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i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现中文摘要 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 中文摘要 在集成电路( i c ) 生产过程中，各个工段需要使用不同的工具，这些工具的专业 术语为治工具，治工具的品种多达几千种，体积大小各异，生产人员在存、取过程 中，查找困难，费时、费力，同时由于治工具小而且类似，又极容易拿错、放错； 治工具的报废、进货统计也非常麻烦。为了解决这一难题，开发了该系统。目前管 理6 个棚架，其中2 个大棚，4 个小棚，放1 2 2 4 种治工具，预留了4 个棚架，一共 可以放2 2 3 2 种治工具。系统分由m c u 为核心构成的硬件系统与p c 机软件系统两大 部分，作者只要负责硬件系统，本文阐述其设计方法、设计过程、技术要点、技术 难点与实现效果等。 芯片品种的名称通过条形码输入，并按照所适用的i c 封装或引脚分类。生产 芯片时需要的治工具存放在若干不同的抽屉里，按照棚号、行号和列号进行管理， p c 机通过和m c u 通信来对抽屉状态监控，从而达到管理治工具的目的。 硬件系统主要包括主控电路、报警灯工作灯电路和接口板控制电路等。嵌入 在m c u 中的软件主要由通信驱动程序、指示灯驱动程序、f l a s h 擦写程序、延时程 序和主程序等组成。系统主要特点有：第一，”目前能对1 2 2 4 种治工具进行实时监 控与管理。第二，随时可以测试每一盏小灯、每一个硬件模块的好坏以及能确保与 p c 机正常通信。第三，系统稳定，可靠。通过该系统，可以有效地降低生产成本， 提高生产效率，增加企业的效益。 文章阐述了硬件系统的设计过程，对m c u 内的底层驱动程序进行了较详细的描 对其中的技术重点与难点通信稳定性问题，进行了深入的分析。对与p c 机的接口做了简要的表述。软件按照嵌入式系统软件工程的要求，采用面向硬件对 像的封装方法进行开发，保证了系统的稳定性与可维护性。实际应用表明，系统设 计是成功的。 关键词：i c 生产车间，治工具，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ，串行通信，测试 作者：杨文英 指导老师：王宜怀教授 a b s t r a c t1 kd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd e p o s i t i n ga n df e t c h i n gz h i g o n g j um a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ep r o d u c i n gw o r k s h o po f i c t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd e p o s i t i n ga n df e t c h i n g z h i g o n g j um a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ep r o d u c i n gw o r k s h o po fi c a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h ei n t e g r a t ec i r c u i t , e a c hw o r k i n gp r o c e d u r en e e d su s i n gd i f f e r e n t k i n d so ft o o l s t h ep r o f e s s i o n a lt e r mf o rt h et o o l si sz h i g o n g j u n 圮v a r i e t i e so ft h e z h i g o n g j ur e a c hu pt ot h o u s a n d s t h ev o l u m ea n ds i z ea r ed i f f e r e n t ；t h eo p e r a t i n g p e r s o n n e lh a v ed i f f i c u l t ya n ds p e n dm u c ht i m ei nd e p o s i t i n ga n df e t c h i n gt h e m b e s i d e s ， i ti se a s yf o rt h e mt ot a k ea n dp l a c et h ez h i g o n g j ub 、fm i s t a k eb e c a u s ez h i g o n g j u a l es m a l la n ds i m i l a r a l s oi t i sd i f 行c u l tf o rd i s c a r d i n ga su s e l e s sa n dt h es t a t i s t i c so f s t o c k i n gg o o d s i no r d e rt os o l v et h i sd i m c u l tp r o b l e m , t h ec r e wo ft h i st o p i ch a s d e v e l o p e dt h em a n a g e m e n ts y s t e m f o rt h ep r e s e n t ，t h i ss y s t e mc a nc o n t r o l6s h e d s ， i n c l u d i n g2b i gs h e d sa n d4s m a l ls h e d s h e r ec a nb ep u t1 。