（机械制造及其自动化专业论文）单片机技术在墨控系统和电子靶系统中的应用研究.pdf

独创性声明 i 嬲煳炒 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈茎杰日期：趁。笸：乜 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：_ 型巨2 盅导师签名：蜱日期：衄 摘要 摘要 本文以单片机技术为出发点，以墨控系统和电子靶系统为研究对象，从总 体方案设计、硬件设计和软件设计几个方面开展了单片机控制系统的应用研究。 根据数字化墨斗对控制系统的要求，提出了墨控系统的组成方案。墨控系 统由操作台控制系统、电机控制系统及p c 机控制系统组成。在此方案的基础 上，分别完成了操作台控制系统和电机控制系统的硬件选型、软件设计以及通 讯设计。 依据墨控系统在实际应用中存在的问题，对墨控系统进行了一系列改进和 优化，包括：硬件设计的改进及软件设计的改进。硬件的改进主要体现在时钟 电路的设计及单列l e d 板的设计，软件的改进主要表现在：程序的通用性有了 较大扩展；程序添加了加密设计；程序进行了优化设计；程序的模块化设计等。 与此同时，提出一套完整的墨控系统的测试流程，包括：单片机供电模块测试、 参考电压模块测试、c a n 通讯模块测试、电机驱动模块测试、l e d 板和c p u 板测试、系统联调测试。 在对电子靶控制系统的要求分析的基础上，提出了系统的总体方案设计， 搭建以单片机为核心的控制系统的平台。根据系统方案规划，完成了控制系统 的硬件设计，主要内容包括传感器选型、主控芯片选型以及控制系统的原理图 设计，其中控制系统的原理图主要由三部分组成：转换电路、c p u 控制电路、 显示驱动电路。另外，对控制系统的软件进行了设计，显示驱动程序的设计是 控制系统软件的关键。 关键词单片机；墨控系统；电子靶 a b s t r a l c t a b s t r a c t 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nt a l ( i n gt h em c u t e c h i l o l o g y 弱as t a n i n gp o i 咄锄dt h ei i l k c o n 仃0 ls y s t 锄a n de t a r g e t 嬲也er e s e a r c ho b j e c t ，m e 印p l i c a t i o nr e s e a r 出o fm c u t e c h n o l o g yw a si n 们d u c e d ，w h i c hi n c l u d e dg e 渤ls c h e m e ，h 锄蛔a r es y s t e m ，a n d s o 胁a r es y s t e m a c c o r d i i l gt 0m er e q u i r e m e n t so ft l l ec 0 i l 仃o ls y s t 锄0 nt h ed i 百t a li i l k ，m e c o m p o s i t i o no fi 1 1 kc 0 n 臼o ls y s t e mp r o g r 锄w 嬲p r o p o s e d h l kc o n t r o ls y s t e mw 嬲 c o m p o s e db yc o n s o l ec o n 0 1s y s t e ma i l dm o t o rc 0 n 臼0 ls y s t e ma n dp cm a c h i n e c o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt o 咖sp r o g 阳m ，h a r d w a r es e l e c t i o n s o f t 、a r ed e s i g n 觚d c o m m l l i l i c a t i o nd e s i g nw e r cs 印a r a t e l yc 0 r n p l e t o d b a s e do nm ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o np r o b l e i 】 1 so fi r l l 【c o n t r o ls y s t 锄，i d kc o n t r o l s y s t 锄w 嬲i m p r o v e d 锄do p t i m i z e dg r e a t l 弘i nw i l i c hi i l c i u d c d ：h 觚1 w a r e i m p r o v 翎1 朗t s 锄ds o 脚a r ei n l p r 0 v e i 】 1 e 1 1 t s t h ec l o c ke l e