（控制理论与控制工程专业论文）远程手写数据采集系统的设计与实现.pdf

两北工业大学项j j 学位论文 摘要 摘要 本文研究的主要目的是设计和实现一个远程手写数据采集系统。该系统应 用于企业产品销售和生产远程管理系统中，能够将产品销售情况和生产运行状 况及时上报，为企业更好的实施i s 0 9 0 0 0 质量管理体系服务。 该系统的工作原理是将手写输入技术集成到工业级产品中，用触摸屏实现 手写输入，通过嵌入式调制解调器拨号上网，利用公用交换电话网将手写点阵 数据传送给远端企业服务器，在服务器上进行手写数据的识别，识别结果以文 本数据格式进入管理数据库。 作者主要完成了以下几方面的工作： 第一，根据企业实际需要提出了手写数据采集系统的原理方案，制定了相 应的软硬件详细实旖方案。 第二，设计并实现了数据采集终端的控制软件和硬件电路，对数据采集终 端硬件电路进行了调试，实现了数据采集终端的各项功能。 第三，提出了手写数据的矢量点阵存储方法和游程长度编码的压缩方法， 有效的减小了手写数据存储量；制订了数据采集终端和服务器端之间的通讯协 议，p p p 协议内嵌i p 协议可以保证手写数据的可靠传输。 第四，设计了服务器端的服务软件，可以实现数据的解码、重建、笔划特 征提取、议别、数据管理功能；采用了基于笔段笔顺编码和结构特征的识别方 法并设计了识别字典的结构，可以有效的提高识别速度，达到较高的识别率。 通过对系统软硬件的设计和调试，整个系统运行正常。运行结果显示，所 建立的远程手写采集系统采集迅速，传输可靠，对一定规模字库的识别率这到 9 0 以上，可以满足企业需要。从而实现了预期的方案，达到了设计目标，也 为必后科研成果的商品化创造了条件。 关键词：远程数据采集，嵌入式调制解调器，触摸屏，手写汉字识别， 点阵数据压缩，笔段笔顺编码 两北工业大学顶上学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f ar e m o t e h a n d w r i t i n gd a t as a m p l i n gs y s t e m t h i ss y s t e mc a n b eu s e di ne n t e r p r i s ep r o d u c t s a l e ss y s t e ma n dr e m o t em a n u f a c t o r ym a n a g e m e n t s y s t e m s ，i t c a r lr e p o r tt h es a l e s a n dt h ep r o d u c tc o n d i t i o no nt i m e ，a n ds e r v e st h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gb e t t e r i m p l e m e n t a t i o n o fi s 0 9 0 0 0 q u a l i t yc o n t r o ls y s t e m t h em a i n p r i n c i p l eo f t h i ss y s t e mi si n t e g r a t e dt h eh a n d w r i t t e n i m p o r t a t i o n t e c h n i q u ei n t ot h ei n d u s t r yp r o d u c t t h eh a n d w r i t i n g d o tm a t r i xw h i c hi sc o l l e c t e d b yt o u c h s c r e e n ，a n dw a s t r a n s f e r r e dt or e m o t es e r v e rt e r m i n a lu s i n gp u b l i cs w i t c h t e l e p h o n e n e t w o r kv i am o d e m t h e r e c o g o n i t i o np r o c e s si sp r o g r e s si nt h es e r v e r t h e ns e n dt h er e s u l tt od a t b a s ei nt e x tm o d e f i r s t l yt h et h e s i sa i ma tt h ep r i n c i p l ed e s i g no f t h er e m o t eh a n d w r i t i n gd a t a s a m p l i n gs y s t e ma c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c ed e m a n da n de s t a b l i s ht h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ep r o j e c tt op u t si ti n t oe f f e c t v e c t o rd o tm a t r i xw a su s e db yr l ei nt h e d a t as a m p l