第3章 HMI与打印机接口技术

1、 第3章 HMI与打印机接口技术 n 在计算机控制系统中，为了实现人机对话或某种操作，需要一个人机接口（HMI-Human Machine Interface或MMI-Man Machine Interface），通过设计一个过程运行操作台（或操作面板）来实现。n 由于生产过程各异，要求管理和控制的内容也不尽相同，所以操作台（面板）一般由用户根据工艺要求自行设计。n 操作台（面板）的主要功能如下： 输入和修改源程序。显示和打印中间结果及采集参数。对某些参数进行声光报警。启动和停止系统的的运行。选择工作方式，如自动/手动（A/M）切换。各种功能键的操作。显示生产工艺流程。n 为了完成上述功能，操

2、作台一般由数字键、功能键、开关、显示器和各种输入输出设备组成。n 键盘是计算机控制系统中不可缺少的输入设备，它是人机对话的纽带，它能实现向计算机输入数据、传送命令。n1.1.1 键盘的特点及确认n1键盘的特点n键盘实际上是一组按键开关的组合。 按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。一个按键开关通过机械触点的断开、闭合过程，其波形如图3-1所示。1.1 计算机控制系统的概念后沿抖动前沿抖动键按下键闭合图3-1 按键抖动波形n2按键的确认n一个按键的电路如图3-2所示。n 键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以对通

3、过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。S10K+5VVA图3-2 按键电路n3消除按键的抖动n消除按键抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。（1）硬件方、法n采用RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路。（2）软件方法n如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此，常采用软件的方法进行消抖。第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响，但此种方法占用CPU的时间。3.1.2 独立式按键扩展实例n独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口

4、浪费大，电路结构显得很复杂。n采用74HC245三态缓冲器扩展独立式按键的电路如图3-3所示。图3-3 采用74HC245扩展独立式按键1A2A3A4A5A6A7A8AG1B2B3B4B5B6B7B8BDIR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7KEYCSS1S2S3S4S5S6S7S810k X8+5V74HC245n在图3-3中，KEYCS为读键值口地址。按键S1S8的键值为00H07H，如果这八个按键均为功能键，为简化程序设计，可采用散转程序设计方法。1A2A3A4A5A6A7A8AG1B2B3B4B5B6B7B8BDIR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7KEYC

5、SS1S2S3S4S5S6S7S810k X874HC245+5V图3-3 采用74HC245扩展独立式按键n矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如图3-4所示，一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。3.2.1 矩阵键盘工作原理n按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。3.2 矩阵式键盘接口设计3.2.2 按键的识别方法n矩阵式键盘结构如图3-4所示。n矩阵键盘按键的识别方法，此方法分

6、两步进行：第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。+5V10kX412 13 14 15 4 8 9 10 11 3 4 5 6 7 2 0 1 2 3 1 1 2 3 4图3-4 矩阵式键盘结构3.2.3 键盘的编码n对于独立式按键键盘，由于按键的数目较少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字符，高4位是行号，低4位是列号，这将是非常直观的。3.3.1 旋转编码器的工作原理n旋转编码器是一种将轴的机械转角转换成数字或模拟电信号输出的传感器件，按照工作原理可分为增量式和绝

7、对式两类。n下面以ALPS公司的EC11J152540K型旋转编码器为例进行介绍，其外形如图3-5所示。3.3 旋转编码器接口设计图3-5 EC11J152540K型旋转编码器n该旋转编码器为双路输出的增量式旋转编码器，定位数为30，脉冲数为15，并且带有按开开关。旋转编码器旋转一周共有30个定位，每旋转两个定位将产生一个脉冲，旋转时将输出A、B两相脉冲，根据A、B间正交90度的相位差（顺时针旋转时A相滞后于B相，逆时针时A相超前于B相），可以判断出旋转编码器的旋转方向。n另外，当旋转编码器的按开开关未按下时，它的4和5引脚内部断开；按下时，4和5引脚内部接通。3.3.2 旋转编码器的接口电路