c t r i cc i r c u i td e s i g n 觚dt l l e s 印a r a t el e db o a r dd e s i g nw e r ct h em 旬o rp a r to fh a r d w a r ei m p r o v 锄e n t ，n l e s o r w 骶ei n i p r o v e m e n tm a i n l yd i s p l a y si n ：t h ep r o c e d l 玎ev e r sa ：t i l i 够h a db e e n e x p 觚d e dg r e a t l y ；t h ee 1 1 c r y p t i o nd e s i 弘o ft h ep r o c e 山w 邪i n c r e a s e d ；m e o p t i m i z e dd e s i 弘o fm e 鲫曲鹏h a db e 锄c a r r i e d0 n ；m o d u l 骶d e s i 萨o fn l e p r o c e d u r e 觚ds oo n a tt h es 锄et i m e ，ac 0 m p l e t ec o n t r o ls y s t e mo fm et e s t i n g p r o c 骼sw 弱p r o p o s e d ，w h j c hw 鹤i n d u d e d ：m i 锄c o n t r o l l e rp o w 盯跚p p l ym o d u l e t e s t ，t h er e f 柏l c ev 0 1 t a g em o d u l et e s t i n g ，c a nc 0 栅u l l i c a t i o nm o d u l et e s t i n g ，t e s t m o t o rd r i v em o d u l e ，l e db o 矾a n dc p ub o a r dt e s t ，s y s t 锄t e s t b a s e do n 廿1 e 锄a l y s i so fm ei i e q u i 砌n e i l t so fe - t a 略e tc 0 曲1s y s t e m ，m eo v e m l s y s t e md e s i 酽w a sp r o p o s e d ，t h em c u a sm ec 0 r eo ft l l ec o i 加ls y s t e mp l a t f i o 珊 w 够c o n s t 九j c t e d a c c o r d i n gt 0 t i l es y s t e n lp r o 踟m i n 岛t 1 1 eh a r d w a r ed e s i g no f e t a 略e tc o n 臼d ls y s t e i i lw 弱c o m p l e t e d ；t h e s e n s o rs e l e c t i o na i l dt h em a s t e rc o n t r o l 幽ps e l e c t i o n 鹤w e l l 嬲t l l ec o n t r o ls y s t 锄s c h e m a t i cd i 孵锄d e s i g nw e r ci n c l u d e d c o n 仃o ls y s t 咖s c h e i n a t i cd i a 鲫nm a i l l l yw a sc o m p o s e db yt 1 1 | e ep a r t s ：c 0 i m 邪i o n c i r a l i t ，t h ec p u c o n t r o lc i r c u i t ，m ed i s p l a yd r i v ec i r c u i t o t h m es o 脚a r ed e s i 印 t ot l l ec o n t r o ls y s t 锄s o f t w a r ew a sd e s i 朗e d ：t h ed i s p l a yd r i v ed e s i 盟w 嬲m ek e yo f t h ec o n t r o ls v s t 锄s o r w a r e k e yw o r d sm c u ；i n l ( c o n 仃d 1s y s t 锄；e t a 唱e t u 目录 目录 摘要i a b s 缸a c t i i 第l 章绪论1 1 1 单片机控制系统简介1 1 1 1 单片机控制系统的基本组成1 1 1 2 单片机控制系统的功能2 1 1 3 单片机控制系统的设计方法2 1 2 墨控系统4 1 2 1 课题研究背景4 1 2 2 国内外研究现状4 1 2 3 课题来源及研究内容6 1 3 电子靶控制系统6 1 3 1 