工控级触摸式人机界面硬件电路及其系统软件的开发

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.4MB 66 页 15积分
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目 录
第一章 概述..............................................................................................................1
1.1 课题产生的背景及其意义..........................................................................1
1.2 课题的主要内容..........................................................................................2
1.2.1 本课题的主要任务...............................................................................2
1.2.2 本课题在实际中的应用.......................................................................2
第二章 总体方案设计..............................................................................................4
2.1 触摸式人机界面系统的主要组成及其结构框图......................................5
2.2 系统主要组成的技术要求及其选择方案..................................................5
2.2.1 液晶显示器的选择及其性能简介.......................................................5
2.2.2 触摸屏的选择及其性能简介...............................................................6
2.2.3 液晶显示控制器的选择及其性能简介...............................................7
2.2.4 触摸屏控制器的选择及其性能简介...................................................8
2.2.5 微控制器（MCU）的选择 ................................................................. 9
2.2.6 系统的供电电源设计...........................................................................9
2.3 系统其它功能要求及其实现....................................................................10
2.4 触摸式人机界面系统硬件电路方案的确定............................................11
2.4.1 硬件电路的方案讨论.........................................................................11
2.4.2 可编程逻辑器件的选择.....................................................................11
2.5 触摸式人机界面系统软件方案的确定....................................................12
第三章 触摸式人机界面系统硬件电路设计........................................................14
3.1 触摸式人机界面系统的硬件组成及其接口技术....................................14
3.2 液晶显示控制器的接口技术及其应用分析............................................16
3.2.1 MSM6255 液晶显示控制器的接口形式分析 .................................. 16
3.2.2 MSM6255 的实际应用分析 .............................................................. 18
3.3 显示存储器的接口技术及其应用分析....................................................20
3.3.1 显示存储器简介.................................................................................20
3.3.2 显示存储器的管理类型简介.............................................................20
3.3.3 实际应用问题及其分析.....................................................................21
3.4 触摸屏控制器原理简介及其应用分析....................................................21
3.4.1 ADS7843 的工作原理简介[10] [22] ...................................................... 21
3.4.2 ADS7843 的控制字及数据传输格式................................................22
3.4.3 ADS7843 的笔中断控制及程序设计................................................23
3.4.4 ADS7843 转换结果的数据处理分析................................................24
3.5 闪速存储器的接口技术及其应用分析....................................................24
3.5.1 概述.....................................................................................................24
3.5.2 单片机与闪速存储器硬件接口的关键技术分析[29] ........................ 25
3.5.3 单片机与闪速存储器程序设计的关键技术分析[29] ........................ 26
3.5.4 闪速存储器的确定.............................................................................27
3.5.5 MBM29F080A 非易失性闪速存储器的工作特性分析[18] .............. 28
3.6 串行通信电路设计及其应用分析............................................................29
3.6.1 串行通信总线标准接口简介.............................................................29
3.6.2 RS232 电平转换芯片及其接口电路设计 .........................................30
3.6.3 RS485 标准总线及其电平转换芯片应用分析 .................................30
3.7 触摸式人机界面系统其它硬件电路设计分析........................................31
3.7.1 系统的复位电路设计.........................................................................31
3.7.2 CPU 晶振的选择 ................................................................................31
