（信号与信息处理专业论文）基于visual+studio+2008新型工业气动标记系统的研制.pdf

development of new industrial pneumatic marking system based on visual studio 2008 a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of profession by zhao yi zhao yi supervised by prof. liu xiaoming major：signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april 2011 中文摘要 i 摘 要 工业气动标记系统又称气动刻印机、气动标记机、气动打码机等，主要应用 于机械、摩托车汽车及其零部件、轻工、电子等领域，可对木料、塑料、钢铁、 铝等产品，铭牌以及各种零器件进行标记。对各种机械产品进行标记，可以帮助 企业有效的管理各种不同类型的产品，投放市场后也容易对产品进行识别和质量 跟踪。传统的标记打印方法在效率、成本、稳定性方面都存在一些问题，不适应 现代化的要求，而现代的激光标记技术在克服这些缺点的同时也带来了新的问题， 例如成本较高、工作环境要求较高、工作不稳定等，这些都制约了它的发展和普 及。对于以上这些标记方法的缺陷，气动标记技术则突显出特殊的优势。 本文在详细的分析了国内外的研究现状后，全面了解了工业气动标记系统的 市场需求和客户要求。通过以上的分析与总结，并全面结合气动标记技术本身的 工作特性和技术特点， 提出了以外部控制区和 pc 端控制软件相结合的整体技术方 案。 本文研究内容主要包括以下几个方面： 系统的外部控制器： 在硬件上选用了ti的新型超低功耗微处理器msp430， 与 pc 端软件选用 usb 接口进行通信，通过 ft232r 桥芯片实现 usb/uart 的转 换功能， 并实现了 pc 端控制软件与 msp430 微控制器之间数据的透明传输。 此外， 借助 ft232r 提供的安全机制实现了系统的加密，有效的保护了产品的知识产权。 设计了外部控制器的硬件电路，完成了控制程序的编写和调试，并保证了 外部控制器的稳定高效运行。 pc 端系统控制软件：基于 windows 操作系统，采用微软的全新开发平台 visual studio 2008，结合.net 技术，并采用全新的 c#语言开发。整个控制软件采 用全新的人性化设计理念，使得界面更加优美、操作更加方便，给用户全新的使 用体验。在完全实现老版本软件功能的基础上，加入了更多新功能和特性。有效 的提高了软件的运行效率和稳定性。 设计了全新的控制方式和指令系统，使得系统工作更加稳定，工作噪声更 小，标记更加美观。 整套工业气动标记系统经过长时间的调试，运行稳定，现已经投放市场。通 过客户反馈的信息得知，系统工作稳定，各项参数达到预先设定的指标，得到了 客户的一致好评。 关键词：关键词：气动标记技术，多线程，msp430，c#，.net 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract industrial pneumatic marking system, also known as pneumatic engraving machines, pneumatic marking machines, pneumatic coding machine, etc, is mainly used in machinery, automobile and motorcycle parts, light industry, electronics and other fields and can be used to mark wood, plastic, steel, aluminum and other products, nameplates and parts. the marked mechanical products can help enterprises to effectively manage different types of products, and easy to identify and quality track after put on the market. the traditional method of marking exist many problems in efficiency, cost, stability, etc, and cant meet the requirements of the modern industry. the modern laser marking technology overcomes these shortcomings, however, it also brings new problems, for instance, high cost, high demanding work environment, unstable working etc. and these weak points are restricted to its development and popularization. compared with these