2 2 4k i n d so fz 珊g d ( 玎u4 s h e d sr e s e r v e da n d2 ，2 3 2k i n d sm a yb ep u th e r ei na 1 1 t h es y s t e mi sd i v i d e di n t om c u 。 w h i c hi st h ec e n t e ro fh a r d w a r e ，a n dp c ，w h i c hi ss o f t w a r e t h ea u t h o ri sj u s ti nc h a r g e o fh a r d w a r es y s t e m t h i sa r t i c l ee x o a t i a t e so nt h em e t h o do fi t sd e s i g n ，t h ep r o c e s so ft h e d e s i g n ，t h et e c h n i c a lp o i n t s ，t h ed i f f i c u l t i e sa n dt h ee f f e c ta n ds oo n t h es e r i a ln u m b e r so fc h i pa l ep u ti nt h r o u g ht h eb a rc o d ea n da r es o r t e da c c o r d i n g t oe n c a p s u l a t i o na n dp i nw h i c ha r ef i tf o rt h ei c w h e nc m o sc h i p sa r ep r o d u c i n g z h l g o n g j uw h i c ha r ew a n t e da r ed e p o s i t e di ns o m ed i f f e r e n td r a w e r sa n dm a n a g e d a c c o r d i n gt ot h es e r i a ln u m b e r so ft h es h e d s ，a n dt h el i n e s a n dp cw i l lm o n i t o rt h es t a t e o ft h ed r a w e r s i no r d e rt om a n a g ez h i g o n g j u 1 1 1 eh a r d w a r es y s t e mm a i n l yi n c l u d e sm a s t e rc i r c u i t ，a l a r m i n gl i g h t w o r k i n gl i g h t c i r c u i ta n di n t e r f a c eb o a r dm a s t e rc i r c u i ta n ds oo n t h es o f t w a r ei n s e r t e di nm c u c o n s i s t so fc o m m u n i c a t i o nd r i v e r , i n d i c a t o rl i g h t s d r i v e r , h a s hb r u s h i n gd r i v e r , t i m e 1 a p s ed r i v e ra n dm a j o rp r o g r a ma n ds oo n t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r e 1 t h i s s y s t e mc a nm o n i t o ra n dm a n a g e1 2 2 4k i n d so fz h i g o n g j u 乱t u l lt i m e 2 m d ss y s t e m c a nt e s te v e r ys m a l ll i g h ta n de v e r yh a r d w a r em o d u l et om a k es u r et oc o m m u n i c a t ew i t l l p c 3 t 1 1 i ss y s t e mi ss t e a d y g o i n ga n dc r e d i b l e t l l i ss y s t e mc a nh e l pr e d u c et h e p r o d u c i n gc o s te f f e c t i v e l y , i n c r e a s et h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n