基于飞利浦ARM7的触摸式人机界面的开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 5.25MB 86 页 15积分
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摘 要
触摸式人机界面又称触摸屏，它操作简便、可靠性高，在工控领域得到了广
泛的应用。工业级触摸式人机界面作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物，
对工业生产的发展起着非常重要的作用。
目前国内很多中小型自动化设备都没有配备触摸屏设备，主要的原因是目前
触摸屏的价格还是比较高，出于成本考虑，放弃触摸屏而采用传统的按钮和指示
灯来操作和监视系统。
本文描述了一种经济型工业级触摸式人机界面的设计开发过程，采用廉价的
飞利浦 ARM7 芯片来开发触摸式人机界面系统，不外扩 RAM 或Flash 存储器而完
全采用 ARM 处理器片内存储器来完成触摸式人机界面系统的开发，利用芯片自带
的A/D 转换器对触摸点信号进行转换，简化了系统结构，提高了系统的稳定性。
本文对其总体方案、硬件和电路设计、系统软件的设计思想和实现过程进行了详
尽的阐述，并详细分析了各个器件的性能、时序与实际应用。
最后本文结合触摸式人机界面在实际项目中的具体应用，对本系统的应用情
况进行了介绍。并且客观的评价了本系统的实际水平，同时也指出了系统中存在
的不足之处，并展望了该系统的未来发展趋势。
本文提出了一种低成本经济型工业级触摸式人机界面的开发思路，并为国内
类似方面的研究开发提供了有价值的参考、借鉴。
关键词： 人机界面 触摸屏 嵌入式系统 工业控制
ABSTRACT
Touch Human Machine Interface, also knows as Touch Panel, which is widely
applicated in Industrial fields for the simple operation and high reliability. Industrial
Touch Human Machine Interface systems,as the product of the industrial age and the
development of embedded computer technology are playing very important roles in the
development of the industrial production.
Many small and medium-sized domestic automation equipment is not equipped
with Touch-Panel equipment at present, The main reason is the expensive price.
Traditional button and indicator lights are still being used to operate and Monitor systems
instead of Touch Panel for the cost reason.
The development of a kind of economical industrial-grade Touch Human Machine
Interface system is described in this paper..The cheap Philips ARM7 chip is used to
develop Touch Human Machine Interface system. We completely use the memory in
ARM processor chip to develope Touch Human Machine Interface system without
external ram or flash memory, which simplified the system architecture and improved
the stability.of the system.In this paper,we give the overall program of the system, the
design of the hardware and circuit, the design concepts of the system software, and the
achieving process a detailed statement, and the detailed analysis of the performance of
various devices, the timing and the practical application.
In the end,the applicated conditions are introducted according to the specific
application in practical projects.The actual design level of the system is evaluated in this
paper, the existing shortage of the system is pointed out and we give the prospect of the
system’s future development trend.
This paper presents a development idea of a type of low-cost, economical
industrial-grade Touch Human Machine Interface system, and provides a valuable
reference for the research and development of the domestic similar aspects.
Key word: Human Machine Interface ，Touch Panel ，Embedded
System，Industrial Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................1
§1.1 触摸式人机界面介绍 .......................................................................................... 1
§1.2 课题产生的背景和意义 ...................................................................................... 2
§1.3 课题的主要内容 .................................................................................................. 3
§1.4 本章小结 .............................................................................................................. 4
第二章 触摸式人机界面的总体设计方案.....................................................................5
§2.1 触摸式人机界面系统的硬件主要组成及总体结构 .......................................... 5
§2.2 触摸式人机界面的主要部件介绍 ...................................................................... 5
§2.2.1 微处理器........................................................................................................5
§2.2.2 液晶显示模块................................................................................................7