defects, the pneumatic marking technology has specific advantages. in this paper, after a detailed analysis of the recent research status at home and abroad, comprehensive understanding the customer requirements of the industrial pneumatic marking system, and fully integrated the operating characteristics and technical features of the pneumatic marking technology, i propose an overall technical program which consists of an external controller and the pc-side control software. this paper mainly includes the following aspects: external controller: in the hardware design, it chooses tis new ultra low power msp430 microcontroller, and use the usb interface to communicate with the pc-side software. the ft232r bridge chips used to achieve the usb/uart transform, and realize the transparent transmission. moreover, to utilize the ft232rs security mechanism achieve the system encryption, and protect the intellectual property of the products. external controller hardware design, software design and debug, and ensure the stable and efficient operation. pc-side control software: based on the windows os, use the microsofts new development platform visual studio 2008, combined .net technology, and uses the new c# language. with a new humane design idea, the interface is more beautiful, the operation is more convenient, and the software gives a new user experience to users. 重庆大学硕士学位论文 iv with a new control method and instruction, the system works more stable, less noise and the tag more beautiful. after a long period of debugging, the industrial pneumatic marking system operates stability and is already on the market. through the customers feedback information, the system is working stable; all the work parameters achieve pre-set targets, moreover it has obtained the customers praise. keywords: pneumatic marking technology, multithreading, msp430, c#, .net 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题研究的意义与背景课题研究的意义与背景 . 1 1.2 工业气动标记系统的国内外研究现状工业气动标记系统的国内外研究现状 . 1 1.3 工业气动标记系统的发展方向工业气动标记系统的发展方向 . 5 1.4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 . 5 1.5 本章小结本章小结 . 6 2 系统工作原理与方案选择系统工作原理与方案选择 . 7 2.1 系统需求与功能系统需求与功能 . 7 2.2 系统方案的对比系统方案的对比 . 8 2.2.1 pc 作为控制器 . 8 2.2.2 fpga 作为外部控制器 . 8 2.2.3 msp430 作为外部控制器 . 9 2.3 系统方案的确定系统方案的确定 . 9 2.4 系统基本工作原理系统基本工作原理 . 10 2.5 本章小结本章小结 . 