dg a i nt h ep e r f o r m a n c eo f e n t e r p r i s e s t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h eh a r d w a r es y s t e m , d e s c r i b e st h e b o t t o md r i v e rp r o g r a mi nm c ud e t a i l e d l y , f o c u s i n go na n a l y z i n gt h ek e y s t o n e sa n d d i f f i c u l t i e s t h es t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n a n di tb r i e f l yd e s c r i b e st h ei n t e r f a c eo fp c a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fe m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ep r o j e c t ，t h es o f t w a r e i sd e v e l o p e d b ym e a n so fe n c a p s u l a t i o nt o t h eh a r d w a r et og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n dt h e m a i n t a i n a b i l i t yo ft h i ss y s t e m i tp r o v e st h a tt h ed e s i g no ft h i ss y s t e mi ss u c c e s s f u l k e yw o r d ： i cp r o d u c i n gw o r k s h o p ，z m g o n g j u ，m c 6 8 h c 9 0 8 g 】p 3 2 ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , t e s t f 纷i t t e nb yy a n g 耽n y i n g s u p e r v i s e db yw 缸gy i l l u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用 过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确芳式标明。 本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：壅丕墨墓e l 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中 国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：褪遮日 导师签名：望叠丝日 期：型z ：丛：! 生 期： i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 第- 章绪论 第一章绪论 目前，计算机在社会的各个领域都扮演着重要的角色，特别是嵌入式计算机系 统在最近几年中呈现出兴起的趋势，已被广泛应用于工业、农业以及家用电器等嵌 入式领域。笔者是为一家制造集成电路的企业开发一个i c 生产车间治工具存取管 理控制系统，这个嵌入式系统现在已经成功地应用于实践，为公司节省了大量的人 力、物力，为公司大大地提高了经济效益。本章主要内容有：首先介绍了该控制系 统的概述，课题的开发背景，课题的需求分析，课题的实现目标，最后介绍了本文 、的研究内容。 1 1 概述 苏州某公司生产i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 集成电路，在生产过程中，分两道 工序，第一道工序是专做芯片的切割，引线支架；第二道工序是用粘合荆把引脚与 主芯片粘合在一起。每一道工序需要使用不同的设备，每一种设备须使用不同种类 的的治工具( 生产芯片时用到的治工具) ，同一类治工具又有不同大小规格的治工 具，这样一来，治工具的品种多达几千种，体积大小各异，生产人员在存、取过程 一中，查找非常困难，费时、费力，同时由于治工具小而且类似，又极容易拿错、放 错；再加上治工具的报废、进货统计也非常麻烦。为了解决这一难题，受苏州一家 i c 生产企业委托，本课题开发了i c 生产车间治工具管理控制系统。 。 系统分由m c u 为核心构成的硬件系统与p c 机软件系统两大部分，由于工作量 大，为了缩短系统开发时间，以两人合作为主的方式完成开发任务。笔者只要负责 硬件系统，确保硬件系统正常工作。本文阐述其设计方法、设计过程、技术要点、 技术难点与实现效果等。 芯片型号的品种通过条形码输入，并按照所适用的i c 封装或引脚分类。生产 芯片时对存放在若干不同的抽屉里的治工具进行科学管理是按照棚号、行号和列号 的顺序，通过p c 机与m c u 正常通信，来实施对抽屉状态进行监控并管理。 目前该系统管理6 个棚架，其中2 个大棚，4 个小棚，两两背靠背放置，可以 放1 2 2 4 种治工具。