§2.2.3 触摸屏模块....................................................................................................9
§2.2.4 移动存储器模块..........................................................................................11
§2.3 触摸式人机界面系统的软件结构及主要组成 ................................................ 12
§2.4 触摸式人机界面系统的画面色彩配置方案 .................................................... 12
§2.5 本章小结 ............................................................................................................ 13
第三章 触摸式人机界面系统的硬件设计...................................................................14
§3.1 触摸式人机界面系统的硬件组成 .................................................................... 14
§3.2 系统电源电路 .................................................................................................... 15
§3.3 LPC2148 核心系统设计 .....................................................................................16
§3.3.1 系统复位电路..............................................................................................17
§3.3.2 时钟电路......................................................................................................17
§3.3.3 JTAG 调试电路 ............................................................................................17
§3.3.4 串口下载电路..............................................................................................18
§3.4 片内 FLASH 结构和编程方法..........................................................................19
§3.4.1 JTAG 编程 ....................................................................................................19
§3.4.2 在系统编程 ISP (In System Programming) ................................................ 19
§3.4.3 在应用编程 IAP (In Application Programming) ........................................ 20
§3.5 液晶显示器的原理及接口分析 ........................................................................ 21
§3.5.1 液晶显示器的显示原理..............................................................................21
§3.5.2 液晶显示接口和控制时序分析..................................................................22
§3.6 触摸屏接口电路设计和控制介绍 .................................................................... 25
§3.6.1 触摸屏控制原理与接口分析......................................................................25
§3.6.2 触摸屏信号读取控制流程..........................................................................27
§3.7 SD 卡及其硬件设计 ........................................................................................... 28
§3.7.1 SD 卡的基本结构 ........................................................................................ 28
§3.7.2 SD 卡的管脚说明 ........................................................................................ 29
§3.7.3 SD 卡的内部寄存器 .................................................................................... 29
§3.7.4 SD 卡两种总线模式的选择与接口电路设计 ............................................ 29
§3.8 串行通信电路设计及其应用分析 .................................................................... 32
§3.8.1 串行通信总线标准接口简介......................................................................32
§3.8.2 RS232 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................33
§3.8.3 RS422 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................34
§3.8.4 RS485 电平转换芯片及其接口电路设计 ...................................................35
§3.9 本章小结 ............................................................................................................ 35
第四章 触摸式人机界面系统的软件设计...................................................................37
§4.1 上位机组态软件简介 ........................................................................................ 37
§4.2 触摸式人机界面的主程序流程 ........................................................................ 38