i n gt e r m i n a la n dp p pw a sa d o p t e di nd a t at r a n s f e r r i n g t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e t a i l e dp r o c e d u r e so f h a n d w r i t i n gd a t ap r o c e s s i n g ， i n c l u d i n gc h i n e s e c h a r a c t e rd o tm a t r i xb u i l d i n ga n dd i s p l a y ，v e c t o rd a t as t o r a g e ， c h i n e s ec h a r a c t e rd o tm a t r i xc o m p r e s s i o n ，t r a n s f e rp r o t o c o la n dh a n d w r i t i n g c h i n e s ec h a r a c t e rr e - b u i l d i n g a l s o ，s t r o k eo r d e rb a s e dh a n d w r i t i n gc h i n e s ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o nm e t h o d i s e x p l o r e d ，a n dc h a r a c t e r i s t i c r e c o g n i t i o nm e t h o d s f o rc h i n e s ec h a r a c t e rw i t hs i m i l a r s t r o k eo r d e rc o d e sa n dt h es t r u c t u r eo fh a n d - w r i t i n gc h i n e s ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o n d i c t i o n a r ya r ed i s c u s s e d a f t e rt h en o r m a lc i r c u l a t i n gw ec a nd r a wt h er e s u l tt h a tr e m o t eh a n d w r i t i n g d a t as a m p l i n gs y s t e mc o l l e c t so nt i m e t r a n s f e r r i n gr e l i a b l e ，t h er e c o g n i t i o n r a t eo f c e r t a i ns c a l ew o r dd a t a b a s ec a na p p r o v et oo v e r9 0 ，w h i c h c a ns a r i s f yt h ed e m a n d k e y w o r d s ：r e m o t ed a t as a m p l i n g ，e m b e dm o d e m ，t o u c h - s c r e e n ， h a n d ，w r i t i n gc h i n e s er e c o g n i t i o n ，d o t m a t r i xd a t a c o m p r e s s i n g , s t r o k e so r d e r i n g c o d i n g 西北工业火学硕十学位论文 第一章绪沦 第一章绪论 l - 1 课题背景及意义 为了实现企业实时了解产品销售情况，及时跟踪生产运行状况，更好的实 施i s 0 9 0 0 0 质量管理体系，需要构建企业产品销售和生产远程管理系统。基于 易用性和低成本的要求，并考虑到企业产品销售渠道的深度和广度，需要产品 管理系统能够覆盖边远山区和广大农村。在这些地区具有固定电话线路资源， 而由于经济上或者网络资源上不太可能使用无线网络与企业网络进行数据传 输，使得在管理系统设计中应考虑实际情况和国情，必须选择相适应的系统。 本文采用将手写输入技术嵌入工业级产品中，在产品端或客户端实现手写 输入数据，并通过单片嵌入式调制解调器拨号上网，利用公用交换电话网( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t ，p s t n ) 传送给远端企业服务器，在服务器上使用识别 软件实现手写数据的识别，以文本数据格式进入管理数据库。 嵌入式系统已在家庭和工业的各个领域得到了应用但大多数嵌入式系统 还处于单独应用的阶段，配合一些监测、伺服、指示设备实现一定的功能。i n t e m e t 网络系统现己成为社会重要的基础信息设施之，是信息流通的重要渠道，如 果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t 上面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎 世界上的任何一个地方。