8、设计n通过对旋转编码器的输出信号进行相应地处理和检测，可利用旋转编码器实现KEY1、KEY2、KEY3三个按键的功能，除其自带的按开开关KEY1外，规定旋转编码器逆时针旋转一个定位表示KEY2按键按下一次，顺时针旋转1个定位表示KEY3按键按下一次。利用旋转编码器来实现按键功能具有结构紧凑和操作方便等优点。n旋转编码器与STM32F407的接口电路如图3-6所示。图3-6 旋转编码器与STM32F407的接口电路3.3.3 旋转编码器的时序分析n旋转编码器旋转时将输出相位互差90度的A、B两相脉冲，每旋转一个定位，A、B两相都将输出一个脉冲边沿，下面分不同情况对旋转编码器的工作时序进行分析。n

9、1旋转编码器顺时针旋转时的时序分析多定位顺时针旋转时序如图3-7所示。 图3-7 多定位顺时针旋转时序n2旋转编码器逆时针旋转时的时序分析多定位逆时针旋转时序如图3-8所示。 图3-8 多定位逆时针旋转时序3.3.4 旋转编码器的软件设计n旋转编码器软件设计分为旋转编码器旋转检测程序设计和按开开关检测程序设计两部分。n1旋转编码器旋转检测程序设计n旋转编码器旋转检测，包括顺时针旋转和逆时针旋转检测。nSTM32F407通过外部中断引脚PF11检测中断边沿触发信号，在EXTI15_10的中断程序中，通过通用IO口PA5、PA6读取旋转编码器鉴相信号，从而确定其旋转方向及按键KEY2、KEY3的状

10、态。 图3-9 旋转编码器旋转检测中断程序流程图n2旋转编码器按开开关检测程序设计n旋转编码器按开开关检测，包括长按和短按检测。n在STM32F407的按键扫描程序中，通过调用按开开关检测程序，读取IO口PA4的电平状态，以确定按键KEY1的状态。 图3-10 旋转编码器按开开关检测程序流程图3.4.1 显示技术的发展n20世纪是信息大爆炸的时代。n19601990年信息的平均年增长率为20%，到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这些信息传送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。n研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占

11、60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%。可见，近2/3的信息是通过眼睛获得的。所以图像显示成为信息显示中的最重要的方式。n进入20世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息n产业总产值的45%左右。3.4 显示技术的发展及其特点n电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。 n按显示原理分类，其主

12、要类型有：发光二极管（LED）显示液晶显示（LCD）阴极射线管（CRT）显示等离子显示板（PDP）显示电致发光显示（ELD）有机发光二极管（OLED）显示真空荧光管显示（VFD）场发射显示（FED）只有LCD是非主动发光显示，其它皆为主动发光显示。3.4.2 显示器件的主要参数n1亮度 亮度（L）的单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。n2对比度和灰度 对比度（C）是指画面上最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比，即： 好的图像显示要求显示器的对比度至少要大于30，这是在普通观察环境光下的数据。灰度是指图象的黑白亮度层次。n3分辨力分辨力是指能够分辨出电视图像的最小细节的能力，是人眼观察

13、图像清晰程度的标志，通常用屏面上能够分辨出的明暗交替线条的总数来表示，而对于用矩阵显示的平板显示器常用电极线数目表示其分辨力。maxminLCL只有兼备高分辨力、高亮度和高对比度的图像才可能是高清晰度的图像，所以上述三个指标是获得高质量图像显示所必不可少的。n4响应时间和余辉时间 响应时间是指从施加电压到出现图像显示的时间，又称上升时间。从切断电源到图像显示消失的时间称为下降时间，又称余辉时间。n5显示色 发光型显示器件发光的颜色和非发光型显示器件透射或反射光的颜色称作显示色。显示色分为黑白、单色、多色和全色四大类。n6发光效率 发光效率是发光型显示器件所发出的光通量与器件所消耗功率之比，单位

