磁电编码器检测装置

SJ006-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 论 文题目： 磁电编码器检测装置 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10 自 二 学生姓名： 吴 彤 学号： 10020631 指导教师： 王雁平 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2014年 5 月常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书摘 要本文系统地介绍了基于磁电编码器的智能检测装置系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统调试与测试方案。磁电编码器的检测装置系统的核心是STC12C5A08S2，选择较先进的绝对位置输出的磁电编码器元件AS5145，以通用驱动元件74HC125为驱动元件。由磁电编码器检测装置检测电机旋转角度并传输给单片机，由单片机接收处理磁电编码器数据，通过人机界面显示磁电编码器输出。在结构上巧妙地共用单片机，不但结构合理，而且为后期研究开发带来了便利。软件设计在硬件电路基础上模块化设计。为使测控系统更便于实际应用，本系统中编码器还可使用菊链模式同时测得多组不同装置数据。试验结果表明，系统具有良好的性能，对系统的各个环节有待进一步优化和改进，基本上完成了课题要求。关键词：磁电编码器 人机界面 STC单片机 驱动芯片IAbstractThis paper introduces the composition, design, circuit principle, program design and system debug and testing scheme of Intelligent detection system which based on magnetoelectricity encoder adopts the STC12C5A08S2 as the core of the single chip microcomputer system,using advanced absolutely positioned output magnetoelectricity encoder components, and with general drive element 74HC125.By magnetoelectricity encoder detecting device rotation angle, received by the single-chip microcontroller processing magnetic encoder data, through man-machine interface display magnetic encoder output.Shared microcontroller in the structure cleverly, not only reasonable structure, and convenience for the research and development stage.The software part executes modular design based on hardware. To make it easier to practical application, the system can also be used in the encoder daisy chain mode simultaneously measured multiple different device data. The test results show that the system performs wellas expected.Some parts of the system remains to be further improved.The system can accomplish the basic requirements of the subject.Keywords: magnetoelectricity encoder ；HMI；STC microcontroller；driver ICI常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书目 录摘要IIAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 课题的背景11.2 课题的现状21.3 本设计的内容21.4 本章小结2第2章 整体方案设计论证32.1 整体方案的选择32.2 总体设计框图42.3 整体工作原理的确定52.4 本章小结5第3章 系统硬件设计63.1 重要器件的方案选择63.1.1 编码器的选择63.1.2 人机交互系统的选择73.1.3 控制器的选择83.2 硬件图设计83.2.1 传感器数据采集电路设计93.2.2 单片机控制电路设计113.2.3 人机交互状态显示及控制电路133.2.4 串口通信电路153.3 本章小结16第4章 系统软件设计184.1 主程序设计184.2 传感器角度检测子程序194.3 人机界面子程序224.4 本章小结25第5章 系统调试与测试方案265.1系统调试265.1.1分步调试26 1电源调试26 2单片机调试26 3磁电旋转编码器调试26 4人机界面调试285.1.2整体系统联调30结 论31参考文献32致 谢34附录一35附录二38附录三39III第1章 绪论第1章 绪 论本文所介绍的是磁电编码器检测装置系统，本系统对于检测技术与自动化装置十分重要。