（机械电子工程专业论文）基于can网络控制的新型信息显示系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍了一种基于c a n 网络控制的以小球矩阵作为显示屏的新型信息显 示系统。该信息显示系统可以在三维空间动态显示各种图形、图像以及文字信 息。在文章的绪论部分介绍了信息显示的意义和相关技术的发展历程、现状及 前景。在正文部分先介绍了系统整体方案设计和系统的些技术原理，如数字 图像技术、汉字编码技术、c a n 总线原理等，并将系统分为三个模块进行介绍，p c 模块、通信模块以及伺服驱动模块。然后就对这三个模块分别展开介绍，在p c 模块主要介绍了上位机的控制软件设计、内部的数据处理以及电源的控制模块 设计；在通信模块主要介绍了系统的通信的流程、以太网与c a n 网的连接方式、 c a n 网络设备的配置、c a n 网络中数据转换格式等；在伺服驱动模块介绍了该模 块如何供电，伺服驱动控制器与电源、电机、编码器的连接，对伺服驱动控制 器的重要接口的说明，伺服驱动控制器的重要参数设置、p i d 调试和控制模式 选择以及编码器线数与小球运动的位置和速度的关系。最后对该信息显示系统 进行总结，并提出了一些可行性的改进方案。 关键词：小球矩阵c a n 网络控制数字图像处理伺服驱动控制器p i d 调试 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sa r t i c l ed e s c r i b e san e wi n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e mw h i c hu s eb a l lm a t r i x a sd i s p l a ys c r e e n t h eb a l lm a t r i xi sc o n t r o l l e db yc a nn e t w o r k t m si n f o r m a t i o n d i s p l a yc a nd y n a m i cd i a p l a yg r a p h ，i m a g ea n dt e x ti n f o r m a t i o ni nt h r e e d i m e n s i o n a l s p a c e t h ei n t r o d u c t i o ns e c t i o no ft h e a r t i c l ei n t r o d u c t st h e s i g n i f i c a n c eo f i n f o r m a t i o nd i s p l a y sa n di tr e l a t e dt e c h n o l o g y sh i s t o r yp r e s e n ts i t u a t i o na n d p r o s p e c t s i nt h eb o d yo ft h ea r t i c l ei n c t r o d u c t st h eo v e r a l ls y s t e md e s i g na n ds o m e s y s t e mr e l a t e dt e c h n i c a lp r i n c i p l e s ，a sa d i g i t a li m a g et e c h n o l o g y , c h i n e s ec h a r a c t e r e n c o d i n gt e c h n o l o g y , c a nb u sp r i n c i p l e ，e t c a n dt h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e e m o d u l e sa l ed e s c r i b e d ，p cm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ，a n ds e r v od r i v e m o d u l e t h e ne x p a n dd e s c r i b e st h e s e t h r e em o d u l e s i nt h ep cm o d u l em a i n l y d e s c r i b e st h ec o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n ，i n t e m a ld a t ap r o c e s s i n g ，a n dp o w e rc o n t r o l m o d u l ed e s i g n i nt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l em a i n l yd e s c r i b e st h es y s t e mo f c o m m u n i c a t i o np r o c e s s e s ，e t h e m e ta n dc a nn e t c o n n e c t i o n ，t h ec