3.7.3 硬件电路的可靠性设计[1] ..................................................................32
第四章 触摸式人机界面系统软件设计................................................................33
4.1 触摸式人机界面系统的软件设计............................................................33
4.1.1 触摸式人机界面系统软件组成.........................................................33
4.1.2 软件设计步骤.....................................................................................33
4.2 系统的硬件电路管理和系统任务调度....................................................34
4.3 触摸式人机界面与上位机的数据交换....................................................35
4.3.1 触摸式人机界面与上位机的通信协议.............................................35
4.3.2 用户画面信息文件的下载.................................................................36
4.3.3 画面信息的存储与寻址.....................................................................36
4.3.4 单片机的解码处理.............................................................................38
4.4 触摸式人机界面与下位机的数据交换....................................................39
4.4.1 触摸式人机界面与 PLC 的通信 ....................................................... 39
4.4.2 触摸式人机界面与单片机系统的通信.............................................43
4.5 系统其它功能子程序设计........................................................................45
4.5.1 触摸式人机界面按键的软件处理.....................................................45
4.5.2 汉字、位图显示的软件处理.............................................................47
4.6 程序的可靠性设计....................................................................................48
4.6.1 软件陷阱技术.....................................................................................48
4.6.2 软件看门狗技术.................................................................................49
第五章 触摸式人机界面系统在实际中的应用....................................................51
5.1 触摸式人机界面结合可编程控制器的应用............................................51
5.2 触摸式人机界面结合单片机系统的应用................................................52
5.2.1 帖标机控制系统的组成.....................................................................52
5.2.2 帖标机控制系统与触摸式人机界面的数据交换.............................52
5.3 应用小结....................................................................................................53
第六章 总结与展望................................................................................................55
6.1 触摸式人机界面系统开发中的几个关键技术分析................................55
6.1.1 画面数据存储与读取过程的难点分析.............................................55
6.1.2 提高 A/D 转换精度的处理方法探讨 ................................................56
6.1.3 画面显示速度的提高.........................................................................57
6.1.4 汉字放大技术.....................................................................................59
6.2 前景展望与发展趋势................................................................................60
致 谢.............................................................................................................................62
参考文献.........................................................................................................................63
攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目.....................................................65
第一章 概述
-1-
第一章 概述
1.1 课题产生的背景及其意义
随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸式人机界面以其使用方便，
坚固耐用、反应速度快、节省空间等诸多优点，使得系统设计师们越来越多的感
到使用触摸式人机界面的确具有相当大的优越性，它是一个使多媒体信息或控制
系统改头换面的产品，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新的
多媒体交互界面。
另外，随着工业自动化程度的提高，对工业用触摸式人机界面的需求也越来
越多，人机界面作为自动化设备的控制核心，在各种复杂的工控设备中占据着及
其重要的地位。当然，其价格也不菲。
目前，不光大型的自动化控制设备上需要这种触摸式人机界面，越来越多的
中、小型设备上也需要配备人机界面。现在市场上以及工业中使用的人机界面大
部分是进口产品或是台湾生产，虽然性能比较完善，但价格也较为昂贵。一些小
型的控制设备上如果采用触摸式人机界面则会大大的增加产品成本，而且人机界
面本身的一些功能和资源也得不到充分的利用，造成不必要的资源浪费。另外，
在这些配备了人机界面的工控系统中，核心几乎都是可编程控制器 PLC。PLC 算
法成熟，性能稳定可靠，因此在工业控制领域中使用非常广泛；但如果控制核心
采用单片机系统，则配备触摸式人机界面就比较困难。
触摸式人机界面的功能主要是将面板的按钮转换成系统指令，以及监测系统
状态、数据采集等。人机界面力求稳定可靠，并尽可能使控制简单快捷。虽然进
口产品的功能完善，售价较高，但其核心不外乎单片机等处理器。
基于目前的这种现状，我们提出开发工控级的、具有自身特性的触摸式人机