另外设计时还预留了4 个棚架，一共可以放2 2 3 2 种治工具。硬 件系统主要由m c u 主控电路、报警灯工作灯、分接口板控制电路和总接i z l 板控制 电路等电路组成。m c u 中的软件主要由s c i 通信驱动程序、指示灯驱动程序、f l a s h 第一章绪论i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 擦写程序、延时程序和主程序等程序组成。系统主要有下列特点：第一，目前能对 1 2 2 4 种治工具进行实时科学管理。第二，随时可以测试棚架上的每一盏小灯和任一 硬件模块，能确保m c u 与p c 机正常通信。第三，系统稳定，可靠。通过该控制系 统，车问的工作人员和管理人员可以节省大量的时间，提高生产效率，为企业降低 成本、提高效益。 文章阐述了硬件系统的设计过程，对m c u 内软件的底层驱动程序进行了较详细 的描述，对硬件部分和软件部分抗干扰问题和稳定性问题，进行了深入的探讨。对 m c u 与p c 机的通信协议做了详细的描述。该系统已经投入运行，目前本系统稳定。 1 2 课题的开发背景 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：以应用为中j 险、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统【1 1 。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各 个行业的具体应用相结合后的产物f 2 】，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资 金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统【3 】。m c u 是最典型的、最广泛的嵌入 式系统【4 j 。 i c ( 集成电路：俗称芯片，是指在一块半导体基板上，利用氧化、蚀刻、扩散 等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，做在一个微小面积 上，以完成某一特定逻辑功能，达成预先设定好的电路功能要求的电路系统网。) 生产车间治工具存取管理控制系统是嵌入式系统设计的一个具体应用。在i c 生产 车间，生产芯片的过程中要经历两个工段，第一工段的治工具有a r m 、c l a m p 、 s t a g e 、金线和毛细管等，第二工段的治工具有c o l l e t 、p o c k e t 、r t 、预针、 喷嘴和橡胶吸嘴等。另外，不同的设备上使用不同的治工具，设备名称有：1 1 、 d a 4 6 l - h 、d b 7 0 0 a c 、p b l 6 0 、p b 3 6 0 、p b 4 6 0 等；同一种治工具又有不同的型号， 如n o z z l e 治工具，它的型号有s d 一1 、s d - 2 、s d 3 、s d - 4 等，品种繁多，工人取、 放治工具非常麻烦，于是想到了能否设计嵌入式产品来解决这一难题网。经过与用 户的多次交流，最终设计并实现了i c 生产车间治工具存取管理控制系统。 该系统的p c 机通过写入器把程序写入m c u ( m i e r o e o n t r o l l e ru n i t 单片机是指 在一块芯片上集成了中央处理单元( c p u ) 、存储器( 凡蛐腮o m 等) 、定时器计数 2 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 第一章绪论 器及多种输入输出( 的) 接1 3 的比较完整的数字处理系统【4 】。) 中，然后实现p c 机 与m c u 通信，该系统用几十个m c u 去控制几千盏小灯的亮、暗。这样可以节省 人力、提高工作人员的工作效率，便于公司科学管理，提高公司的经济效益。 1 3 课题的需求分析 i c 生产车间，生产线上的工作人员和管理人员在生产芯片集成电路的过程中， 必须频繁地取出、放回生产治工具。以前该公司在生产车间采用了完全人工方式来 管理生产集成电路时用到的治工具，即把治工具装在抽屉内，贴上标签。当工作人 员需要存、放时，要去辨认抽屉上的标签，就像在中药铺里抓中药一样。找到确切 的存放位置后再进行存、放治工具。据统计，工作人员每进行一次操作需要花在辨 认标签上的时间平均为6 0 秒。另一方面，几千种治工具涉及到不同设备不同大小， 数量多，取、放时极容易发生错误，给管理人员带来诸多不便。 本文进行了i c 生产车间治工具存取系统的控制部分的设计，不仅能方便生产 车间生产线上的作业员和管理员对治工具的放入和取出等作业，避免错放或错拿现 象的发生，而且还大大缩短了操作时间，提高了工作人员的生产效率。 本系统对几千种治工具的管理无需人工辨认抽屉上的标签，只需要通过p c 机， 甩键盘或鼠标输入某一治工具的相关信息，单击应用程序界面上相应的存或取操作 按钮，再由m c u 方和p c 方软件共同协作完成找到治工具存放的位置，同时打亮 相应棚架上的大灯和指定抽屉上的指示灯，工作人员先根据棚架上大灯的亮找到相 应的棚架，再根据棚架上某灯条上小灯的亮找到相应放治工具的抽屉，从里面取出 或放回治工具。为工作人员节省了大量的时间，同时保证存、取治工具的准确性。 1 4 课题的实现目标 本课题的实现目标是开发一个制造集成电路i c 生产车间方便存取治工具的嵌 入式控制系统。