基于ARM的工業(yè)觸摸屏控制板

1、武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書(封面無)2015 屆畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目基于ARM的工業(yè)觸摸屏控制板 專 業(yè) 班 級2015自動化03 學 號610215033 姓 名張明龍 指 導(dǎo) 教 師王利恒教授 學 院 名 稱電氣信息學院 2015 年 5 月 10 日基于ARM的工業(yè)觸摸屏控制板ARM-based industrial touch screen control panel學 生 姓 名:張明龍 指 導(dǎo) 教 師:王利恒教授 摘 要隨著科技技術(shù)的發(fā)展，ARM單片機已經(jīng)成為當今嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的首選，它以其體積小、低功耗、低成本、高性能、豐富的指令集，深受設(shè)計人員的喜愛。觸摸屏作為一種特

2、殊的計算機外設(shè)，已成為現(xiàn)實生活中一種應(yīng)用廣泛的人機交互工具。本文介紹了以STM32F103系列單片機為控制核心，采用觸摸屏接口芯片F(xiàn)T5206作為接口模塊完成對觸摸屏的數(shù)據(jù)采集及定點計算。硬件部分簡要介紹了STM32F103系列單片機及其外圍電路，詳細分析了電源管理部分的IC選擇和電路設(shè)計，觸摸屏和LCD基本接口電路以及溫度測量和電壓檢測與輸出去。關(guān)鍵詞：單片機； 液晶顯示；觸摸控制； 電源管理AbstractWitch the development of science and technology technology, ARM microcontroller has become th

3、e first choice of today's embedded system design, with its small size, low power, low cost, high performance, rich instruction set, the favorite designers. As a special touch-screen computer peripherals, has become a widely used real-life interactive tool. This paper introduces the STM32F103 ser

4、ies microcontroller to control the core, using a touch screen interface chip FT5206 as touchscreen interface module to complete the data collection and fixed-point calculations. Hardware section briefly describes the STM32F103 series MCU and peripheral circuits, a detailed analysis of the IC selecti

5、on and circuit design of the power management section, touch screen and LCD basic interface circuit and temperature measurement and voltage detection and output to go.IIKeywords: MCU ；LCD ； Touch control ；Power management目 錄1 緒論71系統(tǒng)硬件設(shè)計82.1 總體設(shè)計82.2 CPU的選擇82.3觸摸屏的選擇及接口電路的設(shè)計152.4下載電路162.5電源管理電路162.6通

6、訊接口電路設(shè)計182.7電壓檢測與輸出電路設(shè)計192.8 SD卡電路202.9 測溫電路202.10 存儲電路212.11 防雷電路212.12 交互電路222軟件設(shè)計233.1 總體設(shè)計233.2 觸摸屏程序設(shè)計233.3 電壓檢測與輸出253.4 文件系統(tǒng)設(shè)計263.5 485總線和CAN總線通訊273結(jié)論33致謝34參考文獻35附錄36361 緒論目前，觸摸屏又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一個可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式顯示裝置，當接觸了屏幕上的某位置時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序給出操作者所觸壓的點，可用以取代機械式的按鈕面板，并通過LCD液晶顯示模塊制造出生動的界面

7、效果。由于其簡單方便，越來越適用于工業(yè)場合的使用，極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)的方便性和安全性，生產(chǎn)車間的各種參數(shù)變量、溫度數(shù)據(jù)也都能很直觀的顯示在界面上，并存儲在外部EEPROM中，便于后期管理與維護，同時利用CAN總線或者485總線、232總線可以非常方便的與其它設(shè)備通信，通過STM32單片機的實時控制與處理，具有一定程度上的智能性，非常適用于工業(yè)控制的實際安裝與應(yīng)用。1.1 選題背景與意義觸摸屏起源于20世紀70年代，早期多被安裝于工控計算機、POS機終端等工業(yè)或商業(yè)設(shè)備之中。2007年iPhone手機的推出，成為觸控行業(yè)發(fā)展的一個里程碑，蘋果公司把一部分至少需要20個按鍵的移動電話，設(shè)計得僅需

