個層次。運動控制部分的線程任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)中的模塊來劃分，其內(nèi)容和優(yōu)先級安排如表1 所示：

　　為了設(shè)置和獲得一個線程的優(yōu)先級，在系統(tǒng)中可以使用CeSetThreadPriority()和CeGetThreadPriority()函數(shù)來實現(xiàn)。線程創(chuàng)建完其優(yōu)先級也被確定下來。

　　3.2 線程之間的協(xié)調(diào)與通信

　　在多線程系統(tǒng)中，同步不同線程的活動是很重要的。WindowsCE5.0 提供了多種方法來實現(xiàn)線程之間的協(xié)調(diào)和同步，有信號量(Semaphore)、臨界區(qū)(Critical Section)、事件(Event)、互斥體(Mutex)、對點的消息隊列等。各個方法都有各自的特點和適用的場合。在設(shè)計中的運動控制系統(tǒng)中，線程同步主要用的是事件和中斷來實現(xiàn)的。

　　3.2.1 事件Event 的應(yīng)用

　　事件是用的比較廣泛的同步對象，如果一個線程需要通知其它線程某個時間發(fā)生，可以使用事件(Event)同步對象，前一個線程給時間發(fā)送一個通知信號，其他對事件發(fā)生感興趣的線程一般調(diào)用等待函數(shù)在時間上等待。初始化線程將事件設(shè)置為無信號狀態(tài)后開始進行初始化。當初始化完成后，線程把事件設(shè)置為有信號態(tài)，通知下一個線程來完成余下的工作。在運動控制系統(tǒng)中主要定義了以下事件：

　　Event_EncoderA //編碼器A 相計數(shù)事件, 標志主軸電機所在位置(100°和220°)

　　Event_MotorX //X 軸電機移動事件，標志X 軸電機運行完。

　　Event_MotorY //Y 軸電機移動事件，標志Y軸電機運行完。

　　Event_EncoderZ //編碼器Z 相中斷事件，標志電機旋轉(zhuǎn)完一周。

　　Event_Limit //限位中斷事件，標志繡框越界。

　　事件創(chuàng)建采用CreateEvent()函數(shù)來實現(xiàn)，同時再創(chuàng)建好事件后要對其進行初始化。

　　3.2.2 運動控制系統(tǒng)中斷處理

　　在運動控制系統(tǒng)中，中斷處理是重要部分。事件的創(chuàng)建也是為中斷處理準備的，中斷響應(yīng)是根據(jù)事件觸發(fā)來實現(xiàn)的。中斷源的配置是由 Windows CE 中的OAL(OEM 適配層)操作的[3][5]，OAL 將物理中斷號映射成邏輯中斷號，并關(guān)聯(lián)具體的事件。實現(xiàn)方法如下面的兩個步驟：

　　(1)申請g_ Count1sysint 為IRQ_EINT8 的邏輯中斷號:KernelIoControl (IOCTL_HAL_REQUEST_SYSINTR,&IRQ_EINT8,sizeof(UINT32),&g_Count1sysint,sizeof(UINT32), NULL) ;

　　(2)邏輯中斷號g_ Count1sysint 關(guān)聯(lián)事件 Event_MotorX:InterruptInitialize(g_ Count1sysint，Event_MotorX ,0,0);同樣的操作對其它物理中斷號的邏輯中斷號進行申請和事件關(guān)聯(lián)。物理中斷、邏輯中斷、事件和線程之間的關(guān)系如圖2所示。

　　每個事件對應(yīng)系統(tǒng)中的一個中斷響應(yīng)，當事件被觸發(fā)時，根據(jù)事件類型和時間做相應(yīng)的處理。中斷處理線程是驅(qū)動程序編寫的關(guān)鍵，其效率的高低直接關(guān)系到系統(tǒng)的實時性性能。

　　3.2.3 線程通信的實現(xiàn)

　　運動控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)要緊密結(jié)合伺服電機的機械特性和繡花機各電機工作原理來完成，整個程序圍繞著主軸電機在轉(zhuǎn)一圈的過程中如何實現(xiàn)與其它模塊的通信協(xié)作來實現(xiàn)，主要包括電機在220°～100°(約240°) 之間可移動步進電機階段和在100°～220°(約120°)禁止步進電機階段，通過事件置位來響應(yīng)兩個階段中相關(guān)的中斷處理，實現(xiàn)各個線程之間同步。在整個的系統(tǒng)中，主軸電機運轉(zhuǎn)為軟件的主線程，線程運行過程中，通過中斷事件來等待、通知和調(diào)用其它線程，完成刺繡操作，主軸電機線程程序流程圖如圖3 所示，步進電機線程流程圖如圖4 所示:

　　主軸電機線程根據(jù)花樣文件的控制碼來確定剪線、換色、跳針和刺繡等運動方式，當為正常刺繡狀態(tài)時，主軸電機線程處于阻塞狀態(tài)，要等到 Event_MotorX 和Event_MotorY 兩個電機移動完事件置位后才可以移動主軸電機，同時在移動主軸電機過程中，由于光電編碼器線程的優(yōu)先級高于主軸電機線程，故可以響應(yīng)A 相編碼器中斷，置位事件Event_EncoderA(100°)和Event_EncoderA(220°)，可以觸發(fā)優(yōu)先級比主軸電機線程優(yōu)先級高的步進電機線程，完成220°～100°移動步進電機階段和在100°～220°禁止步進電機操作，之后步進電機線程中初始化Event_EncoderA (100°) 和Event_EncoderA (220°)， 置位Event_MotorX 和 Event_MotorY 事件通知主軸電機線程運行，而步進電機線程又回到了阻塞狀態(tài)，等待Event_EncoderA(100°)和 Event_EncoderA(220°)事件的置位，到此繡花機完成了刺繡一針的操作。在步進電機運行過程中，如果繡框越界，運動控制系統(tǒng)會響應(yīng)中斷，置位Event_Limit，執(zhí)行高優(yōu)先級的限位越界線程并報警。在主軸電機運行過程中，系統(tǒng)也會響應(yīng)斷線檢測中斷，如果斷線，也會進行報警處理。

　　4 試驗測試

　　文章中采用Windows CE5.0 多線程機制，完成了電腦繡花機運動控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，在這種體制下，使整合系統(tǒng)在控制、調(diào)度、通信和同步等方面都有較小的開銷，同時結(jié)合中斷，很好的滿足了系統(tǒng)的強實時性的要求，該方案已經(jīng)運用于到了自主開發(fā)的高速工業(yè)繡花機中。在試驗過程中我們可以看到，繡花機在正常工作的時候，啟動較快，在1200 轉(zhuǎn)/分高速運行時平穩(wěn)可靠且噪聲較小，并能夠精確的停車，在刺繡過程中，各個功能執(zhí)行比較協(xié)和，同時刺繡品質(zhì)和效率也有很大的提高，系統(tǒng)各方面性能都達到了預(yù)期目的。

　　5 結(jié)束語

　　本文的創(chuàng)新點在于將Windows CE5.0 的多線程機制與硬件中斷技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于強實時性要求的繡花機運動控制系統(tǒng)中，以最小的計算資源消耗實現(xiàn)了其預(yù)定的功能，在滿足系統(tǒng)實時性要求的同時，避免了資源浪費，提高系統(tǒng)軟件的運行效率。經(jīng)測試，表明繡花機高速運行時在響應(yīng)速度、控制精度、減少噪聲等方面性能有明顯的改善，有較高的工程價值。