该系统目前有6 个棚架，其中有2 个背靠背的大棚架，4 个背靠背 的小棚架。大棚架与小棚架的区别是大棚架每个m c u 控制4 根灯条，每根灯条上 有7 盏灯，而小棚架上每根灯条上只有5 盏灯。不论是大棚架还是小棚架，每个棚 架上都有1 0 个m c u ，其中有9 个带m c u 的灯条主控板，1 个带m c u 的报警灯主 控板。即一个主控板上有个m c u 、有支持m c u 工作的支持电路以及与p c 方通 信的串口电路等。m c u 方低端软件采用汇编语言编程，主要控制大、小棚架上的 3 第一章绪论i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 大灯和小灯，以及接收p c 方发送来的数据通过串口与之通信等，开发环境是 m t - i d e h c 0 8 7 1 。控制部分的测试软件用v b 编写的，用于测试棚架上的每一盏灯 是否正常工作。p c 方高端软件采用v b n e t 语言编写应用程序，实现p c 与m c u 通信，在p c 机上用鼠标或键盘输入生产芯片集成电路时要用到的某一治工具的相 关信息，单击相应的操作按钮，再由m c u 方和p c 方软件共同协作完成找到治工 具存放的位置，同时打亮相应棚架上的大灯和对应存放治工具抽屉上的指示灯，工 作人员或管理人员只要到指示灯亮的抽屉里存取或放回所需的治工具即可。取出( 或 放回) 结束，单击应用程序相应界面上的结束操作按钮，相应棚架上的大灯和灯条上 对应抽屉的小灯就会熄灭。 图1 1 所示是设计大棚架的框图，长约4 米2 ，高约2 米7 ，深约2 0 厘米，每 个抽屉长3 0 厘米，高1 5 厘米，深2 0 厘米。一共有1 8 行，1 4 列，一个m c u 控制 奇数( o d d ) 行左边的7 盏灯，奇数行右边的7 盏灯，偶数( e v e n ) 行左边的7 盏灯，偶数行右边的7 盏灯，共2 8 盏灯。每一抽屉上方放一盏灯条上的小灯。棚 架侧面装有大灯和报警灯，工作人员只要到大灯亮的棚架上去找小灯亮的抽屉，取 出或放回治工具即可，如果错拿或错放报警灯闪烁并启动报警笛。 i 棚架上的工作1 i 灯和报警灯 l ，、 一，弋 ，i、对 l k2 k 3 l o 4 l o5 l o6 l o7 l o 1 k 2 r 03 r o 4 r o5 k 6 k 7 巴 l k2 k3 k 4 k5 k6 k7 kl r2 r ,3 k4 5 r ,6 7 l k2 k 3 l o 4 l o 5 l o6 l o 7 l d 1 r o2 r 0 3 r o4 r o5 氏 6 k 7 r o 1 k2 k3 乙4 k5 k6 k 7 k1 k2 1 3 r e4 5 k6 k7 r e ，j 图1 - 1 大棚架的实物示意图 1 5 课题的工作内容和结构安排 1 5 1 课题的工作内容 4 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 第一章绪论 ( 1 ) 选题 作者和其他一组同学化了近一年的时间设计了i c 生产车间治工具存取管理控 制系统，从此项目的需求分析到该系统的实现以及该系统的维护本人参与了全过 程。在这设计过程中有许多失败，同时也获得了对嵌入式软、硬件设计的经验和心 得。本人主要负责硬件部分的设计、布线，系统的总体测试等，协助其他同学完成 高端应用程序设计和数据库管理以及动态网页的生成，协助他们解决与硬件相关的 所有硬件和软件问题。所以决定选用“i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计 与实现作为毕业设计课题。本项目的研制与开发，硬件部分和低端软件等系统控 制部分主要由作者本人完成，高端软件部分主要由其他同学协助完成。 ( 2 ) 总体设计 对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软件平台、硬件系统的设计方案钔。 ( 3 ) 硬件选型和独立元件实验 。 根据确定的硬件方案选择适当的芯片元件和电子元件，经过实验，最终确定可 行的硬件方案。 _ = ( 4 ) 电路板设计、焊接和测试 根据硬件系统设计方案和硬件选型结果，完成电路原理图和p c b 电路图的设 讹并完成最终的p c b 布板、元件焊接以及硬件测试。本文的电路板主要有：m c u 主控制板、串行通信控制板、灯条控制板、分接口板以及总接口板。 ( 5 ) 软件设计 根据软件设计方案进行本系统的m c u 方软件设计以及m c u 与p c 方软件串行 通信的设计，并做相关的测试实验。 ( 6 ) 综合调试 软件与硬件联合调试，完成最终的系统设计。 ( 7 ) 总结 总结系统开发设计的过程，完成毕业论文写作。 该项目于2 0 0 6 年0 1 月2 0 日拟订设计方案，并于2 0 0 6 年1 月2 0 日至2 0 0 6 年 1 0 月1 4 日分四个阶段完成总体设计：第一阶段，总体构架及设计，确定各功能需 求，进行资料信息的收集，完成系统结构设计；第二阶段，功能模块设计，确定各 5 第一章绪论 i c 生产车问治工具存取管理控制系统的设计与实现 功能模块的具体实现技术和方法，设计硬件电路；第三阶段，功能模块实现，进行 软件编程，硬件电路安装调试；第四阶段，系统模拟运行，软件硬件联调，并根据 运行结果作进一步改进。2 0 0 6 年1 1 月2 2 日，本系统正式投入运行。