（计算机应用技术专业论文）嵌入式烟机检测控制系统的设计.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 g d 包装机是德国g d 公司生产的专利产品，其在机械传动和电气控制方面的技术都达到 了相当高的水平，小包烟支检测器是其至关重要的配件之一。当机器运行时，排列完整的 2 0 支烟随着模盒在检测探头前做平滑移动，检测器根据编码器提供的与烟支对应的八个检 测相位信号进行采样检测，从而得出被检测小包烟支是否烟丝饱满以及是否有缺支、倒支 的错误。 本次系统设计在硬件方面，以a r m 内核嵌入式处理器l p c 2 2 2 0 为核心，配合检测模块、 轴编码器定位模块、人机接口模块、通信模块等进行设计。设计过程经过反复调试和修改， 最终得出相对合理的硬件设计电路。软件方面，移植了开源嵌入式u c o s - i i 操作系统，在 此基础上移植了u c g u i 界面设计软件，还进行了i i c 、s p i 、u a r t 等驱动程序的设计工作。 应用程序利用多任务分别对各项系统功能进行分块设计，核心控制任务中采用一系列实时 控制算法和参数自动调整程序，使得系统能够很好的满足现场设备各项要求，且性能相比 较原有产品更为优越。 关键词：嵌入式系统、l p c 2 0 0 0 、u c o s - i i 、u c g u i 南京邮屯犬学硕j j 研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g dp a c k i n gm a c h i n ei sg dg e r m a nc o m p a n yp a t e n t e dp r o d u c t ，i t sm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ld r i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yh a v er e a c h e dav e r yh i g hl e v e lo fc i g a r e t t e p a c k e td e t e c t o ro fo n eo fi t se s s e n t i a lp a r t s w h e nt h em a c h i n ei sr u n n i n g ，c o m p l e t e w i t h2 0s m o k e b o xi nt h et e s tm o d eb yt h ep r o b eb e f o r et h es m o o t hm o v e m e n td e t e c t o r p r o v i d e di na c c o r d a n c ew i t he n c o d e ra n dc o r r e s p o n d i n ge i g h tc i g a r e t t et e s t i n g s a m p li n gp h a s ed e t e c t i o ns i g n a l ，s oa st oa r r i v ea tp a c k e td e t e c t e dw h e t h e r c i g a r e t t es m o k i n gt o b a c c o ，a sw e l1a sw h e t h e rt h e r ei sl a c ko ff u lls u p p o r t ， t h es y s t e mh a r d w a r eu s ee m b e d d e da r mp r o c e s s o rl p c 2 2 2 0a st h ec o r e ，w it ht h e d e t e c t i o nm o d u l e ，s h a f te n c o d e rp o s i t i o n i n gm o d u l e ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u i e a f t e rt h ed e s i g np r o c e s sd e b u ga n dm o d i f y ，a n du l t i m a t e l y a r r i v ea tar e l a t i v e l yr e a s o n a b l eh a r d w a r ed e s i g nc i r c u i t s o f t w a r e ，t h eo p e n s o u r c et r a n s p l a n t a t i o nu c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， o nt h eb a s i so fa t r a n s p l a n tu c g u ii n t e r f a c ed e s i g ns o f t w a r e ，h a sa l s oc a r r i e do u ti i c ，s p i ，u a r t ， s u c ha st h ed e s i g no ft h ed r i v e r a p p l i c a t i o n sw e r et h eu s eo fm u l t i t