课题研究背景及国内外研究现状6 1 3 2 课题来源及研究内容7 1 4 本章小结7 第2 章系统总体方案设计9 2 1 墨控系统总体方案设计9 2 1 1 操作台控制系统的方案设计9 2 1 2 电机控制系统的总体方案设计1 1 2 1 3 墨控系统调试分析与改进1 l 2 2 电子靶控制系统总体方案设计1 2 2 2 1 电子靶控制系统的技术指标1 2 2 2 2 电子靶控制系统的方案设计1 2 2 3 本章小结1 3 第3 章墨控系统的设计1 5 3 1 操作台控制系统的硬件设计1 5 3 1 1 系统硬件选型1 5 3 1 2 显示控制原理图设计1 6 3 2 电机控制系统的硬件设计1 8 3 2 1 系统硬件选型18 3 2 2 电源电路设计1 9 3 2 3 电机驱动电路设计t 2 0 i i l 北京t 业大学工学硕士学位论文 3 2 4a d 信号采集电路2 l 3 3 墨控系统的软件设计2 1 3 3 1m p l 姬i d e 及c 1 8 编译器简介。2 1 3 3 2 操作台控制系统的软件设计2 1 3 3 3 电机控制系统的软件设计2 4 3 3 4c a n 通讯协议设计2 4 3 4 本章小结：2 8 第4 章墨控系统的调试分析与改进2 9 4 1 墨控系统硬件调试分析2 9 4 1 1 单列l e d 板设计2 9 4 1 2 时钟电路的设计2 9 4 1 3 电路板调试分析31 4 2 墨控系统软件调试分析3 2 4 2 1 程序的通用性设计3 2 4 2 2 程序的加密设计3 3 4 2 3 程序的有效期设计。3 4 4 2 4 程序的优化设计3 5 4 2 5 程序的模块化设计。3 7 4 3 墨控系统的测试流程。3 9 4 4 本章小结4 1 第5 章电子靶控制系统的设计4 3 5 1 电子靶控制系统的硬件设计4 3 5 1 1 系统硬件选型4 3 5 1 2 控制系统原理图设计。4 5 5 2 电子靶控制系统的软件设计4 9 5 2 1 控制系统软件整体设计4 9 5 2 2 定时器程序设计5 0 5 2 3 初始化程序设计。5 0 5 2 4 显示驱动程序设计51 5 3 电子靶控制系统的调试分析5 1 5 4 本章小结5 2 结论5 3 参考文献5 5 攻读工学硕士学位期间所发表的学术论文5 7 致 射。5 9 i v 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 单片机控制系统简介 1 1 1单片机控制系统的基本组成 目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向高速发展。自1 9 7 5 年美国得克萨斯仪器公司( t e x 勰i n s 们蛐e i l t s ) 第一块单片微型计算机芯片 t m s 1 0 0 0 问世以来，在短短的几十年间，单片机技术己发展成为计算机技术的 一个非常有前途的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。单 片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主 要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、个性突出( 某 些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器) 、价格低廉等特点，应用领域 不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通讯、家用电器外，在智能化高档电子 玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，以单片机为核心的控制系 统的基本组成如图1 1 所示： 图1 - l 单片机控制系统的基本组成 f i gl - ln e f o 岫d a t i o no f t e s t i i l g 觚dc o n 仃0 1 1 m gs 蚪锄o f m c u 单片机是控制系统的主体，对于小型的、功能简单的系统而言，单片机内部 的存储器己经足够；大型控制系统要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控 制功能，其程序较大，测量数据较多，这时就需要在单片机外部扩展片外存储器 嘲。被测量的模拟信号经过刖d 转换之后，通过输入通道进入单片机内部；单片 机根据由键盘输入的各种命令，或者送往液晶显示器进行数据的显示，或者经过 d a 转换后成为能够完成某种控制功能的模拟电压。通信接口的功能是通过c a n 北京t 业人学工学硕上学位论文 总线或者2 3 2 接口与其他单片机进行通信或者和p c 机进行通信，以完成测量数 据的传输与共享b 1 。 1 1 2 单片机控制系统的功能 单片机控制系统的核心是单片机，可以充分利用单片机对于数据的处理能 力，最大限度地消除系统的随机误差和系统误差。