检测技术与自动化装置是将电子、自动化、计算机、信息处理、控制工程、机械等多种学科技术合为一体并综合运用的技术。遍及应用在冶金、化工、交通、电力、建材等领域的自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装置的研究与应用，有着重要的理论意义，符合我国科技发展的战略，更重要的是结合了我国的经济情况，这对企业技术发展、传统工业技术改革和铁路技术装备的现代化有着深远的意义。本文将介绍设计的具体相关现状和设计内容。1.1 课题的背景在机械工程中，经常需要执行部件的运动参数进行检测，以实现控制部件或理解系统、设备的工作状态，如位移的线和角位移检测等。而检测体系中的传感器对检测精度以及系统的可靠性等的影响是很大的。工程实际中,可检测线位移和角度位移的传感器种类繁多，如：电阻式、电感式、光电式和光栅式等等。应用时根据测试要求和使用环境来选择。传统的光电编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性和精度可以达到普通标准，但缺点是容易碎；金属码盘直接以通和不通刻线，虽然不易碎，但金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就差。塑料码盘其成本低，但精度和耐热度达不到高要求，工作的可靠性低。磁电式编码器选用的是磁电式设计，用磁感应器件、磁场的变化来产生和提供转子的绝对位置，用磁器件代替了传统的码盘，弥补了光电编码器的缺陷，且抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠高。磁电编码器结构简单、易于实现小型化且对恶劣环境适应能力强，所以更适合在高速度、高精度的伺服控制系统中应用。光电编码器精度的计算是经过码盘上刻线来实现的，故码盘会随着精度的升高而变大，所以编码器体积也随着变大，精度不连续。而磁电式编码器不同，它可以做到体积小，精度高，而绝对值编码器要求精度高，所以用磁电编码器更适合。机械设备自动化程度的越来越高，编码器产品的应用领域随之广泛，编码器仅能将物理的旋转信号转换为电信号也不再满足需求，要求编码器集成度更高，产品更加耐用，要有更多的接口方式，实现更多的设备智能化。工业市场中更加重视生产和通信安全，国家也对产品的安全性能提出要求，编码器在安全标准方面也有相应规范，但由于国内编码器市场对产品技术要求相对较低，中低端产品更受欢迎。就是在这样的运用环境下，提出了磁电编码器检测装置系统的课题。本课题需要设计并制作一个磁电编码器检测装置系统。编码器检测部分固定于转轴前方，通过与单片机通信显示并控制电机旋转角度。1.2 课题的现状磁电编码器检测装置系统主要是由编码器电路、驱动电路、单片机处理电路、电源以及人机交互电路等部分组成，以实现一定的检测与控制目的的系统。本课题采用磁电编码器作为整体系统的“眼睛”（传感器）。若没有传感器感受信息或者感官迟钝，都无法构成准确度高、反应速度快的自动控制系统。所以对整个测量控制领域来说，传感器技术的发展是测控系统优先发展的前提。因此，对于本系统来说，传感器的选择至关重要。本系统中所采用的磁电编码器，它是一种采用磁阻或霍尔元件对变化的磁材料的角度或位移值进行测量的新型的角度测量装置，将磁性材料的角度或位移的变化转变为一定电压或电阻变化，再通过放大器将变化量放大，使用单片机输出脉冲信号或模拟量信号，以达到测量角度的目的。词典编码器的结构可两部分：采样检测和放大输出，首先采样检测通过桥式电路完成，而放大输出则通过三极管以及运放等器件来实现。与传统的编码器相比，磁电编码器具有抗污染、抗干扰、抗振动、抗腐蚀和宽温度的特性，可应用于传统的编码器不能触及的领域。由于人机界面（简称HMI）可靠性高、性能好、显示智能化、操作方便，使用接口较少等优点，本课题采用人机界面作为整个系统的人机交互装置。人机界面作为显示装置，是人机交互的关键之一，广泛应用于各种自动化控制系统中。单片机的集成度高、体积小、可靠性强、控制功能强、功耗低以及易于扩展等特点使得其在工业控制领域广泛应用。1.3 本设计的内容本设计所介绍的磁电编码器检测装置是在电机旋转过程中，通过编码器检测其旋转角度并输出其角度值信息至单片机，再由单片机处理，通过人机交互装置显示数据，并以此为依据，控制电机旋转角度。