a s k i n g f e a t u r e so ft h es y s t e mb l o c kd e s i g n ，t h ec o r eo ft h ec o n t r o lt a s k su s e di nas e r i e s o fr e a l t i m ec o n t r o la l g o r i t h m sa n da u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ， m a k i n g 曲es y s t e mv e r yg o o de q u i p m e n tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es c e n e ，a n d t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h eo r i g i n a li sam o r es u p e r i o rp r o d u c t k e y l r o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m 、l p c 2 0 0 0 、u c o s i i 、u c g u i i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：冱主垂一导师签名：、兰尘远奎么日期：丝翌2 ：垒垒 南京邮电人学硕 j 研究生学位论文第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 原g d 包装机小包烟支检测器探头部分使用2 0 只o p b 7 1 0 光电反射开关管，放大和控 制部分采用线性逻辑电路，滤嘴和空头检测采用不同控制电路滤嘴检测使用最简单的 逻辑比较电路，空头检测使用的则是复杂的时序扫描电路。但是基于以上设计思路的原机 小包烟支检测器在使用中也暴露出一些明显的弊端：由于o p b 7 1 0 光电管的检测距离短且动 态变化范围窄，加上采用时序扫描逻辑控制电路，而对此电路的调整必须借助示波器，因 此给g d 包装机缺支、空头检测功能的调整带来很大的困难，每当包装牌号或烟丝丝质发 生变化时，都需要对检测头的2 0 只光电管逐一进行调整，所以很难调整到最佳点，使得检 测效果受到影响，也大大增加了操作人员的工作量。而且此检测器属于进口设备，价格居 高不下。原g d 包装机小包烟支检测器属于进口产品，投入到中国市场后因国内对香烟的 生产要求及技术要求跟国外不完全一致，所以在使用过程中出现界面不直观、参数设置复 杂、对香烟各项参数的设置不能达到预期要求等等弊端。_ 旦出现故障维修周期相对更是 较长，对产量造成相当大的影响。另外该检测器的价格居高不下也是烟厂重视的问题。本 次设计的光电式小包烟支检测器是在原有进口设备的基础上对其进行国产化和改进，以适 应国内烟草行业对香烟质量等各项参数的要求。在保证产品质量的基础上降低成本保证其 价格在进口设备的三分之一以内。另外对产品的维护也力求方便快捷。 本次设计的光电式小包烟支检测器选用了性能更优越、检测精度更高、更为稳定的进 口传感器件，不仅有效提高了检测精度、灵敏度和运行的可靠性，同时也降低了客户在日 常使用中的备件消耗及维护成本。软件方面更是优化了算法，使控制更为精确，参数设定 及修改更加直观方便。 该检测器是用在g d x l 或g d x 2 型包装机上的小包烟支检测器，可用来代替g d 公司机 械式检测器或第一代光电式烟支检测器。把当前普遍采用的嵌入式系统开发原理应用到该 设备中，并设计出性能更好更加满足国内要求的产品是此次研究的主要目标。 当机器运行时，排列完整的2 0 支烟随着模盒在检测探头前做平滑移动，检测器根据编 码器提供的与烟支对应的八个检测相位信号进行采样检测。g d 包装机有一项参数表示香烟 包装的速度，具体为每分钟4 0 0 包，要求检测设备能在线实时对每一包香烟进行空头( 烟 丝不足) 和缺支的检测。这里涉及到信号的同步以及信号的采样等诸多因素。另外单机的 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章引亩 检测结果要在远端控制室进行数据汇总。 1 2 论文的组织结构 本文对烟支检测控制系统的实现方法做了详细的说明，分别从软硬件两个角度介绍了 整个系统的工作原理和实现方法，以及在产品开发过程中遇到的问题和解决办法做了较为 详尽的描述。 第一章：引言。主要介绍了论文的研究背景以及论文的组织结构等。 第二章：需求分析与实现架构。主要介绍了项目的需求分析，从而提炼出软硬件一个 大体的实现方法，构造了烟支检测系统的基本框架结构。 第三章：检测控制系统硬件设计。主要介绍了检测和控制模块的硬件设计电路已经硬 件设计注意事项。 第四章：检测控制系统软件设计。主要介绍了控制模块软件设计具体方法以及检测模 块框图结构。 最后总结与未来工作。主要对全文做了总结，并提出了未来的研究工作。 2 南京邮电入学硕十研究生学位论文第一二章需求分析与实现架构 2 1 需求分析 第二章需求分析与实现架构 为了从技术角度采取一条有效的解决途径，这里针对存在的各种问题，抽象并提炼出 了如下突出问题： 兼容性 g d 包装机是德国g d 公司生产的专利产品，其在机械传动和电气控制方面的技术都达 到了相当高的水平，此次设计的烟支检测系统必须能够完好的和原有电气线路连接。 