随机误差存在于每一次测量过 程之中，而且其大小、符号都是不确定和不可预知的。但是n 个测量数据中所 包含的随机误差具有统计规律。概率统计理论证明，随机误差服从正态分布。n 个测量值中包含的随机误差具有对称性和相消性，因此可以用统计平均的方法来 消除随机误差。概率统计理论还证明，对于n 个带有随机误差的测量数据，当n 逐步增大时，其平均值是真值的无偏估计值。因此，在单片机控制系统完成一次 测量时，实际上是对被测数据进行了n 次采样之后，取这n 次采样值的平均值。 而对于系统误差的消除可以采用自动校准的方法。所谓自动校准，主要是针对模 拟信号的输入通道而言的。方法就是在校准时，单片机发指令使加读入校准 开关的基准源电压，此时控制系统的输入为标准电压，单片机将这一标准电压的 测量值存入单片机内的非易失性存储器中，作为参考标准，从而可以在以后的各 次实际测量中，用这一标准值进行修正。这种校正方法完全基于单片机的计算与 存储功能，校准时间短，操作方便，故深受工程人员的喜爱h 1 。 利用单片机对于测量数据的计算处理能力，还可以使整个系统的非线性特性 得到校正。单片机控制系统除了具有数据采集、处理的能力以外，还可以带有串 行或并行通信接口，从而使之具有数据远传和远程监控的能力。因此可以方便的 实现分布式检测和基于网络的控制系统聆1 。 1 1 3 单片机控制系统的设计方法 单片机控制系统设计的主要内容一般包括硬件设计、软件设计和抗干扰设计 这三大部分。硬件设计主要是以单片机为核心的整个电子线路的设计；软件设计 主要包括监控管理程序和各种功能模块的设计；抗干扰设计则主要是控制系统的 控制器和前向及后向通道的抗干扰措施的采用。 在单片机控制系统的设计过程中，按功能把系统划分成若干个模块，对各个 模块采用“自顶向下 的顺序分别进行设计和调试，最后将各个模块连接起来进 行总体调试。在整个单片机控制系统中，单片机是系统的核心，因此在进行硬件 设计时要首先考虑单片机的选择，然后再选择与之配套的外围芯片。在选择单片 机时，要考虑的因素有数据总线的宽度、寻址能力、指令系统、执行速度、中断 能力以及市场上对这种单片机的软、硬件支持能力等。比如说进行工业现场以测 量控制为主要目的单片机和进行大量数据运算的用于手持设备等的p i c 单片机、 第l 章绪论 5 l 单片机及a r m 等，它们的特性不同，应用场合不同，价格也有很大不同，这 就需要在选用时要仔细考虑实际需要。 在充分考虑了单片机本身的因素并正确选择了所要用的单片机之后，还要进 行输入和输出接口和其他功能器件的设计。输入输出接口是单片机控制系统与 外部设备进行信息交换的通道，它包括a d 转换接口、键盘显示器接口、各种 通信接口等。在进行上述各种接口的设计中，要仔细进行电路图的设计和参数计 算，标出各个芯片的型号、器件参数值，然后根据电路图在实验板上进行调试， 发现不当之出随时修改。在实验板上调试成功之后再制作印刷电路板，这样可以 逐步发现硬件问题，以避免日后出了问题而花费更多的时间和精力暗1 。 与硬件设计同等重要的是系统的软件设计，没有软件的支撑，任何高级的单 片机控制系统都将只是一堆由电子元器件堆积而成的没有灵魂的机器。常用的软 件设计方法有以下三种： ( 1 ) 模块法 模块法是把一个长的程序分成若干个较小的程序模块进行设计和调试，然后 把各个模块连接起来，通常单片机控制系统可以分为3 大模块，即监控主程序、 接口驱动程序和命令处理程序。命令处理程序又可以细分为输入输出、数据处 理和显示等子程序。 ( 2 ) 自顶向下设计方法 设计软件时有两种截然不同的方式，一种叫做“自顶向下( t d p d o 、釉) 法， 另一种叫做“自底向上( b o m u p ) 法。前者就是从整体到局部，最后到细节。 也就是先明确整体目标，然后把任务细分，然后把这些最简单的子任务有机的结 合在一起。后者就是先解决细节问题，再把每一个细节组合起来，就完成了整体 任务。“自底向上 法是比较传统的软件设计方法，现在用的比较多的是“自顶 向下 法，但是事物存在就有其理由，不少程序设计者都认为，这两种方法应该 结合起来使用。一开始在软件的上层时，应该采用“自顶向下 法；但当到了软 件的下层时，有时就需要采用“自底向上 法。 ( 3 ) 结构化程序设计 结构化程序设计是2 0 世纪7 0 年代起逐渐流行的一种新型的程序设计方法， 它不仅适用于高级语言编程，也同样适用于汇编语言编程。其目的就是使程序易 读、易查、易测试，并且能够有效地提高程序的效率。在结构化程序设计中不用 或严格限制使用转移语句，结构化程序设计的基本原则就是每个程序模块只能有 一个入口、一个出口。这样就非常便于程序的调试、修改或维护，比较大的复杂 程序可由这些具有一个入口和一个出口的简单结构组成。 在结构化程序设计中有3 种基本结构，即顺序结构、选择结构和循环结构， 理论证明，采用这三种基本结构可以组成任何程序。