o n f i g u r a t i o no f c 埘n e t w o r kd e v i c e s ，c a nn e t w o r kd a t ac o n v e r s i o nf o r m a t s ，e t c i nt h es e r v od r i v e m o d u l ed e s c r i b e sh o wt os u p p l yt h em o d u l e ，s e r v od r i v ec o n t r o l l e rh o wc o n n e c tt o t h ep o w e rs u p p l i e s ，m o t o ra n de n c o d e rc o n n e c t i o n ，t h ei m p o r t a n ti n t e r f a c eo ft h e s e r v od r i v ec o n t r o l l e r sd e s c r i p t i o n , i m p o r t a n tp a r a m e t e rs e t t i n g so ft h es e r v od r i v e c o n t r o l l e r p i dd e b u g g i n g ，c o n t r o lm o d es e l e c t i o na n dt h er e l a t i o n so ft h ee n d c o d e l i n en u m b e ra n dt h eb a l l s p o s i t i o na n dv e l o c i t y f i n a l l ym a k eas u m m a r yo ft h i s i n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m ，a n dp u tf o r w a r ds o m ef e a s i b l ei m p r o v e m e n ts c h e m e k e yw o r d s ：b a l lm a t r i x ，c a nn e t w o r kc o n t r o l ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，s e r v o d r i v ec o n t r o l l e r , p i dd e b u g g i n g h 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字日期：丝伫：生：竺 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， b 公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 云 趱 绪论 1 1信息显示的意义 第1 章绪论 随着科学技术的发展与进步，人类已经步入所谓的信息化时代。在这种社 会中信息的生产、存储、加工、传递和处理都成为重要的产业。研究信息的本 质、信息的获取、信息的存储、信息的控制传输、信息的处理优化以及信息的 显示都成了现代科技的热门课题。 一切事物，包括自然界和人类社会都能产生信息。信息不是事物本身，而 是有事物发出的消息、情报、指令、数据和消息中包含的内容。控制论的创始 人维纳曾经对信息下过这样的定义：“信息是人们在适应外部世界，并且这种适 应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行互相交换的内容的名称。 随着科学技术的发展，信息量不断增加。统计表明，信息量的增长速率为 每年1 3 ，今后将达到4 0 。人们把这种情况称为“信息爆炸”。面临如此众 多的信息，人们必须采用计算机来处理和加工信息，同时采用有效的手段将处 理过的信息直观而迅速地输入到大脑中。 生活在客观世界的人，每时每刻都要从外部世界获取信息。人类感知外界 信息依靠眼、耳、鼻、舌和身( 皮肤) 所具有的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。 研究表明，人类的各种器官从外界获取的信息中，视觉占据了人们信息接收总 量的8 0 。统计显示人五官接受信息时的感受细胞数量和处理速度如表1 1 所 示。从五官接收信息的细胞数量方面进行比较，视觉最大，触觉、味觉次之； 而从处理速度而言，视觉也最快，达3 m b p s ，听觉要低2 个数量级。此外，通 过视觉所获得的信息比用其他感觉方式获得的信息记忆更深刻、更牢固。因此， 人们常常将收集的信息处理成文字、图形、图像等形式，以便于人们的交流。 人们用各种手段将各种信息以文字、符号图形以及图像的形式付诸于人的 视觉的技术，在现代科学中称为信息显示或显示技术。信息显示的基本过程如 下图1 1 所示： 它主要由信息源、数据处理和显示设备三部分组成信息源包括雷达天线和 摄象机探测到的信息、电子计算机输出的信息、磁盘存储的信息和传感器转换 的非电量信息等。各种输入信息在计算机中经过编码和变换等的处理，送入显 示设备，最后将所输入的信号显示出来。 