11 3 系统外部控制器设计系统外部控制器设计 . 13 3.1 外部控制器总体设计外部控制器总体设计 . 13 3.2 外部控制器硬件设计外部控制器硬件设计 . 13 3.2.1 usb 接口电路设计 . 13 3.2.2 msp430f149 微控制器电路设计 . 15 3.2.3 电磁阀控制电路设计 . 17 3.2.4 步进电机控制电路设计 . 18 3.2.5 外围设备的电路设计 . 19 3.3 外部控制器的软件设计外部控制器的软件设计 . 20 3.3.1 外部控制器软件方案 . 20 3.3.2 iar 集成开发环境简介 . 21 3.3.3 数据通信与指令译码 . 21 3.3.4 步进电机的控制 . 23 3.4 本章小结本章小结 . 27 重庆大学硕士学位论文 vi 4 标记系统控制软件设计标记系统控制软件设计 . 29 4.1 软件总体设计软件总体设计 . 29 4.1.1 软件需求分析 . 29 4.1.2 总体设计 . 29 4.2 visual studio 2008 开发平台开发平台 . 30 4.2.1 开发平台的对比与开发语言的选择 . 30 4.2.2 windows forms 应用程序 . 32 4.2.3 visual c# 2008 程序开发过程 . 34 4.3 gdi+图形界面引擎图形界面引擎 . 35 4.4 多线程开发多线程开发 . 36 4.4.1 c#多线程技术 . 36 4.4.2 系统中的多线程设计 . 37 4.5 矢量字体矢量字体 . 37 4.5.1 ttf 字体 . 38 4.5.2 贝塞尔曲线 . 41 4.5.3 b-样条曲线 . 44 4.6 算法设计算法设计 . 46 4.6.1 德卡斯特里奥算法（de casteljaus algorithm）的实现 . 46 4.6.2 直线插补算法 . 48 4.7 控制软件的设计控制软件的设计 . 54 4.7.1 显示与编辑 . 54 4.7.2 历史数据查询 . 59 4.7.3 数据通信 . 63 4.8 控制软件主要功能演示控制软件主要功能演示 . 64 4.9 本章小结本章小结 . 67 5 总结与展望总结与展望 . 69 5.1 工作总结工作总结 . 69 5.2 后续工作展望后续工作展望 . 69 致致 谢谢 . 71 参考文献参考文献 . 73 附附 录录 . 75 a 作者攻读硕士学位期间发表论文情况作者攻读硕士学位期间发表论文情况 . 75 b 外部控制器实物图外部控制器实物图 . 75 c 工业气动标记系统实物图工业气动标记系统实物图 . 76 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究的意义与背景 随着我国经济的飞速发展，工业产品的制造量也在明显上升，而种类繁多的 各种工业产品的储存、运输和管理就变得非常复杂，对他们进行标记就变得特别 重要。对于企业来说，对产品在生产过程和出厂过程中做必要的标记非常有必要， 可以帮助他们及时准确的识别出各种产品的各个部件，从而实现科学有效的管理 产品，有助于实现科学管理和监控。对于用户，产品的标记可以让他们更容易识 别和选择各个工业产品。 工业气动标记系统正是通过物理方法在各种不同类型的工业产品表面做文 字、字母、数字或者图形的标记。它有别于传统的用油墨印刷的标记方法，可以 在各种产品上标记字迹清晰、时间持久的标记，可以起到防伪等作用，同时工业 标记难以销毁，还为企业提供了产品的可追溯性，从而达到 iso9000 标准。工业 气动标记系统主要应用于机械、摩托车汽车及其零部件、轻工、电子等领域，可 对木料、塑料、钢铁、铝等产品、铭牌以及各种零器件进行标记。较早的工业标 记方法有字模冲压、印刷等，他们毕竟效率低，不美观，生产条件要求比较苛刻， 而且工艺比较复杂，难以达到统一要求的规格，特别是在大规模批量生产的时候。 还有一种比较先进的激光标记技术，在西方一些发达国家应运而生，目前在我国 也有一定的应用。但是激光标记技术虽然较好的克服了传统工艺的诸多缺点，又 受到了激光自身缺点的制约，例如：激光器寿命短、对工作环境要求比较苛刻， 不能适应一些恶劣的生产环境，同时一些有色金属对激光的吸收能力较差，导致 标记深度不够等等缺点导致激光标记系统未得到普及推广。工业气动标记系统正 是弥补了以上的不足，它结构简单，工艺简单，成本低廉，操作简单，标记速度 快，标记深度较深等特点受到了用户的欢迎，而且工业气动标记系统还能适应残 酷的生产环境，始终保持稳定的工作。当前世界上最先进的工业气动标记系统都 源于西方发达国家，国内的工业气动标记系统还有待提高，所以研制新型、高效 具有中国特色的工业气动标记系统十分紧迫和必要。 实验室和重庆恒伟精密仪器机械有限公司合作,共同开发全新的工业气动标记 系统。重庆恒伟精密仪器机械有限从事工业气动标记系统的制造和销售已经很多 多年，一直与实验室合作，有着深厚的制造实力和遍布全市和西南地区的销售网 络。从而奠定了课题完成以后产品市场化的基础。 1.2 工业气动标记系统的国内外研究现状 工业气动标记系统又称气动刻印机、气动标记机、气动打码机等等。其基本 重庆大学硕士学位论文 2 的工作原理是计算机或嵌入式系统控制并驱动步进电机，通过高压气体冲击，实 现在金属表面形成密集的点阵组成文字、字符、数字或者图形等。目前在气动标 记系统的研制上国外还处于比较先进的水平，只从上世纪 80 年代以来，外国的工 业气动标记系统已经比较完善和成熟，目前的研究主要集中于软硬件的优化、更 人性化的操作等等问题上。