14、为流明每瓦（lm/W）。n7工作电压与消耗电流 驱动显示器件所施加的电压为工作电压（V），流过的电流称为消耗电流（A）。工作电压与消耗电流的乘积就是显示器件的消耗功率。外加电压有交流电压与直流电压之分，如LCD必须用交流供电，而OLED、LED等则用直流供电。在计算机控制系统中，常用的显示器有：发光二极管（LED）显示器，液晶显示器（LCD）。根据不同的应用场合及需要，选择不同的显示器。n发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是一种电光转换型器件，是PN结结构。在PN结上加正向电压，产生少子注入，少子在传输过程中不断扩散，不断复合而发光。改变所采用的半导体材料，就能得

15、到不同波长的发光颜色。nLosev于1923年发现了SiC中偶然形成的PN结中的发光现象。n早期开发的为普通型LED，是中、低亮度的红、橙、黄、绿LED，已获广泛使用。近期开发的为新型LED是指蓝光LED和高亮度、超高亮度LED。nLED产业重点一直为可见光范围380760nm，约占LED总产量的90%以上。nLED的发光机理是电子、空穴带间跃迁复合发光。3.5 LED显示器接口设计nLED的主要优点：主动发光，一般产品亮度1cd/m2，高的可达10cd/m2；工作电压低，约为2V；由于是正向偏置工作，因此性能稳定，工作温度范围宽，寿命长(105h)；响应速度快。对于直接复合型材料为16160

16、MHz；对于间接复合材料为105106Hz；尺寸小。一般LED的PN结芯片面积为0.3mm2。用于通信的LED芯片面积只有可见光的1/50。由于是正向偏置工作，因此性能稳定，工作温度范围宽，寿命长(105h)；nLED的主要缺点是电流大，功耗大。3.5.1 LED显示器的结构nLED数码显示器是由发光二极管组成的，分为共阴极和共阳极两种，其结构如图3-11所示。n图3-11a为共阴极接法，图31b为共阳极接法。COMCOMa b c d e f g dpa b c d e f g dp(a)共阴极(b)共阳极图3-11 LED显示器结构图nLED数码显示器的外形图如图3-12所示。n在图3-8

17、中，每一段与数据线的对应关系如下。gabcdefdp图312 LED显示器外形数据线：D7D6D5D4D3D2D1D0LED段：dpgfedcban共阴极和共阳极LED数码显示器的字模如表3-1所示。显示字符共阳极共阴极0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3E0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHA88H77H表3-1 LED显示器字模表显示字符共阳极共阴极B83H7CHCC6H39HDA1H5EHE86H79HF8EH71HP8CH73HUC1H3EHY91H31HH89 H6EHLC7H76H灭FFH00H3.5.2 LED显示

18、器的扫描方式nLED显示器为电流型器件，有两种显示扫描方式。n1静态显示扫描方式（1）显示电路每一位LED显示器占用一个控制电路，如图3-13所示。 ag dpag dpag dp驱动器译码器锁存器驱动器译码器锁存器驱动器译码器锁存器DEcs0cs1csn。图313 静态扫描显示（2）程序设计被显示的数据（一位BCD码或字模）写入相应口地址（CS0CSn）。n2动态显示扫描方式（1）显示电路 所有LED显示器共用ag、dp段，如图3-14所示。ag dp段驱动器锁存器段驱动器锁存器DEcs0cs1图314 动态扫描显示（2）程序设计以六位LED显示器为例，设计方法如下。 设置显示缓冲区，被显示

19、的数放于对应单元。 设置显示位数计数器DISPCNT，表示现在显示哪一位。DISPCNT初值为00H，表示在最低位。每更新一位显示其内容加1，当加到06H时，回到初值00H。 DISPBF+0 低位 +1 +2 +3 +4 +5 高位 设置位驱动计数器DRVCNT初值为01H，对应最低位。某位为0，禁止显示。某位为1，允许显示。 确定口地址段驱动口地址：CS0位驱动口地址：CS1 建立字模表SEGTB：DB3FH;0DB06H;1DB5BH;2DB4FH;3DB66H;4DB6DH5;DB7DH;6DB07H;7DB7FH;8DB6FH;9DB77H;ADB7CH;BDB39H;CDB3EH;