可靠性 国家对烟支质量有明确规定，当小包烟盒中空头属于不合格产品，当出现缺支时属于 严重质量问题，所以此次设计的烟支检测系统必须能够克服现场各种干扰和不确定因素， 作出准确可靠的判断。 实时性 ，g d 包装机有一项参数表示香烟包装的速度，具体为每分钟4 0 0 包。要求检测设备能在 线实时对每一包香烟进行空头和缺支的检测。 针对上述众多突出问题，经过详细的调研和论证，从硬件和软件两个角度综合测评， 最终设计方案如下：在硬件方面，以a r m 架构相关的嵌入式处理器为核心，配合检测模块、 定位模块、人机接口模块、通信模块等；软件方面，利用开源免费的嵌入式u c o s i i 操作 系统，在此基础上结合u c g u i 界面设计软件，控制方案中采用一系列实时控制算法和参数 自动调整程序，完成对整个系统的软件设计。 a r m 架构是立足于高性能的3 2 位系统架构设计和实现的，其影响力已深入我们日常生 活的方方面面；尤其是最近几年，随着智能家电等各类消费电子产品的热度不断攀升，a r m 架构嵌入式处理器的销量陡增。这同时也为a r m 架构的嵌入式处理器更广泛地深入各大行 业做好了准备；也正是因为这种骄人的业绩，a r m 架构处理器才得以频频降价，以至逐步 走近我们的身边。 在电子设计领域，一直以嵌入式特点著称的a r m 架构处理器已为广大工程师所普遍接 受和称赞；纵观嵌入式m c u 的整个产业，a r m 架构核同样已为全球各大半导体厂商所接受 和推崇。 3 自京“u # m l * 究 1 - 但姥女 第一日需求h * b 女现架h 22 检测控制系统架构 轴编码器 t m 图1 ：检测控制系统架构 刚l 为g d 烟机烟支检测系统图。当机器运行时，排列完整的2 0 支烟随着模盒在检测 探头前傲平滑移动检测器根据编码器提供的与烟支对应的八个检测相位信号进行采样椅 测。g d 包装机有一项参数表币香烟包装的速度具体为每分钟4 0 0 包。要求检测设备能在 线实时对每一包香烟进行空头( 烟丝不足) 和缺支的检测。这罩涉及到信号的同步以及信 号的采样等诸多因索，检测结果还要进行统计，以便分析后进行自动参数调整。所以方案 中使用高性能c p u 单独对空头和缺支进行检测，并利用串u 把检测结果送给控制器。控制 器对检测头送来的数据进行统计和分析，再把优化后的参数送给检测头，榆测头根据新的 参数进行检测。控制器还把实时的检测结果进行编码变换后送给p l c 控制执行机构，从而 宴现产线自动化操作。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 第三章检测控制系统硬件设计 3 1 硬件设计原则 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计合理，确保测量的精度，以获得最佳的设 计效果，分别从以下几个角度进行设计： 用最新或功能更完善的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可以简化电路的设计，使系统的精度和 可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片，提高了系统的可靠性，并使设 计留有余地，为以后的升级提供了方便。 电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式 或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地， 以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h ，s d r a m 等芯片的选取上，即考虑了现在的实际要 求，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的型号，留有较大的存储空间，考虑到了以 后添加数据的方便。 以软件代替硬件 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样不仅仅 节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情况下，用软件代替硬件 是很合算的。 选用h c m o s 工艺的芯片，目的是降低功耗 考虑到嵌入式系统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用h c m o s 工艺的低功耗 的芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无故障使用时间，这也是 提高系统可靠性的措施之一。 3 2 检测控制系统硬件组成 系统硬件主要分为两个模块，检测模块和控制模块。检测模块以混合信号处理器 c 8 0 5 1 f 3 1 0 为核心，对反射型光电传感器( 型号为o p b 7 1 0 ) 送过来的模拟信号进行高速高 精度a d 转换，处理后与设定好的参数进行比较，再利用r s 2 3 2 串口送到控制器中j 控制 模块在整个系统中是相对复杂的部分，也是论文阐述的重点。图2 为系统硬件框图。 5 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第三章检测控制系统硬件设计 g 刮f l a s h i。pb7。b=：二兰至至朔 g 刊 s r a m i 嗍7 。