基于飞利浦ARM7的触摸式人机界面的开发
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摘 要
触摸式人机界面又称触摸屏，它操作简便、可靠性高，在工控领域得到了广
泛的应用。工业级触摸式人机界面作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物，
对工业生产的发展起着非常重要的作用。
目前国内很多中小型自动化设备都没有配备触摸屏设备，主要的原因是目前
触摸屏的价格还是比较高，出于成本考虑，放弃触摸屏而采用传统的按钮和指示
灯来操作和监视系统。
本文描述了一种经济型工业级触摸式人机界面的设计开发过程，采用廉价的
飞利浦 ARM7 芯片来开发触摸式人机界面系统，不外扩 RAM 或Flash 存储器而完
全采用 ARM 处理器片内存储器来完成触摸式人机界面系统的开发，利用芯片自带
的A/D 转换器对触摸点信号进行转换，简化了系统结构，提高了系统的稳定性。
本文对其总体方案、硬件和电路设计、系统软件的设计思想和实现过程进行了详
尽的阐述，并详细分析了各个器件的性能、时序与实际应用。
最后本文结合触摸式人机界面在实际项目中的具体应用，对本系统的应用情
况进行了介绍。并且客观的评价了本系统的实际水平，同时也指出了系统中存在
的不足之处，并展望了该系统的未来发展趋势。
本文提出了一种低成本经济型工业级触摸式人机界面的开发思路，并为国内
类似方面的研究开发提供了有价值的参考、借鉴。
关键词： 人机界面 触摸屏 嵌入式系统 工业控制
ABSTRACT
Touch Human Machine Interface, also knows as Touch Panel, which is widely
applicated in Industrial fields for the simple operation and high reliability. Industrial
Touch Human Machine Interface systems,as the product of the industrial age and the
development of embedded computer technology are playing very important roles in the
development of the industrial production.
Many small and medium-sized domestic automation equipment is not equipped
with Touch-Panel equipment at present, The main reason is the expensive price.
Traditional button and indicator lights are still being used to operate and Monitor systems
instead of Touch Panel for the cost reason.
The development of a kind of economical industrial-grade Touch Human Machine
Interface system is described in this paper..The cheap Philips ARM7 chip is used to
develop Touch Human Machine Interface system. We completely use the memory in
ARM processor chip to develope Touch Human Machine Interface system without
external ram or flash memory, which simplified the system architecture and improved
the stability.of the system.In this paper,we give the overall program of the system, the
design of the hardware and circuit, the design concepts of the system software, and the
achieving process a detailed statement, and the detailed analysis of the performance of
various devices, the timing and the practical application.
In the end,the applicated conditions are introducted according to the specific
application in practical projects.The actual design level of the system is evaluated in this
paper, the existing shortage of the system is pointed out and we give the prospect of the
system’s future development trend.
This paper presents a development idea of a type of low-cost, economical
industrial-grade Touch Human Machine Interface system, and provides a valuable
reference for the research and development of the domestic similar aspects.