基于网络的信息电器( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，i a ) 和 智能电器正迅速崛起。这些设备功能强，体积小，可通过i r t t e r n e t 发送或获取信 息，将逐步分割或替代单机p c 的某些功能。但这一领域的关键还在于价格，一 旦被广大基层群众所接受，将会商机无限。 触摸屏做为一种代替鼠标或键盘的特殊的计算机外设，它以简单、方便、 自然和一种极富吸引力的模式应用在人机交互方式中。小尺寸触摸屏加上控制 器从输入方法上远远要比键盘输入方式方便且信息量大，应用范围非常广阔。 手写输入技术在我国已经有了长足的进步，取得了相当大的成果，个人数 字助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p d a ) ，一些高档的手机，电脑手写板，高 档的网络电话机都具有手写输入识别功能。但应用于普通的工业产品中，将手 写输入的数据在网络中传输，再由远程服务器进行脱机识别的数据传输方式还 两北t 业大学硕七学位论文 第一章绪论 是一种尝试。 固定电话机上使用按键以拼音方式输入短消息进行发送，需要使用者发音 准确，有良好的拼音习惯，输入速度较慢。而采用手写输入短消息更为易用和 直观，因而具有相当大的市场潜力。 该嵌入式数据采集终端的网络功能使得企业可以实时跟踪售出的产品，信 息来源可以在边远山区、农村，可以对企业的产品质量进行跟踪，改善物流管 理渠道，实现销售上的每日盘点；也可以和其它传感器配合，采集、记录和显 示生产现场的各种实时运行的状态参数，解决一些跨地域甚至全国性的测控系 统中多而且分散的对象的统一管理和调度。 利用调制解调器( m o d e m ) 通过公用交换电话网与远程测量控制对象组 成网络，可以不受建网费用和距离的限制，在此基础上采用有情报上报或定时 上报的机制，上报数据量少，利用v 9 0m o d e m 就可以实现图像等大数据量的 传输。而且费用低廉，因而有很强的实用性。 1 2 技术现状 1 2 1 嵌入式系统与信息电器的发展 嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、r o m 或两者都有) 和其它外设封装在同一片集成电路里，常见的有8 0 5 1 。嵌入式系 统一般指把单片机嵌入有某种功能并有独立形态的系统中作为智能控制核心。 单片机从诞生之日起，就称为嵌入式微控制器。它体积小，结构紧凑，作为一 个部件埋藏于所控制的装置中，主要用于信号处理与控制，提供用户接口、管 理有关信息的输入输出、指导设备工作，使设备及应用产品具有较高性能和智 能，是智能电器产品的核心。嵌入式系统是2 1 世纪信息产业新的经济增长点， 单片机的应用促进了嵌入式系统的发展，带来的电器智能化使我们的生活正在 发生革命性交革。 早期的单片机一般用于工业上的简单控制，后来发展到用于仪器仪表、通 讯工具、家用电器等领域。单片机本身也从最早的4 位发展到今天的6 4 位。目 前，应用中最大份额的仍然是8 位和1 6 位单片机。 西北t 业大学硕上学位论文 第一帝 论 目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，一般是孤立于i m e m e t 以外 的。将嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难 在于，i n t e m e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较 高。而目前嵌入系统中除部分3 2 位处理器以外，绝大多数是建立在8 位和1 6 位平台上，系统资源非常有限，大部分工作于最小系统模式下，另一方面t c p i p 协议要求的资源又非常多，比如t c p i p 报文可能达到6 4 k b 长度，并且网络硬 件的最大传输单元( m a x i m u mt r a n s f e ru n i t ，m t u ) 必须不少于5 7 6 字节，实 现i n t e m e t 功能非常困难或根本不可能。如果将现有嵌入式系统中的m c u 都更 换成3 2 位或6 4 位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都不太可能。 信息电器( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，i a ) 这一概念很广泛，指的是那些有别 于p c 机的满足人们对使用方便、价格低廉的上网工具的需求的一种上网工具， 它是家用电器与个人计算机( p c ) 的融合，代表了消费类电子产品与计算机、通 信融合的趋势。 信息电器主要有三个特征：( 1 ) 是家用电器。它适合广泛的普通家庭使用， 功能和操作都比传统的电脑少而简单。( 2 ) 是信息设备。能够接入公共信息网 络，主动获取交互信息。( 3 ) 配置简单。组成部分比传统的电脑少，没有硬盘 等永久存储设备，设备价格比较低廉。 由于信息电器设计之初就是要满足消费者获取、加工、传递信息的需求， 因此这种电器往往具有某些p c 的功能。有些信息电器如可上网的冰箱，由于用 途单一( 与超市商品数据库联网) ，所以功能也可能相对有限；而另外一些信息电 器如维纳斯电脑，它们的产品定位是满足那些对上网、教育、办公、娱乐具有 一定需求，但又出于某种原因不想购买p c 的普通家庭用户，因此这类信息电器 产品往往将p c 中那些最常用的功能剥离出来。 