结构化程序设计具有上述的 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 诸多优点，但也有其自身的缺点，如执行速度比较慢，占用的存储器比较多等。 1 2 墨控系统 1 2 1 课题研究背景 现代印刷机向着高速平稳、高速多色、高速灵活，数字网络化、操作与管理 的一体化、自动控制化以及安全环保化( 即“三高四化”) 的方向发展。其中印刷 机的自动控制化包括墨量调整、色彩管理、水墨平衡、套准调节、质量检测与控 制、印版装卸等大量的工作环节。自动控制的印刷机结束了多年来印刷过程控制 与印刷质量仅凭人为的经验确定的非标准化和非数据化的历史，提高了印刷品的 生产效率，提升了印刷品的质量，减轻了操作者的劳动强度，并且印刷机的数字 化、自动化技术使得印刷机的印刷过程与印前、印后等全部生产过程结合起来， 这些环节的自动化程度对提高印刷质量与生产效率都有较大的影响。目前国外先 进印刷机“三高四化 技术水平已经达到较高的层次，而国产印刷机正经历从传 统操作向自动化控制阶段变革的阶段儿引。 胶印机是市场上用于印刷高档商业印刷品、包装印刷品的重要印刷机型，是 极具发展特点的印刷机。在开始印刷新的活件之前，胶印机需要对各个墨键和墨 斗辊进行预先调节，以保证输出适量的油墨，完成印刷过程。目前依旧有许多胶 印机需要操作工人通过调节墨斗的螺钉进行输墨预调，即印刷工人通过对参考样 张或印版的观察评估，综合分析版面图文的分布状况、纸张的吸墨性能、油墨的 色强度等因素，通过调节墨斗的螺钉对每个印刷单元的墨键开度进行预调节，上 述过程也称为调墨斗阳1 。人工预调后，必然还需要根据试印的样张进行评估，若 不合适，则继续调墨斗和试印，直至获得满意的图文印刷效果为止。调墨斗过程 属于生产作业的准备阶段，如果调节时间过长，不仅耽误工作时间，必然也会浪 费纸张和油墨等材料无形中增加了生产成本。调墨斗非常考验操作工人的经验水 平，若经验丰富，预调准确，可以较快地获得满意的印张；反之则需要反复预调 和试印，会造成更多的时间和纸张的浪费n 引。 针对以上问题，本课题提出一种墨控系统。这个系统由p c 机控制系统、操 作台控制系统和电机控制系统组成，通过墨控系统可以实现对墨键的精确定位， 从而有利于缩短胶印机的生产准备时间、提高胶印机的产品质量和自动化水平、 降低对操作人员的技术要求、减少资源浪费，提高胶印机的自动化程度。 1 2 2 国内外研究现状 国外生产高档胶印机和墨控系统企业很多，如海德堡、小森、曼罗兰等。以 第1 章绪论 海德堡的自动控制系统为例，其墨控系统经历过三个自动控制过程，c p c 系统、 c p 劬i l i c 自动检测与控制系统、c p 2 0 0 0 系统。其中c p c i 0 l 就是给墨和套准遥 控装置，c p c i 0 3 则提供了手动控制、随动控制和自动控制等多种控制方式，可 以通过数据线与c p c 2 印刷质量控制装置连接，将c p c 2 装置测得印刷品上的每 个墨区的墨层厚度转换成墨量调控值，并将其与设定的数值进行比较，再根据偏 差值进行校正，从而能更快，更准确的达到预定的数值。而第二代c p 仃o i l i c 自 动检测与控制系统的是在c p c 控制系统的基础上配备了全面控制、监控和诊断 印刷机用的全数字化电子显示系统。第三代c p c 2 0 0 0 型控制系统拥有一个图像 和色彩管理模块，可以对整个图像进行测量，通过分光光度计技术进行真实的测 色分析，通过印前接口c p c 3 2 c 口4 输入印前信息，自动显示与标准值的色差， 自动生成墨区控制值并可人工干预等n 。 国产( 合资) 胶印机使用的墨控系统主要来自以下几个厂商：江苏科思机电 工程有限公司、北京墨尼科技有限公司、南京春海科技有限公司、上海华太企业 ( 荣润墨控系统) 等几家公司。对比海德堡控制系统，国产印刷机墨控系统尚处 于c p c 系统中的c p c i 0 l 的技术和应用水平，也有少数公司正致力于c p c 2 印刷 质量自动控制的研究与开发，为了能紧跟国际印刷技术的发展步伐，国产印刷机 墨控系统应该向以下几个方向发展： ( 1 ) 数字化、规范化有待加强。墨控系统进行预墨设置与印刷过程墨量控 制应该建立在不同层次的规范的基础之上，通过数据进行控制，同时应该充分考 虑各种过程因素的影响，例如在过程控制中，通过对测控条的测量得到各墨区的 各类评价信息与国际或国内各种规范进行比较，通过比较对各墨区进行调整与修 正，得到较为精确的修正值。 ( 2 ) 自动化控制能力有待提高。目前国产印刷机墨控系统的操作较为方便， 但是集成化程度还不高，例如是否可以将印刷机本身的操作与墨控系统的操作进 一步融合，数据的处理是否可以建立在数据库的基础上进行自动修正等。 ( 3 ) 与质量控制系统进一步结合。墨控本身就是印刷品质量控制系统的一 部分，目前国产墨控系统尚未达到综合质量控制系统的层面，在推广与研发过程 中可以将其进一步与质量控制相结合，从而形成自动检测与控制系统，为印刷控 制提供更为方便、准确的操作平台。 