本论文中分别从整体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统调试和测试方案五个方面对磁电编码器系统进行设计和叙述。1.4 本章小结本章首先介绍了课题的背景，课题的现状，以及将本课题所采用的磁电编码器、人机界面和单片机做了简要的介绍，为后面论文的开展做了铺垫。 53第2章 整体方案设计与论证第2章 整体方案设计论证基于磁电编码器的检测装置系统是通过磁电编码器将电机的旋转的绝对位置输出、相对位置输出、模拟电压输出和内部总线输出信号转换为数字信号，传送给单片机，并经过一系列的数据处理后送给人机交互装置，单片机通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经放大后控制电机的转动。在系统设计中重要器件的型号选择、整体电路的设计、PCB板图的设计以及磁铁的选择均对系统检测与控制结果，起着重要的作用。2.1 整体方案的选择在整体方案选择中，首先要大致清楚系统的整体构成与工作原理。一方面要考虑系统结构的安装以及可行性和环境条件等方面的适用性；另一方面就是器件的要求，除了能具有实时性以外，还需要有精度、抗干扰能力、通讯和传送方面的要求。本设计中有两种设计方案，经过查阅资料了解了个人能力与经济等方面，我最终选择了第二个方案。下面将分别介绍考虑过的两个方案。1.设计方案一：基于加速度传感器的数字系统的方案设计(1)系统构成：系统原理框图见图2-2，其中S1为安装在关节位置的加速度传感器，S2为安装在关节的角度传感器，S4为单片机处理系统，S5为关节电路。S2S3S4S5加速度传感器角度传感器单片机处理系统通信口电机S1图2-2加速度传感器的数字系统原理框图(2)系统原理：在关节的运动中，通过加速度传感器得到并换算关节的位置，通过单片机处理，人机界面显示关节的角度，以此为依据，控制关节的运动。(3)系统评估：该系统的主要优点在于关节的结构相对简单而且引线合理，控制相对简单，调整容易，系统平稳，适合于实现非线性的控制。不利的因素在于传感器在摆锤位置上，引线较长，容易受干扰。2.设计方案二：基于编码器的系统方案设计(1)系统构成：电路结构与方案一类似，不同部分在于选用安装在电机轴处的传感器是编码器；(2)系统原理：在被检测物的运动中，通过编码器实时测出被检测物的运动角度，并传输给单片机，单片机通过控制处理，交由人机交互装置显示，人机交互装置可设置数值给单片机以控制角度。(3)系统评估：该系统的主要优点在于传感器和主电路的距离较短，干扰容易控制，同时适合于实现非线性的控制。不利的因素在于系统结构相对复杂。结论：编码器检测装置系统可以选用两种模式，即模拟模式和数字模式，对比两种模式，数字系统模式更具有抗干扰能力强，重复性好，结构简单，更容易实现较复杂规律的控制，从而达到预想的目标，再根据自身的条件，本设计选用了方案二。 2.2 总体设计框图总体设计方框图如图2-3所示，由磁电编码器将测量出的角度信号以串行通讯的方式传输给单片机。单片机进行数据处理后，通过人机交互装置显示，根据显示角度进行角度控制，将控制信号发送给单片机，再由单片机发出控制信息，以控制电机系统运动。由于本系统分为三大模块，有人机交互装置来选择不同功能，并由其显示磁电编码器测得的电机旋转角度。电机系统磁电编码器检测电路人机交互装置显示单片机处理模块测试信号控制信号图2-3 系统框图系统所实现的功能分别为：1、 通过磁电编码器检测电机位置，模拟电压误差小于0.6%；数字显示误差小于1；编码器有绝对位置输出，相对位置输出，模拟电压输出和内部总线输出4种输出方式。2、 通过单片机处理编码器测得的数据，并控制电机旋转；3、 通过人机交互装置显示磁电编码器的输出，并设置信息；4、 能够通过人机交互装置自选显示。2.3 整体工作原理的确定由于整体工作原理是整个系统的关键所在，要电机根据实际情况运作，原本的思路是需要实时控制电机，使电机能够立刻做出反应，通过正反转来使得电机一直保持正常运作，而实际操作中，由于惯性、系统的延时性以及其他限制，通过这种方法而实现预期效果并不可能。因此，整体的工作原理重新得到纠正。于是我们从物理角度重新思考了整体原理。当电机运动到一定角度时，在人机交互装置中使用键盘以实现手动控制。关节处于较为理想的位置时，操作画面键盘，使电机在运动过程中，电机立刻做出反应，使电机控制的物件处于较理想位置。2.4 本章小结本章首先对系统的整体方案进行选择，并了解相关主要器件：磁电编码器、人机交互装置、单片机及编码器驱动电路、控制电路，性能及工作方式，确定了电路中所使用的三个重要的器件。然后画了电路设计总体设计方框图，明确了本设计的整体布局，为接下来的硬件设计与软件设计提供了明朗的思路。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第3章 系统硬件设计系统能够顺利地完成设计并可以做出达到预期效果，硬件设计在整个过程中起着重要的作用，从器件选择到各个分电路的设计都是重要的环节，下面将分别介绍这些内容。3.1 重要器件的方案选择3.1.1 编码器的选择通常使用的编码器的结构形式有3种，光电式编码器，电式编码器和机械式编码器；它们的输出有2种形式，绝对位置输出和相对位置输出。