除了网络功能外，信息电器在办公、通信、娱乐方面也有得天独厚的优势。 信息电器备受用户青睐的另外一个重要原因可能在于它的低价位和易用性。功 能强大的信息电器引发的是一场对家庭生活的革命，它使得人们的日常家居生 活越来越数字化、网络化，从而推进整个社会向信息时代迈进。 触摸屏是最适合信息查询的输入设备，各发达国家都积极的进行着触摸屏 西北工业大学硐二学位论文 第一章绪论 的研制开发，犹如p c 从2 8 6 、3 8 6 发展到奔腾机一样，触摸屏也从低档向高档 发展，从红外线式、电阻式走到电容感应式，现在发展到了表面声波触摸屏和 五线电阻触摸屏。性能越来越可靠，技术越来越先进。现在有的信息电器和智 能电器也安装有触摸屏，但多作为控制界面来用。如可用手触摸点选液晶屏上 显示的菜单等。触摸屏作为手写输入设备在信息电器上目前还很少见。 随着p d a 、手机、新一代计算机等信息工具的普及，手写识别技术也进入 了大面积应用的年代，越来越深入到了市场领域。在掌上电脑、手机、信息电 器等许多设备往往能提供和p c 一样的方便的键盘输入环境，并且在这些非常普 及的大众化产品中，对输入方式方便性、人性化的要求也越来越高。而这正是 手写技术大有可为的地方，因此，手写技术和这些信息设备相结合就成了当前 的发展方向之一。 1 2 2 汉字识别技术现状 汉字识别技术可分为印刷体 汉字识别和手写体汉字识别两大 类，后者又可分为联机( o n l i n e ) 手写汉字识别和脱机( o f f - l i n e ) 手 写汉字识别，如图1 1 所示。 图1 1 文字识别分类 出于汉字类别大，字形结构复杂，相似字较多，字形变化多端，因而汉字 识别被公认为是模式识别中的一项十分困难的问题。从识别技术的难度来说， 手写体识别难于印刷体识别，脱机手写体识别的难度又远远超过了联机手写体 识别。经过十余年的发展，由于国家高度的重视和支持使我国取得了举世瞩目 的进展，印刷体汉字识别研究成绩斐然，得到较广泛的应用；联机手写汉字识 别己取得相当成绩，而脱机手写汉字识别长期摸索研究后虽有进展，但离真正 的实用尚需努力。 联机手写识别和脱机手写识别有本质上的区别，识别方法也有所不同。 联机手写识别一般要经过数据采集、预处理、归一化、特征抽取、特征匹 配及输出文字代码几个主要的阶段。其中，数据采集一般通过手写板或触摸屏 等输入设备实现。用户在这些设备上书写的笔画按照书写顺序采样后发送到计 两北工业大学硕j 学位论文 第一蕈绪论 算机中，输入的是以坐标点序列表示的由笔尖移动轨迹构成的矢量图。由于采 集到的信息般含有较高的噪声，因此在提取它的特征信息前先要进行预处理， 将干扰信息尽量易4 除。此外，为了便于后面的计算，这个经过处理的矢量图需 映射到一个特定的坐标区间，这就是归一化的工作。手写留下的轨迹图中一些 关键的信息将被提取出来作为识别的依据。这些特征信息包括笔画的长短、角 度及各笔画的交叉点、组成结构等。通过将抽取出来的特征信息与系统内建的 识别字典相对照，便得到了识别的结果。 脱机手写识别指的是把手写体的文档以图形的方式经扫描输入计算机，然 后由识别软件来完成识别。识别过程通常如图1 2 所示。 匦匿丑吐巫蛩叫巫巫 吨至小 图1 2 脱机手写识别原理围 行字分割是将整页版面的原始图像先按书写行分割开，然后再从每行中切 分出单个汉字图像。预处理通常包括大小归一化、平滑、细化或轮廓化等处理 过程。特征抽取与分类器的设计是整个系统中最为重要的环节，稳定特征的抽 取与良好性能的分类器的设计是整个识别系统的核心，它们直接决定了识别系 统的性能。文本识别后处理是指对单字识别的结果，利用词义、语义等上下文 先验信息进彳亍识别结果的确认或纠错。 人机结合的综合集成法的构思及人工神经网络的深入应用，在汉字识别中 充分利用人的作用并在识别过程中加入了反馈因素不断地调整识别方法，提高 汉字的识别率。 手写识别技术与单片机的结合是有一定困难的。单片机系统内存空间极其 有限，因而对嵌入式的手写识别系统有着特殊的要求。比如，占用的系统空问 必须足够小，识别速度又必须足够快，还必须能适应低功耗c p u 的计算能力等。 1 2 3 嵌入式设备i n t e r n e t 网接入技术 嵌入式设备如何接入i n t e m e t 网? 旦旦! j 咝苎i 兰堡圭兰堡堡苎 塑二兰堕丝 当然可以采用微控制器直接驱动网卡芯片的方案。网卡芯片封装了底层的 以太网协议( 如i e e e 8 0 2 3 ) ，微控制器只需控制网卡芯片并实现传输层与网络 层协议( 例如t c p i p 协议) 即可以上网。但其缺点是必须应用在已经拥有局域 网的地方。 原则上讲，嵌入式设备只要转变为w e b 服务器，再加上t c p i p 网络协议 就可以上i n t e m e t 网。现就具体实现的技术方案做简单说明。 高档m p u 片上系统 o s i c o m 公司研发了n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 要算是最正统的方案 了。