结论 袭11 五官信息接收与处理对比图 五官感觉感受细胞数i- 处理速度( b p s ) 鬻 视觉 1 0 3 x 10 听觉- - 钰甜。二蕾i 5 n 寸 触觉 10 10 1 0 0 昧觉 。 l 睇 -黪_ l o j 二 嗅觉 3 z l0 2 x 1 0 | 露 雷选 计 智信 算 投影群 撮像帆 息 斡誊 卜 圈差 i源 。o 显示屏缶 忙感船* 辫l 处 霸 理 孽 磁盘 显示器 j 酗l l 信息显不的基本过栏 显示技术是整个信息技术的重要纽成部分，是信息系统与人交互的不可逾 越的环节。显示技术在国民经济中具有稂重要的用途目前，采用大型计算机来 进行国民经济的统计和核算，计算运行完毕后就由显示器将结果显示出来。工 业过程、码头和仓库等的实况都可啦显示在显示设备上，调度员可在显示设备 上进行操纵和管理。电化教学是普及教育和提高教学质量的有力措施，显示技 术也在这方面大显身子。通讯是联系国民经济各部门的手段。显示技术正在改 变通讯的现状，电视电话不但能象普通电话那样传递语言信息。而巳通话者可 以看到对方。 目前，正在采用各种显示器作为计算机的输出装置，不但克服了打印机噪 声大和数据输出速度较低的缺点，还扩展了计算的功能。计算机采用光笔图形 显示器可以实现人机对话。，们利用光笔可以在显示器上直接输入数据或修改数 据，再令计算机重新运算，以便迅速得到满意的结果。光笔图形显示嚣已广泛 用于计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助教育( c a i ) 、情报检索等方面。 绪论 超声或x 射线的层断面扫描技术( c t ) 是诊断人体内部肿瘤和组织病变的强 有力的工具，在这类扫描设备中，需要将各点的信息组成图象，在这方面显示 技术也起着极其重要的作用。 电视是人们的良师益友，是人类文化生活的重要组成部分，也是显示技术 最重要的成就之一。手机、寻呼机、个人数字助理( p d a ) 、银行白动取款机和 股票交易大厅内的大屏幕行情显示屏，形形色色的显示设备争奇斗艳，奕奕生 辉辉，成为人们了解世界、掌握信息、传播知识和享受文明的窗口。 现代的生活、现代的工作、现代的娱乐、现代的交流己与显示技术紧紧交 融。 1 2 信息显示技术的发展历程、现状及其前景 显示是人们了解世界的重要途径之一人类是通过视觉、听觉、嗅觉、味觉 和触觉五个感觉来了解周围的世界，但这五种感觉接受信息的能力存在很大差 异，其中最容易获取信息的感觉功能是视觉。有研究表有8 0 以上来自视觉。 此外，通过视觉所获得的信息比用其他感觉方式获得的信息记忆更深刻、更牢 固。而在所有视觉媒体当中，显示( 动态画面) 所包含的信息量毫无疑问是最大 的。例如，有研究表明，动态画面每秒钟包含1 0 0 m b 以上的信息量，而一张普 通大小的a 4 纸张所包含的信息量不过是3 2 k b 左右。 1 2 1信息显示技术的发展历程信 正是因为如此，对世界了解的渴望驱使着人们不断追求接近于现实的显示 技术，并且这种努力从来没有停止过。“幻影、“走马灯”则是显示活动图像的 最原始的尝试。 下面回顾一下信息显示技术的发展历程： 1 机械电视发展阶段( 1 8 8 3 - - - , 1 9 2 9 年) 1 9 2 9 年，英国发明家贝尔德( t l b a i r d ) 正式进行了机械电视转播，使机械 电视从此开始。 2 电子束显示器件和电子电视阶段( 1 9 3 0 - 1 9 6 0 年) 1 8 9 7 年，德国人布劳恩( k f b r a u n ) 发明了阴极射线管( c r t ) ，这只采用气体 放电产生电子射束并激发荧光质发光的世界上第一只电子显示器件，实现了电 信号向光输出的转换，这是现代电子显示的起点。1 9 3 3 年由被称为“电视之父” 的佐利金发明的光电摄像管和显像管打开了电视系统由机械电视进入电子时代 的大门，从此进入了黑白电视的时代。1 9 5 0 年美国无线电公u - ( r c a ) 研制出第 绪论 一只彩色显象管，标志着图象显示进入了彩色阶段。 3 显示技术蓬勃发展时期( 1 9 6 0 年以后) 六十年代初期，半导体技术已经进入集成电路阶段。电子设备朝着小型化 和低电压方向发展，迫切要求发展新的一代显示器件。显示技术蓬勃发展的标 志如下： a 激光进入显示领域 b 平板显示大发展 c 计算机显示日益普及 d 新器件不断出现 1 2 2 信息显示技术的发展现状及其前景 目前，显示技术和显示工业发展迅速，主要是建立在现代社会信息的高速 增长上。随着信息量的增长和信息交换的频繁，人们将会更广泛、更经常地面 对各种显示器。显示器将越来越成为人们生活中不可缺少的一部分。另一个促 成显示工业发展的基础是电子工业，特别是集成电路的发展。现代显示技术正 是在电子工业、集成电路、计算机、光纤等迅速发展的基础上成长起来的。 正 是由于信息产业的发展使显示技术及其产品在短短几十年内有了不可估量的发 展，改变了人们的生活，改变了社会的面貌。同时也为显示技术及其产品开辟 了无限广阔的市场。2 1 世纪，显示技术将大显身手，再创新奇迹。显示技术的 发展首先表现在显示器件的发展上。显示器件种类繁多，各具特色，各种类型 的器件又不能相互替代。它们各有其自己发生、发展的轨迹。 1 c i 盯的更新，霸主地位受到挑战 c r t 是大信息量显示器发展历史最久的一个品种。由于它特殊的性能，优 异的显示质量及长久的发展史，使它一直是显示技术的主流。