具有可編程I/O功能工控觸摸屏的研制

石恩琪

(國(guó)民油井華高石油設(shè)備(上海)有限公司，上海200333)

摘要：在具有可編程I/O功能的工控觸摸屏設(shè)計(jì)過程中，給出總體設(shè)計(jì)方案，闡述了多串口通信和 I/O功能實(shí)現(xiàn)的具體方法，ARM處理器和單片機(jī)之間的通信以及ARM處理器和單片機(jī)各自功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：工控觸摸屏；單片機(jī)；多串口通信

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015—03—20

作者簡(jiǎn)介：石恩琪(1982—)，男，工程師，從事海洋鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

ResearchonProcessControlTouchScreenwith

ProgrammingI/OFunction

ShiEnqi

Abstract：In the design process of process control touch screen with programming I/O function, general design project has been put forward, further specific methods of multiple serial communication and I/O function implementation, communication between ARM processor and single chip as well as respective function realization of them have been illustrated.

Keywords：processcontroltouchscreen;singlechip;multipleserialcommunication

工業(yè)觸摸屏和PLC組成的控制系統(tǒng)具有界面友好、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，兼具了觸摸屏和PLC的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。但是，部分中小型用戶只會(huì)使用PLC的小部分輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，這樣就浪費(fèi)了PLC的資源。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低的具有可編程I/O功能的觸摸屏，從而代替通用觸摸屏和PLC組成的控制系統(tǒng)，這具有很大的實(shí)用價(jià)值。

此系統(tǒng)既可以將觸摸屏人機(jī)界面作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)使用，也可以作為通用工業(yè)觸摸屏使用?？梢院?jiǎn)化使用多種控制元件的控制系統(tǒng)，甚至在某些場(chǎng)合起到不可替代作用。

1設(shè)計(jì)思路

通用觸摸屏基本上是采用通信的方式控制PLC，而觸摸屏本身不具有輸入和輸出功能。本項(xiàng)目則是采用單片機(jī)的I/O作為整個(gè)系統(tǒng)的I/O，在內(nèi)部使用具有LCD控制功能的ARM處理器用通信的方式控制單片機(jī)I/O的輸入輸出，單片機(jī)的通信程序固化在單片機(jī)內(nèi)部，用戶不必改寫。

1.1系統(tǒng)的主要組成及結(jié)構(gòu)框圖

可編程I/O工業(yè)觸摸屏的硬件系統(tǒng)主要包括液晶顯示器、觸摸屏、液晶顯示控制模塊、觸摸屏控制器、微處理器、海量存儲(chǔ)器、內(nèi)存、程序存儲(chǔ)器、串行通信接口、I/O用單片機(jī)及其外圍器件、電源模塊等器件。這些組件的性能決定了觸摸屏的性能。

具有I/O功能的觸摸式人機(jī)界面系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　可編程 I/ O工業(yè)觸摸屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2多串口功能的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目很多功能需要串口通信，例如，向觸摸屏下載用戶畫面、下載單片機(jī)程序、ARM處理器和PLC等外部設(shè)備通信、ARM處理器和單片機(jī)通信。設(shè)備外部只提供兩個(gè)串口，一個(gè)串口用作和PLC等外部設(shè)備通信，另外一個(gè)串口用作向觸摸屏下載畫面和下載單片機(jī)程序。若要使用一個(gè)串口實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同串口的功能，則就需要進(jìn)行分離。本項(xiàng)目使用HEF4053芯片實(shí)現(xiàn)此功能。

HEF4053芯片是一種三路雙通道模擬量多路器/多路信號(hào)分離器，如圖2所示。它具有一個(gè)共用的使能輸入端()。每個(gè)多路器/多路信號(hào)分離器具有兩個(gè)獨(dú)立的輸入/輸出端(Y0和Y1)，一個(gè)共用輸入/輸出端(Z)和輸入選擇(Sn)。每個(gè)多路器/多路信號(hào)分離器包含兩個(gè)雙向模擬開關(guān)，每個(gè)開關(guān)一端連接獨(dú)立的輸入/輸出(Y0和Y1)，另一端連接共用端(Z)。

如圖3所示，以SA的控制為例，ZA作為串口一端的RX。當(dāng)SA為低電平時(shí)，ZA和Y1A連接，即和單片機(jī)TX端連接；當(dāng)SA為高電平時(shí)，ZA和Y0A連接，即和ARM處理器的TX端連接。同理，使用SB和進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)一端的TX和兩個(gè)RX分別連接。這樣兩個(gè)串口通信就分離出來了。

圖2　 HEF4053管腳圖

圖3　分離器實(shí)際工作原理

圖4　單片機(jī)外圍輸入設(shè)計(jì)

1.3單片機(jī)I/O功能的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)觸摸屏的輸入和輸出是通過ARM處理器和單片機(jī)通信方式控制單片機(jī)的I/O來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于單片機(jī)而言，除了要保證其和ARM處理器之間的正常通信外，還要保證其本身輸入輸出的穩(wěn)定性。為了保證I/O的輸入和輸出不相互干擾，以使每個(gè)I/O具有獨(dú)立的輸入或輸出功能，在管腳外圍設(shè)計(jì)采用光電隔離。此類型工控觸摸屏多用于有高速脈沖輸入輸出的場(chǎng)合，因此有必要使用高速光電隔離。按照?qǐng)D4對(duì)I/O輸入設(shè)計(jì)，輸出的設(shè)計(jì)方法和輸入類似。