本系统选用AS5145无接触式磁性旋转编码器，它能够能够精确测量整个360内的角度。作为一款片上体系，它在单颗器件内整合了集成霍尔元件、模拟前端及数字信号处理功能。要测量角度时，只需简单地在芯片中心的上方放置1个旋转双极磁铁即可。磁铁可以放置在本IC的上方或下方。（如图3-1）。 图3-1 AS5145与磁铁的典型配置方式这种绝对角度测量方式可即时指示磁铁的角度位置，每转4096个位置其分辨率达到0.0879度。它的数字化数据以串行比特流以及PWM信号输出的形式给出。内部稳压器使AS5145可以在3.3V或5V电源下工作。除了角度信息外，同时能以6位代码的形式提供磁场强度。数据传输可以配置为1线（PWM）、双线（CLK、DIO）或3线（CLK、DIO及CS）方式。采用软件可编程（OTP）零位能够简化组装过程，因为磁铁的零位可以无需以机械方式进行校准。结合掉电模式与快速的启动和测量过程，可实现非常低的功耗，使得AS5145同样适用于电池供电的设备。直接测量磁场强度，能够精确测定磁铁的垂直。能够采用菊链链接模式串行读取多个互联的AS5145设备。具有较宽的磁场强度范围：20-80mT，较宽的温度范围：-40摄氏度至+150摄氏度。AS5145的优点：（1）整圈 360范围内实现无接触式、高分辨率、旋转位置编码；（2）2 种数字12位绝对输出：串行接口；脉冲宽度调制 (PWM) 输出；3 个增量输出；（3）由于采用磁性感测原理，非常适合工作环境严酷的应用； （4）用户可编程零位；（5）用于磁铁安装、监控和断电情况的故障检测模式；（6）“红-黄-绿”指示器，显示磁铁在Z轴方向上的位置；（7）可采用菊链模式串行读取多颗互联；（8）能够耐受磁铁的位置偏离和间隙变化；3.1.2 人机交互系统的选择常用的人机交互装置系统常有LED数码管、按键、字符液晶以及现在正流行的人机界面等。常见的低价位有数码管及按键。数码管与按键根据需要显示的位数的增加需占用的单片机I/O口也会随之增多。字符液晶相较于数码管可显示位数显然比数码管多的多，应用也相较更为方便些，但也需配合按键使用才能达到人机交互作用，所占用单片机的管脚数也不少。人机界面（简称HMI），其显示画面可由用户自行设定，可重复利用你高，用户可自由选择按键与显示方式于图像上，相较于前两种人机交互方式，更加人性化，画面更直观，本系统选用Kinco(步科）7寸触摸屏的EVIEW ET070。ET070的400MHz高性能CPU使得其数据处理能力更强、通讯传输速度更快。 图3-2 人机界面尺寸图3.1.3 控制器的选择关于控制器的选择，常选择两种方案。1、直接使用单片机控制信号的输入，然后烧入已编好程序以实现控制极驱动信号生成；2、通过给定单片机控制信号，然后将控制信号输出至控制极驱动，让其处理，生成所需信号。上述两种方式各有千秋。方案1硬件电路实用简单，但是程序编写难度较高，而且由于欠缺可靠的程序运行，故而不利于控制的稳定性；方案2则需要控制器与控制极驱动两模块，硬件电路较方案1复杂，但程序编写的难度明显降低且可靠性更高。综上分析，选择方案2作为此系统的方案。本系统采用了宏晶生产的STC12C5A08S2单片机。单片机系统包括了A/D、D/A转换模块，PWM输出模块，以人机交互界面ET070做显示及控制电路，由MAX232组成的232通信接口电路，可以直接下载和安装程序以及实现人际通信。STC12C5A08S2是一款增强型8051CPU，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。其工作电压可为5.5V至4V，工作频率为0Hz至35MHz，是普通8051的0-420倍。有1280字节片内RAM数据存储器，拥有大量片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上。通用I/O口复位后为准双向口/弱上拉，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。具有EEPROM功能，看门狗功能（WDT），外部掉电检测电路（在P4.6口有一个低电压门槛比较器，为1.32V，误差为+/-5%），内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。该单片机有2通道/比较单元（CCP/PCA/PWM）,也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）；具有A/D转换功能，8通道10位高速ADC，转换速度可达250万次/秒。3.2 硬件图设计整体硬件主要有以下几个模块组成：磁电编码器测量电路及其驱动电路、单片机控制电路、人机交互装置状态显示及控制电路、串口通信等电路组成。（1）磁电编码器数据测量电路：无接触式检测，采用AS5145磁电编码器。（2）单片机控制部分：处理器采用STC12C5A08S2单片机。（3）人机交互装置状态显示及控制电路：采用eviw ET070。（4）通讯部分：主从CPU之间的通讯采用MAX-232串口通信，单片机与传感器采用串行通信，人机交互与控制器采用串行通信。