§4.3 触摸式人机界面与上位机的数据交换 ............................................................ 40
§4.3.1 画面信息的编译格式..................................................................................40
§4.3.2 画面信息的下载格式..................................................................................43
§4.3.3 画面内容编译和解码的实现......................................................................44
§4.4 触摸式人机界面与下位机的数据交换 ............................................................ 47
§4.4.1 触摸式人机界面与 PLC 的通信 ................................................................ 47
§4.4.2 触摸式人机界面与单片机系统的通信......................................................50
§4.5 自定义小字库软件设计 .................................................................................... 52
§4.5.1 字库基本介绍..............................................................................................52
§4.5.2 自定义小字库的建立和结构......................................................................54
§4.5.3 自定义小字库的特点和使用方法..............................................................57
§4.6 SD 卡的驱动设计 ............................................................................................... 57
§4.6.1 单字节传输..................................................................................................57
§4.6.2 SD 卡上电初始化过程 ................................................................................ 58
§4.6.3 SD 卡的读写操作流程 ................................................................................ 59
§4.7 SD 卡嵌入式文件系统设计与实现 ................................................................... 59
§4.7.1 SD 卡驱动层 ................................................................................................ 60
§4.7.2 FAT16 文件系统层 ...................................................................................... 61
§4.8 用户程序在线升级功能的设计 ........................................................................ 64
§4.8.1 程序代码存储区分配..................................................................................65
§4.8.2 IAP 编程接口............................................................................................... 66
§4.8.3 程序的编译链接..........................................................................................67
§4.8.4 用户程序升级流程......................................................................................67
§4.9 本章小结 ............................................................................................................ 69
第五章 触摸式人机界面在项目中的应用...................................................................70
§5.1 SM25 型数控胶辊外圆磨床简介 ...................................................................... 70
§5.2 数控胶辊外圆磨床控制系统的设计 ................................................................ 71
§5.3 人机交互画面的设计和功能实现 .................................................................... 74
§5.4 本章小结 ............................................................................................................ 76
第六章 总结与展望.......................................................................................................77
§6.1 全文总结 ............................................................................................................ 77
§6.2 前景展望与发展趋势 ........................................................................................ 78
参考文献.........................................................................................................................79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................82
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
随着自动控制技术的发展，用户对系统的控制要求也越来越高。为了便于用
户对整个系统的操作与监视，人机界面开始应用于工业控制各个领域，它己成为
控制系统重要的组成部分[1]。传统的工业控制系统一般使用按钮和指示灯来操作和
监控系统，但很难实现系统工艺参数的现场设置和修改，也不方便对整个系统的
集中监控。人机界面的主要功能就是取代传统的控制面板和显示仪表，通过与控
制单元（如 PLC）通讯，实现人与控制系统的信息交换，更方便地实现对整个系