笔者在开发该 系统的基础上完成毕业论文的撰写工作。 1 5 2 结构安排 本论文主要介绍i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现，共分为 六章，各章内容安排如下： 第一章介绍了本课题的开发背景、需求分析、实现目标、开发要求以及工作内 容和结构安排。 第二章介绍系统的总体设计方案和相关技术基础，即介绍了系统设计的过程， 概述了系统的功能，提出系统控制部分总体设计方案，并给出设计该系统的相关技 术。 第三章详细讲述系统硬件设计过程，具体介绍了硬件的选型、硬件电路的设计 与测试，以及硬件设计过程中的体会。 第四章详细介绍m c u 方的软件设计，其中介绍了m c u 方软件各子程序以及 主程序和串口接收中断处理程序的设计，最后分析了m c u 方软件设计过程中的主 要技术难点。 第五章具体阐述了通信接口设计与系统的总体测试。 第六章对全文进行总结，并提出了一些有待进一步完善的设想。 6 l c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现第二章系统设计方案及技术基础 第二章系统设计方案及技术基础 嵌入式系统与一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件组成的。硬件是 指由单片机( m c u ) 、输脯出设备、控制设备、执行部件等组成的系统；软件是 各种控制程序的总称。软件和硬件只有紧密结合、协调一致，才能组成高性能的嵌 入式应用系统。在嵌入式系统的研制开发过程中，软硬件的功能总是在不断地改进， 以便适应不同生产场合的需求。 本章介绍了系统设计过程、系统功能概述和系统总体设计方案，以及继电器、 r s 一2 3 2 c 总线标准、三极管工作原理、发光二极管和报警灯- v 作灯等相关技术基础。 在系统总体设计完成之后就进入系统的实现阶段，将在第三章进行阐述。 2 1系统设计方案 2 1 1 系统设计过程 嵌入式产品的开发过程必须遵循软件工程的原则。嵌入式系统的开发可以分成 三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段网。 分析阶段的基本任务是对软件的各构成要素给出完整、准确和具体的需求定 义，以及制定出有关软件开发的各项工作计划。其中，对软件的定义应该是完整的， 需要周详地考虑到软件的各个方面，包括：软件的应用领域、功能构成技术要素， 以及用户在操作上的细节要求等。对软件的定义还要求准确、具体，能够反映细节， 一个模糊、不具体或缺乏细节描述的规格报告，会使以后的设计工作无所适从n 引。 设计阶段主要是解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求。设计阶段是关 键的阶段，因为设计的好坏直接影响实现阶段的任务完成。本人认为设计阶段要与 用户交流，把设计人员的思想告诉给用户，与用户的需求一致，只有满足用户需求 的设计才是最好的设计。另外，在此阶段设计者通常面临一个棘手的问题就是硬件 平台和软件平台的选择，因为它的好坏直接影响着实现阶段的任务完成。硬件和软 件的选择包括：处理器、硬件部件、编程语言、软件开发治工具、硬件调试治工具 等的选择。本系统的硬件选择详见第三章，系统软件的选择详见第四章。 实现阶段主要是解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系 统的协调实现。 2 1 2 系统功能概述 7 第二章系统设计方案及技术基础l c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 本系统是为了方便工作人员和管理人员进行治工具的存入和取出操作，该系统 对存放治工具的抽屉进行实时控制，操作人员通过小灯的亮寻找抽屉的相应位置， 避免花大量时间去辨认抽屉上的标签，也可以避免存、取治工具发生错误，并对各 种作业进行存档和管理，为管理员节省大量的时间，同时也提高了公司的生产效率。 该系统的主要功能是确保p c 与m c u 正常通信，每一个m c u 正常工作，每一 盏灯给它的信号等于o 就暗，等于1 就亮，不能有差错，否则报警灯闪烁、蜂鸣器 鸣叫。其主要功能有： ( 1 ) 工作人员根据棚架指示灯把生产芯片时使用结束的治工具放入抽屉里。 ( 2 ) 工作人员根据棚架指示灯把生产芯片时需要使用的治工具取出抽屉。 ( 3 ) 工作人员放入或取出治工具操作发生错误时，系统进行相应的出错处理。 ( 4 ) 工作人员将操作记录插入数据库。 ( 5 ) 管理员把生产芯片时需要用到的治工具入库。 ( 6 ) 对工作人员和管理员进行管理。 ( 7 ) 一旦有故障，通过测试程序很快查到故障点。 2 1 3 系统总体设计方案 综合本系统控制部分的方案设计 ( 1 ) 系统外部硬件需求 i c 生产车间治工具存取系统控制部分所需的外部硬件主要有以下几部分。 管理机：主机、液晶显示器、键盘、鼠标、条形码扫描枪。 棚架：网状结构，材料为不锈钢，四个脚配有可调支撑结构，大棚架里有1 0 个m c u ，其中有9 个m c u ，每个m c u 控制4 根带有信号灯的灯条，每根灯条上 安放7 盏信号灯，还有1 个m c u 专接继电器，去控制棚架上的警示灯i 作灯。小 棚架上也有1 0 个m c u ，前9 个m c u ，每个m c u 控制4 根带有信号灯的灯条，每 根灯条上安放5 盏信号灯。