20、DDB79H;EDB71H;F 显示程序流程图显示程序流程图如图3-15所示。关显示根据DISPCNT的内容从DISPBF开始的单元中取被显示的数从SEGTB中查表取字模 送CS0口位驱动计数DRVCNT内容送CS1口位驱动计数器DRVCNT内容左移一位显示位数计数器DISPCNT内容加1(DISPCNT)=00H(DRVCNT)=01H RETYN（DISPCNT）=06H?3.6.1 LCD的发展过程n1888年奥地利植物学家F.Reinetzer首先观察到液晶现象。它在测定有机物熔点时，发现某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段，继续加热，才成为透明的各向异性液态。n1889年，

21、德国物理学家O.Lehmann观察到同样的现象，并发现呈浑浊状液体的中间具有和晶体相似的性质，故称为“液晶”。这是世界上首次被发现的一种热致液晶：胆甾醇苯甲酸脂，在6015的温度下呈乳白色粘状液体。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视，只是把液晶用在压力和温度的指示器上。n现在，液晶已形成一个独立的学科。液晶知识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、微电子、精细加工、色度学、照明等。要全面、深入了解液晶显示器件必须对上述提及的领域有一定的了解。3.6 段型LCD显示器接口设计3.6.2 LCD的特点n1液晶显示的优点（1）低压、微功耗极低的工作电压，只要23V，工作电流只有几个微安，

22、即功耗只有10-610-5W/cm2。这是任何别的显示器件做不到的。（2）平板结构液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒。这种结构的优点是： 开口率高，最有利于用作显示窗口；显示面积做大、做小都较容易；便于自动化大量生产，生产成本低；器件很薄，只有几个毫米厚。（3）被动显示型液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。 （4）显示信息量大液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施或预留隔离区，所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。（5）易于彩色化一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。液晶

23、所能重视的彩色可与CRT显示器相媲美。（6）长寿命只要液晶的配套件不损坏，液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。（7）无辐射、无污染CRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶显示中不会出现这类问题。 n2液晶显示的缺点（1）显示视角小由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光、反射率是不一样的，所以视角较小，只有3040，随着视角的变大，对比度迅速变坏。（2）响应速度慢液晶显示大多是依靠在外加电场的作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影响很大，一般均为100200ms。（3）非主动发光，暗时看不清虽然可以用加

24、背光源解决此问题。如亮度、对比度达到主动发光显示器件（如CRT）程度，则低功耗的优点也就不存在了。 3.6.3 LCD的基本结构及工作原理n液晶是一种介于流体与固体之间的热力学的中间稳定相。其特点是在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性，其分子呈长棒形，长宽之比较大，分子不能弯曲，是一个刚性体，中心一般有一个桥链，分子两头有极性。nLCD器件的结构如图3-16所示。由于液晶的四壁效应，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃电极上呈水平排列，但排列方向互为正交，而玻璃间的分子呈连续扭转过渡，这样的构造能使液晶对光产生旋光作用，使光的偏振方向旋转90。就可获得所需的各种显示

25、。 光源上偏振片液晶盒下偏振片反射板.电极液晶材料反射板上偏短片上电极基板（正）封接剂下电极基板（背）下偏短片图3-16 液晶显示器基本构造图3-17 液晶显示工作原理3.6.4 LCD的驱动方式n液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动两种。由于直流电压驱动LCD会使液晶体产生电解和电极老化，从而大大降低LCD的使用寿命，所以现用的驱动方式多属交流电压驱动。n1静态驱动方式n静态驱动回路及波形图如图3-18所示。图中LCD表示某个液晶显示字段，当此字段上两个电极的电压相位相同时，两电极之间的电位差为零，该字段不显示，当此字段上两个电极的电压相位相反时，两电极之间的电位差不为零，为二倍幅