（5）电源部分：电源电路包括单片机控制系统以及电机驱动部分的供电。3.2.1 传感器数据采集电路设计本系统中传感器数据采集电路部分所采用的AS5145磁电编码器以串行接口、12绝对值输出。AS5145能够检测磁场方位，并计算出12位二进制编码。可以通过同步串行口读出此编码值。图3-3为其引脚配置SSOP16（收缩型小外形封装，16引线）。 图3-3 引脚配置SSOP16引脚说明：引脚1和引脚2均为磁场变化指示引脚，分别为MagINCn和MagDECn（磁场强度随着磁铁与器件的间距改变而增减）。这些输出可以用来侦测有效磁场范围。此外，这些指示引脚也可以用来实现无接触式按钮功能。设计中采用了磁电编码器的12位绝对角位置输出模式，各引脚功能与接线如下：引脚3：DTest1_A，数字输出，缺省模式下的测试输出。 引脚4：DTest2_B 4 缺省模式下的测试输出。引脚6：Mode_Index 6 数字输入 / 输出 下拉 在低速 ( 开路、低电平：VSS) 与高速 ( 高电平 ) 模式之间选 择。内部下拉电阻 (10k)。引脚7：VSS，电源引脚，负电源电压。引脚8：(GND) PDIO，数字输入下拉 OTP编程输入和菊链模式下的数据输入。该引脚具有74k的内部下拉电阻。如果不编程，需将此引脚连接到 VSS。 引脚9：DO，数字输出/三态同步串行接口的数据输出。引脚10：CLK，数字输入、施密特触发器输入，同步串行接口的时钟输入，施密特触发器输入。引脚11：CSn，数字输入下拉、 施密特触发器输入，片选、低电平有效。施密特触发器输入、内部上拉电阻 (50k)。引脚12：PWM，数字输出，脉冲宽度调制。引脚15：VDD3V3，电源引脚，3V稳压器输出，由VDD5V进行内部电压调节。采用3V电源电压时连接至VDD5V。外部不能加负载。引脚16：VDD5V，电源引脚，正电源电压3.0V至5.5V。AS5145可在3.3V10%下或5V10%下工作。这是通过内部3.3V低压差（LDO）稳压器实现的。内部电源电压始终取自LDO的输出，这意味着内部模块保持在3.3V电压下工作。对于3.3V 工作方式。必须通过将VDD3V3连接至VDD5V来旁路LDO。对于5V工作方式，5V电源连接至引脚VDD5V，而VDD3V3 (LDO输出)必须使用一个1至10F电容进行缓冲。电容值建议采用2.2F，并且必须安装在靠近电源引脚的地方。在这两种工作方式下，均建议在靠近引脚VDD 5V的位置安装1个100nF的缓冲电容。图3-4为磁电编码器5V/3.3V电源电压连接方式。图3-4 磁电编码器5V/3.3V电源电压连接方式本设计采用5V电源电压供电，故选用5V电源电压连接方式。此外使用AS5145磁电编码器时须一起使用一个驱动器，可使得测量结果更为有效，模拟输出可以通过使用外部有源或无源低通滤波器对PWM信号取平均来获得，因此PWM接口需加一低通滤波电路。下图3-5为传感器模块的原理图。图3-5磁电编码器电路原理图 3.2.2 单片机控制电路设计本设计将STC12C5A08S2芯片、人机交互电路、MAX232和电脑串口的连接电路、复位电路、晶振电路、蜂鸣器等组合在一块单片机上。1.STC12C5A08S2芯片图3-6 STC125A08S2芯片原理图STC12C5A08S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、高可靠、2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP）、8路10位高速A/D转换（速度可达25万次/秒）、低功耗、具有超强抗干扰的新一代8051单片机，具有增强型8051内核，指令代码完全兼容传统8051，但速度比普通80C51快8至12倍。内部集成有MAX810专用的复位电路，适用于电机控制的强干扰场合。本设计选用STC12C5A08S2。如图3-5所示。按功能，引脚大致分为4部分：a）I/O口线P0口：P0口可作为输入/输出口，地址/数据复用总线使用。P1口：P1口除了可作为标准I/0口使用外，都具有第二功能，有些还有第三功能，甚至第四功能（P1.2/ADC2/ECI/RXD2、P1.3/ADC3/CCP0/TXD2、P1.4/ADC4/CCP1/）复用。P2口：P2口内部有上拉电阻，既可作为普通I/O口使用，也可作为高8位地址总线使用（A8-A15）。当P2口作为输入/输出口时，P2口是一个8位准双向口。P3口： P3口可作为标准I/O口，也可作为第二功能，第三功能，第四功能复用。P4口： P4口可作为标准I/O口，也可作为第二功能，第三功能复用。b）控制信号线RST：复位信号从单片机的RST引脚输入，高电平有效。其有效电平应维持至少两个周期。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本系统采用按键手动复位电路。：外接数据存储器的写选通信号。：外部数据存储器的读选通信号。ALE：地址锁存允许。c）电源线：GND为地线,VCC为电源电压输入引脚。