8、三四個鍵就能搞定，剩余操作則全部交由觸控屏幕完成。除賦予了使用者更加直接、便捷的操作體驗之外，還使手機的外形變得更加時尚輕薄，增加了人機直接互動的親切感，引發(fā)消費者的熱烈追捧，同時也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進的征程。目前，觸摸屏的應(yīng)用范圍已變得越來越廣泛，工業(yè)環(huán)境也越來越復(fù)雜，對于工廠的現(xiàn)場操作人員要求也越來越高，數(shù)據(jù)的維護也是一大難題，這些都制約著產(chǎn)品的制作與測試。所以，大尺寸觸摸屏工控板的發(fā)展將是目前車間應(yīng)用的一大趨勢，尤其是一體化集成的多點觸摸領(lǐng)域，發(fā)展多功能的工控板，便于將現(xiàn)場的各個環(huán)節(jié)以電流或電壓的形式輸送到控制板測量，通過單片機的高速計算得出我們需要的數(shù)據(jù)，同樣也可以實時的通過

9、觸摸屏設(shè)置輸出量，形成一個反饋系統(tǒng)，管理一系列的機器設(shè)備。在此，利用學院這一平臺，使其真正成為一個市場產(chǎn)品，并可以在此基礎(chǔ)上擴展視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，成為系列化的工業(yè)產(chǎn)品?；谝陨蠋c，并且經(jīng)過充分的市場調(diào)查以及技術(shù)手段，我的畢業(yè)設(shè)計題目定為基于ARM的工業(yè)觸摸屏控制板，該產(chǎn)品主要有性價比高、操作簡便、可視化操作、功能齊全等優(yōu)點。1 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 總體設(shè)計作為一款應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的控制板，應(yīng)具有強大的功能以及快速的處理能力。因此，我們選用了現(xiàn)今主流的ARM單片機作為主控制器。其中，當屬ST（意法半導(dǎo)體）的STM32一枝獨秀，也是同性能類單片機性價比最高的單片機了。對于電壓檢測與輸出部分

10、，并沒有做很復(fù)雜的設(shè)計，過于復(fù)雜的電路也將會帶來極其繁瑣的調(diào)試過程，并不適合于現(xiàn)階段的研發(fā)。本課題對于010V電壓輸出使用了STM32自帶的DAC輸出功能，軟件設(shè)計于02.5V輸出，再利用LM2904四倍輸出，從而實現(xiàn)010V的電壓輸出。另外一個端口是010V電壓輸入，先將輸入電壓通過1%精密電阻分壓之后，使用高共模輸入電壓ADC檢測電阻兩端的差壓，從而軟件計算出其輸入電壓值。在PT100的測溫電路中，使用惠斯通電橋、三線制接法，可以極大程度上減小PT100導(dǎo)線上電阻的誤差，使用LM2904測量PT100的電阻值即可。同時，通訊也是聯(lián)合各個設(shè)備的前提，本課題研究的工控板集成了RS-232、RS

11、485、CAN總線通訊，基本上滿足了各種環(huán)境的應(yīng)用，即插即用。面對這些復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，對數(shù)據(jù)的存儲也是極其重要，我們使用了板載EEPROM和外部存儲器SD卡存儲各種信息，非常便于數(shù)據(jù)的管理與查詢。在保證這些基本功能的前提下，本課題的一大亮點是結(jié)合觸摸屏的顯示與交互，使操作人員的操作更加簡單、方便，只需要搭載簡單的界面環(huán)境，即可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的維護管理。當然，保證這些功能的完美實現(xiàn)需要一個穩(wěn)定且強大的電源管理系統(tǒng)，為防止外界環(huán)境對系統(tǒng)的影響，又添加了防雷電路和防靜電器件。從而保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定且安全的運行。2.2 CPU的選擇作為一個功能強大的工業(yè)控制板，必須配有處理系統(tǒng)完善且穩(wěn)定的控制器。如今業(yè)界不