它是使用r i s c 技术的4 0 m i p s 的a r m 7 微处理器核心，加上以太网 ( e t h e r n e t ) 使用下列网络协议：t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据报协议) 、 r a r p ( 反向地址转换协议) 、i c m p ( 网际控制报文协议) ；还有下列关于i n t e r n e t 网的高层软件协议：h t t p ( 超文本传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、 f t p ( 文件传输协议) ；再包括p s o sr t o s ( 实时操作系统，i n t e g r a t e ds y s t e m 公司的操作系统) 等组成的s o c 。 举例来说，上述s o c 嵌入一台打印机就可以上网成为网上打印机，使 i n t e m e t 网上的任何一个客户机都可以用各自的浏览器在网页上使用、监视和控 制这台打印机。 3 2 6 4 位的嵌入式系统 3 2 6 4 位嵌入式计算机( 即高档单片机) 有足够的能力和资源按上述s o c 一样的思路，采用设备本身功能和网上w e b 浏览器功能一片到位的集成方案， 在操作系统和函数的支持下毫不费力地实现。并追求体型小巧，电池供电，满 足携带的方便。这类产品上网软件多模仿台式机的相关软件加以模块化，用时 根据需要选用。就模块而言，它们般有：e m a i l 模块、w e bb r o w s e r 模块、 h t t p 、t c p i p 等以及一些辅助模块。辅助模块有：嵌入式j a v a 模块、加密模 块、音频视频模块等等。 8 1 6 位单片机的嵌入式系统 实现的原则与上述并无不同，只是应当照顾到8 1 6 位系统速度不够快和内 存不够大，要想一些办法实现简化和保持最基本的东西，即嵌入式设备一定要 6 西北t 业火学硕上学位论文 第一章绪论 转变为w e b 服务器，一定要加上t c p i p 网络协议。 智能家用电器和信息电器中嵌入的单片机多是8 位和1 6 位的。就这些电器 的主要功能而言，8 1 6 位单片机是够用的，如果仅仅是为实现网络功能，改用 高档单片机，在价格上将会偏高。嵌入式设备接入i n t e m e t 网一定要兼顾高档机 和以8 位机为核心的一般单片机上网的可行方案。 采用p c 计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，上面支持t c p i p 协议 并运行h t t p 服务程序，就可以形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访 问的服务器。网关通过r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 、c a n 、红外、射频等轻量级总线与多 个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含个独立的通信任 务，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到网关中；同时通 信任务还可以解释网关的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。 增加到嵌入式系统中的通信任务代码长度一般在1 - 8 k b y t e s 左右，不会影 响m c u 的正常运作。这样仅通过增加了一个网关，就解决了嵌入式设备上 i n t e r n e t 的问题；网关还可以同时管理多个嵌入式设各，从而提高嵌入式网络的 结构化、智能化、浏览信息资源的归一化，并具有迄今为止其它解决方案无可 比拟的性能价格比优势。 上述一整套技术受到许多单片机生产厂家的重视，并组织了嵌入式i n t e m e t 联盟( e t i ) ，共同推动这一市场。可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表 着嵌入式系统和网络技术的真正未来。 1 3 作者工作及本文结构安排 1 3 1 作者工作 远程手写数据采集系统是一个软硬件结合的课题，包括数据采集终端的设 计与实现和服务器端的汉字识别软件和数据库管理系统。在本课题中，作者完 成的主要工作包括： 1 手写数据采集终端硬件设计与实现 数据采集终端的主要功能是进行手写数据采集、压缩和数据传输。主要进 行原理设计和硬件电路的调试。 西北1 二业入学硕：b 学位论文 第一章绪论 2 手写数据的建立与处理 采用c 5 1 编程实现用户书写的信息通过触摸屏获取后实时回显在液晶屏 上，把矢量点阵方式的图像数据采用游程长度编码压缩后储存在外部存储器中。 3 服务器端软件的研究与应用 服务器端的服务软件实现数据的解码复现、特征信息提取、汉字识别、数 据管理功能。采用笔段笔顺编码匹配方法结合结构特征可以实现对一定舰模汉 字库的识别率。 4 通讯协议的制定 制订数据采集终端和服务器间的通讯协议，规定通信协议数据包的包结构。 5 手写数据库的设计与实现 设计数据库的结构和行为，将手写原始数据备份在数据库中以各查对，识 别得到的文本信息进入数据库。 6 汉字识别字典结构研究 设计配合手写汉字识别方法的识别字典的结构。 1 , 3 2 本文的结构安排 全文共分六章。 第一章：绪论 简要介绍本文的研究内容、技术现状及主要工作。 第二章：系统方案 介绍系统总体结构和数据采集终端硬件电路实现。 第三章：嵌入式调制解调器的设计与实现 给出嵌入式m o d e m 的实现结构和通讯协议。 