统的操作与监控。人机界面由于具有操作简便、界面美观、人机交互性好等优点，
在控制领域得到了广泛的应用。
§1.1 触摸式人机界面介绍
人们对“人机界面”这个词一点都不陌生。在社会的各行各业，只要跟机器
打交道，就离不开人机界面，人们只有通过人机界面才能与机器沟通。举一个非
常简单的例子，普通铣床的控制面板就是它的人机界面，操作人员通过控制面板
上的按钮或者手柄来控制铣床的工作。从计算机诞生的那一天起，计算机人机界
面也就应运而生。人机界面（HMI，Human Machine Interface），又称用户界面、
人机交互、人机接口等，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用
计算机系统的综合操作环境。通过人机界面，用户向计算机系统提供命令、数据
等信息，这些信息经过计算机系统处理后，又通过人机界面把产生的输出信息回
送给用户。计算机人机界面集中体现了计算机系统的输入输出功能，以及用户对
系统的各个部件进行操作的控制功能。现在最常用的计算机人机界面是由显示器
显示用户需要的各种数据（包括数字、文字和图形），用户通过鼠标和键盘来控制
计算机的工作。这些技术虽然非常成熟，但它们并不一定适合所有的工作环境，
也不一定能被所有的用户尽快接受。在计算机技术刚刚开始应用的时候，它的用
户都是专业的计算机人员，随着计算机技术的发展和普及，它的用户逐渐向非专
业人员方向发展。这就对人机界面的使用简单性提出了更高的要求。
触摸屏（Touch Panel）技术是随着计算机技术的发展,为了满足非专业计算机
用户操作计算机的需要而逐渐成熟与发展起来的。触摸屏技术是计算机的一种输
入技术，由用户通过显示屏输入信息以实现对计算机的控制。从计算机与人组成
的人机系统来讲，触摸屏是一种交互输入设备。计算机的交互输入设备很多，例
如键盘、鼠标器、跟踪球、操纵杆、数字化输入板等，但它们都是为专业人员或
具有一定计算机基础的用户提供的。触摸屏技术则是面向非计算机专业人员或没
基于飞利浦 ARM7 的触摸式人机界面的开发
2
有接触过计算机的用户。由于触摸屏技术的应用，而且系统提供了良好的并且友
善的交互界面，消除了用户操作计算机时面对诸如键盘等交互设备时的畏惧、困
惑心理。他们只需利用手指或光笔点击触摸屏即可控制计算机的运行，操作非常
简单。触摸屏技术对于计算机技术的普及和利用发挥了非常重要的作用[29]。
尽管国内触摸屏的研制与应用起步比较晚，但是市场潜在需求十分庞大，未
来我国触摸屏的应用必将深入到人们工作、生活与娱乐的方方面面。在国家大力
扶持信息化建设的背景下，触摸屏将在我国未来的信息建设中起着举足轻重的作
用，并成为人类生存和发展的必不可少的工具。
§1.2 课题产生的背景和意义[2][3]
从二十世纪六十年代到八十年代，主要是专业的计算机人员跟计算机打交道，
对大部分人来说，计算机还是一个新生事物。但从二十世纪九十年代开始，人们
对计算机已经不再陌生。随着计算机性能的多样化、体积的小型化、产量的巨大
化、价格的平民化，越来越多的人开始学习和使用计算机，很快它成了人们工作
的一种常用工具。到二十一世纪的今天，大家已经离不开计算机，在某些场合它
甚至已经代替了传统的劳动工具。随着计算机技术的飞速发展，计算机已经在社
会的各行各业中得到了普遍应用。伴随着计算机普及率的提高，人们对计算机的
要求也越来越多样化，不再一味的追求快速，而是向人性化方向发展，这包括操
作简便、可靠性高、可适应各种工作环境等等。
触摸屏技术的悄然兴起，为计算机技术向人性化方向发展提供了有利条件。
它简单易学，尤其适合非专业人员；可靠性高，可以适应各种不同的工作环境。
由于它的这些优点，触摸屏技术很快被人们接受，已经广泛应用在各个领域。在
工业控制行业中，触摸屏的特点更是得到了充分的发挥。一方面，由于操作工人
的文化水平比较低，他们对计算机的了解非常有限，让他们用一台工业 PC 来控制
机器的运转也许不是一件非常容易的事情；另一方面，由于工厂的工作环境非常
恶劣，有噪声、有灰尘、有油污、有振动，不是所有的计算机都可以适应这样的
环境。工业级触摸屏就像是专门针对工业控制行业的这些特点度身定做的。它的
友好的个性化的触摸式人机界面消除了操作工人对计算机的惧怕心理，它的高可
靠性绝对可以承受工厂恶劣环境的考验。
触摸式人机界面以其使用方便，坚固耐用、反应速度快、节省空间等诸多优
点，使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸式人机界面的确具有相当大的优
越性。另外，随着工业自动化程度的提高，对工业用触摸式人机界面的需求也越
来越多，人机界面作为自动化设备的控制核心，在各种复杂的工控设备中占据着
第一章 绪 论
3
及其重要的地位。当然，其价格也很高。
现在市场上工业级触摸屏产品非常多，在工控项目中也大量使用工业级触摸
屏产品，它们功能强大，可靠性高，但是由于大部分是进口产品或台湾生产，所
以价格通常也比较高。对于一些成本较低的工控设备和中小型用户，目前的价格
远远超过了他们的心理价位，而且许多小型的工控项目对触摸屏的功能要求比较
单一，现在比较流行的触摸屏产品对它们来说是资源的浪费。成本较低、直接针
对用户功能的，利用自带 I/O 能直接控制伺服电机和变频器、既可以和 PLC 进行
通讯，也可以和单片机通讯。这样触摸式人机界面在工控领域还比较少见。
基于目前的这种现状，本课题提出开发工控级、经济型、具有自身特性的触
摸式人机界面：即具备一般触摸式人机界面的基本功能，又可以针对用户的不同
要求进行具体配置，既可以与 PLC 结合使用又可以与单片机系统结合使用。
本课题设计的触摸式人机界面具有以下特点：
1. 性价比高，比同类产品降低了设备成本；
2. 具备常用的工业控制所需的各种控制元件，元件功能、种类丰富，可以
完成通用的人机交换任务；
3. 人机界面友好，画面设计方便，操作直观，系统最多可以显示 256 种颜
色，每幅画面可自由选择 4种颜色，画面和画面之间对色彩的选择相互
独立，能够满足中、低档设备对画面色彩的要求；
4. 适用范围较广，不仅可结合传统的 PLC 使用，同样可以与带串口的其它
外设（如 PC 机、单片机系统等）联合使用；
5. 人机界面自身带有一定数量的 I/O 输出，可用作其它特殊用途，如频率计、
脉冲发生器等；
6. 用户可选择配置大容量 SD 卡存储模块，以 FAT16 文件系统格式存储信
息，可以存储系统的各种运行数据、系统参数、新版本软件的程序代码、
画面信息和字库文件，可直接在上位机上读取，进行必要的数据分析，
大大增强了系统的功能。
7. 提供了用户程序的在线升级功能，可以方便快捷的为用户提供更新的、
功能更强大的的用户程序。
§1.3 课题的主要内容
触摸式人机界面系统主要由以下部分组成：
1. 用来制作和编辑用户画面的上位机组态软件的设计；
2. 触摸式人机界面的硬件电路的设计；
基于飞利浦 ARM7 的触摸式人机界面的开发
4
3. 进行系统硬件管理、任务调度以及触摸式人机界面功能实现的下位机软
件设计；
4. 针对各种功能模块的应用软件设计。
本课题可分为 2个部分：
1. 开发制作编辑用户画面的上位机组态软件。利用这个软件，用户可以
方便的设计画面和设置与控制器相对应的参数。
2. 触摸式人机界面的硬件电路设计以及下位机软件的开发和调试。关于
系统的软硬件结构和主要组成将在第二章总体设计中具体介绍。
本文简单介绍了上位机组态软件的结构和功能，重点介绍触摸式人机界面系
统下位机的硬件设计和软件开发。
§1.4 本章小结
本章是全文的前言和绪论，首先简单地介绍了触摸式人机界面的发展过程及
特点，然后根据国内触摸屏的市场现状和使用状况，说明了课题产生的背景和意
义，并论述了本课题的特点以及课题研究的主要内容。
摘要：

摘要触摸式人机界面又称触摸屏，它操作简便、可靠性高，在工控领域得到了广泛的应用。工业级触摸式人机界面作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物，对工业生产的发展起着非常重要的作用。目前国内很多中小型自动化设备都没有配备触摸屏设备，主要的原因是目前触摸屏的价格还是比较高，出于成本考虑，放弃触摸屏而采用传统的按钮和指示灯来操作和监视系统。本文描述了一种经济型工业级触摸式人机界面的设计开发过程，采用廉价的飞利浦ARM7芯片来开发触摸式人机界面系统，不外扩RAM或Flash存储器而完全采用ARM处理器片内存储器来完成触摸式人机界面系统的开发，利用芯片自带的A/D转换器对触摸点信号进行转换，简化了系统结构...

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