而国内的工业启动标记系统起步比较晚，最初是由一 家法国公司引进的，相比于国外还有一定得差距。该类型产品的主要特点是标记 针头能自动跟踪工件表面的变化，有较大的标记深度，能够在残酷的工业环境下 工作，适应于不同的工厂环境，其工艺比较简单，价格较低，因此应用比较广泛， 是工业控制、计算机技术、嵌入式技术于一体的高科技产品，在机械、汽车等领 域，可对木料、塑料、钢铁、铝等产品、铭牌以及各种零器件进行标记。 目前国外主要集中于几下几个方面的研究和改进1,4,5： 曲面刻印，随着工业产品的发展，各种器件的表面也由单一的平面发展到 曲面，工业气动标记系统的软硬件都需要一定得改进才可以，目前国内外很多公 司都有相应的产品，处于领先水平的还是国外的公司，如美国的 telesis 公司的 tmp1700 系列产品，如下图 1.1 所示： 图 1.1 tmp1700 实物图 fig.1.1 the picture of real product-tmp1700 1 绪 论 3 tmp1700 的工件标记范围是：38.1x63.5mm,最大标记硬度为 hrc60，刻印速 度可达 55mm/s，点密度可高达 79 点/厘米。 多针头系统，目前的工业气动标记系统主要还是以当针头为主，随着控制 系统、计算机技术的发展和市场的要求，国外厂商又研制出了多针头的工业气动 标记系统，大大提高了标记效率，其中还是美国的 telesis 公司走在了前列。它 首先提出了多针头标记系统，并第一个推出相应产品，由于产品的稳定性和广阔 的客户群，几乎垄断了多针头标记系统，市场占有率一直很高，其中最具代表性 的便是 tmm5400 系列标记系统， 它的主要原理与传统的单针头类似， 只是在这个 基础上增加了电磁阀和步进电机的数量，每个针头独立工作，单独控制，从而使 得机械结构更负责，软件控制也变得更负责，实现难度较大，目前国内没有相应 产品对该系列产品构成真正的威胁。其实物图如下图 1.2 所示： 图 1.2 tmm5400 实物图 fig.1.2 the picture of real producttmm5400 tmm5400 是一款多针头高速标记系统，一般配有八个针头，标记速度快，结 构紧凑。刻印的有效范围为：13 x 96mm，每秒可标记 16 个字符，速度是传统标 记系统无法比拟的，由于下位控制的复杂性，该系统选用了 samsung 公司的 s3c44box 系列处理器，该处理器使用的是 16/32 为的 risc 结构的 arm7 内核， 工作频率为 66mhz，具有较高的数据处理和控制能力，能够更好的满足对针头标 记系统复杂控制的需求。 二维条码标记，二维条码是用一些特定的几何图形按某种一定的规律在二 重庆大学硕士学位论文 4 维方向上分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，具有高可靠性防伪性、保密 性好和大容量性等特点，并可以通过机器自动读取。实现二维条码标记系统可以 将用户需要标记的信息转换为标准的 datamatrix 二维条码标记在工件上，并且用 户可以通过扫描仪等仪器读取其中储存的信息，其中加拿大 easrward 公司在 二维条码工业气动标记系统中技术比较完善。与国外相比，国内的工业气动标记 系统发展相对比较滞后，大多还是以仿造国外公司的产品为主，由于国外进口工 业气动标记系统具有非常成熟的技术，运行稳定和机型种类多等优势，而国内的 产品在各个方面相对还比较落后。二维码标记效果如下图 1.3 所示： 图 1.3 点阵刻印效果 fig.1.3 the effect picture of lattice marking 目前在国内，近几年由于市场需求量比较大，也进行了相关问题的大量研究， 并有许多公司和产品运运而生。 重庆大学研制的 dcq-i 工业标记打印机， 该气动打印机由个人微型计算机 （pc-486 以上） 、pc 总线数控卡、控制执行系统、步进电机及其驱动电源盒标记 打印机本体等部件构成。该系统的主要缺陷是不能适应车间生产的残酷工作环境， 在强干扰情况下信号可能产生严重的精度失真，对打印效果造成严重影响。 武汉化工学院自动化系也参与过工业气动标记系统的研制，该校研制了一 种分布式数控标记系统，由上位机发送控制指令，指令的译码和执行由下位控制 器完成，下位控制器完成路径运算和步进电机的驱动。但是由于下位机处理能力 的有限性，系统的刻印速度受到了严重影响。 总体上来说，与国外相比，国内的气动标记系统发展相对滞后，主要是仿造 国外公司的产品，缺乏创新能力，产品的稳定性也比较差。因此继续研制一种适 合国内市场需求的性能优秀的工业气动标记系统非常重要。 1 绪 论 5 1.3 工业气动标记系统的发展方向 工业气动标记系统是计算机技术、控制技术、电子技术、机械设计技术等多 项技术结合的技术密集型产品。由于近几年相关技术得到很大的进步，例如微处 理器技术、控制技术等等，使得工业气动标记系统技术也日趋完善。目前国内外 工业气动标记系统领域主要的前沿研究有以下几个方面： 数字化、自动化、智能化 20 世纪 90 年代以来，工业气动标记系统的数字化、自动化、智能化就已经成 为该领域的研究重点和热点，近几年，随着电子技术、微处理器技术、自动控制 技术、计算机技术的高速发展，现在的工业气动标记系统已经进入了计算机控制 为主的时代。 