第四章：软件结构 说明系统软件的整体结构，详细说明手写数据的采集和处理过程。 第五章：汉字识别方法研究 提出远程手写数据采集系统中的汉字识别方法与识别字典结构。 第六章：总结 总结全文，提出改进方案。 西北工业大学硕 论文 第二章系统方案 第二章系统方案 2 1 总体方案 本系统由远程服务器和数据采集终端组成。系统组成原理如图2 1 所示。 远 程 服 务 器 酚一蓁 图2 1 系统框图 远程服务器：由p c 机、m o d e m 及其它外设组成，主要实现数据通讯、 数据管理、手写数据处理和手写数据识别工作。 数据采集终端： 数据采集终端的主要功能是进行手 蔓壅亟i 叫；卜_ - 压堕i i i i 巫 写数据采集、压缩和数据传输。主要由口噩蚕囊酬簦卜_ 二堑匠 触摸屏、微处理器、嵌入式调制解调器、厂瓦i 广 + - 一器卜厂丽x j 面 液晶显示模块、电源模块、r s 2 3 2 接口图2 2 数据采集终端组成 和存储器等部分组成。如图2 2 所示。 微处理器采用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 8 单片机，p 8 9 c 5 8 是8 0 5 1 内核的c m o s 工艺单片8 位全静态微控制器，内部自带3 2 k 字节的e p r o m ，2 5 6 字节r a m ，所 需外部扩展资源少，有利于降低系统成本和系统功耗，提高系统的可靠性。 复位电路采用m a x i m 公司的m a x 7 0 5 芯片，提供系统上电复位、手动复位、 电压监测和程序运行监视，保证系统工作的可靠性和稳定性。 r a m 采用3 2 k 8b i t 低功耗c m o s 静态存储器u t 6 2 2 5 6 c ，存储由触摸屏采集 的手写数据。 液晶显示模块采用信利m 1 2 8 6 4 图形点阵液晶显示模块，m 1 2 8 6 4 可与8 位 微处理器直接接口，显示6 4 k 的点阵图形，可以图形方式、字符方式及图形和字 符组合方式进行显示。 数据采集终端的c p l d 采用a l t e r ae p m 3 1 2 8 实现总线地址锁存和反相 器。 蕊北工业大学硕士论文 第二章系统方纂 数据采集终端的嵌入式调制解调器m o d e m 采用c o n e x a n t 的嵌入式单 片m o d e m 芯片c x 0 6 8 3 3 ，通过p s t n 将数据采集终端采得的数据上传给远程 服务器，从而完成远程通信功能。它是1 2 8p i n 的t q f p 封装，内部集成了微 控制器( m c u ) ，数据泵( m d p ) 、2 5 6 k 字节r o m 、3 2 k 字节r a m 以及与d a a 的接口电路。 m o d e m 和c p l d 由单输出通用低压差稳压器a d m 6 6 3 供电。 语音编解码芯片c x 2 0 4 3 7 内有a d 、d a 及语音编解码电路，使m o d e m 增加了语音处理功能。 2 2 触摸屏控制电路设计 触摸屏由于其轻便、占用空闾少、方便灵活等优点，已经逐渐取代键盘成 为嵌入式系统的常选用的人机交互工具。 触摸屏按其技术原理可分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容式、红 外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。 电阻式触摸屏是块4 层的透明的复合薄膜屏，最下面是玻璃或有机玻璃 构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间 是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多 细小的透明隔离点把它们隔开。触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络， 如图2 3 所示。当某一层电极加上电压 时，会在该网络上形成电压梯度。如有 外力使得上下两层在某一点接触，则在 电极未加电压的另一层可以测得接触点 处的电压，从而知道接触点处的坐标。 比如，在顶层的电极( ) ( + ，x 一) 上加上电 压，则在顶层导体层上形成电压梯度， 当有外力使得上下两层在某点接触， 在底层就可以测得接触点处的电压，再 根据该电压与电极o ( + ) 之问的距离关 图2 3 触摸屏的触摸示意图 西北t 业大学坝l 论文 第二章系统方案 系，知道浚处的x 坐标。然后，将电压切换到底层电极( y + ，y 一) 上，并在 顶层测量接触点处的电压，从而知道y 坐标。 在该系统中触摸屏采用突破光电公司生产的t u r b ot 4 四线电阻式触摸屏， 具有4 0 9 6 x 4 0 9 6 的分辨率，足够胜任汉字的书写和辨识。 触摸屏控制器要完成两件事情：其一，是完成电极电压的转换；其二，是 采集接触点处的电压值( 即d ) 。 触摸屏控制器采用上海复旦微电子的f m 7 8 4 3 四线电阻式触摸屏输入控制 芯片。该芯片内置1 2 位模数转换器、并具有同步串行数据接口，和触摸屏驱动 电路。采用s s o p 一1 6 7 1 脚封装形式，温度范围是一4 0 c 十8 5 。具有两个辅助输 入( i n 3 、i n 4 ) ，可设置为8 位或1 2 位模式。