Key word: Human Machine Interface ，Touch Panel ，Embedded
System，Industrial Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................1
§1.1 触摸式人机界面介绍 .......................................................................................... 1
§1.2 课题产生的背景和意义 ...................................................................................... 2
§1.3 课题的主要内容 .................................................................................................. 3
§1.4 本章小结 .............................................................................................................. 4
第二章 触摸式人机界面的总体设计方案.....................................................................5
§2.1 触摸式人机界面系统的硬件主要组成及总体结构 .......................................... 5
§2.2 触摸式人机界面的主要部件介绍 ...................................................................... 5
§2.2.1 微处理器........................................................................................................5
§2.2.2 液晶显示模块................................................................................................7
§2.2.3 触摸屏模块....................................................................................................9
§2.2.4 移动存储器模块..........................................................................................11
§2.3 触摸式人机界面系统的软件结构及主要组成 ................................................ 12
§2.4 触摸式人机界面系统的画面色彩配置方案 .................................................... 12
§2.5 本章小结 ............................................................................................................ 13
第三章 触摸式人机界面系统的硬件设计...................................................................14
§3.1 触摸式人机界面系统的硬件组成 .................................................................... 14
§3.2 系统电源电路 .................................................................................................... 15
§3.3 LPC2148 核心系统设计 .....................................................................................16
§3.3.1 系统复位电路..............................................................................................17
§3.3.2 时钟电路......................................................................................................17
§3.3.3 JTAG 调试电路 ............................................................................................17
§3.3.4 串口下载电路..............................................................................................18
§3.4 片内 FLASH 结构和编程方法..........................................................................19
§3.4.1 JTAG 编程 ....................................................................................................19
§3.4.2 在系统编程 ISP (In System Programming) ................................................ 19
§3.4.3 在应用编程 IAP (In Application Programming) ........................................ 20
§3.5 液晶显示器的原理及接口分析 ........................................................................ 21
§3.5.1 液晶显示器的显示原理..............................................................................21
§3.5.2 液晶显示接口和控制时序分析..................................................................22
§3.6 触摸屏接口电路设计和控制介绍 .................................................................... 25
§3.6.1 触摸屏控制原理与接口分析......................................................................25
§3.6.2 触摸屏信号读取控制流程..........................................................................27
§3.7 SD 卡及其硬件设计 ........................................................................................... 28
§3.7.1 SD 卡的基本结构 ........................................................................................ 28
§3.7.2 SD 卡的管脚说明 ........................................................................................ 29
§3.7.3 SD 卡的内部寄存器 .................................................................................... 29
§3.7.4 SD 卡两种总线模式的选择与接口电路设计 ............................................ 29
§3.8 串行通信电路设计及其应用分析 .................................................................... 32
§3.8.1 串行通信总线标准接口简介......................................................................32
§3.8.2 RS232 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................33
§3.8.3 RS422 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................34
§3.8.4 RS485 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................35
§3.9 本章小结 ............................................................................................................ 35
第四章 触摸式人机界面系统的软件设计...................................................................37
§4.1 上位机组态软件简介 ........................................................................................ 37
§4.2 触摸式人机界面的主程序流程 ........................................................................ 38
§4.3 触摸式人机界面与上位机的数据交换 ............................................................ 40
§4.3.1 画面信息的编译格式..................................................................................40