而现在c r t 即将 被将被平板型显示器件所代替，其霸主地位已经不再稳定。但是，近年来，c r t 显示器通过其更新换代，还是保持着去其他各种显示器件的平行发展。这不能 不归功于c r t 近年来更新换代的功绩。c r t 的发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 提高分辨率 ( 2 ) 小型化 ( 3 ) 平面化而实现小 2 平板显示日新月弄，前程无量 面对c r t 的缺点，如体积大、电压高、功耗大，软x 射线影响健康等等， 人们一直追求一种平板型、低压、微功耗，易于和l s i 直接匹配的新型显示器 件。随着l s i 的飞速发展，各类平板型显示器件有如万马奔腾，其日新月异的 4 绪论 发展，向c r t 提出了严峻的挑战。 ( 1 ) 液晶显示器件异军突起这是一种最有希望的被动型平板显示器件， 简称l c d 。目前，液晶显示产品的主要热门课题是壁挂式液晶电视、背投电视、 便携式液晶电视、大屏幕液晶电视和便携式、掌上型、笔记本型液晶显示计算 机、高档汽车液晶显示仪表、液晶显示办公用品、液晶显示智能仪表等。液晶 显示技术的突破是和l s i 的发展及微电子技术的发展分不开的。由于液晶的发 光、热光等多种效应，使其有可能制造出既具有其他类型显示器件的优点又克 服了其缺点的新型显示器件。 例如：目前普及最广的t n 型l c d ，它与大规模集成电路的配合，已经使 手表业、仪表业彻底发生了变化，电子手表、计算器、便携仪表几乎改变了人 类生活。 此外，超扭曲( s t 技术已经有三代的更新了。彩色和黑一白模式的超扭曲 技术可以使多路驱动性能达到2 0 0 0 线以上。 t f t 有源矩阵是l c d t v 的基础，目前生产技术已完全突破，进人工业大 生产，彩色的壁挂式、便携式l c d t v 、便携式t f t - l c d 多媒体将会又一次改 变人类生活。 最近铁电液晶显示( f e l c d ) 的开发研制也有很大突破。这将是一种更加完 美的液晶显示模式。 多稳态液晶显示( m l c d ) ，不用偏光片，具有无功存储功能，用于e b o o k ， 将改变人类的阅读习惯。 硅片上的液晶( l c o s ) 用做高清晰度数字电视，可以使人们有望获得低成本 高质量的大屏幕家用电视。 目前，液晶显示器件已经成为仅次于c r t 的第二大显示器件产业。 ( 2 ) 等离子显示器件不可低估 这是一种利用等离子体放电实现显示的主动显示型平板显示器。简称p d p 。 目前，已实现了大面积化及矩阵显示屏的商品化。彩色平板大型电视及计算机 终端已经在市场上流行。但是由于它是高压型器件，在驱动上不能与l s i 电路 直接匹配，成本偏大，因而影响了其发展。 ( 3 ) 发光二极管显示器件长寿命、高可靠 发光二极管显示器件简称l e d ，是一种全固体型发光显示器件。其年增长 率在各类显示器件中是相当高的。其产量目前是最高的，产值仅次于c r t 和 l c d ，占第三位。其开发目前主要是提高发光效率，提高亮度指标。 ( 4 ) 电致发光显示成本最低 电致发光又称场致发光，简称e l 。这也是一种全固体化器件。成本低，是 绪论 各类显示器件中成本最低的一种。由于结构、工艺简单，材料成本低，电致发 光，是发展最早的显示器件之一。虽然几度被世人注目，但一直未能成其气候。 究其原因，其亮度较低，寿命较短、驱动电压高、矩阵屏结构复杂等是重要原 因。目前，在亮度和寿命上也已有了较大的突破。在结构上，塑料膜屏，搪瓷 屏开发成功，使电致发光得到了广泛的应用。 ( 5 ) 平板荧光显示器件显示豪华、优美 荧光显示器件简称v f d ，是一种低压、直流驱动的电真空显示器件。国内 比较熟悉，用途较广。这种显示器件显示豪华、非常优美，目前在国际上主要 用于汽车、音响设备及音像设备等高档产品上。这种显示器件目前虽然主要是 向彩色化及平板电视屏方面发展，但由于其结构复杂，竞争力不强。而如果开 发作为超大屏( 指几十平方米) 的像元、像素却有着很大优势。可以用较低力不 强。而如果开发作为超大屏( 指几十平方米) 的像元、像素却有着很大优势。可 以用较低的工作电压实现与高压c r t 像元、像素同样的显示效果。 ( 6 ) 其他平板型显示器件群星灿烂 除以上人们较为熟悉的各类平板显示器件以外，还有不少颇具前途，前景 非凡的平板型显示器件。现在已经得到了应用，甚至已经商品化。例如： 电致变色显示( b c d ) 电泳显示( e p i d ) 铁电显示( p l z t ) 平板场发射显示器( f e d ) 有机场致发光( o e l ，o l e d ) 3 大屏幕显示呼声日高，稳步发展 大屏幕显示的应用领域很广。特别是随着现代社会的发展、工业的进步、 公众活动的加强，人们对能够面向广大公众或对大型设施上的信息传递起重大 作用的大屏幕显示呼声日高。从军事指挥控制中心到家庭电视，其他工业控制、 广告、信息发布、体育中心等等无不需要大屏幕显示。 大屏幕显示是一种多学科的、复杂的显示系统。几乎各种显示技术都可应 用于大屏幕显示。一般说来目前屏幕显示有以下几种类型。 ( 1 ) 投影大屏幕 ( 2 ) 巨型平板显示屏 ( 3 ) 电视墙 ( 4 ) 背投电视 综上所述，显示技术就像一个百花盛开的花园。形形色色、万紫千红的各 种显示器件正在以令人眼花缭乱的丰姿发展着，相互竞争，相互促进。