基于嵌入式系统的触摸式人机界面的硬件设计和系统软件的开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.39MB 82 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 概述 .....................................................................................................................1
1.1 课题产生的背景及其意义 ........................................ 1
1.2 课题的主要内容 ................................................ 3
1.2.1 课题的主要任务.......................................................................................3
1.2.2 本课题在实践中的应用...........................................................................4
第二章 系统技术要求及总体方案设计 ........................................................................ 5
2.1 嵌入式系统简介 ................................................ 5
2.1.1 嵌入式概念................................................................................................5
2.1.2 嵌入式组成................................................................................................5
2.1.3 嵌入式系统的设计方法............................................................................7
2.2 触摸式人机界面系统的主要组成及其结构框图 ...................... 8
2.3 触摸式人机界面系统主要部件技术要求及其选择方案 ................ 9
2.3.1 液晶显示器的选择及其性能简介............................................................9
2.3.2 触摸屏的选择及其性能简介..................................................................11
2.3.3 液晶显示控制器的选择及其性能简介..................................................12
2.3.4 触摸屏控制器的选择及其性能简介......................................................13
2.3.5 大容量存储器的选择及其性能简介......................................................14
2.3.6 程序存储器的选择及其性能简介..........................................................15
2.3.7 内存的选择及其性能简介......................................................................15
2.3.8 微处理器的选择及其性能简介..............................................................16
2.4 系统其它功能要求及其实现 ..................................... 18
第三章 触摸式人机界面系统的硬件设计 .................................................................. 20
3.1 触摸式人机界面系统的硬件组成 ................................. 20
3.2 液晶显示器的原理及接口分析 ................................... 21
3.2.1 液晶显示器的显示原理..........................................................................21
3.2.2 液晶显示器的驱动原理..........................................................................21
3.3 液晶显示控制器接口技术及应用分析 ............................. 23
3.3.1 S3C44B0X 的液晶控制器的外部时序接口 ....................................... 23
3.3.2 S3C44BOX 的液晶显示控制器的显存管理 ...................................... 24
3.4 触摸屏控制器接口技术及应用分析 ............................... 26
3.4.1 ADS7846 的工作原理...............................................................................26
3.4.2 ADS7846 的控制字及数据传输格式....................................................27
3.5 大容量存储器(NAND Flash)接口技术及应用分析 ................... 28
3.5.1 坏块表的建立..........................................................................................29
3.5.2 数据的写入..............................................................................................30
3.6 系统存储器接口技术及应用分析 ................................. 32
3.7 程序存储器接口技术及应用分析 ................................. 32
3.7.1 嵌入式处理器与闪速存储器硬件接口的关键技术分析......................33
3.7.2 嵌入式处理器与闪速存储器程序设计的关键技术分析......................34
3.7.3 E28F320J3A 与嵌入式处理器 S3C44B0X 的接口分析 ....................... 35
3.8 串行通信电路设计及其应用分析 ................................. 37
3.8.1 串行通信总线标准接口简介................................................................37
3.8.2 RS232 电平转换芯片及其接口电路设计 ............................................38
3.8.3 RS422 电平转换芯片及其接口电路设计 ............................................38
3.8.4 RS485 电平转换芯片及其接口电路设计 ............................................39
3.9 触摸式人机界面系统的复位电路设计及应用分析 ................... 40
3.10 硬件电路的可靠性设计 ........................................ 41
3.10.1 嵌入式微处理器自身的抗干扰措施....................................................41
3.10.2 用于嵌入式系统的干扰抑制元件........................................................42
3.10.3 提高嵌入式系统抗干扰的主要手段....................................................42
3.10.4 印刷电路板的布线与工艺....................................................................43
第四章 触摸式人机界面系统的软件设计 .................................................................. 45
4.1 触摸式人机界面系统的软件设计 ................................. 45
4.1.1 触摸式人机界面系统软件的组成..........................................................45
4.1.2 软件设计步骤..........................................................................................45
4.2 系统硬件管理和系统任务调度 ................................... 46
4.3 触摸式人机界面与上位机的数据交换 ............................. 47
4.3.1 画面信息的编译格式............................................................................47
4.3.2 画面信息的下载格式............................................................................49
4.3.3 画面信息的存储格式............................................................................50
4.4 触摸式人机界面与下位机的数据交换 ............................. 50
4.4.1 触摸式人机界面与 PLC 的通信 ............................................................ 50
4.4.2 触摸式人机界面与单片机系统的通信..................................................53
4.5 系统其它功能子程序的设计 ..................................... 55
4.5.1 汉字处理技术..........................................................................................55