哑一 一 l p c 2 2 2 0 g 刮e e p r o m = 刮l c d c = 爿 触摸屏 g 爿电源复位、晶振 3 3 控制模块硬件设计 图2 ：系统硬件框图 控制模块主要包括处理器、各种存储器、l c d 显示控制器( f p g a 实现) 、触摸屏控制器、 编码器接口、通信接口等，具体芯片和电路如下： p h i l i p sl p c 2 2 2 0a r m 7 处理器l q f p l 4 4 封装 一片1 m 1 6f l a s h 共2 mb y t e 一片5 1 2 k bs r a m 一片s p i 接e e p r o m 存储器 触摸屏控制芯片a d s 7 8 4 6 l c d 接口控制芯片 编码器输入接口电路 电源、复位、晶振、j t a g 等电路 电源、输出、通信等指示灯 l p c 2 2 2 0 简介 l p c 2 2 2 0 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i - sc p u 。 对代码规模有严格控制的应用可使用l6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 9 6 ，而性能的 损失却很小。 由于l p c 2 2 2 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路l o 位a d c 、p w m 6 南京邮电大学硕：l ：研究生学位论文第三章检测控制系统硬件殴计 输出以及多达9 个外部中断管脚使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子 收款机( p o s ) 。通过配置总线，l p c 2 2 2 0 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行 通信接口，l p c 2 2 2 0 也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其 它各种类型的应用。 l p c 2 2 2 0 功能框图如图3 ： 图3 ：l p c 2 2 2 0 功能框图 l p c 2 2 2 0 内部资源可列举如下： 一1 6 3 2 位a r m t t d m i - s 微控制器，l q f p l 4 4 和t f b g a l 4 4 封装。 一6 4 k b 片内静态r a m 。 一串行b o o t 装载程序通过u a r t o 来实现在系统下载和编程。 一e m b e d d e d l c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实时调试 并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 一8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 。4 4us 。 一2 个3 2 位定时器( 具有外部事件计数器) 带4 路捕获和4 路比较通道、p w m 单元( 6 路 输出) 、实时时钟( r t c ) 和看门狗。 一多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个 s p i 接口。 一向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址。 一通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽度为 8 1 6 3 2 位。 一多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。可使用9 个边沿或电平触发的外部中断管 脚。 一通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为7 5 m h z 的c p u 操作频率， 设置时间为1 0 0 l as 。 一带外部晶体的片内振荡器频率范围：i - - 3 0m h z ，外部振荡器的频率高达5 0 m h z 。 一2 个低功耗模式：空闲和掉电。 一通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 一可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 一双电源： ，i c c p u 操作电压范围：1 。6 5 v 1 。9 5v ( 1 。8v o 。1 5v ) 书i o 操作电压范围：3 。0 - - - 3 。6v ( 3 。3 v 1 0 ) ，i 0 口可承受5 v 电压。 夺电源设计 检测板的输入电源为+ 1 2 v 和+ 5 v ，+ 1 2 v 给l c d 背光模块和轴编码器供电，+ 5 v 电源经 过线性转换为+ 3 3 v 和+ 1 8 v ，+ 1 8 v 给处理器内核供电，+ 3 3 v 给处理器外部接口以 及板上其他芯片供电。利用t l 4 3 1 提供+ 3 3 v 标准电压以保证a d 转换得到更高精确度。另外 还有一块备用电池专供时钟模块使用。 