12、乏各種優(yōu)秀的處理器，8位單片機、16位單片機、32位單片機各領(lǐng)風騷，還有處理系統(tǒng)更強大的DSP，運算功能更為強大的FPGA、CPLD，在各自領(lǐng)域都能獨當一面。但是各種IC都有其優(yōu)缺點：（1）、首先，選擇STC89C51單片機作為MCU，這款單片機無疑是一款最為經(jīng)典的8位單片機。器件兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。STC89C52RC系列單片機是單時鐘/機器周期(1T)的兼容8051 內(nèi)核單片機

13、，是高速/ 低功耗的新一代8051 單片機，全新的流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。具有通用異步串行口(UART)、SPI同步通信口，工作溫度范圍：0 -75/ -40 -+85，封裝形式多樣，便于焊接使用，例如：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20。（2）、選擇TI公司的MSP430單片機，其低功耗特性與高效率的編程特點，受到業(yè)界各個工程師的親耐，打破了8位單片機的許多瓶頸。MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.83.6V電壓，因而可使其在1MHz的時鐘條件下穩(wěn)定運行。RAM保持模式下的最低功耗只有0.1

14、A。其次，MSP430系列單片機的各系列都集成了叫豐富的片內(nèi)外設(shè)。他們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0、定時器A1、定時器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10/12位ADC、DMA、I/O端口、基本定時器、實時時鐘和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。在開發(fā)工具上面，對于89C51來說，不能在線編程。對于 MSP430 系列而言，由于引進了Flash 型程序存儲器和 JTAG 技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)在線編程和仿真，而且使開發(fā)工具變得簡便，價格也相對低廉。（3）、選擇意法半導(dǎo)體的STM32系列單片機，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)

15、用專門設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。片上集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器。支持三種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。支持串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。

16、集成更加豐富的片內(nèi)外設(shè)：普通定時器，高級定時器，ADC，DAC，SPI，I2C和UART等等。同時具有DMA功能，通過靈活的控制DMA，可以極大程度的釋放單片機內(nèi)核的處理能力，尤其是在處理圖像信息時，優(yōu)點更加突出。另外，其集成的FSMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器）是STM32系列采用一種新型的存儲器擴展技術(shù)。在外部存儲器擴展方面具有獨特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴展。STM32通過FSMC可以與SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NAND Flash存儲器的引腳直接相連。支持豐富

17、的存儲操作方法，同時擴展多種存儲器。綜合以上分析，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境，選擇的單片機應(yīng)具有I/O口多、內(nèi)核頻率快、運算速度快且片內(nèi)外設(shè)多的特點?？紤]到CPU的應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合所使用的外設(shè)，以及開發(fā)難易程度，綜合各方面原因，毫無疑問，STM32系列單片機為本課題的首選，并最終決定使用STM32F103RCT6。2.2.1微處理器STM32F103RCT6簡介STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系架構(gòu)的32位標準RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的 代碼效率，在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能。STM32F103RCT6系列微處理器工作頻率位72MHz，內(nèi)置高

18、達128K字節(jié)的Flash存儲器和20K字節(jié)的SRAM，采用LQTP封裝模式，引腳達到64只。其主要資源與特點如下：（1）、多達51個快速I/O端口所有I/O口均可以映象到16個外部中斷，幾乎所有端口都允許5V信號輸入。每個端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其它的外設(shè)功能口；（2）、2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達16個外部輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達1MHz，轉(zhuǎn)換范圍為03.3V；具有雙采樣和保持功能；內(nèi)部嵌入有溫度傳感器，可方便的測量處理溫度值。（3）、靈活的7路通用DMA可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須CPU任何干預(yù)，通過DMA可