§4.3.2 画面信息的下载格式..................................................................................43
§4.3.3 画面内容编译和解码的实现......................................................................44
§4.4 触摸式人机界面与下位机的数据交换 ............................................................ 47
§4.4.1 触摸式人机界面与 PLC 的通信 ................................................................ 47
§4.4.2 触摸式人机界面与单片机系统的通信......................................................50
§4.5 自定义小字库软件设计 .................................................................................... 52
§4.5.1 字库基本介绍..............................................................................................52
§4.5.2 自定义小字库的建立和结构......................................................................54
§4.5.3 自定义小字库的特点和使用方法..............................................................57
§4.6 SD 卡的驱动设计 ............................................................................................... 57
§4.6.1 单字节传输..................................................................................................57
§4.6.2 SD 卡上电初始化过程 ................................................................................ 58
§4.6.3 SD 卡的读写操作流程 ................................................................................ 59
§4.7 SD 卡嵌入式文件系统设计与实现 ................................................................... 59
§4.7.1 SD 卡驱动层 ................................................................................................ 60
§4.7.2 FAT16 文件系统层 ...................................................................................... 61
§4.8 用户程序在线升级功能的设计 ........................................................................ 64
§4.8.1 程序代码存储区分配..................................................................................65
§4.8.2 IAP 编程接口............................................................................................... 66
§4.8.3 程序的编译链接..........................................................................................67
§4.8.4 用户程序升级流程......................................................................................67
§4.9 本章小结 ............................................................................................................ 69
第五章 触摸式人机界面在项目中的应用...................................................................70
§5.1 SM25 型数控胶辊外圆磨床简介 ...................................................................... 70
§5.2 数控胶辊外圆磨床控制系统的设计 ................................................................ 71
§5.3 人机交互画面的设计和功能实现 .................................................................... 74
§5.4 本章小结 ............................................................................................................ 76
第六章 总结与展望.......................................................................................................77
§6.1 全文总结 ............................................................................................................ 77
§6.2 前景展望与发展趋势 ........................................................................................ 78
参考文献.........................................................................................................................79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................82
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
随着自动控制技术的发展，用户对系统的控制要求也越来越高。为了便于用
户对整个系统的操作与监视，人机界面开始应用于工业控制各个领域，它己成为
控制系统重要的组成部分[1]。传统的工业控制系统一般使用按钮和指示灯来操作和
监控系统，但很难实现系统工艺参数的现场设置和修改，也不方便对整个系统的
集中监控。人机界面的主要功能就是取代传统的控制面板和显示仪表，通过与控
制单元（如 PLC）通讯，实现人与控制系统的信息交换，更方便地实现对整个系
统的操作与监控。人机界面由于具有操作简便、界面美观、人机交互性好等优点，
在控制领域得到了广泛的应用。
§1.1 触摸式人机界面介绍
人们对“人机界面”这个词一点都不陌生。在社会的各行各业，只要跟机器
打交道，就离不开人机界面，人们只有通过人机界面才能与机器沟通。举一个非
常简单的例子，普通铣床的控制面板就是它的人机界面，操作人员通过控制面板
上的按钮或者手柄来控制铣床的工作。从计算机诞生的那一天起，计算机人机界
面也就应运而生。人机界面（HMI，Human Machine Interface），又称用户界面、
人机交互、人机接口等，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用
计算机系统的综合操作环境。通过人机界面，用户向计算机系统提供命令、数据
等信息，这些信息经过计算机系统处理后，又通过人机界面把产生的输出信息回
送给用户。计算机人机界面集中体现了计算机系统的输入输出功能，以及用户对
系统的各个部件进行操作的控制功能。现在最常用的计算机人机界面是由显示器
显示用户需要的各种数据（包括数字、文字和图形），用户通过鼠标和键盘来控制
计算机的工作。这些技术虽然非常成熟，但它们并不一定适合所有的工作环境，
也不一定能被所有的用户尽快接受。在计算机技术刚刚开始应用的时候，它的用
户都是专业的计算机人员，随着计算机技术的发展和普及，它的用户逐渐向非专
业人员方向发展。这就对人机界面的使用简单性提出了更高的要求。
触摸屏（Touch Panel）技术是随着计算机技术的发展,为了满足非专业计算机
用户操作计算机的需要而逐渐成熟与发展起来的。触摸屏技术是计算机的一种输
入技术，由用户通过显示屏输入信息以实现对计算机的控制。从计算机与人组成
的人机系统来讲，触摸屏是一种交互输入设备。计算机的交互输入设备很多，例
如键盘、鼠标器、跟踪球、操纵杆、数字化输入板等，但它们都是为专业人员或
具有一定计算机基础的用户提供的。触摸屏技术则是面向非计算机专业人员或没
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摘要触摸式人机界面又称触摸屏，它操作简便、可靠性高，在工控领域得到了广泛的应用。工业级触摸式人机界面作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物，对工业生产的发展起着非常重要的作用。目前国内很多中小型自动化设备都没有配备触摸屏设备，主要的原因是目前触摸屏的价格还是比较高，出于成本考虑，放弃触摸屏而采用传统的按钮和指示灯来操作和监视系统。本文描述了一种经济型工业级触摸式人机界面的设计开发过程，采用廉价的飞利浦ARM7芯片来开发触摸式人机界面系统，不外扩RAM或Flash存储器而完全采用ARM处理器片内存储器来完成触摸式人机界面系统的开发，利用芯片自带的A/D转换器对触摸点信号进行转换，简化了系统结构...
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