u 1 0 3 l i 一 一3 聃o u t2 一tl h l 0 0t l r r l o + m o o = 暑：c l l = ：= c 1 0 4 址1 , e 1 0 1 士c 1 0 4 b l l l 7 n弘m 亍删1 0 、l1 川亍删1 0 、1 0 一蔼墨i 盆兄3 2 d 盯 f1 r l l l + 口 n u 4 7 l =一。! = = 1 n n 1 1 0 4?2 ：1 0 0 qo u t 上e 1 0 3 土c l 耐蹴。卒船爿 - ，、 【l e d c ) j b l l l 7 n n 8 m 图4 ：电源电路 8 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第三章检测控制系统硬件设计 令时钟选择 为了保证更好的性能，选择更为稳定可靠的有源晶振、由内部锁相环电路产生系统时 钟的办法。外部有源晶振的频率是1 2 m h z ，系统时钟频率可由软件设置，最高能到7 5 删z 。 l p c 2 2 2 0 处理器内部还有一个实时时钟模块( r t c ) ，但因其没有单独供电设计，断电后没 法继续工作，所以系统中外扩了p c f 8 5 6 3 时钟芯片。 司壬奄争 、 罨， - i l 1 1 _ j l 一_ c 1 8 = l n 5 8 1 9 一 = c 1 9 一 i o 1 u 。i o u7 图5 ：时钟电路 存储器设计 l p c 2 2 2 0 内部没有程序存储器，在电路中设计了一片f l a s h 存储器s s t 3 9 l f v f l 6 0 。 s s t 3 9 l f v f l 6 0 是一个i m x l 6 的c m o s 多功能f l a s h ( m p f ) 器件，由、s s t 特有的高性能 s u p e r f l a s h 技术制造而成。s u p e r f l a s h 技术的分裂闸( s p li t - g a t e ) 单元结构和厚氧化物制 程的采用可提供可靠性更强、工艺更完善的解决方案( 相对其它方法) 。s s t 3 9 l f l 6 0 的写( 编 程或擦除) 操作电源电压为3 。0 - 3 。6 v ，s s t 3 9 v f l 6 0 的写( 编程或擦除) 操作电源电压为2 。 7 3 。6 v 。这两个器件都符合x 1 6 存储器的j e d e c 标准的管脚分配。电路中s s t 3 9 v f l 6 0 的连 接如下： 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 3 s s t 3 9 v f l 6 0 1 图6 ：s s t 3 9 v f l 6 0 连接图 l p c 2 2 2 0 内部有6 4 k i m i ，但因软件中加载了操作系统、图形界面软件等资源，已经程 序中定义了诸多堆栈、数组等，所以实际使用的数据存储量大概在3 0 0 k 左右，电路中设计 了一片s r a m 器件i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 。其逻辑接口类似与s s t 3 9 v f l 6 0 ，如下图： u 2 0 1 a i1 a 0i o o 7 a 22 a li o l 8 339 a 44 a 2i 0 2 1 0 a s5 a 3i 0 3 1 3 a 1 8 a 4i 0 4 1 4 a 71 9 a 5i 0 5 1 5 a l2 0 a 6i ，c 1 6 a 9 2 i 的、l 吼 1 6 a 1 02 2 a 8i 0 8 2 9 a l l 2 3 a 9i 0 9 3 0 a 1 2 2 4 a l oi o l o 3 l a 1 3 2 5 a 1 1i ，o l l 3 2 3 5 a 1 4 2 6 zi ，u l 上 3 6 a i s2 7 a3i ，0 1 3 3 7 a 1 6 4 2 a4i ，0 1 4 3 8 ai?43 a5i ，0 1 5 a6 a 1 84 4 i ， n c 垫 _ c s i 6 c e n o e 4 l o ev c c l l 一 n w e 1 7 w ev c c 3 3 l - n b l s l4 0 b h ev s s 1 2 n b l s o3 93 41 b l ev s s 一上 i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 图7 ：i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 连接图 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 为了能够在断电情况下保存必要的数据，设计了一片e e p r o m 存储器a t 4 5 d b l 6 1 d 。 a t 4 5 d b l 6 1 d 属于s p i 串行接口的快闪记忆体，适合在系统编程。不像传统的快闪记忆 体是随机存取且多址线和并行接口，a t 4 5 d b l 6 1 d 采用串行接口依次存取数据。简单的串行 接口便于硬件布局，提高系统可靠性，可以减少开关噪声，并减少封装大小。许多商业和 工业应用要求的高密度，低接脚数，低电压，低功率得到满足。典型应用为数字语音存储， 图像存储和数据存储。电路设计如下： i 1 0 k g n d p 0 7e 烈晓 p 0 4s c k 0 p 0 6m o s i o p o 5m i s o o r d y b u s y r e s e t w p n c n c v c c g n d n c n c n c c s s c k s i s o l + 一，一 a t 4 5 d b l 6 l d 图8 ：a t 4 5 d b l 6 1 d 连接图 触摸屏设计 触摸屏由于其体积小、轻便和接口简单的特点，成为一种在嵌入式系统中广泛应用的 输入设备。