它们的 6 绪论 发展竞争主要体现在性能与价格上。也许有一天会产生一种具有各类显示器件 优点的新秀取代其他的伙伴，但更现实的可能则是互相补充、共同前进的局面。 当然也会有一些类型的显示器件会被其他的显示器件的发展和竞争中所取代。 在现代显示技术发展的道路上，高科技成果必将把现代信息显示技术推向一个 个高峰，创造一个个奇迹，为人类文明的发展作出贡献。 1 3c a n 网络概述 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，即控制器局域网，是国际上应用最为广泛 的现场总线之一。c a n 是一种多主式的串行通信总线基本设计规范要求具有 较高的位速率、抗电磁干扰性、很强的检错纠错能力。在由c a n 总线构成的单 一网络中，理论上可以挂接无数个节点，但在实际应用中，节点数目受网络硬 件的电气特性所限制。 正由于c a n 的高可靠性和实时性，使得它与传统的普通网络相比( 如r s 4 8 5 等) ，优越性显而易见。c a n 的信号传输介质为双绞线，具有现场总线的特点。 现在c a n 己被广泛运用于汽车工业、航空工业、工业控制等自动化领域。 随着现场总线技术的发展与应用，它的优点越来越受到人们的赏识，作为现场 总线技术的杰出代表，c a n 总线技术从一开始就以其高抗干扰能力，低传输时 延和高可靠性受到各工业控制厂家的亲睐。 c a n 网络采用差分传输技术，大大加强了抗干扰能力，最大传输距离可达 1 0 k m ，此时的传输速率为5 k b p s ；最高传输速率为1 m b p s ，此时的最大传输距 离为4 0 m ，当采用5 0 k b p s 的传输速率时，传输距离最远可达1 3 k m 。 c a n 网络结构为三层结构，等效于i e c6 0 8 7 0 系列的增强性能模型，这样 可以大大降低信息传输时延，尤其适合于对传输时延要求较严格的控制系统。 c a n 网络传输的错误检测、故障界定、仲裁都是在数据链路层来完成的，能检 出多种错误，如填充错误、位错误、c r c 错误、形式错误、应答错误等，充分 保证了通信的可靠性。 c a n 网络协议支持多主结构和实时主动上送功能，此时的主动上送不需要 等待主站的查询( 巡检) 命令，这是以往的p o l l i n g 系统所无法实现的，因此若 用c a n 构成保护系统局域网络，就能在主控制器上迅速获得有关保护的实时信 息( 事件、自诊断、遥信变位等) 。 7 下图中列出了另一种t 常用总线r s - 4 8 5 同c a n 总线的区别 竹 墟本 怔赓 鞘离 磊缱墟本 高较低 g 旦剃i ij *低 离 啊纬特性 单主网络舞主研络 融挥伸输啦怔 棚机翻无可靠的错误赴理和捡错机制 通讯暧毕高缸低 节靠锖琨曲辱响 导致整十曙结的瘴癀7壳妊何群响 埔j r 腓离1 5 k m 可选l o k m ( 5 k b p s ) 嘲铺骑试困堆 非常窖易 j 班难度 标；篮m o 由u ，m 诚 标准c a n 曲u - 协议软件包支持 后期傩护废术高低 1 4 论文的结构安排 圈1 2r s 一4 8 5 同c a n 的区别 本文主要是设计一个用于显示图形、图像以及文字的新型信息显示系统。本 文分以下几个方面展开： 第1 章绪论： 第2 章新型信息系统的整体设计方案： 第3 章新型信息显示系统的p c 模块设计： 第4 章新型信息显示系统的通信模块设计； 第5 章新型信息显示系统的伺服驱动模块设计； 第6 章总结与改进。 堑型堡星垦垂墨堑鲍量堡互塞堂盐 第2 章新型信息显示系统的整体方案设计 21系统的主要技术原理 211 数字图像与像素 2i i1 数字图像的基本概念 究竟什么是图像呢? 一般大家普遍接受的观点认为，图像( i m a g e ) ，是一个物 体或者一堆物体的视觉表示( a i m a g e i s av i s u a lr e p r e s t a t i o no f o 姊e c t o r g r o u p o f o b j e c b r ”。这种观点将图和像做了区分，图指的是物体投射或反射光的分布； 像指的是人们视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识。前者是客观存在的， 而后者为人们主观感受，图像是二者的结合，既有主观的成分。又有客观的成 分。 如果从数学的角度来看图像这可以认为图像是一个在三维或高维空间。 以灰度图像为例，可以认为它是一个定义在x - y 平面上的函数产取j ) ，其中，z 就是图像的灰度值( 或亮度) ，而x 、y 分别表示平面上两个坐标轴的坐标。一般 函数f ( x ，y ) 定义在一个矩形区域内，也就是说一副图像通常称矩形。图21 显示 了一副灰度图像及其函数表示。对于彩色图像，平面各点( x ，y ) 处的函数值还反 映了色彩的变化因此可以表示为f ( x ，y ，u ，其中x 为波长，一副彩色图像为各 点( x ，y ) 点上各个波段亮度值的和，对于图像是活动的( 比如视频序列) ，则还应 为时间t 的函数，即r x ，m k o ，对模拟图像，时间t 是连续的；对数字图像，时间 t 是离散的。 