基于WINCE的智能縫制設(shè)備嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

0 引言

隨著縫制設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)升級，綜合使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、運(yùn)動控制技術(shù)以及機(jī)電一體化技術(shù)的智能縫制設(shè)備已成為發(fā)展重點(diǎn)。該類設(shè)備均采用了以嵌入式軟硬件技術(shù)為主、集光機(jī)電氣控制技術(shù)為一體的智能控制系統(tǒng)，具有操作簡單的特點(diǎn)，能高效、精密地完成復(fù)雜的縫制任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)是知識產(chǎn)權(quán)的核心，也是傳統(tǒng)縫制設(shè)備信息化的改造關(guān)鍵。故對基于WINDOWS CE(簡稱為WINCE)的智能縫制設(shè)備嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定制與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

1 縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該類控制系統(tǒng)主要面向花樣機(jī)、開袋機(jī)等需要圖形操作界面的中高端縫制設(shè)備，能根據(jù)用戶預(yù)先編制好的縫制數(shù)據(jù)自動控制機(jī)電部件完成縫制任務(wù)。與低端設(shè)備的單CPU控制模式相比，該類系統(tǒng)采用多CPU并存的主從分布式結(jié)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)采用主控系統(tǒng)+運(yùn)動控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1。

基于功能的系統(tǒng)層次劃分使各子系統(tǒng)可分別采用滿足其自身需求的專用軟硬件，既簡化設(shè)計(jì)又保證性能。例如主控系統(tǒng)用于處理圖像顯示、文件管理、任務(wù)調(diào)度等，可采用較為通用的嵌入式軟硬件；而運(yùn)動控制子系統(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)動控制件及相關(guān)軟硬件技術(shù)?；谠擉w系結(jié)構(gòu)的縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)主要具有4個(gè)特點(diǎn)：1)主系統(tǒng)可采用X86、ARM等高性能嵌入處理器，運(yùn)動控制子系統(tǒng)采用專用控制芯片，如FPGA、CPLD等；2)主、從系統(tǒng)通過通信接口實(shí)時(shí)通信，協(xié)同完成縫制任務(wù)；3)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；4)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。

由于運(yùn)動控制系統(tǒng)主要解決基于專業(yè)硬件的多維高速插補(bǔ)運(yùn)動及相關(guān)控制問題，與主控系統(tǒng)松散耦合。因此，主要研究主控系統(tǒng)嵌入實(shí)時(shí)軟件平臺的定制、擴(kuò)展及其優(yōu)化技術(shù)等。

2 串縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

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、圖形界面、實(shí)時(shí)控制、特殊設(shè)備驅(qū)動等要求。綜合考慮系統(tǒng)的功能、研發(fā)成本及自主技術(shù)等因素，系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件選擇WINCE操作系統(tǒng)。

2.1 WINCE定制與優(yōu)化

1)內(nèi)核裁減。WINCE的內(nèi)核定制可以通過Platform Builder(以下簡稱PB)工具來完成。PB具有成熟的集成開發(fā)環(huán)境，包括一系列開發(fā)工具、上下文菜單、工具欄和快捷鍵。通過PB可以根據(jù)不同的硬件配置、不同的應(yīng)用場合來定制、剪裁WINCE.net操作系統(tǒng)，最終生成操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件。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、模塊實(shí)時(shí)加載、網(wǎng)絡(luò)化支持、串口通信、文件存儲與管理等功能，在裁減過程中需要支持核心運(yùn)行庫支持，C Librariesand Runtimes；顯示驅(qū)動支持，Geode／MediaGX；標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備(鼠標(biāo)鍵盤等)支持，Input Devices；USB總線支持，USB Host；文件系統(tǒng)支持，F(xiàn)at filesystem；串行通信支持，Serial等選項(xiàng)，并對其相關(guān)子項(xiàng)進(jìn)行細(xì)化。在裁減內(nèi)核的基礎(chǔ)上，通過對相關(guān)庫文件的裁減也可以減少系統(tǒng)所需存儲空間。另外，通過精簡、優(yōu)化系統(tǒng)，定制后系統(tǒng)的啟動時(shí)間也從通用WINCE系統(tǒng)的90多秒縮短到20秒左右(硬件平臺為500MHzCPU、128MB內(nèi)存的PC104板時(shí)，約需30s)。

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)對非通用硬件的驅(qū)動非常重要。目前，主要采用內(nèi)核模式和模塊模式方式來擴(kuò)展操作系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用內(nèi)核方式支持?jǐn)U展設(shè)備。在內(nèi)核模式下，每次添加新的軟件功能時(shí)均要求開發(fā)人員修改操作系統(tǒng)源碼并重新編譯、生成新的內(nèi)核。在核心態(tài)模塊中，依照WINCE系統(tǒng)的驅(qū)動模型，開發(fā)人員通過編程可以完成對特定設(shè)備I／O、中斷、時(shí)鐘等的驅(qū)動。實(shí)際應(yīng)用證明，基于該方式的WINCE內(nèi)核功能擴(kuò)展非常有效。

2.2 圖形化應(yīng)用平臺開發(fā)

圖形化應(yīng)用平臺基于eMbedded Visual C++4.0開發(fā)，為滿足輕量級、高可靠、可配置等要求，采用WIN32API組件開發(fā)，可在占用最少資源的情況下達(dá)到最大效率。在開發(fā)中運(yùn)用動態(tài)鏈接庫的方式，預(yù)留對擴(kuò)展功能的支持，實(shí)現(xiàn)了直觀、友好、易操作的圖形應(yīng)用界面。

2.3 基于CF卡的嵌入式系統(tǒng)平臺構(gòu)建

在完成操作系統(tǒng)定制及優(yōu)化的基礎(chǔ)上，需要對嵌入式軟硬件進(jìn)行整合。通過以下步驟完成所定制嵌入式軟件系統(tǒng)在目標(biāo)嵌入式硬件平臺的部署：1)創(chuàng)建文件系統(tǒng)；2)部署定制的嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；3)安裝啟動裝載程序；4)修改啟動配置文件。完成后的CF卡文件目錄如圖2。

3 結(jié)束語

所形成的嵌入式軟件平臺現(xiàn)已在新型智能縫制設(shè)備嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品SKS-A20801中得到應(yīng)用，證明該方法的技術(shù)路線可行。下一步，將結(jié)合嵌入式軟構(gòu)件等技術(shù)，開展可定制嵌入式軟件技術(shù)研究，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。