触摸屏分为电阻、电容、表面声波、红外线扫描和矢量压力传感等，其中使用 最多的是四线或五线电阻触摸屏。四线电阻触摸屏是由两个透明电阻膜构成的，在它的水 平和垂直电阻网上施加电压，就可通过a d 转换面板在触摸点测量出电压，从而对应出 坐标值。触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络。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2 层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层 可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 + ，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2 层在某一点接触，在底 层可测得接触点处的电压，再根据该电压与电极x + 之间的距离关系，知道该处的x 坐标。 同理，将电压切换到底层电极( y + ，y 一) 上，从而知道该处的y 坐标。a d s 7 8 4 3 是t i 公 司生产的4 线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同步串行接口的1 2 位取样模数转 换器。电路设计图如下： 毒臣争 臣臣 c c c c c c c c c c c c c c n n n n n n n n n n n n n n 一23456789一m一一他一bm 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 d c l k c s d 烈 b u s y d o u t p e n i r q v c c v r e f v c c x + y + x y g n d v b a t t i n r 1 6 r 1 7 r l8 r 1 9 2 2 2 g n d 图9 ：触摸屏电路图 令l e d 显示接口设计 图形用户界面设计是嵌入式系统设计比较重要的一部分。以往工业控制产品着重于功 能方面的实现，而忽略了产品在可操作性、人性化方面的设计。从整个领域发展趋势来看， 人机交互友好性、易操作性的计算机程序更加方便非专业用户的使用。因为l p c 2 2 2 0 没有 集成l c d 控制器，电路中利用f p g a 器件e p m 7 1 2 8 作为tf 1 模拟l c d 时序、逻辑接口转换部件。 转换后c p u 可以像访问内存那样对l c d 进行操作，为软件g u i 的移植提供了方便。 i w a - _ 图1 0 ：液晶电路图 盔岽j 敞 叮 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 夺编码器接口设计 当机器运行时，排列完整的2 0 支烟随着模盒在检测探头前做平滑移动，检测器根据编 码器提供的与烟支对应的八个检测相位信号进行采样检测。所以编码器是整个检测控制系 统中比较重要的单元。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信 号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。本设计采用光学式增量型编码器。 增量型编码器是一种将角位移转换成一连串电数字脉冲的旋转式传感器，这些脉冲能用来 控制角位移，如果编码器与齿条或螺旋杆结合在一起，也可于控制直线位移。编码器中角 位移的转换采用了光电扫描原理。读数系统是基于径向分度盘的旋转，该分度盘是由交替 的透光窗口和不透光窗口构成的。此系统全部用一个红外光源垂直照射，这样光就把盘子 和图像投射到接收器表面上，该接收器覆盖着一层光栅，称为准直仪，它具有和光盘相同 的窗口。接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化，然后将光变化转换成相应的电变 化。增量型编码器一般给出两种方波，它们的相位差9 0 度，通常称为通道a 和通道b 。只有 一个通道的读数给出与转速有关的信息，与此同时，通过所取得的第二通道信号与第一通 道信号进行顺序对比的基础上，得到旋转方向的信号。还有一个可利用的信号称为z 通道或 零通道，该通道给出编码器轴的绝对零位。此信号是一个方波，其相位与a 通道在同一中心 线上，宽度与a 通道相同。图l l 为编码器正向和反向旋转的逻辑输出信号时序： a 相 8 相 z 相 a 相篇?r 6 0 h c c w ；宣r t ( 3) i b 梧尝甚d 弘必 z 相嚣恐 ：广_ 一 图1 1 ：轴编码器输出波形图 本设计中将编码器的z 输出送给c p u 的外部中断输入引脚，a 输出送给计数器的计数 输入端，软件利用z 信号进行零点校准，计数器对a 信号进行计数以确定烟支位置。连接电 路如下： 1 3 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第三章检测控制系统硬件设计 图1 2 ：编码器接口电路 输出接口设计 系统最终的结果要送给g d 烟机p l c 控制执行机构，因为各机器输入接口不尽相同，控制 器电路中都设计了p n p 和n p n 两种不同的输出方式以满足不同的厂家需要。