当前，印刷产业新的发展方向是从传统制版转向c t p 印刷技术( 制版、印 刷全部实现数字化工作流程) 、数字喷墨技术、无轴传动技术等。而我国在这些 方面的研发较为落后，研发投入不足，具有自主知识产权的产品较少，特别是在 稳定性、耐用性、自动化程度、数字化以及多功能等方面与国外存在着较大的差 距，不能适应我国文化教育事业日益增长的发展要求2 引。 1 2 3 课题来源及研究内容 本课题来源于北京市企业项目。 根据项目分工，本文主要研究操作台控制系统和电机控制系统两个系统设 计，而不介绍p c 机控制系统的设计，本课题的研究内容如下： ( 1 ) 操作台控制系统的硬件设计与软件设计； ( 2 ) 电机控制系统的硬件设计与软件设计； ( 3 ) c a n 总线通讯协议设计； ( 4 ) 墨控系统的调试分析与改进。 1 3 电子靶控制系统 1 3 1课题研究背景及国内外研究现状 随着科技的发展，体育比赛的设备也开始了更新换代，电子靶是应用在现代 五项运动中的射击比赛设备。传统的射击训练，仍采用人工翻牌或者换靶纸的方 法，以致运动员的训练效果较差，资源浪费严重。同时国外已经出现比较先进的 电子靶，这种电子靶不仅可以让运动员直观的看到自己的成绩，大大提高了运动 员的训练效率，并使运动员的心理素质得到了加强【1 4 1 。 目前，国内尚无成熟的电子靶技术。国内的比赛用靶基本上全为进口，其技 术较为先进，但售价昂贵。本文所设计的电子靶控制系统就是在跟踪国际先进技 术的基础上( 其示意图如图1 2 所示) ，设计的符合国内行情的产品，对提高国 内现代五项运动员的训练水平有着重要意义。 iq 一 图l - 2 电子靶示意图 f i g 1 - 2d i a g 舢s k e t c ho f e t 蝣e t 第l 章绪论 1 3 2 课题来源及研究内容 本课题来源于北京工业大学和军体大队的合作项目，本课题研制的电子靶的 技术水平将达到国际同类产品的技术水平，与国际上同类产品在价格方面具有一 定的竞争优势。 根据项目分工，本文主要研究电子靶控制系统设计，本课题的研究内容如下： ( 1 ) 电子靶控制系统的硬件设计与软件设计； ( 2 ) 电子靶控制系统的调试分析与改进； 1 4 本章小结 本章首先对单片机控制系统进行了简介，包括单片机控制系统的基本组成、 功能及设计方法。其次对以单片机技术为核心的墨控系统和电子靶系统分别进行 了介绍，其中较为详细的分析了墨控系统的课题背景、墨控系统在国内外的胶印 机上的应用现状和发展趋势，以及国产墨控系统需要改进的地方。然后简单阐述 了课题的来源以及需要完成的研究内容，与此同时介绍了电子靶的课题背景、国 内外现状，以及研究内容。 8 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 墨控系统的设计包括操作台控制系统的设计、电机控制系统的设计和c a n 通讯协议的设计以及墨控系统的调试分析与改进。 电子靶控制系统的设计主要包括两个部分：振动信号的采集、处理和单片机 控制双色发光二极管的显示。 2 1 墨控系统总体方案设计 墨斗是胶印机的核心部件之一，根据型号不同胶印机配有若干个墨斗，如四 色胶印机有4 个墨斗。每个墨斗用于调节一种墨色的墨量，墨斗体上排列着不同 个数的墨键，墨键通过来回移动来调节不同墨区的墨量。墨键的移动是通过直流 电机驱动一套传动装置来实现，因此墨斗上的墨键和电机是一一对应的。 墨控系统主要包括上位机控制系统、操作台控制系统及电机控制系统三个部 分，其中本文主要研究对象是操作台控制系统和电机控制系统。操作台控制系统 的主要功能是墨键位置信息的显示及墨键开度的控制。电机控制系统是根据 c a n 总线发送的电机位置信息对电机直接控制，即控制电机方向的改变和转动 角度的大小。墨控系统之间的通讯是采用的c a n 总线通讯方式。其系统结构图 如图2 1 所示： 图2 1 墨控系统结构图 f i g 2 - ls 缸u c t u r eo fi l l kc o n 缸0 ls y s t 锄 2 1 1操作台控制系统的方案设计 在墨控系统中，操作台控制系统是整个系统的显示部分和人机交互的接口， 在整个系统中起着承上启下的功能。综合考虑，控制系统的设计方案图如图2 2 所示：控制系统的工作过程可简要的描述为：工程师可以通过操作台控制系统上 面的按键对墨键进行控制，即对墨键开度的增加、减少以及锁定进行控制，同时 还可以将墨键的位置信息、通讯状况、及故障信息通过光柱、数码管、发光二极 北京工业人学工学硕上学位论文 管显示出来。 图2 - 2 操作台控制系统方案图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo f c o n 乜o ls y g t i 吼 操作台控制系统的显示是由l e d 板组成的，l e d 板的核心是b c 7 2 8 1 控制 模块，其中每一个b c 7 2 8 l 控制模块负责3 个墨键的显示，另外还要需要一个总 体控制模块对墨斗组号及信号灯进行显示。