嚷i ，镬 ( i ) k e i _ ( b ) ，扛，) l m m t扛l “ 洳一m r ， 圈2 l 图像可以看成定义在x y 平面上的函数z = f ( x y ) 2 1l2 像素的基本概念 9 堑型! i 星里至墨堑盟矍堡互垂垡生 讲完数字图像的概念我们就不得不提到另外一个重要的概念像裘， “像素”( p i x e i ) 是由p i c t u r e ( m 像) 和e l e m e n t ( 元素) 这两个单词的字母所组 成的，故“像素”表示“图像元素”之意一个像素通常被视为图像的堆小的 完整采样。矩阵是一个数学概念，它表示一个横成行、纵成列的数字阵列。图 像上所有的像素阵列称图像矩阵。像素是构成图像矩阵的单元，也就是指图像 矩阵中的一个小方格。图像矩阵的像素里两横行和两纵行排列时，即2 2 或 2 2 矩阵。若图像矩阵的像素分为1 0 2 4 横行和1 0 2 4 纵行排列，即为1 0 2 4 x 1 0 2 4 矩阵。这是矩阵的一种表示方法。一般数字x 线成像的矩阵大小为2 5 6 2 5 6 到2 0 4 8 x 2 0 4 8 ，以5 1 2 5 1 2 、1 0 2 4 1 0 2 4 较为多见。在实际应用中，有重建 矩阵和显示矩阵之分。矩阵大小。影响着数字图像的质量如果构成图像矩阵 小，像素数量少，数字图像的分辨率则低，观察到的原始图像细节就少。反之 矩阵大，像素数量多尺寸小，图像的分辨率就高观察的细节多。这里提到 的分辨率是指打印图像时，在每个单位长度上打印的像素数，通常以“像素， 英寸”( p i x d i n c h ，p m ) 来衡量。 描述一幅图像需要的像素是由每个像素大小和整个图像尺寸决定的。在确 定分辨率的条件下，图像大比图像小需要的像素多。每个单独像素的大小决定 图像的分辨率。像素数量与像素太小的乘积决定视野。若矩阵大小固定，视野 增加时，图像分辨率变低。原因是视野增加了，每个像素尺寸亦增大的缘敲。 像素尺寸减小，可提高分辨率但又不能减的太小，太小又不符合实际。因为 图像矩阵常为正方形，像素宽度每减少一半，像素总数增加四倍。像素多，则 占据计算机内部存贮空问大一幅完整的图像从图像处理到完全显示全部过程 慢。 例如取图2 1 中的( a ) 的一小块放大，如图2 2 ( a ) 所示，将一个3 2 3 2 的网 格( 如图2 2 彻所示) 覆盖在上面，得到图22 0 ) 。图22 ( c ) 中每个小格对应一个像 素，格内灰度是一致的。这里的每个小格就是一个像素。 ( a ) 图22 像素举倒 新型信息显示系统的整体方案设计 2 1 1 3 二值化图像及图像二值化 二值图像是指每个像素不是黑就是白，其灰度值没有中间过渡的图像。二 值图像一般用来描述文字或者图形，其优点是占用空间少，缺点是，当表示人 物，风景的图像时，二值图像只能描述其轮廓，不能描述细节。这时候要用更 高的灰度级。 通过对灰度图像二值化处理，胄邑够凸现出感兴趣目标的轮廓灰度图像的二 值化处理就是讲图像上的点的灰度置为0 或2 5 5 ，也就是讲整个图像呈现出明 显的黑自效果。即将2 5 6 个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍 然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。在数字图像处理中，二值图像 占有非常重要的地位，特别是在实用的图像处理中，以二值图像处理实现而构 成的系统是很多的，要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化， 得n - 值化图像，这样子有利于再对图像做进一步处理时，图像的集合性质只 与像素值为o 或2 5 5 的点的位置有关，不再涉及像素的多级值，使处理变得简 单，而且数据的处理和压缩量小。为了得到理想的二值图像，一般采用封闭、 连通的边界定义不交叠的区域。所有灰度大于或等于阀值的像素被判定为属于 特定物体，其灰度值为2 5 5 表示，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰 度值为0 ，表示背景或者例外的物体区域。如果某特定物体在内部有均匀一致 的灰度值，并且其处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景下，使用阀值法就 可以得到比较的分割效果。如果物体同背景的差别表现不在灰度值上( 比如纹 理不同) ，可以将这个差别特征转换为灰度的差别，然后利用阀值选取技术来分 割该图像。动态调节阀值实现图像的二值化可动态观察其分割图像的具体结果。 灰度图像的二值化没有固定的算法，根据图像区域中目标物体的不同而有不同 的二值化算法实际使用中最简单的二值化算法就是根据每个像素的灰度值做 舍入处理，比如二值化阀值可以设置为0 2 5 5 的中值1 2 7 ，但是这种的二值化没有 根基图像的整体灰度值所在范围做考虑，所以效果很差 2 1 2 汉字编码与字模 2 1 2 1 汉字编码原理 计算机内部使用的汉字编码称为汉字内码或汉字机内码。汉字机内码由国 标码( g b 2 3 1 2 8 0 ) 演化而来，把表示国际码的两个字节的最高位分别加l ， 就变成了汉字机内码。汉字字模信息码即汉字字形码，汉字输入编码是外部码， 同一个汉字可以有不同的输入编码，但它们的汉字机内码曝惟一的。汉字的输 出则根据点阵方式构成的汉字字模信息码输出。