利用光耦作为隔 离器件，既保证了速度，又有可靠的电气隔离。 u 2 av 2 4 j p l l 2 3 4 5 i l r 5 2 i 图1 3 ：输出接口电路 r s 2 3 2 串口设计 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e i a ) 推荐的r s - 2 3 2 - c 标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算机和终端通过电话 线和m o d e m 进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离，近 距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和m o d e m ，而直接进行端到 端的连接。 在控制模块中，利用l p c 2 2 2 0 的两个独立串口分别与空头和缺支检测模块中的 c 8 0 5 1 f 3 1 0 进行通信，以获得检测结果和发送参数等信息。 1 4 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第三章检测控制系统硬件设计 甚二 蛊三 v + v g n d 图1 4 ：m a x 3 2 3 2 电平转换电路 j t a g 调试接口 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议，主要 用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。j t a g 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片 内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ，通过专用的j t a g 测 试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、 f p g a 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试 时钟、测试数据输入和测试数据输出。 j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个 器件分别测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能， 如对f l a s h 器件进行编程等。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一 种简洁高效的手段a 实验平台使用2 0 针j t a g 接口，其定义如下所示。 1 5 墨 加 伯 侣 仃 惦 佰 侣 住 佃 9 8 7 6 5 4 3 2 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 弓l 脚名称 描述 li e | i 枷，饪乏参芍电爪接电源 2 v c c垃电源 3n t r s t测试乐统筻似信号 4 、6 、8 、l o 1 2 、 g n d接地 1 4 、1 6 、1 8 、2 0 5t d i测试放链e 串ij ：输入 7 硼m s测战 链选择 9 t c k测试时钟 1 1r t c k测试时钟返州信号 1 3t ：d o 测试数据串 j ：输出 1 5n r e s e t i j 诛系统复f z 信号 1 7 、1 9 n c 未连接 3 4 检测模块硬件设计 图1 5 ：j t a g 接口定义 检测模块主要包括处理器( c 8 0 5 1 f 3 1 0 ) 、光电传感器( o p b t i o ) 电路、串行通信接口 ( m a x 3 2 3 2 ) 、i i c 存储器( c a t l 0 2 5 ) 等电路。 夺c 8 0 5 1 f 3 1 0 简介 c 8 0 5 1 f 3 1 x 器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片。下面列出了一些主要特性 高速8 0 5 1 微控制器内核 一流水线指令结构；7 0 的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 一速度可达2 5 m i p s ( 时钟频率为2 5 m h z 时) 一扩展的中断系统 存储器 一1 2 8 0 字节内部数据r a m ( 1 0 2 4 + 2 5 6 ) 一1 6 k b ( c 8 0 5 1 f 3 1 0 1 ) 或8 k b ( c 8 0 5 1 f 3 1 2 3 4 5 ) f l a s h 存储器；可在系统编程，扇区 大小为5 1 2 字节 时钟源 一内部可编程振荡器：2 4 5 m h z ，2 的精度，可支持无晶体u a r t 操作 一外部振荡器：晶体、r c 、c 、或外部时钟 一可在运行中切换时钟源，适用于节电方式 模拟外设 一1 0 位a d c 转换速率可达2 0 0 k s p s 1 6 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第三章检测控制系统硬件设计 可多达2 1 或1 7 个外部单端或差分输入 v r e f 可在外部引脚或v d d 中选择 内置温度传感器( 3 。