26、值的方波电压，该字段呈现出黑色显示。 CAB1=1 A B C LCD001101010110ABCA-CV00V00V00V00V00不显示 显示a) a) 驱动回路驱动回路 b) 真值表真值表 c) 波形图波形图图3-18 静态驱动回路及波形n2时分割驱动n当显示字段增多时，为减少引出线和驱动回路数，必须采用时分割驱动法。n时分割驱动方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2，1/8，1/16，1/32等等，偏压有1/2，1/3，1/4，1/5等。n液晶显示器除段形液晶显示器外，还有点阵液晶显示器，可显示汉字、图形、曲线等。 3.7.1 触摸屏发展历程n触摸屏是一种与计算机交互最简单、最直

27、接的人机交互界面，诞生于1970年，是一项由EloTouch Systems 公司首先推广到市场的新技术。n早期多应用于工控计算机、POS机终端等工业或商用设备中。n20世纪70年代，美国军方首次将触摸屏技术应用于军事用途，此后该项技术逐渐向民用转移。n1971年，美国Sam Hurst博士发明了世界上第一个触摸传感器，并在1973年被美国工业研究评选为当年年度100项最重要的新技术产品之一。n1991年，触摸屏进入中国，当时中国只是代理国外的红外式触摸屏和电容式触摸屏产品。直到1996年，中国自主开发了第一台触摸自助一体机。随着计算机技术和网络技术的发展，触摸屏的应用范围已变得越来越广泛。3

28、.7 触摸屏技术及其在工程中的应用3.7.2 触摸屏的工作原理n按照工作原理和传输信息的介质，触摸屏可分为4类：电阻式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波式触摸屏。n1 电阻式触摸屏电阻式触摸屏结构如图3-19所示。 图3-19 电阻式触摸屏结构图n2电容式触摸屏电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的。n 3红外线式触摸屏红外触摸屏是在紧贴屏幕前密布X、Y方向上的红外线矩阵，通过不停的扫描判断是否有红外线被物体阻挡。当有触摸时，触摸屏将被阻挡的红外对管的位置报告给主机，经过计算判断出触摸点在屏幕的位置。 n4表面声波式触摸屏表面声波触摸屏原理是基于触摸时在显示器表面传递的声波

29、来检测触摸位置。 3.7.3 工业常用触摸屏产品介绍n工业用触摸屏相对一般用触摸屏具有防火，防水，防静电，防污染，防油脂，防刮伤，防闪烁，透光率高等优点。n目前工业中使用较广泛的触摸屏的生产厂家主要有西门子、施耐德、欧姆龙、三菱、威纶通等品牌，下面介绍两款常用的触摸屏。n1 西门子TP700西门子TP700触摸屏外形如图3-20所示，其主要特点如下：宽屏 TFT 显示屏，带有归档、脚本、PDF/Word/Excel 查看器、Internet Explorer、Media Player等。具有众多通信选件：内置 PROFIBUS 和 PROFINET 接口。由于具有输入/输出字段、图形、趋势曲线

30、、柱状图、文本和位图等要素，可以简单、轻松地显示过程值，带有预组态屏幕对象的图形库可全球使用。 n2. 威纶通MT8101iE1威纶通MT8101iE1触摸屏外形如图3-21所示，其主要特点如下：TFT显示屏，对角尺寸为10英寸，分辨率为800480，128MB Flash，128MB RAM。内置USB接口、以太网接口、串行接口（包括RS232 和 RS485）。主板涂布保护处理，能防腐蚀。 图 3-20 西门子TP700 图3-21 威纶通MT8101iE13.7.4 触摸屏在工程中的应用n触摸屏在工程应用中，一般是与PLC连接。触摸屏与PLC进行连接时，使用的是PLC的内存，触摸屏也有少量内存，仅用于存储系统数据，即界面、控件等。触摸屏与PLC通信一般是主从关系，即触摸屏从PLC中读取数据，进行判断后再显示。触摸屏与PLC通信一般不需要单独的通信模块，PLC上一般都集成了与触摸屏通信的端口。n触摸屏与PLC连接后，省略了按钮、指示灯等硬件，PLC不需要任何单独的功能模块，只要在PLC控制程序中添加内部按钮 ，并将触摸屏上的组态触摸按钮与其对应就可以了。n触摸屏与PLC连接的系统结构如图3-22所示。n其中，触摸屏采用西门子公司的SmartIE系列，通过以太网连接到