数字化、自动化、智能化的具体表现有：标记工程的实时监控和标记工件的 实时监控；标记工作的人性化操作，系统自动完成流水线式的标记过程；自动定 位、自动跟踪监测技术；自动修改和处理复杂标记内容能力；系统错误的及时处 理和报警等等方面。 软件界面和操作人性化 随着软件行业的飞速发展和软件即服务(software-as-aservice)的软件运行服务 模式在全球的推广，软件不单只是完成一个特定功能的程序，也变成了人们日常 生活的必须品。工业应用领域也是一样，客户对软件界面和操作的人性化也提出 了越来越高的要求。 集成化和多功能 在现代的生产过程中，客户对工业气动标记系统的要求不仅仅是进行单一形 式的标记，还要求实现功能的多样化。例如：工业气动标记系统字库的完整性， 不仅仅能全部支持日常使用的 ttf 字体，还要能够满足特定用户对个性化字体的 要求；曲面标记、不规则平面标记等等也是当前研究的重要方向。 1.4 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容是对当前国内外工业气动标记系统的现状和发展方向 进行深入分析，并提出自己的可行方案，进行不同方案的对比和论证，从而最近 确定课题的可行方案。在系统的研制方面，设计使用基于 msp430 系列超低功耗 微控制器的下位机控制器， 上位机采用 pc 机作物载体， 主控制软件使用 microsoft visual studio 2008 开发平台， 采用面对象的思想开发标记系统控制软件， 通信方面 采用 usb 结构，并且支持 usb2.0 协议，大大提高了数据传输速率。大体工作如 下： 分析当前工业气动标记系统的研究现状和发展方向； 重庆大学硕士学位论文 6 根据以上分析提出自己的解决方案，并论证可行性； 设计下位机控制器的各个功能模块，并设计硬件电路； 设计下位机控制软件，实现电磁阀和步进电机的控制； 开发 pc 端基于 microsoft visual studio 2008 的控制软件； 对工业气动标记系统进行通信抗干扰设计。 系统开发完成后进入车间测试，并根据测试结果进行改进； 1.5 本章小结 本章首先说明了工业气动标记系统研究的意义与背景，接着给出了工业气动 标记系统的定义和基本工作原理，并对当前国内外研究现状和发展方向进行了分 析，最后根据这些分析设计本课题的系统方案，并列出了我的主要工作。 2 系统工作原理与方案选择 7 2 系统工作原理与方案选择 2.1 系统需求与功能 在提出系统方案之前,我们必须详细的了解系统的各种需求和需要实现的功 能。根据多年开发工业气动标记系统的经验，首先详细的给出了系统的主要技术 参数： 标记范围：150x100mm，根据不同的机械结构可调； 标记速度：5mm90mm/s，并且根据不同客服需求实现速度可调； 标记深度：0.15mm，根据不同的材质和标记气压可调； 标记工件硬度：200hz，根据速度和气压可调； 工作电压：ac220v 10%，整机功耗：300w； 稳定工作温度：060； 标记针头升降范围：0500mm，可以根据不同客户需求定制。 主要技术性能： 支持系统：microsoft windows xp/vista/2003; 标记内容：各种中英文字符、特殊符号、图形，并支持 ttf 字体； 标记排列类型：水平直线方向，垂直方向，任意圆弧方向，扇形排列方向； vin 码：可打印 vin 码，并符合公安部关于车辆识别代码管理规则中 的相关要求； 流水号自动对比：借助数据库，实现流水号自动对比，并且自动提示重复 号码； 标记过程可见：标记过程中，上位机精确的模拟实际针头的移动; 硬件接口特性：支持热插拔； 软件接口特性：支持 xml 标准，提高文件的通用性； 软件界面皮肤个性化设置： 根据不同客户需求， 皮肤提供个性化设置功能； 软件可维护性和升级性：提供良好的接口和风格便于软件维护和升级。 根据以上系统的具体需求，我对设计思路进行了综合分析并对多种不同的解 决方案进行了详细的分析和筛选，我主要提出了三种方案，他们分别是：单独采 用 pc 机控制、fpga 外部控制结合 pc 机控制、微处理器 msp430 结合 pc 机控 制。下面对三种方案进行分析，并筛选出较为合理的和易于实现的解决方案。 重庆大学硕士学位论文 8 2.2 系统方案的对比 根据上面的系统需求和功能分析，对三种方案进行分析和对比，从而确定系 统的最终方案。 2.2.1 pc 作为控制器 较早的工业气动标记系统控制器都是直接采用 pc 机控制，pc 机输出步进电 机和电磁阀所需要的控制信号来驱动和控制步进电机与电磁阀，这种控制信号就 是驱动步进电机的脉冲，而 pc 机输出脉冲通常有两种方式，一是通过 pc 机的并 口输出模拟脉冲，另外一种则是通过 isa 总线接口扩展卡输出。 以上两种方法的原理都比较简单， 都是通过 pc 机软件程序控制不同的延时参 数从而输出指定脉宽的脉冲信号。现在 windows 操作系统中提供了良好的开发平 台和便利的 api 可以轻易的实现这个要求。但是却存在以下缺陷，首先 windows 的软件延时会受到 windows 自身进程调度和系统中断的影响，无法保证精度；其 次 windows 也提供了定时器来实现定时和延时，但是由于 windows api 的封装， 我们不能直接利用硬件定时器，间隔都在 5ms 以上，而且精度也受到系统不同状 态的影响。通过上面的分析得知，直接利用 windows 来控制