c ) 外部转换启动输入 一两个模拟比较器 可编程回差电压和响应时间 可配置为中断或复位源( 比较器o ) ，j 、电流( a d s 7 8 4 6 的读x 方向命令 # d e f i n ec o m m a n d g e t yo x 9 0 c p u = a d s 7 8 4 6 的读y 方向命令 # d e f in et o u c h x s i z e ( 2 4 0 ) t o u c h 的x 族方向的点数 # d e f i n et o u c h y s i z e ( 3 2 0 )t o u c h 的y 族方向的点数 # d e f in ex o r d i n a m a xo x d 7 4 x 方向a d 最大值 # d e f in ex o r d i n a m i n0 x 2 5 0 i x 方向a d 最小值 # d e f in ey o r d i n a m a xo x e 7 0 y 方向a d 最大值 # d e f i n ey o r d i n a m i n0 x 3 1 6 y 方向a d 最小值 ，i c ，i c ：i c ，i c 木木，i = ：i c 木木木，i c 半木木水木：i c ：i ：丰木木，i ：木牢：i c 木木木木：i c 术：i c 木，l c ，l c 宰木木水木爿c 水木，i c 木，l c 水木木术，i c 木水木宰木水宰水半，i c 木木木水 ，i c ( 0 ，0 )( 3 2 0 ，0 )( 小，大)( 大，大) 木 水( 0 ，2 4 0 ) ( 3 2 0 ，2 4 0 )( d 、，d 、)( 大，j 、) 木 木上面说明了l c d 上的坐标同a d s 7 8 4 6 的a d 转换值之间的换算关系 木 ，i c 木 木 由上推出下列公式： 宰 ，i ：，i = 拳木木木，i c 料木木，l c 木木术木木术，i c 木木水水木：i c 木木，l ：，i ：，i c 水木，i c ，i c 木 l c 木，i c ，i c 木木，l c 术水，l c ，i c ，i c 木木，i c 术，i c ，i c 水木木木术木水水水宰，i c 木水 # d e f in ea d c 2 x ( a d c ) ( ( ( a d c x o r d i n a m i n ) * t o u c h _ x s i z e ( x o r d i n a m a x x o r d i n a m i n ) ) ( t o u c h _ x s i z e ) ) # d e f i n ea d c 2 y ( a d c ) ( ( ( y o r d i n a m a x a d c ) * t o u c hy s i z e ( y o r d i n a m a x y o r d i n a m i n ) ) ( t o u c hy s i z e ) ) 令u c o s 中数据队列的创建 数据队列一般用于数据缓存，用于平衡速率不同的两个部件，使快速部件无须等待慢 速部件。数据队列一般是先进先出，也可以是先进后出。本设计创建了两个数据队列以供 l p c 2 2 2 0 的两个独立串口进行外部数据通信使用，与数据队列有关的函数列举如下： 水 水 冲 水 水 木 枣 半 木 木 水 木 木 木 南京邮电大学硕上研究生学位论文第四章检测控制系统软件设计 uin t 8q u e u e r e a d ( q u e u e d a t a t y p e * r e t ，v o id , b u f ) ：获取队列中的数据 u i n t 8q u e u e w r i t e ( v o i d , b u f ，q u e u e _ d a t a _ t y p ed a t a ) ：f i f o 方式发送数据 u i n t 8q u e u e w r i t e f r o n t ( v o i d , b u f ，q u e u e _ d a t a _ t y p ed a t a ) ；l i f o 方式发送数据 u i n t l 6q u e u e n d a t a ( v o i d * b u f ) ：取得队列中数据数 u i n t l 6q u e u e s i z e ( v o i d , b u f ) ：取得队列总容量 v o i dq u e u e f l u s h ( v o i d , b u f ) 清空队列 u c 0 s 中串口驱动 本系统中控制模块使用串口和检测模块进行通信，所以分别对两个串口编写串口驱动 是必须的。串口驱动中调用了数据队列，所以不必担心双方速度不匹配的问题。与串n o 驱动有关的函数列举如下( 串口1 类似) ： # d e f i n eu a r t o _ f i f ol e n g t h 1 6 队列深度 u i n t 8u a r t o i n it ( u i n t 3 2b p s ) ：初始化u a r t o v o i du a r t o p u t c h ( u i n t 8d a t a ) ：发送一个字节数据 v o i du a r t o w r i t e ( u i n t 8 * d a t a ，u i n t1 6n b y t e ) ：发送多个字节数据 u i n t 8u a r t o g e t c