p i c 单片机不断扫描每个b c 7 2 8 控 制模块，当有按键发生时，相应的b c 7 2 8 1 芯片的k e y 引脚输出低电平，p i c 单片机检测到低电平则通过串行接口向相应的b c 7 2 8 l 芯片读取按键信息，并根 据按键信息进行处理，同时将相关墨键位置信息通过c a n 总线发送给电机控制 系统和p c 机系统。 一般情况下，胶印机有1 4 个墨斗，每个墨斗有1 3 6 个墨键。在操作台控 制系统的显示面板上的标号与相同标号的墨键相对应( 如图2 3 所示) 。显示面 板主要分为两个部分：单键控制和全键控制，在单键控制中，系统可通过按键来 进行单个墨键的开度增加、减少以及锁定，当墨键的锁定灯点亮时，开度的增加 或减少都将被锁定。在全键控制中，主要包括三个部分：全部墨键的增加、减少 及锁定；墨斗组的增加、减少及锁定；全部按键的锁定。当墨斗组号增加或减少 时，相对应的那一组墨斗的电机信息也将被更新，当墨斗组的锁定灯点亮时，同 样，墨斗组号的增加、减少将被锁定；在所有的按键中，全部按键的锁定具有最 高优先级：当其点亮时，除他之外所有按键都将被锁定。 图2 3 操作面板 f i g 2 3t l l e 叩啪t i o np 锄e l 第2 章系统总体方案设计 2 1 2电机控制系统的总体方案设计 电机控制系统的主要功能是对直流电机的精确控制。在将电机安装在墨斗体 之前，首先对墨键进行机械调零和对电位器进行电气调零，其次再将电机安装在 墨斗体上，然后再将电机、电位器的插头和电机板对插，最后系统上电。由于控 制系统要求的精度比较高，系统采用了闭环控制，控制系统总体方案图如图2 - 4 所示： p i c 叫 电位器 卜_ 单片 直流 机 电机 叫电机驱动电路卜_ 图2 - 4 电机控制系统总体方案图 f i 9 2 - 4b l o c kd i a g r a mo fm o t o rc o n 们ls 归锄 p i c 单片机由c a n 总线接收到电机位置信号后，通过电机驱动电路控制电 机的方向改变或者电机转动角度的大小，电机通过齿轮传动机构驱动墨键移动， 同时电机通过另一套传动机构带动电位器旋转，电机的运动通过电位器转化为电 压信号的变化，电压信号反馈给p i c 单片机，由p i c 单片机的a d 转换模块将模 拟信号转换成数字量。电位器反馈回来的数字量对应着电机的相应位置，p i c 单 片机将数字量和通过c a n 总线发送的电机位置信号做比较后，通过电机驱动电 路就能实现对电机位置的精确定位。 2 1 3 墨控系统调试分析与改进 针对墨控系统在实际应用中出现的问题，对墨控系统做了一系列改进，包括 硬件设计的改进、软件设计的改进及提出一套墨控系统的测试流程。 硬件的改进主要体现在两个方面：一是单列l e d 板的设计，设计的目的是 让系统的显示得到进一步的完善。另一个方面是时钟电路的设计，功能是控制系 统的使用期限；软件的改进主要是指系统程序的改进，包括：程序的通用性设计、 程序的加密设计、程序的有效期设计、程序的优化设计以及程序的模块化设计。 最后，提出了一套完整的墨控系统测试流程，其流程图如图2 5 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 l 电机板测试 上 i c p u 板测试 上 i l e d 板测试 上 i 系统联调测试 图2 5 墨控系统测试流程图 f i g 2 - 5f l o wc h a no fh l l 【c 0 n 仃d ls y s t 伽1t e s t 其中电机板测试是整个墨控系统测试的核心部分，其电路结构比较复杂、焊 接比较困难、故障率高。电机板测试主要包括：单片机供电模块测试、参考电压 供电模块测试、电机驱动模块测试以及c a n 通讯测试等。 2 2 电子靶控制系统总体方案设计 2 2 1电子靶控制系统的技术指标 当运动员抵达射击位置时，听裁判员口令，准备射击。如果击中靶心( 开始 计时，如果击中靶面同样开始计时，但第一个灯组变红) ，则第一个灯组变绿， 其他四个灯组变红( 如图2 6 所示) ，以此类推，如果击中靶心，则下一个灯组 变绿，如果击中靶面，系统不做反应，直到五个灯组全变绿或者时间计时到1 分钟1 0 秒，运动员继续下个阶段的赛程。 图2 6 显示模块示意图 f i g 2 6d i a g r a ms k e t c ho fd i s p l a y 2 2 2电子靶控制系统的方案设计 针对电子靶控制系统，先后做过两套方案设计，两套方案的主要不同在于选 用的传感器不同。在第一种方案中，选用的是欧姆龙的机械式非接触式传感器， 后来经过试验验证，此方案对于机械结构的硬度及表面粗糙度要求较高，所以放 第2 章系统总体方案设计 弃此种方案。