界面：即具备一般触摸式人机界面的基本功能，又可以针对用户的不同要求进行
具体配置，既可以与 PLC 结合使用又可以与单片机系统结合使用。以最大可能的
根据用户的需求来“度身定做”他们所需要的触摸式人机界面，即方便了系统的
开发又降低了成本，因此具有较好的社会效益。
本产品在开发过程中，不断的与实际应用相结合，以期在实践中不断完善。
到目前为止，在实际中已经得到了成功的应用。其中一例为该人机界面与 PLC 的
结合应用，一例为该人机界面与单片机系统的结合应用，这说明我们的触摸式人
机界面的功能和性能已初步达到了预期的要求。另外，该人机界面的通过中文提
示、键盘输入、按键操作和图形显示等方式可以极大的方便下位机控制系统的参
数配置和设备操作，因此具有广阔的应用前景。
该触摸式人机界面具有以下特点：
可以完成通用的人机交换任务；
工控级触摸式人机界面硬件电路及其系统软件的开发
人机界面友好，画面设计方便，操作直观；
适用范围较广，不仅可结合传统的 PLC 使用，同样可以与带串口的其它外
设（如 PC 机、单片机系统等）联合使用；
人机界面自身带有一定数量的 I/O 输出；
性价比高，比同类产品降低了使用成本；
1.2 课题的主要内容
1.2.1 本课题的主要任务
一个完整的人机界面应用系统主要由以下几个部分组成：
上位机中支持制作编辑用户画面的组态软件；
触摸式人机界面的硬件电路系统；
进行系统硬件管理、任务调度以及触摸式人机界面功能实现的系统软件；
第一部分的上位机组态软件的开发由另外的工作小组完成，本小组主要完成
人机界面硬件电路系统以及系统软件的开发和调试。
触摸式人机界面系统的硬件组成及接口技术：
触摸式人机界面的硬件系统主要包括液晶显示器、触摸屏、液晶显示控制器、
触摸屏控制器、系统微控制器、CPLD 逻辑器件、数据存储器、串行通信接口等部
分组成。这些部分彼此之间都有着密切的联系。要根据系统的功能要求，对这些
元器件进行整合，设计出合理的硬件电路。
触摸式人机界面系统的软件设计：
触摸式人机界面系统的软件应包括两方面的内容，即系统程序部分和应用程序
部分。
系统程序主要负责系统硬件电路的初始化和提供系统任务选择界面。硬件电路
的初始化主要是对 CPU、通信口、外围电路的初始化和设置；系统任务选择界面则
主要负责应用程序模块的调度与一些系统参数的配置。
根据触摸式人机界面的功能和性能要求，系统应用程序大体可分为两大部分：
用户界面和相应的处理程序。应用程序支持不同的用户界面显示并支持触控按键
进行不同的操作，每一种按键对应着一个相应的处理应用程序模块。另外，应用
程序还应该包括人－机通信程序，用来完成人机界面与上位机/下位机之间的数据
交换，这些通信程序包含在一些按键的处理程序之中。
1.2.2 本课题在实际中的应用
本人机界面系统在开发过程中，不断的与实际应用相结合，目的是为了通过实
际运用使系统的性能更加完善。
第一章 概述
-3-
1.2.2.1 触摸式人机界面与 PLC 的结合使用
人机界面的硬件系统中预留了系统与 PLC 通信所需的两个串行通信接口
（RS232 和RS485），可根据不同的 PLC 来选用相应的通信接口。软件上，通信
模块中针对不同类型的 PLC 分别编写了相应的通信程序，在通信调用时，只需根
据PLC 类型调用相应的通信程序即可。人机界面与 PLC 的通信遵循对应 PLC 的
通信协议，进行通信时并不影响 PLC 的工作。系统已包含了多种 PLC 的通信模块，
诸如松下、三菱、施耐德以及永宏等，另外，程序预留了较大的扩展空间，针对
不同类型的 PLC，只需将相应的通信协议包含进来即可。
在医疗牵引床的实际应用系统中，我们将该人机界面系统与施耐德的 TSX07
系列 PLC 联合使用，实现了通用的所有人机交换功能。
1.2.2.2 触摸式人机界面与单片机系统的结合使用
触摸式人机界面与单片机系统的通信仍然可以使用人机界面上的两个串行通
信接口来进行。下位机的串行输入/输出要经过电平转换，使之与上位机的接口输
出电平相匹配。双方可以都采用 RS232C 逻辑电平，也可以都采用 RS485 逻辑电
平。
电平匹配的问题解决了之后，人机界面与单片机之间就可以进行数据交换，完
成数据和控制信息的传送。
该人机界面和单片机的结合使用，在贴标机控制系统中也得到了成功应用。
工控级触摸式人机界面硬件电路及其系统软件的开发
-4-
第二章 总体方案设计
触摸式人机界面是整合了硬件电路和软件，采用了嵌入式处理器，系统应用
于工业控制领域，与具体的控制器件联合使用完成系统的控制。因此，触摸式人
机界面系统属于嵌入式系统，对系统的设计可以遵循嵌入式系统的设计方法。
嵌入式系统可以分为硬件和软件两部分，其中硬件的设计包括单片机控制电
路的设计、网络功能设计、无线通信设计及使用接口等等，嵌入式软件主要负责
硬件产品的驱动、控制处理或基本接口功能，以提升硬件产品的价值，为该硬件
产品不可或缺的重要部分，它常以韧件形式，如控制器或驱动程序等方式呈现。
现今嵌入式系统大多数的产品仍然以低级的 8位处理器配合少量的内存和电路来
控制[14]。
嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以设计一个嵌入式系统必须从硬
件和软件两个方面进行考虑。
嵌入式系统的硬件
从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部
分。嵌入式处理器主要有下列几类[15]：
嵌入式微控制器（MicroController Unit，MCU）
嵌入式微控制器的典型代表是单片机。目前，８位的单片机在嵌入式设备中
仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成着 ROM/EPROM、RAM、总线、
总线逻辑、定时／计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制、A/D、D/A、Flash、
EEPROM 等各种必要功能和外设。
嵌入式 DSP 处理器（Digital Signal Processor，DSP）
DSP 处理器是专用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面
进行了特殊的设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、
频谱分析等分析仪器上 DSP 获得了大规模的应用。
嵌入式微处理器（MicroProcess Unit，MPU）
嵌入式微处理器是具有 32 位以上的处理器，具有较高的性能，其价格也较高。
与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关
的功能硬件，去除冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要
求。
嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）
片上系统 SOC 是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC 最大的特点是成
功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。
嵌入式系统的软件[15]
嵌入式系统的软件和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植；
系统软件和应用软件没有明显的区分。另外，嵌入式系统的应用程序可以没有操
作系统而直接在芯片上运行；但系统较为复杂时，为了合理的调度多任务，利用
系统资源、系统函数以及专家库函数接口，就必须自行选配 RTOS（Real Time
摘要：

目录第一章概述..............................................................................................................11.1课题产生的背景及其意义..........................................................................11.2课题的主要内容......................................................................................

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作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：66 页 大小：1.4MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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