19、以是數(shù)據(jù)快速地移動，這就省了CPU的資源來進行其他操作。DMA控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_緩沖區(qū)結(jié)尾時所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時器、ADC、SPI、I2C和USART等。（4）調(diào)試模式：支持標準的20腳JTAG仿真調(diào)試以及針對Cortex-M3內(nèi)核的穿行單線調(diào)試（SWD）功能。通常默認的調(diào)試接口是JTAG接口。（5）、內(nèi)部包含多達7個定時器，3個通用寄存器、1個高級寄存器、2個看門狗寄存器以及1個系統(tǒng)時基寄存器。（6）、含有豐富的通信接口：三個USART異步串行通信接口、兩個I2C接口、兩個SPI接口、一個CAN接口和一個USB接口，位實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊提供了保證。ST

20、M32F103RCT6引腳圖如圖2.1所示：圖2.1 ARM單片機STM32F103RCT6引腳圖2.2.2 STM32F103的FSMC接口的介紹在STM32F103上開發(fā)LCD顯示，可以有兩種方式來對LCD進行操作，一種是通過普通的IO口，連接LCD的相應(yīng)引腳來進行操作，第2種是通過FSMC來進行操作?？勺冹o態(tài)存儲控制器（Flexible Static Memory Controller:FSMC）是STM32系列中內(nèi)部集成256KB以上Flash，后綴為.c、.d和.e的高存儲和密度微控制器特有的存儲控制機制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外

21、部存儲器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設(shè)計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。2.2.3 IIC、SPI接口簡介SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，如今越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91

22、RM9200。SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。其中，CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，

23、SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。要注意的是，SCLK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設(shè)備中，至少有一個主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c：這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設(shè)備控制，當沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)

24、備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關(guān)器件的文檔。最后，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)。其接口時序如下圖2.2和圖2.3所示：圖2.2 CPHA=0時SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時序圖2.3 CPHA=1時SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時序IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成電路總線），這種總線類型是由飛利浦半導(dǎo)體公司在八十年

25、代初設(shè)計出來的，主要是用來連接整體電路(ICS) ，IIC是一種多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時每個芯片都可以作為實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡化了信號傳輸總線接口。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，把CPU和一個單獨工作系統(tǒng)所必需的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外圍電路集成在一個單片內(nèi)而制成的單片機或微控制器愈來愈方便。目前，世界上許多公司生產(chǎn)單片機，品種很多。其中包括各種字長的CPU，各種容量的ROM、RAM以及功能各異的I/O接口電路等等，但是，單片機的品種規(guī)格仍然有限，所以只能選用某種單片機來進行擴展。擴展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串

26、行總線。由于串行總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡單，往往不用專門的母板和插座而直接用導(dǎo)線連接各個設(shè)備。因此，采用串行線可大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計。PHILIPS公司早在十幾年前就推出了I2C串行總線，利用該總線可實現(xiàn)多主機系統(tǒng)所需的裁決和高低速設(shè)備同步等功能。因此，這是一種高性能的串行總線。I2C串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。為了避免總線信號的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（OD）輸出或集電極開路（OC）輸出。設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線SDA接口電路應(yīng)

27、該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時鐘線也應(yīng)是雙向的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機，一方面要通過SCL輸出電路發(fā)送時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的SCL電平，以決定什么時候發(fā)送下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的SCL信號發(fā)出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發(fā)出低電平信號以延長總線時鐘信號周期?？偩€空閑時，因各設(shè)備都是開漏輸出，上拉電阻Rp使SDA和SCL線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都將使相應(yīng)的總線信號線變低，也就是說：各設(shè)備的SDA是“與”關(guān)系，SCL也是“與”關(guān)系?？偩€對設(shè)備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要

28、求（NMOS、CMOS都可以兼容）。在I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送率可高達每秒十萬位，高速方式時在每秒四十萬位以上。另外，總線上允許連接的設(shè)備數(shù)以其電容量不超過400pF為限?？偩€的運行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機控制。所謂主機是指啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動信號）、發(fā)出時鐘信號以及傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備，通常主機都是微處理器。被主機尋訪的設(shè)備稱為從機。為了進行通訊，每個接到I2C總線的設(shè)備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以由從機發(fā)到主機。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備被稱為接受器。在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定