第1 0 个m c u 接继电器去控制小棚架上的警示灯i 作 信号灯。 报警灯i 作灯：每个棚架顶部配有一个大的工作灯报警灯。 指示灯：棚架上有存放治工具的抽屉，每一个对应一盏指示灯。 蜂鸣器：当存、取治工具发生错误时，系统报警。 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现第二章系统设计方案及技术基础 ( 2 ) 系统总体结构设计图 该系统的总体结构设计：一共有6 个棚架，每一个棚架上有l o 个m c u ，1 0 个m c u 共接在一个分接口板上，这样的分接口板有6 个，然后这6 个分接口板再 接在总接口板上，总接口板再与p c 机相连。另外还预留了4 个分接口板，所以总 接口板上共设计1 0 个输入口，见如图2 1 所示。 m c u 主控m c u m a x 2 3 2 串行通信电路p c 机部分 图2 - 1 系统的总体结构设计图 ( 3 ) 系统软件模块关系图 p c 机根据发送过来的通信协议包，取出相应的控制数据，去控制对应的小灯 的亮灭和报警灯以及棚架上大灯的亮灭，如图2 2 所示。 9 一 总 接 口 板 一 铸 li废阪一；：一分晓口吸、j ；-珏宁蟊l-薯-： 第二章系统设计方案及技术基础i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 治治 工工 覆西趸 j 医工 u 串口， 爿亘 m c u 模块 图2 - 2 系统软件模块关系框图 2 2 技术基础 设计i c 控制系统中需要用到的软硬件的技术基础有串行口转u s b 方形口技 术，电磁继电器相关技术，r s 一2 3 2 c 总线标准，三极管的工作原理，发光二极管。 下面将逐一展开阐述。 2 2 1串行口转u s b 方形口技术 在分接口板和总接口板上都用到串行口转u s b 方形口技术，因为串口体积大， 接口板体积做得越小越好，这样既美观又节省空间。具体的做法是把9 芯串行接口 的三个引脚即r x d ( 接收线) 、t x d ( 发送线) 和g n d ( 地线) 分别焊接u s b 接口 的t x d 、r x d 和g n d 三根引脚即可【1 1 1 。 2 2 2电磁继电器相关技术 在棚架上设计一个m c u 专门去控制棚架上的警示灯i 作灯，由于警示灯i 作 灯的工作电流和工作电压大，直接接在m c u 上无法实现功能，于是设计接继电器， 进行升压，以满足警示灯i 作灯正常工作的需要。目前设计用到6 个继电器，每一 个继电器接一个m c u ，提高硬件电路的抗干扰能力。 继电器是一种当输入量( 电、磁、声、光、热) 达到一定值时，输出量将发生 1 0 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 第二章系统设计方案及技术基础 跳跃式变化的自动控制器件【1 2 1 。 电磁继电器是在电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继 电器。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两 端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在 电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触 点( 常开触点) 吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的 反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点( 常闭触点) 吸合。这样吸合、 释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭 触 点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触 点 ；处于接通状态的静触点称为“常闭触点 而直流电磁继电器是指输入电路中 的控制电流为直流的电磁继电器。 2 2 3r s 2 3 2 c 总线标准 由于m c u 提供的工作电压传输距离很短，需要升压，这时就必须把，i - 】 l 电平 转化为2 3 2 电平，才能传输较远的距离，所以基本上设计时有一个m c u 就要用到 。个r s 2 3 2 c 电平转化电路。 r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c l r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制订的串 行物理接口标准【1 3 1 。r s 一2 3 2 c 采用负逻辑方式，3 矿一1 5 v 为逻辑“1 ”，+ 3 矿+ 1 5 v 为逻辑“0 ”。r s 一2 3 2 c 的最大传输距离是3 0 m ，通信速率一般低于2 0 k b p s 。 r s 一2 3 2 c 标准接口有2 5 条线，4 条数据线、1 1 条控制线、3 条定时线、7 条备 用和未定义线，常用的只有9 根。目前计算机上常用的串行口就是9 芯接口，即2 个数据信号线( 发送线t x d 、接收线r x d ) ，1 个信号地线( s g ) 和6 个控制信号 线。相应引脚及其功能见表2 - 1 。 