4.5.2 元件功能子模块的设计..........................................................................58
4.6 软件的可靠性设计 ............................................. 59
4.6.1 干扰对测控系统造成的后果..................................................................59
4.6.2 软件抗干扰的前提条件..........................................................................60
4.6.3 抗干扰的软件对策..................................................................................60
第五章 触摸式人机界面系统的特殊功能的软硬件实现 .......................................... 64
5.1 脉冲发生器的用途 ............................................. 64
5.1.1 步进电机的控制方法..............................................................................64
5.2 脉冲发生器的硬件基础 ......................................... 65
5.3 脉冲发生器的软件实现 ......................................... 66
第六章 触摸式人机界面系统在实际项目中的应用 .................................................. 68
6.1FM1450 型覆面机的简介 ......................................... 68
6.1.1 覆面机概述..............................................................................................68
6.1.2 覆面机的技术规格..................................................................................68
6.2 覆面机的关键机械结构简介 ..................................... 69
6.2.1 飞达面纸输送部套的结构概述..............................................................69
6.2.2 面纸输纸部套的结构概述......................................................................70
6.2.3 底纸输出的结构概述..............................................................................72
6.3 覆面机的控制系统 ............................................. 73
6.3.1 控制系统概述..........................................................................................73
6.3.2 人机交互画面的设计和功能实现..........................................................74
第七章 总结与展望...................................................................................................... 75
7.1 触摸式人机界面开发中几个关键技术的分析 ....................... 75
7.2 人机界面的前景展望与发展趋势 ................................. 76
参考文献 .........................................................................................................................78
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 80
致 谢 .............................................................................................................................81
第一章 概 述
- 1 -
第一章 概 述
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，我们通过控制面板上的
按钮或者手柄来控制铣床的工作状况。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（HCI，Human-Computer 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。
触摸屏技术（Touch Screen Technology）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可以发挥非常重要的作
用。
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。
1.1 课题产生的背景及其意义
随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸式人机界面以其使用方便，
基于嵌入式系统的触摸式人机界面的硬件设计和系统软件的开发
- 2 -
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及
其重要的地位。当然，其价格也不菲。
目前，不光大型的自动化控制设备上需要这种触摸式人机界面，越来越多的
中、小型设备上也需要配备人机界面。现在市场上以及工业中使用的人机界面大
部分是进口产品或是台湾生产，虽然性能比较完善，但价格也较为昂贵。一些小
型的控制设备上如果采用触摸式人机界面则会大大的增加产品成本，而且人机界
面本身的一些功能和资源也得不到充分的利用，造成不必要的资源浪费。另外，
在这些配备了人机界面的工控系统中，核心几乎都是可编程控制器 PLC。但如果
控制核心采用单片机系统，则配备触摸式人机界面就比较困难。
基于目前的这种现状，我们提出开发工控级的、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。按照这些性能
要求，我们已成功的开发出一款基于 MCS51 系列单片机的触摸式人机界面，并已
广泛应用于实践，性能稳定、可靠，取得了较好的经济效益。但在使用过程中，
也发现了一些问题，例如，画面与画面之间的切换速度太慢，以至能看到画面的
刷新轨迹；触控精度也有待提高；在为一些小型设备配备触摸屏时，用户又为我
们提出了一些新的，非常有意义的建议。即我们开发的人机界面除了具有一般的
基本功能外，还应添加一些特殊的功能模块供用户选用。例如脉冲发生器，电机
控制模块，频率计等，这样会大大的提高系统资源的利用率。在一些实际的环境
中，工况条件比较差，油污污染比较严重，在这种情况下，人机界面只配备触摸
式输入面板就不适宜了，因此，人机界面除了靠触控面板输入外，还应增加键盘
输入。基于这些要求，我们提出在原来的基础上，重新开发出一款基于 32 位单片
机的人机界面，以期再功能上有一个大的提升，提高产品的市场竞争力。
本产品在开发过程中，不断的与实际应用相结合，以期在实践中不断完善。
到目前为止，在实际中已经得到了成功的应用。其中一例为该人机界面与 PLC 的
结合应用，一例为该人机界面与单片机系统的结合应用，这说明我们的触摸式人
机界面的功能和性能已初步达到了预期的要求。
该触摸式人机界面具有以下特点：
可以完成通用的人机交换任务；
人机界面友好，画面设计方便，操作直观；
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；
第一章 概 述
- 3 -
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、电机控制模块，还可以外挂键盘；
性价比高，比同类产品降低了使用成本；
1.2 课题的主要内容
1.2.1 课题的主要任务
一个完整的触摸式人机界面系统主要由以下部分组成：
上位机中支持制作编辑用户画面的组态软件；
触摸式人机界面的硬件电路系统；
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系统软件；
本课题由两个小组协同完成的，一个小组负责开发制作编辑用户画面的组态
软件。利用这个软件，用户可以方便的设计画面和一些与控制器相对应的参数。
本小组负责触摸式人机界面的硬件电路的设计以及系统软件的开发和调试。
I、触摸式人机界面系统的硬件组成及接口技术：
触摸式人机界面的硬件系统主要包括液晶显示器、触摸屏、液晶显示控制模
块、触摸屏控制器、微处理器，海量存储器（用于存放用户画面数据和用户自制
的位图库）、内存（用于存放程序指令、全局变量、堆栈区、显示存储区）、程序
存储器（用于固化程序和字库）、串行通信接口（RS232，RS485，RS422）等部分
组成，这些部分彼此之间都有着密切的联系。负责硬件电路设计的任务就是要根
据系统的功能要求，对这些元器件进行整合，设计出合理的硬件电路。
II、触摸式人机界面系统的软件设计：
触摸式人机界面系统的软件包括两方面内容：即系统软件和应用软件部分。
系统程序主要负责系统硬件电路的初始化和提供系统任务选择界面。硬件电
路的初始化主要是对 CPU、通信口、外围电路的初始化和设置；系统任务选择界
面则主要负责应用程序模块的调度与一些系统参数的配置。
根据触摸式人机界面的功能和性能要求，系统应用程序大体可分为三大部分：
一、用户界面和相应的处理程序。应用程序支持不同的用户界面显示并支持触控
按键进行不同的操作，每一种按键对应着一个相应的处理应用程序模块。二、人
－机通信程序，在用户画面数据下载时，人机界面应与上位 PC 机进行数据交换，
在人机界面作为人机交互接口时，人机界面应与下位 PLC 或单片机进行数据交换。
这些通信程序模块包含在一些按键的处理程序之中，由用户来负责调度这些模块。
三、特殊功能模块：电机控制模块、脉冲发生器模块、计数器模块，这些特殊功
能模块是提供给用户使用，用户可以在制作用户画面的时候，选用这些特殊功能。
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章概述.....................................................................................................................11.1课题产生的背景及其意义........................................11.2课题的主要内容................................................31.2.1课题的主要任务........................................

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