29、義為開始和停止條件（見圖2.4）：當SCL保持“高”時，SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_始條件；當SCL保持“高”且SDA由“低”變?yōu)椤案摺睍r為停止條件。開始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。使用硬件接口可以很容易地檢測到開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少兩次對SDA取樣，以檢測這種變化。圖2.4 IIC開始、停止時序圖2.2.4 RS-232、RS-485簡介RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號。RS-232標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、1

30、00、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。工業(yè)一般使用9600pbs較多。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232-C接口(又稱EIARS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不過表示RS-232的版本，所以與“RS-232”簡稱是一樣的)。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”為-3到-15V;邏輯“0”為+3到+15V。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”為-3到-15

31、V;邏輯“0”為+3到+15V。RS-232端口的缺點也很明顯，例如：1、接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。2、傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps;因此在“南方的老樹51CPLD開發(fā)板”中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。3、接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。4、傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。(通過外接RS-232增強器可將傳輸距離擴大到1000米左右)。RS485采用差分信號

32、負邏輯，-2V-6V表示“1”，+2V+6V表示“0”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：(1)共模干擾問題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只

33、需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。(2)EMI問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。RS485網(wǎng)絡(luò)：RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便 ，而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特多，特別是在油品行業(yè)RS485/MODBUS簡直是一統(tǒng)天下，現(xiàn)在的儀表商也

34、紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBUS，原因很簡單，原來的 HART儀表想買一個轉(zhuǎn)換口非常困難 而且價格昂貴，RS485的轉(zhuǎn)換接口就便宜的多而且種類繁多。至少在低端市場RS485/MODBUS還將是最主要的組網(wǎng)方式，近兩三年內(nèi)不會改變。2.2.5 CAN總線簡介CAN(Controller Area Network)，中文名稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，通常稱為CAN bus，即CAN總線。是由德國BOSCH(博世)公司研究開發(fā)的，現(xiàn)已成為ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，是目前在國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制

35、系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個 LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后， CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議?，F(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。圖2.5是車載網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想示意圖。 CAN 等通信協(xié)議的開發(fā)，使多種 LAN 通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換得以實現(xiàn)。圖2.5 車

36、載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想在硬件部分，汽車節(jié)點ECU的開發(fā)可以選擇帶有在片CAN的微控制器，也可以選擇其它微控制器和相應(yīng)的片外CAN控制器、收發(fā)器。本文以后者為例說明ECU的開發(fā)。帶有CAN接口的ECU設(shè)計是總線開發(fā)的核心與關(guān)鍵，其中ECU的CAN總線模塊有幾個功能單元構(gòu)成CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需要一個接口CAN收發(fā)器，它實現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。CAN控制器和收發(fā)器完成CAN物理層和邏輯電路層的所有功能。應(yīng)用層的功能則由軟件來實現(xiàn)。各節(jié)點的ECU主要由MCU、DSP、CAN控制器SJA

37、1000、CAN收發(fā)器PCA2C250和其它外圍器件構(gòu)成。在軟件部分，CAN設(shè)計的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。CAN通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡(luò)通訊幀，即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實現(xiàn)，包括各種通訊幀的組織和發(fā)送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應(yīng)用層的設(shè)計上。應(yīng)用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序，即CPU把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上；當SJ

38、A1000通訊控制器從總線接受到數(shù)據(jù)后，CPU再把數(shù)據(jù)取走。對于單片機而言，操作SJA1000就象訪問外部RAM一樣簡單。首先，應(yīng)對SJA1000中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字，進行初始化。之后，CPU即可通過SJA1000接收/發(fā)送緩沖區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。2.3觸摸屏的選擇及接口電路的設(shè)計現(xiàn)如今，市場普通使用的是四線電阻式觸摸屏。其高解析度，高速傳輸反應(yīng)一直都受到各界人士的青睞。但是這已經(jīng)滿足不了市場的需求了，自從電容觸摸屏的面世，其高效的觸摸計算方式更有取代電阻屏的趨勢，電容式觸摸屏技術(shù)是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層I