表2 - 19 芯串行接口引脚功能表 引脚号功能引脚号功能 1 接收线信号检测( 载波检测d c d ) 6 数据通信设备准备就绪( d s r ) 2 接收数据线( r x d ) 7 请求发送( r t s ) 3 发送数据线( t x d ) 8 清除发送 4 数据终端准备就绪( d t r ) 9 振铃指示 5 信号地( s g ) 信号地( s g ) 引脚5 ，无方向。 第二章系统设计方案及技术基础i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 发送数据( t r a n s m i t t e dd a t a ，t x d 卜一引脚3 ，通过t x d 终端将串行数据发送出 去。 接收数据( r e c e i v e dd a t a ，r x d 卜引脚2 ，通过r x d 线终端接收从外部发来的 串行数据。 数据通信设备准备就绪( d a t as e tr e a d y ，d s r 卜引脚6 ，有效时( o n ) 状态， 表明数据通信设备处于可以使用的状态。 数据终端准备就绪( d a t as e tr e a d y ，d t r 卜引脚4 ，有效时( 0 n ) 状态，表 明数据终端可以使用。 以上两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效， 只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信 要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt o 。s e n d ，r t s 卜引脚7 ，当终端要发送数据时，使该信号 有效( o n 状态) 。它用来控制通信设备是否要进入发送状态。 接收线信号检澳l j ( r e c e i v e dl i n ed e t e c t i o n ，r l s d 卜引脚1 ，此线也叫做数据 载波检测( d a t ac a r r i e rd e t e c t i o n ，d c d ) 线，用来表示终端已接通通信链路，告知 准备接收数据。当本地收到由通信链路另一端送来的载波信号时，使r l s d 信号有 效，通知终端准备接收，并且将接收下来的载波信号解调成数字数据后，沿接收数 据线r x d 送到终端。 振铃指示( r i n g i n g ，r i ) 引脚9 ，当收到送来的振铃呼叫信号时，使该信 号有效( o n 状态) ，通知终端，已被呼叫。 在m c u 中用的三根线是发送线t x d 、接收线r x d 和地线( s o ) 。m c u 引脚 的输入偷出一般使用，1 1 l ( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 电平。若在m c u 中使用 r s 2 3 2 c 总线进行通信，需要外接电路实现电平转换，即在发送端用驱动电路将1 儿 电平转换成r s 一2 3 2 c 电平，在接收端用接收电路将r s 2 3 2 c 电平转换为1 l 电平。 t t l 集成电路即晶体管一晶体管逻辑集成电路( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 的电平就 叫r i l 电平。标准t r l 的输出高电平 2 4 v ，输出低电平 - - 2 0 v ，最大输入低电 平 a 宰 ：i ( 4 ) s c i r e n ：串行接收n 个字节 枣 木一一一木 = i c 寄存器及相关位定义 r e s e n d s t a t u s re q us c s i ：s c i 状态寄存器1 r e t e s t b it e q u5：接收缓冲区满标志位 s e n d t e s t b i te q u7：发送缓冲区空标志位 r e se n d d a t a re q us c d r：s c i 数据寄存器 * s c i s e n d l ：串行发送a 中的1 个字节 木功能描述：串行口发送a 中的1 个字节数据 * k口：a = 待发送的数据 木出口：无 i c 生产车间治工具存取管理控制系统的设计与实现 第四章系统的软件设计 木堆栈深度：2 木 s c i s e n d l ： b r c l rs e n d t e s t b it ，r e s e n d s t a t u s r ，s c i s e n d l s t a r e s e n d d a t a r r t s * s c i s e n d n ：串行发送n 个字节一一一一木 木功能描述：串行发送以h x 为首地址的n 个字节数据 木 奉入口：a = 字节个数h x = 首地址 木 ：i c 出口：无 水 木堆栈深度：2 + 2 + 1 = 5 | c 木一一木 s c i s e n d n ： ：在堆栈区开辟1 个字节作临时变量n a i s # 一! l ：若发送字节数为0 ，退出 s t a1 1 ，s p c 肝# ! o b e qs c i s e n d n _ e x i t s c i s e n & nl ： l d a ，x：从存储器中取出待发送的数据 j s rs c l s e n dl a i x # 11 d b n z 11 ，s p ，s c i s e n d n _ l ：( 1 ) 不等于0 转 s c i s e n d n _ e x i t ： ：释放1 个字节临时变量 a i