供电电压2 7 5v ，参考电压v r e f 为lv + v c c ，转换电压的输入范围为0 - - v r e f ，最高转换速率为1 2 5k h z 。基 准电压确定了转换器的输入范围，输出数据中每个数字位代表的模拟电压等于 基准电压除以4 0 9 6 。平均基准输入电流由f m 7 8 4 3 的转换率来确定。该芯片有 s h u t d o w n 模式，在该模式下功耗可降低至0 5 w 。f m 7 8 4 3 的引脚配置如图2 4 所 示，各引脚的功能说明见表2 1 。 v c c f m 7 8 4 3 图2 4f t 8 4 3 引脚图 微处理器通过p i 口、中断o * 口t o 口与触摸屏采用同步串行方式( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ，s p i ) 通讯。其外部连接电路如图2 5 所示。 s p i 总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使m c u 与各种步i - l i l 设备( 如 f l a s hr a m 、l c d 最示驱动器、a i d 转换器和其他m c u 等) 以串行方式进行通 舯h驴p船m肼 西北t 业太学硕l 论文 第二帝系统疗案 信，这是没有外部总线的单片机扩展功能的主要方法。s p i 具有串行通信速度高 的特点，一般使用4 条线：串行时钟线( s c k ) 、主机输z 从机输出数据线m i s o 、 主机输出从机输入数据线m o s t 和低电平有效的从机选择线s s 。s p i 系统总线 一共只需3 4 位数据线和控制线即可实现与具有s p i 总线接口功能的各种i o 器件进行接口，因而可以简化电路设计，节省接口器件和i o1 5 线，提高设计 的可靠性。 表2 1f m 7 8 4 3 引脚功能 符号引脚引脚描述 v c c1电源，2 7 5 v x +2x + 输入，a d c 输入通道1 y +3y + 输入，a d c 输入通道2 x 一 4x 输入 y -5y 输入 g n d 6电源地 i n 37附加输入1 ，a d c 输入通道3 i n 48附加输入2 ，a d c 输入通道4 v r e f 9参考电源输入 v e c1 0电源，2 7 - - 5 v p e n i r q 1 1中断引脚( 外接1 0 k 1 0 0 k 上拉电阻) d o u t1 2串行数据输出，数据在时钟下降沿变化，c s 无效时，输出高阻 b u s y1 3忙信号输出。c s 无效时，输出高阻 d i n1 4串行输入，其控制数据通过该引脚输入 1 5片选输入信号，控制转换时间和使能串行输入、输出寄存器 c s d c l k1 6外部时钟输入，控n s a r t 转换过程和同步串行输入、输出数据 在m c s 5 1 系列等不具有s p i 接口的单片机组成的智能仪器和工业铡控系统中， 当传输速度要求不是太高时，可以用软件来模拟s p i 总线的操作，包括串行时 钟、数据输入和数据输出。s p i 总线系统的典型组成结构如图2 6 所示。 西北工业大学硕 论文 第二章系统方案 s c k m o s i m i s o 图2 6s p i 总线典型组成结构 当一一个主控机通过s p i 与几种不同的串行i o 芯片相连时，必须使用每片 的允许控制端，这可通过m c u 的i o 端口输出线来实现。但应特别注意这些串 行i o 芯片的输入输出特性：首先是输入j 苎：片的串行数据输出是否有三态控制 端。未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三念 门。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。只有在此芯片允许时， s c k 脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，s c k 对芯片无影响。若没有允 许控制端，则应在外围采用门电路对s c k 进行控制，然后再加到：笛片的时钟输 入端；当然，也可以只在s p i 总线上连接】个芯片，不再连接其它；d o 芯片。 f m 7 8 4 3 的控制字如表2 - 2 所列，其中s 为数据传输起始标志位，该位必为”l ”。 a 2 a 0 进行通道选择，m o d e 用来选择a d 转换的精度，”1 ”选择8 位，”o ”选择 1 2 位。s e r d f r 选择参考电压的输入模式，”o ”选择差分工作模式，”1 ”选择单 端工作模式。p d l 、p d 0 选择省电模式：”0 0 ”省电模式允许，在两次a d 转换之 间捧电，且中断允许；”o l ”同”o o ”，只是不允许中断：”1 0 ”保留i ”l l ”禁止省电 模式。 表2 2f i t 8 4 3 的控制字 l b i t7卧6 i b i t 5 l b l t 4b i t3 l b i t2 b i t1 i b n0 i ( m s b )ii ( l s b ) i sa 2 i a 1 i a 0m o d e i s e 响丽 p d l i p d 0 为了完成一次电极电压切换和a d 转换，m c u 首先片选到触摸屏控制器， 通过串口给f m 7 8 4 3 发送控制字，要求n x 或y 通道读写数据，n f m 7 8 4 3 不忙的 时候，将转换完成得到的电压转换值用s p i 方式读出。