39、TO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層ITO涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。其多點觸摸的功能更讓電容觸摸屏技術(shù)更上一層樓。在此，本課題決定選擇敦泰的FT5206驅(qū)動電容觸摸屏，支持5點同時觸摸，使用IIC讀取數(shù)據(jù)。電路圖如下2.3.1所示：圖2.3.1 電容

40、觸摸屏接口電路圖2.3.2 觸摸屏與STM32接口匹配在顯示部分，使用SSD1963作為液晶驅(qū)動電路。ssd1963是1215k字節(jié)幀緩沖顯示控制器，支持864 x 480 x 24位圖形內(nèi)容。它也配有不同寬度并行接口總線來接收圖形數(shù)據(jù)和命令從單片機。它的顯示界面，支持常見的內(nèi)存更少的LCD驅(qū)動器, 每像素的顏色深度可達24比特。支持8位串行RGB接口，0、90°、180°、270°硬件旋轉(zhuǎn)，硬件顯示鏡像，包含4個通用I/O口，內(nèi)置時鐘發(fā)生器，動態(tài)背光控制（DBC），具體驅(qū)動電路如下圖2.3.1所示：圖2.3.1 SSD1963驅(qū)動電路2.4下載電路CH340是一

41、個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。STM32是支持串口下載與調(diào)試的，本課題選用CH340G作為串口調(diào)試IC，如下圖2.4.1所示：圖2.4.1 串口下載電路2.5電源管理電路對于電源輸入端，首先應(yīng)考慮的應(yīng)該是紋波要求，紋波太大很容易對板載電路產(chǎn)生程度不一的損壞，這里第一級就是濾波電路。然后通過一個TVS管防靜電，靜電對電子設(shè)備的損壞是隨時都能發(fā)生的，我們應(yīng)做好必要的保護措施。接著，必須是放反接電路，由電源反接引起的損失是可以避

42、免的，簡單的可以通過串聯(lián)一個二極管保證，正常工作時二極管正向?qū)?，反向電壓時二極管截止； 盡量選擇壓降小的二極管,以減少系統(tǒng)供電低時對系統(tǒng)的影響。由于二極管正向壓降基本不變，因此隨著正常工作電流增加，消耗在二極管上的功率也要相應(yīng)增加。不適用于工業(yè)應(yīng)用，本設(shè)計選擇使用承受電壓電流能力更強的P溝道MOSFET電路。正常工作時首先電流正向經(jīng)過體二極管，source端電壓接近24V，Gate端電壓為零，相對于Source端是負電壓，MOSFET完全導(dǎo)通，電流由Drain流向Source，鉗位二極管保證柵極電壓不超過額定電壓值。通過防反接電路之后，只利用型濾波電路二級濾波，最后再使用三個小磁珠進一步濾波

43、。由此，整個電源系統(tǒng)是非常干凈的。圖2.5.1 電源輸入端電路由于工業(yè)控制板使用的是12VDC輸入，需要通過降壓電路降壓后，再給板載IC通電，我們使用的單片機STM32和其它IC多為3.3V供電，但也有下載電路、顯示屏驅(qū)動電路需要5V供電?？紤]到Back電路的效率更高，輸出電流大，適合于第一級降壓。由于顯示屏的穩(wěn)定工作需要較大的功率，供電電壓為5V，實測電流大概在400mA600mA之間，以及010V輸出電路負載需要提供最大1A的電流，完成簡單的電壓輸出電路，板載IC則功率很小，可忽略不計。合計總的最大功率為電壓5V，電流1.6A。因此，我們選擇TI公司的TPS5430，其輸入電壓范圍是：5.