常用的汉字编码类型有： 新型信息显示系统的整体方案设计 ( 1 ) 国标码 “中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码”，标准号g b 2 3 1 2 8 0 。该 编码字符集收录了一级汉字3 7 5 5 个，二级汉字3 0 0 8 个，图形符号6 8 2 个，共 7 4 4 5 个。在g b 2 3 1 2 8 0 代码表中，纵向分为0 - - 9 3 ，共9 4 行：横向也是o 9 3 ，共9 4 列。行与列分别用7 位二进制码表示，第一字节表示行，第二字节 表示列。其值从0 1 0 0 0 0 1 到1 1 1 1 1 1 0 ( 十六进制为2 l 7e ) 。这正是a s c i i 码的可打印字符的编码范围。国标码是将第一字节和第二字节连写而得，习惯 上称第一字节为“高字节 ，第二字节为“低字节 ，一般用十六进制表示。 机内码 整个代码表分为9 4 个区( 对应高字节) ，每个区9 4 个位( 对应低字节) ， 合起来就是区位码，按如下规则确定： 高位内码= 高字节国标码一2 0 h 低位内码= 低字节国标码一2 0 h 机内码 汉字区位码的区码和位码的范围在1 一9 4 内，如果直接作为机内码必将与 基本的a s c i i 码冲突。为避免与基本人a s c i i 码中的控制码与字符码的冲突， 分别在区码、位码上增加a o h ( 即1 0 1 0 0 0 0 0 ) 。所以，内码同样占两个字节， 分别称为高位内码与低位内码，按如下规则确定： 高位内码= 区码+ a o h 低位内码= 位码+ a o h ( 2 ) b i g 5 码 b i g 5 码是目前台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准，包括 4 4 0 个符号，一级汉字5 4 0 1 个、二级汉字7 6 5 2 个，共计1 3 0 0 0 个汉字。b i g 5 是一种双字节编码方案，其第一字节的值在1 6 进制的a 0 f e 之间，第二字 节在4 0 - 7 e 和灿f e 之间。因此，其第一字节的最高位是l ，第二字节的 最高位则可能是1 ，也可能是0 。 ( 3 ) u n i c o d e 编码( u n i v e r s a lm u l t i p l eo c t e tc o d e dc h a r a c t e rs e 0 国际标准组织于1 9 8 4 年4 月成立i s o i e c 工作组，针对各国文字、符号进 行统一性编码。1 9 9 1 年美国跨国公司成立u n i c o d ec o n s o r t i u m ，并于1 9 9 1 年 1 0 月与w g 2 达成协议，采用同一编码字集。目前u n i e o d e 是采用1 6 位编码体 系，其字符集内容与i s 0 1 0 6 4 6 的b m p ( b a s i cm u l t i l i n g u a lp l a n e ) 相同。u n i e o d e 于19 9 2 年6 月通过d i s ( d r a fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，目前版本v 2 o 于19 9 6 年 公布，内容包含符号6 8 1 1 个，汉字2 0 9 0 2 个，韩文拼音1 1 1 7 2 个，造字区6 4 0 0 个，保留2 0 2 4 9 个，共计6 5 5 3 4 个。 1 2 新型信息显示系统的整体方案设计 2 1 2 2 字模提取技术 本系统设计中用到的是1 6 1 6 汉字字模点阵字库。因此应先取得输入汉字的 区位码，对于字库h z k l 6 ，汉字内码与区位码之间的转换关系为： 区码= 汉字机内码的高字节a 1 h 位码= 汉字机内码的低字节a 1 h 进行计算后，得到此汉字字模在点阵字库中的偏移量为： o f f s e t = ( 区码9 4 + 位码) 3 2 基于上述的分析采用v c 软件直接从字库中提取标准的汉字字模代码，因为 存放1 6 1 6 点阵汉字的字库在中文操作软件如u c d o s 7 0 中可以找到现成的文 件h z k l 6 。这些字模代码都是按照区位码的顺序在字库以二进制格式存储的，每 个汉字占用3 2 个b y t e 。因此只要找到汉字代码的起始位置，就可以正确提取汉字 点阵信息。用a s a o i 垂l 数获取汉字的区位码，当汉字作为它的参数时，返回的是 汉字的机内码。经h e x o 函数转换即可得到该汉字机内码的十六进制数，再通过 机内码、国标码和区位码之间的换算关系就可以得到该汉字的首地址。在字库文 件中从汉字的首地址开始到第3 2 个字节就是该汉字的代码。将对应的点阵信息读 出并存储，1 6 x1 6 点阵汉字字模的每一横行占两个字节。即1 6 x1 6 点阵的每一行 是由这两个字节来决定的。将其数字转化为二进制，字模中为0 的位对应的小球 位置不变，为1 的位对应的小球位置改变。 2 1 2 3 汉字字模与小球矩阵之间的显示关系 计算机中处理的每一个汉字都可以看成是一幅图形，计算机中使用的汉字库 为h z k l 6 ，即每个汉字由1 6 行和1 6 列组成的2 5 6 个方格构成，在显示汉字时，笔 画经过的方格就形成黑色，不经过的形成白色，从而用一副图形符号显示相应的 汉字信息。这幅图形符号称作为汉字点阵字模。 