根据要求，触摸屏控伟0 器 转换精度可设n 8 位或1 2 位。标准的次转换需要2 4 个时钟周期，如图2 7 所示。 西北工业大学顾士论文第二章系统方案 i j 1 一厂 ： 阿几几几厂m同几n 几几几n 同| i i 几n 几几几几同 r ls l a 2 i a l i 0 | i p g l l 可x = 裔娜空闱， o “nk _ - _ _ r 1i i l l l g l 9 i8 i - i6 i5 i4i3 l2 f 1口f填零g - ( m s b )皿s b ) 、镢侧 o 柙 ， 、 o f f 嘲 o f ， 图2 7a d 转换时序( 每次转换需2 4 个时钟周期) 西 一1 平叽唧* 川删m 哗_ i 删哪书 吲用焉严l 皿焉严l控制字 覆棚子 e u s y 厂厂 d o u t 哑圜正哑 二巫圃匝 图2 8a d 转换时序( 每发转换需1 6 个时钟周期) 晤。1一 x ；i , k 础 匝函殛皿哑函圃皿哑巫圜 b u s y l几n b o u t 画巫匝巫圃匝亚巫圈 图2 9a d 转换时序( 每次转换需1 5 个时钟周期) 由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发送控制字之间可 以重叠，所以转换速率可以提高到每次1 6 个时钟周期，如图2 8 所示。如果条件 允许，c p u 可以产生1 5 个c l k 的话( 比如f p g a s 和a s i c s ) ，转换速率还可以提 高到每次1 5 个时钟周期，如图2 9 所示。 在设计中采用1 6 转换周期设计，p e n i r q 接到m c u 的p 3 2 ( i n t 0 ) ，并在 西北_ f = 业火学硕l 论文 第二章系统疗案 软件中将i n t o 设为高优先级。 由于x + 输入引脚与p e n i r q 中断输出相连，因此在x + 上的噪声可能引起 触摸屏的错误触发。因此一方面可以在p e n i r q 引脚上接一个r c 滤波电路， 另一方面也可以在软件中将野值去除。 f m 7 8 4 3 转换结果为二进制格式。在进行公式计算时，参考电压在两种输入 模式中是不样的。而且，如果选取8 位的转换精度，1 l s b = v r e f 2 5 6 ，一次转 换完成时间可以提前4 个时钟周期，此时串口时钟速率也可以提高一倍。 当转换精度设为1 2 位时，x 、y 通道转换出的电压值域为0 4 0 9 5 ，而液晶 屏的像素为1 2 8 x 6 4 ，单屏坐标为6 4 列x 8 ( 字符) 行，因此在液晶屏再现触摸屏 获取的数据时，需要进行坐标缩放，即： 列坐标= x 通道电压值4 0 9 6 6 4 字符行坐标= y 通道电压值4 0 9 6 x 6 4 8 每行中实际点阵位置纵坐标可查表： r o w _ b i t = 0 x 0 1 ，0 x 0 2 ，0 x 0 4 ，0 x 0 8 ，0 x 1 0 ，0 x 2 0 ，o x 4 0 ，o x 8 0 ： 数组中每个值对应字符行中像素页坐标位置。 2 3 液晶显示模块电路设计 液晶显示模块( l c d ) 具有功耗低、体积小、重量轻等许多优点，被广泛用于 单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。 将液晶显示模块可以分为段位式l c d 、字符式l c d 和点阵式l c d 。其中， 段位式l c d 和字符式l c d 只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲 线和汉字显示的要求：丽点阵式l c d 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各 种图形、曲线及汉字。 远程手写数据采集系统中的液晶显示模块的作用是手写数据的在线显示。 采用图形点阵型液晶显示模块t r u l y - m 1 2 8 6 4 ，可显示8 4 行共3 2 个汉字； 模块点阵分为左右两边，左右两边的结构是完全一样的，如图2 1 0 所示。 西北_ t 业大学硕卜论文 第二章系统方案 k 8 里0 7 掣 o r e q v l v b d 一广一 v s 一d c j d c v o 一e o n v e r t e r v o u r 一 r s 剐w 。e ；r s t c s l c s 2 l c dp a n e l 1 2 8x6 4d o t s 一 6 4 s e g七6 4s e g k s 0 1 0 8 l k s 0 1 0 bl o re q v llo r e q v f l e d a l e d k = _ - i 五赢订一 “”吲“ i 图2 1 01 1 2 8 6 4 结构框图 液晶模块与外部的接口包括：d b o d b 7 共8 位数据总线、r s 寄存器选择 信号、r w 读写选择信号、e 使能信号、左右半屏选择信号c s l 和c s 2 ， 以及v c c 和g n d 等。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访 问形式、 o 设备访问形式控制液晶显示模块。对模块的点阵存储区进行读写操 作时，由c s l 、c s 2 进行片选