d）外部晶振引线：在使用单片机内部振荡电路时，XTAL1和XTAL2这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，XTAL1为内部时钟电路反相放大器的输入端，XTAL2则为内部时钟电路反相放大器的输出端。在使用外部时钟时则用来输入脉冲时钟，此时XTAL1为部时钟源的输入端，XTAL2则悬空。2.时钟电路 图3-6时钟电路时钟电路如3-6所示。单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过自激振荡器和微电容，构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容为30pF，晶体的振荡频率为12MHz。3.复位电路复位操作有上电复位和手动复位两种。这里采用手动复位，在程序运行时，可以通过手动按键强行使单片机进入复位状态。复位是将单片机进行初始化，复位会把PC值设为0000H，使CPU再次从0000H单元开始执行程序。除了系统的正常初始化之外，程序运行出错或者由于操作错误使得系统处于锁死状态，通过复位按键可使单片机重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号高电平有效，其有效时间应持续两个机器周期以上。本设计采用的复位电路如3-7所示。图3-7 复位电路3.2.3 人机交互状态显示及控制电路单片机应用系统中，现场的工作状态和数据往往需要实时显示并监控。随着人机交互技术的迅猛发展，人机界面迅速渗透到各种工业场合。人机界面可以按照管理对象在控制系统中的重要性和全局性的水平，设计符合要求的人机界面的主菜单与从菜单以及对话窗口的突显性与位置，从而有利于操作人员正确快速地实施控制决策的顺序、掌控好被控系统运行的主次，以达到最理想的调节与管理。此外，按照管理人员的工作性质情况与身份特征状况，人机交互装置可以设计与之相符合和人性化的界面。根据管理人员的工作需要，可用以弹出式的窗口显示一些提示、引导与帮助等的信息 ，从而降低使用者操控难度，提高使用者与机器之间的交互水平以及使用效率。人机界面的设计应是未来的发展方向，因为它确确实实体现了简单、易懂、实用的基本原则，并充分表达出了和谐为本、以人为本的设计理念。本设计采用Kinco(步科）7寸触摸屏的EVIEW ET070人机界面。ET070采用LED背光，可自由调节亮度，采用TFT液晶显示，显示更丰富多彩，方便易用，画面编写直接在软件上就可以方便快捷的完成。人机界面如3-8所示。图3-8 人机交互状态显示电路及控制电路图3-9 ET070内部电路图这里，除了要介绍人机界面外，还要介绍下人机界面相关的画面编辑软件：Kinco HIMware组态编辑软件。Kinco HIMware组态编辑软件是由上海步科自动化股份有限公司开发的一款组态软件，主要有以下几个特点：1、可用于多个型号的触摸屏的人机界面的绘制；2、支持对当下多种主流型号的PLC和单片机的连接控制；3、支持MODBUS RTU、MODBUS RTU Slave和MODBUS TCP Slave等多种协议；4、触摸屏和下位机的通信可使用串口，以太网，CAN总线，现场总线等多种方式进行连接；5、有丰富的PLC元件和功能元件可供选用；6、支持工程数据库；7、支持直接在线模拟和离线模拟等多种模拟方式；8、较于其他组态软件更容易掌握，易学易用，支持中、英、俄、韩四种语言。图3-10 Kinco HIMware组态编辑软件编辑界面3.2.4 串口通信电路CPU与外部设备的基本通信有两种方式：并行通信和串行通信。在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电流、电压变化实现的。一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信。并行通信的缺点是线多、成本高，故不宜进行远距离通信。串行通信其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。因此，串行通信被广泛地应用于远程通信、分布式控制系统中。要实现单片机和计算机的通信，单片机与人机界面的通信，首先要解决单片机和计算机之间的电平转换问题，而这个转换可由专门的集成电路MAX232完成。单片机向计算机发送数据的电路原理图如3-9所示。11引脚接单片机TXD引脚以实现数据发送，引脚12接单片机RXD引脚以实现数据接收。图3-9 串口通信电路ET070支持多种通信协议，典型的是MODBUS协议，其中包括MODBUS RTU、MODBUS RTU Slave和MODBUS TCP Slave等多个协议格式；接口方式也有串口，以太网，CAN总线，现场总线等多种方式可供选择。由于本毕业设计主要是通过人机界面发出各种控制信号，以实现电机的正反转和启停，基于这些功能的实现，本毕业设计选择MODBUS RTU协议，来实现通信。此外，串口通信是单片机常用的通信方式，且单片机有串口中断可供了使用，所以通信方式就选用串口通信；而且还可以利用各种串口调试助手实现在线调试。