44、5V36V，最大輸出電流為3A，保證了一定的余量，效率高達95%，開關(guān)頻率為固定的500KHz，其簡單的外圍電路即可保證相當穩(wěn)定的功率輸出。輸出電壓紋波本應(yīng)是開關(guān)電源無法逃避的缺陷，但其輸出電壓可以達到1.5%的精度要求，通過外圍濾波器的設(shè)計，可以進一步降低輸出噪聲，對于一般IC的供電并沒有問題，為防止對下級電路的損壞，特意添加了一個TVS管，保護輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。圖2.5.2 Back降壓電路在5V的基礎(chǔ)之上，在使用一個低壓差線性穩(wěn)壓器ASM1117-3.3V，輸出一個很穩(wěn)定的3.3V電源，經(jīng)過LDO輸出的電源比Back電路輸出的更加穩(wěn)定，更適合于單片機的供電。同樣使用一個3.3V的T

45、VS管保護下級電路免受靜電的損壞，同時使用一個LED燈顯示供電情況。圖2.5.3 LDO穩(wěn)壓電源另外，顯示屏驅(qū)動芯片SSD1963需要3.3V和1.2V電源供電，我們選用了和3.3V LDO同系列的ASM1117-1.2V低壓差線性穩(wěn)壓管。如下圖2.5.4所示：圖2.5.4 SSD1963供電電路2.6通訊接口電路設(shè)計為了滿足工業(yè)各種環(huán)境的需求，本課題集成了RS-232、RS-48、CAN總線和USB（從）通訊接口。結(jié)合STM32F103RCT6系列單片機強大的處理能力，可以很好地兼容其他設(shè)備。首先是RS-485電路，SP3485是+3.3V電源的半雙工收發(fā)器，符合RS-485和RS-422串

46、行協(xié)議標準。SP3485采用差分輸入、平衡輸出方式，輸出、輸入共用一對線路，管腳功能如下：A，同相端；B，是反相端；R0，接收器輸出；DI，發(fā)送器輸入；/RE（低電平有效），接收器輸出使能；DE，發(fā)送器輸出使能 。2.6.1圖電路由DRE選擇傳輸方向，RO、DI傳輸串行數(shù)據(jù)，R36電阻是終端匹配。選用SP3485電平轉(zhuǎn)換IC，將差分電平信號轉(zhuǎn)換成串口信息后，再由軟件處理即可。圖2.6.1 RS-485接口電路對于CAN總線通訊，選用的是高性能的TJA1050控制器，TJA1050 是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發(fā)器?？梢詾榭偩€提供差動發(fā)送性能

47、，為CAN控制器提供差動接收性能。如下圖2.6.2中，電阻R25是中斷匹配電阻，由D、R傳輸信息，CANH和CANL為CAN總線電平，設(shè)備之間傳輸信號的橋梁。圖2.6.2 CAN總線接口電路對于RS-232通訊，選用的是SP3232芯片，SP3222E/3232E系列是RS232收發(fā)器對便攜式或手持式應(yīng)用如筆記本或掌上型電腦的一種解決方案。SP3222E/3232E系列有一個高效的電荷泵，工作電壓為3.3V時只需0.1µF電容就可進行操作。電荷泵允許SP3222E/3232E系列在+3.3V到+5.0V 內(nèi)的某個電壓下發(fā)送符合RS-232的信號。圖2.6.3 RS-232接口電路2.

48、7電壓檢測與輸出電路設(shè)計對于電壓檢測電路，使用的是TI公司的高共模電壓差動放大器INA149。INA149 是一款高精度單位增益差動放大器，此放大器具有很高的輸入共模電壓范圍。 它是一款包含有高精度運算放大器和集成薄膜電阻器網(wǎng)路的單一單片器件。如下圖2.8.1所示，通過外部端子輸入，R37、R39、R44三個電阻分壓，取1%精度。經(jīng)計算，電流范圍是：00.43mA，INA149的差分輸入電壓范圍是：02.93V。根據(jù)其增益1V/V，則剛好適用于STM32F103RCT6讀取器輸出的電壓值，并用R40限流，以防止燒毀單片機的I/O口。圖2.8.1 電壓檢測電路對于電壓輸出電路，本課題避免了復(fù)雜的