汉字是1 6 x1 6 的所以描述一个汉字字模信息的大小为2 5 6 b i 虽p 3 2 b y t e ，汉字 是按照区位码的顺序来排列的。 以得到王字的字模信息为例：我们先得到“工 字的内码为：1 8 5 ，1 6 4 ，根 据内码与区位码的转换关系得到“工 字的区位码为：1 9 ，0 4 。由前面区位码介 绍中，我们知道，每一区有9 4 个汉字，位号表示在该区的位置。因此“王 字中区 位码中的位置为： 9 4 ( 区号1 ) + ( 位号一1 ) = 9 4 ( ( 1 9 1 ) + ( 4 1 ) ) = 1 9 7 4 。而每一个 汉字占3 2 个字节，因此我们得到“工 字在字库文件( h z k l 6 ) q b 的偏移量为： 1 9 7 4 3 2 = 6 3 1 3 8 字节。我们只需要从h z k l 6 文件中6 3 1 6 8 字节开始读取3 2 个字节就 可以得到“工”字的字模信息了。本系统采用了逐行扫描的方式来显示汉字的字模 点阵信息，汉字“工的字模信息为： 0 0 h ，0 0 h ，o o h ，0 8 h ，7 f h ，f c h ，0 1 h ，o o h ，0 1 h ，o o h ，0 1 h ，0 0 h ， 堑! 篮星星重墨叠盟型整直塞堡生 0 1 h ，0 0 h ，o i h ，0 0 h ，0 1 h ，0 0 h ，0 l h ，o o h ，0 1 h ，0 0 h ，0 l h ，o o h 0 1 h ， 0 4 h ，f f h ，f e h ，0 0 h ，0 0 h 0 0 h 。o o h 将其转换为二进制数为： 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 1 0 0 0 ，0 1 1 1 1 1 1 i ，1 1 1 1 1 1 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 01 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 1 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 01 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0i ， 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 1 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 1 ，0 0 0 0 0 1 0 0 ，1 1 1 1 1 1 1 1 ，1 1 1 1 1 1 1 0 ， 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 将以上的二进制数在下面的表格中表示出来，其中是1 的位涂黑，是0 的位无 变化。则将上述二进制数用表格表示出来的图形如图23 所示。通过观察图形可 以发现变黑的部分正好组成汉字“工“。因此可以得出汉字字模和小球显示矩阵 之间是一一对应的关系。 根据上述原理，我们利用若干个小球组成的阵列来模拟上述的工作过程就 形成了小球显示屏。 213c a n 总线的原理研究 圈2 2 汉字点阵图 2 13 1c a n 总线的性能特点 c a n ( c o n n o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线是德m b o r h 公司从8 0 年代初为解决现代 汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据变抉而开发的一种串行数据协议，目前 己成为国际标准化组织i s o i1 8 9 8 标准，它是一种有效支持分布式控制或实时控 制的串行通信网络，c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在 自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、防滑系统等应用中，c a n 的位速率 可高达1 m b p s 。同时，它可以廉价地应用于交通运载的电气系统中，例如：灯光 聚束、电气窗口等等，以替代所需要的硬件连接。c a n 总线广泛的应用与其良好 的性能密切相关，其特点如下： ( i ) c a n 可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点 新型信息显示系统的整体方案设计 均可在任意时刻，主动地向其它节点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点， 可以方便地构成多机备份系统。 ( 2 ) c a nj 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实事要求，高 优先级的数据最多可在1 3 4i is 内得到传输。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送 消息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响地 继续发送信启。从而大大节省了总线冲突仲