在第二种方案，选用的是压电薄膜传感器，这种传感器的本质是一 种应变片，当有微量形变发生时，能产生一定的电荷，经过试验验证，此方案较 为合理，最终系统选用此方案。 当铅弹击中电子靶时，靶面或者靶心产生微量形变，进而压电薄膜传感器也 发生微量形变，产生微量电荷，但是由于单片机能响应的是t t l 电平信号，中 间需要转换电路，即把电荷信号转换为电压信号。单片机检测到中断引脚的电压 变化，即可响应中断，然后发送数据给b c 7 2 8 l 芯片，刷新双色发光二极管的 显示。电子靶控制系统总体方案图如图2 7 所示 l 振动信号 - 显示驱动电路 l l p 鬻膜 p l c 单片 机 l i 转换电路 - 红绿双色发光 二极管 2 3 本章小结 图2 7 电子靶控制系统总体方案图 f i g 2 - 7b l o c kd i a g r a mo f e - t a 曙e tc 0 n 仃o ls ) r s t 锄 本章首先介绍了墨控系统的总体方案设计，在此基础上分别阐述了操作台控 制系统、电机控制系统的方案设计以及墨控系统的调试分析，其次介绍了电子靶 控制系统的总体方案设计，在此基础上介绍了电子靶控制系统的技术指标及方案 设计。 北京t 业大学t 学硕士学位论文 1 4 第3 章墨控系统的设计 第3 章墨控系统的设计 3 1 操作台控制系统的硬件设计 操作台控制系统的主要功能是显示和控制，即墨键位置信息的显示和墨键开 度的控制，其组成框图如图3 1 所示。因此在硬件设计时，也主要是从显示和控 制两个部分进行设计。本文将从系统硬件选型、原理图设计两个方面做一下介绍。 ir h 棚协生- i 万谊 1卜 光柱 i 电机控制糸统 kc a n 总线 操作 显示 台控 驱动 制系 芯片 统 b c 7 2 i 上位机控制系统 kc a n 总线 8 1 数码管 3 1 1系统硬件选型 图3 1 操作台控制系统框图 f i g 3 1b l o c kd i a g m mo f c 0 n 仃d ls y s t e m 1 单片机选型 综合考虑系统所需单片机的功能、参数等因素，系统选用了m i c r o 出p 公司 的p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机，其特点主要如下： ( 1 ) p i c 单片机重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层 次的应用要求n 钔。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同 的。如本文所选用p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机是一款高档单片机，内部资源高度集成， 有8 0 个管脚，其中用户i o 口为6 4 个，这么多i o 口便于主控制模块控制大量 的显示驱动与键盘扫描模块，带有控制器局域网( c a n ) 模块，用于与其他外 围设备或单片机进行串行通讯，具有良好的抗干扰性能。 ( 2 ) 精简指令使其执行效率大为提高。p i c 系列8 位c m o s 单片机具有独 特的r i s c 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线( h a r v a r d ) 结构，使指令 具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与传统的采 用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达到2 ：1 的代码压缩，速度提高4 倍n 引。 ( 3 ) 产品上市零等待( z e f ot i m et om a r k e t ) 。 ( 4 ) 其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 v 交流电源，可 直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 ( 5 ) 程序的保密性。p i c 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断 北京工业大学工学硕士学位论文 熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 采用熔丝深埋工艺，恢复 熔丝的可能性极小n 钉。 ( 6 ) 自带看门狗定时器，用来提高程序运行的可靠性n 引。 2 显示控制芯片选型 显示部分的数据显示主要是通过光柱和数码管实现的。墨键的总的行程为 o 6 m m ，数码管显示范围是0 9 9 ，墨键的单步行程为6 微米。本文中所用的光柱 是由两个1 0 位的光柱组成的，即光柱每变化一个格，墨键走5 个单位。 考虑到光柱和数码管的数量比较多，本文采用p i c 单片机和b c 7 2 8 1 芯片 实现显示部分的控制。b c 7 2 8