49、放大、跟隨、檢測電路方案，而采取更加準確且易于理解的DAC輸出02.5V，然后通過一個常用的4倍比例放大器輸出010V即可。圖2.8.2 電壓輸出電路2.8 SD卡電路SD卡一般使用SPI協(xié)議讀寫數(shù)據(jù)，也可以使用STM32F103RCT6自帶的SDIO（Secure Digital Input and Output Card，即安全數(shù)字輸入輸出卡）讀寫方式訪問，為了便于絕大多數(shù)人調(diào)試與操作方便，我們選擇了SPI的操作方式，使用10K的上拉電阻，從而提高驅(qū)動能力。圖2.8.1 SD卡電路2.9 測溫電路在面對工業(yè)鍋爐操作環(huán)境時，測出液體溫度的工具時必不可少的，本課題采用的是PT100，其測溫范圍

50、在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。這里，我們選用常用的、精度最高的三線制惠斯通電橋的測量電路。電路采用TL431和電位器R26調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R27、R28、R34、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R27R28，R34為100精密電阻），當Pt100的電阻值和R34的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信

51、號經(jīng)過運放LM2904放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R30R31、 R29R35、放大倍數(shù)R29/R30，運放采用單一5V供電。典型電路如下圖2.9.1所示：圖2.9.1 PT100測溫電路2.10 存儲電路由于具有外部SD卡作為存儲介質(zhì)，板載存儲芯片選用W25Q64，可以存儲大量的字庫信息和其它非易失性數(shù)據(jù)的存儲。W25Q64具有64M比特/8M字節(jié)，支持標準的SPI協(xié)議，40MB/ S的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率。很低的指令開銷，僅僅在8個時鐘周期，以解決內(nèi)存問題。2.11 防雷電路在通訊過程中，由于外部電磁情況較為復(fù)雜，干擾也相應(yīng)增大。因此，在電路的信號輸入

52、端，需要做好必要的防護措施。我們使用TVS管防止靜電打壞，由于TVS管動作迅速，當達到擊穿值時，在皮秒級別即可動作。但是，其通流量小，所以就選用了氣體放電管提供較大的通流量，以便于泄流。如下圖2.11.1所示：圖2.11.1 防雷電路2.12 交互電路對于交互電路部分，使用LED顯示，按鍵控制，便于更為直觀的操作與指示作用。如下圖2.12.1所示：圖2.12.1 交互式電路2 軟件設(shè)計3.1 總體設(shè)計基于以上強大的硬件基礎(chǔ)，也需要搭載強大的軟件環(huán)境，整體而言，軟件部分主要包括FSMC液晶屏驅(qū)動、DAC輸出、ADC檢測、SPI讀取、IIC讀取、Fatfs32文件管理系統(tǒng)，串口讀取以及LED與按鍵

53、控制。3.2 觸摸屏程序設(shè)計3.2.1 顯示部分在顯示部分，我們選用的是晶門科技有限公司的SSD1963，由于STM32是通過FSMC訪問SSD1963，從而驅(qū)動液晶屏。先初始化GPIO的引腳輸入/輸出方向，然后初始化FSMC功能，進而初始化SSD1963。簡要代碼如下：/*函數(shù)功能：初始化SSD1963輸入: 無輸出: 無注意: 無*/void LCD_Init(void) LCD_GPIO_Config(); LCD_FSMC_Config(); delay_ms(50); InitSSD1963();3.2.2 觸摸部分在觸摸部分，我們選擇的是敦泰的FT5206。/*函數(shù)功能：初始化SS

54、D1963輸入: 無輸出: 無注意: 無*/u8 FT_Init(void) u8 res = 0;u16 Version = 0;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOF, ENABLE); /使能PB、PF端口GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_

55、2; / PB.2 端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; /推挽輸出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /IO口速度為50MHzGPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /根據(jù)設(shè)定參數(shù)初始化GPIOB.2GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_2); /PB.2輸出高GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; / PF10端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; /上拉輸入GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; / IO口速度為50MHzGPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure); / ¸ù¾ÝÉ趨²ÎÊý³õʼ»¯GPI