图3-10 ET070和单片机接口电路及其组态编辑画面3.3 本章小结本章首先根据总体设计框图设计了整体硬件，然后进行部分重要分电路的设计，都给以具体的说明，其中包括传感器检测电路磁电编码器的介绍、单片机最小系统，单片机上的数码管显示电路、复位电路、晶振电路、MAX232和PC机串口的连接电路以及人机界面和人机界面驱动电路分别做了介绍，其中系统中还用了按键电路以及蜂鸣器电路。在这些电路的设计中还对一些器件进行了介绍，对它们的性能与工作原理有比较深入的了解，为完成此系统设计具有很大的帮助。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第4章 系统软件设计一个完整的系统的实现是在硬件电路基础上配合以软件实现的。当硬件完成后，软件的功能也就随之被定下来。系统的软件设计较之硬件电路的重要性不输分毫，在整个设计过程中非常重要。它能使单片机得以执行工作场合所需命令，根据现场的数据采集，再对所采集的数据进行分析处理，这些均需要通过软件的编写，再将其转换为单片机可识别的机器语言。本系统设计采用12MHZ的晶振，即系统机器周期为1us。下面将分别介绍系统主程序设计以及部分重要的子程序设计。4.1 主程序设计根据系统设计相关要求主程序流程图如图4-1所示：硬件安装完成后，启动系统，单片机即控制器初始化后，磁电编码器检测装置检测电机运行位置，并将检测到的信息内部处理后传送给单片机，单片机将收到的信息进行处理后传送给人机界面进行显示，设计者根据检测信息以及现场情况输入需要的位置信息，人机界面再将此信息传送给单片机，单片机进行数据处理后传送给被测装置以实现角度控制。主程序见附录三。图4-1 主程序流程图4.2 传感器角度检测子程序上电后，PDIO=高电平以及CLK=低电平时，CSn的上升沿将能启动AS5145的编程操作。AS5145编程属于一次性编程 (OTP) 方式，基于多晶硅熔丝。该方法的优点在于仅需要3.3V到3.6V的编程电压便可完成编程操作 (采用3.3V或5V电源)。OTP由52个位组成，其中21个位供用户编程使用。余下的31个位载有工厂设定及独有的芯片标志符 (Chip-ID) 。一个OTP单元只可进行一次编程。这个单元缺省为“0”，而1个已编程的单元将被置为“1”。 虽然不可能把已编程位由“1”重置为“0”，但可进行多重OTP写入，只要仅将未编程的“0”位编程为“1”。 与OTP编程无关，系统随时都可以利用1个OTP写入命令临时重写OTP寄存器。在每个新的上电过程或者运行LOAD命令时，该设置将被清除，并被硬编程OTP设置覆写。可通过下列方式访问OTP存储器：1、装载操作 : 装载操作读取 OTP 熔丝并将其内容装载到 OTP 寄存器。每次上电复位后，会自动执行 Load 操作。 2、写入操作 : 写入操作允许对 OTP 寄存器暂时修改，但不会对 OTP 进行编程。这个操作能够调用多次，在芯片保持供 电情况下，如果 OTP 寄存器没有被另一个 Write 或 Load 操作修改，设置将被保持。 3、读取操作 : 读取操作读取 OTP 寄存器的内容，例如去验证一条 Write 命令，或在 Load 命令之后读取 OTP 存储器。 编程操作 : 编程操作把 OTP 寄存器的内容永久写入到 OTP ROM 中。 4、模拟回读模式: 模拟回读模式使编程的量化验证得以实现。每一个已编程或未编程位都拥有一个对应的代表模拟值 (本质上是一个电阻值) 以供读取，从而验证这个位是否被正确编程。编程操作的过程中，编程的电流会有转变，而在此转变过程中可能会生成高压尖峰脉冲。因此在设计时，为了避开这些高压尖峰脉冲，以及这些脉冲可能对IC造成损害，用于连接芯片间的电缆务必要尽量的短，尤其是信号脚Prog和信号脚VSS。信号Prog的开关晶体管与芯片引脚Prog间的最长线长应不超过50mm( 2关寸)。为抑制这些可能生成的高压尖峰脉冲，应在距离引脚Prog和VSS较近的位置装上一个陶瓷电容（10nF）。但是此电容只是在编程需要时才有用，正常的工作情况时并不需要。时钟的时序应当选择合适的速率，这样才能保证信号Prog能在CLK的上升沿时保持稳定状态。此外，编程电压应当采用1个10F电容进行缓冲，并且安装位置应该靠近开关晶体管。图4-4为输出绝对值角位置数据的同步串行接口时序图。图4-4 输出绝对值角位置数据的同步串行接口时序图此外，AS5145还可进行零位编程，其实质是可以将系统装配简化的一种OTP选项，磁体不需要进行人工调节到机械零位。磁铁安装完成后，电气和机械零位可通过软件实现匹配。一圈内的任一位置均可通过零位编程设定为永久的新零位。需进行零位编程时，首先将安装好的磁体转到机械零位，这时会读取到实际的角度，将此角度数值写进OTP的Z35:Z46位。注意，零位的数值也可在编程前修改。如，要将与机械零位成90（四分之一圈）的角度位置在编程时设为电气零位，在被读取的机械零位数值上加1024，再将此新的角度值在编程时写到到OTP的寄存器即可。开始j=0,i=0CSN=0CLK 串口输入信号DO口数值送至单片机a中 a 中数值左移一位i 11?i=i+1j=j+1j 11?