2主要技術(shù)

2.1ARM處理器和單片機(jī)的通信協(xié)議和格式

本項(xiàng)目的觸摸屏人機(jī)界面是采用通信的方式對(duì)單片機(jī)的輸入、輸出及其它內(nèi)部單元進(jìn)行控制，通信采用RS232串口通信。通信時(shí)，ARM芯片向單片機(jī)發(fā)送初始命令，單片機(jī)做出應(yīng)答。通信除了可以控制單片機(jī)的輸入口和輸出口，還可以對(duì)單片機(jī)內(nèi)部允許地址進(jìn)行讀寫，對(duì)此設(shè)計(jì)了四種操作方式：讀字節(jié)、寫字節(jié)、讀位、寫位。

通信格式有兩種：

2.1.1命令幀格式

從上位機(jī)發(fā)送命令時(shí), 按表1 所示的格式排列命令數(shù)據(jù)。

表1　命令幀通信格式

具體命令幀格式規(guī)定為：

(1)命令幀起始符均為3AH；

(2)只有一個(gè)單片機(jī)的時(shí)候機(jī)器號(hào)為01H；

(3)命令符一共有4種，讀字節(jié)為A3H、寫字節(jié)為A6H、讀位為B3H、寫位為B6H；

(4)讀寫字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送長(zhǎng)度最多為4個(gè)字節(jié)，讀寫內(nèi)部位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為32位；

(5)讀字節(jié)和讀位時(shí)，4字節(jié)數(shù)據(jù)全部為0，寫字節(jié)和寫位時(shí)，數(shù)據(jù)為要寫入的數(shù)據(jù)；

(6)檢驗(yàn)碼是從幀開始到幀結(jié)束所有數(shù)據(jù)和操作后的8位數(shù)據(jù)。每次接收到一幀后計(jì)算FCS, 并與幀中所含的FCS作比較來檢查幀中間的數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)；

(7)結(jié)束符是13H。

2.1.2應(yīng)答幀格式

來自單片機(jī)的應(yīng)答幀按命令幀通信格式返回。具體格式規(guī)定為：

(1)起始符為3BH；

(2)機(jī)器號(hào)、命令符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與命令幀相同；

(3)讀操作是返回地址內(nèi)容，寫操作是成功寫入的內(nèi)容；

(4)檢驗(yàn)碼計(jì)算方法與命令幀相同；

(5)結(jié)束符為13H。

例如，ARM處理器發(fā)出的命令幀為“3AH01HA6H01H00H20H00H00H00H02H13H”，表示向單片機(jī)RAM區(qū)地址00H寫20H；單片機(jī)的正確應(yīng)答幀格式應(yīng)為“3BH01HA6H01H00H20H00H00H00H03H13H”。

2.2ARM處理器主要功能的實(shí)現(xiàn)

ARM處理器是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心，本項(xiàng)目采用的是含有LCD驅(qū)動(dòng)控制器的ARM7TDMI內(nèi)核處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目需要的所有功能。除了和單片機(jī)以及PLC的通信以外，ARM處理器主要還實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)方面功能：

(1)LCD控制顯示

ARM處理器內(nèi)部有一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制所需的控制信號(hào)。因此處理器可以直接和各種LCD屏直接接口，不需要外加LCD控制器。在這種接口方式下，LCD顯示緩沖區(qū)是映射在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器空間上，程序只需要將像素點(diǎn)內(nèi)容寫入存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)地址，就可以實(shí)現(xiàn)在LCD屏上像素點(diǎn)顏色的顯示。[2]

(2)觸摸功能的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目采用的是四線電阻式觸摸屏，與ADS7843芯片連接。ARM處理器通過模擬的SIO串行接口與ADS7843進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來完成對(duì)觸摸屏上觸摸位置坐標(biāo)的讀取。

2.3單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

單片機(jī)和ARM處理器的通信程序作為本系統(tǒng)中單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)，這樣使用本系統(tǒng)的時(shí)候就不需要再編寫單片機(jī)通信程序。如需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)使用，則需要另調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。

程序?qū)腁RM處理器通信接收到的I/O和單片機(jī)內(nèi)部寄存器地址對(duì)應(yīng)，例如P0.0對(duì)應(yīng)地址80H，要讀寫P0.0口狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)讀寫80H中的內(nèi)容，并返回通信結(jié)果。給操作方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有I/O的控制，不僅可以對(duì)I/O進(jìn)行讀寫操作，還可以對(duì)其他地址單元進(jìn)行讀寫操作。

3結(jié)束語

在通常情況下，使用可編程I/O功能觸摸屏進(jìn)行操作控制要比觸摸屏和PLC結(jié)合使用的控制方案更節(jié)省資源和成本，穩(wěn)定性更高。在運(yùn)用該方法研制的一套具有人機(jī)界面的切紙機(jī)控制系統(tǒng)中，其電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)和方向信號(hào)以及其它輸入信號(hào)是通過可編程觸摸屏的I/O實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光，等. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社,1999.

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[3]Philips.HEF4053BMSIproductspecification.Holland：Philips，1995.

[4]王安正. 基于嵌入式系統(tǒng)的觸摸式人機(jī)界面的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的開發(fā)[D].上海：上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2004.

編輯杜敏