结束YNYN下面即是角度检测子程序的程序框图4-5与部分重要程序语句：图4-5 角度检测子程序的程序框图sbit p2_5=P01;/CLK p1.0sbit p2_6=P00;/CSN p1.1sbit p2_7=P02;/DO p1.2INT16U check1()INT8U i,j,k=0;INT16U temp=0x00,a=0x00,array10; for(j=0;j10;j+) a=0x00; k=0;p2_6=1; p2_6=0; /CSN片选，低电平有效，编码器接收数据p2_5=1; /CLK串行口时钟输入信号p2_5=0;p2_5=1;p2_5=0;p2_5=1;a=p2_7; /DO 同步串行口输出，磁电编码器将采集的一位二进制数传送给单片机for(i=0;i9;i+) /再取9位p2_5=0;p2_5=1;k=p2_7; a=a*2+k; / 二进制数左移存放在a中角度检测子程序中，根据磁电编码器的原理进行编程。由于磁电编码器的片选信号CSn低电平有效，当单片机给端口置0时，并由CLK串行接口时钟输入一个一个脉冲，磁电编码器开始工作。磁电编码器将采集到的一位二进制数通过DO同步串行输出口，传送到单片机的a中。在单片机中，a中的数值左移一位，这样再循环9次，以此来保存10位有效的二进制数。另外，还可以再将上述过程整体循环9次，来得到十个角度绝对位置输出。将所得到的数据，进行分析，筛选出更加精确的结果。4.3 人机界面子程序人机界面与单片机通信流程图如图4-6。 图4-6 通信流程图在编写人机界面部分程序时，必须先介绍下MODBUS通信协议，人机界面与单片机通信只能通过此协议。MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。控制器相互之间、控制器通过网络（如以太网）与其它设备可通过此协议通信。现今，MODBUS协议已经变成一种通用的工业标准，通过此协议，不同的厂商生产的设备可形成一定的工业网络，从而实现集中监控。MODBUS协议有RTU、TCP、ASCII等，但并无规定的物理层。协议定义了控制器的消息结构，使其能够认识与使用消息，而不管这些消息的通信是通过哪种通信网络。MODBUS的RTU与ASCII协议规定了数据和消息的结构、命令以及对答的方式，数据的通讯采用主/从(Master/Slave)方式，主站负责发出数据的请求消息，从站则接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求；主站也可以直接发消息修改从站的数据，实现双向读写。MODBUS规定，只有主站具有主动权，从站只能被动的响应，包括回答出错信息。ET070 HIM实现MODBUS协议通信时，遵循标准的MODBUS通信过程：表3-1 MODBUS协议通用数据帧格式表地址码功能码数据区错误校验码8bits8bitsN*8bits16bits1.地址码：消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的从设备地址是0247（十进制）。单个设备的地址范围是1247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选择从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪个设备作出回应。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。2.功能码：表3-2 常用功能码表功能码名称功能地址类型01读线圈状态读位（N Bits）0x02读输入离散量读位1x03读多个寄存器读整型等(N Words)4x04读输入寄存器读整型等3x05写单个线圈写位（1 Bit）0x06写单个寄存器写整型等（1 Word）4x15写对个线圈写位（N Bits）0x16写多个寄存器写整型（N Words）4x3.数据区：数据区的数据的内容可能是数据、参考地址或者设置值。4.错误校验码：串行协议中除了奇偶校验外，ASCII模式采用LCR校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验。由于本毕业设计使用的是MODBUS RTU通信协议，所以使用CRC校验。HMI与MCU间通过MODBUS协议通信主要有下面两种主从方式：表3-3 MODBUS协议通信方式主/从使用通讯协议优点缺点HMI作主设备MCU作从设备ModbusRTUHMI直接访问MCU直接映射出来的0X，1X，3X,4X寄存器。MCU作为从设备，必须不断响应HMI的查询，CPU占用率高；MCU需采用中断方式响应，编辑相对困难。MUC作主设备HMI作从设备ModbusRTUSlaveMCU作为主设备，可以主动发起通讯，不必占用过多CPU时间。HMI本地址LW，LB被映射为4X，0X寄存器，由MUC读取或写入。HMI组态上LW数据被修改时，必须通过MUC的定期查询才能被读出，实现起来不方便。MUC只能访问HMI本地址（LW），本位（LB）。本设计采用HMI作主设备MCU作从设备。人机界面与单片机通信程序详见附录三。4.4 本章小结本章首先设计了主程序流程图，了解程序的整体流程，然后按流程图设计了系统的主体程序、传感器角度检测子程序、人