（机械电子工程专业论文）远程医疗机器人系统中手持式编程操作器的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 在采用机器人作远程骨科手术时，虽然手术过程可在远程方式下由计算 机控制的机器人系统自动实现，但医生的手动干预有时是不可避免的。本文 提出一种床旁手持式编程操作器供医生就近对机器人系统实施手动操作。 该操作器由控制面板、液晶显示器、控制电路板及操作器与主控计算机 之间的通讯电路等构成。可对机器人系统中图像采集功能的6 自由度c 型臂x 光机、3 自由度的自动化手术床、用于断骨复位的6 自由度的并联机器人、用 于髓内钉锁定的6 自由度导航机器人及其行走机构实施手动控制。这些子系 统均由伺服电机或步进电机控制，可实现精确定位。 操作面板上共设计有5 2 个薄膜按键、8 个l e d g e 示灯和1 个急停按钮，以 实现以上子系统的方便和安全的操作。受面板尺寸的限制，一些次要的控制 功能由“软键”结合液晶显示器上显：示的内容实现。液晶显示器用于显示操 作内容及机器人在示教再现方式下运行时的作业程序。 本文设计了以8 0 3 1 单片机为核心器件的控制电路，编写了单片机控制程 序，以实现键盘及液晶显示内容的数据处理。在主控计算机一侧，各子系统 的运动控制软件已做成函数库，本文仅用v i s u a lc + + 编写了根据编程操作器 上不同按键的操作调用这些函数并将其嵌入到原主控软件中的应用程序。 原导航机器人是一台外购的设备，虽然该设备已配备了示教盒，但为了 方便医生操作，也考虑到以后可能要自制这台设备，本文实现了原示教盒的 部分功能。这部分内容包括机器人在直角坐标系、关节坐标系及工具坐标系 下的示教再现操作功能。 编程操作器通过r s 2 3 2 接口与主控计算机进行数据传递，本文也编写了 实现这个功能的相应程序，并设计了相应的电路。 本文所设计的编程操作器已在国家8 6 3 项目“远程医疗机器人系统及关 键技术研究”的样机系统上完成了初步的试验，实现了该系统中每个子系统 的手动操作及导航机器人的示教再现操作。 关键词医疗机器人；人机交互；编程操作器；示教再现 a b s t r a c t d u r i n gt h er o b o ta s s i s t e dl o n g d i s t a n c eo r t h o p e d i cs u r g e r y ，a l t h o u g ht h e r o b o ts y s t e mc o n t r o l l e d b yc o m p u t e rc a nr e a l i z ea u t o m a t i c a l l y , s o m e t i m et h e d o c t o r sm a n u a li n t e r v e n ei sn o ta v e r t a b l e t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dak i n do f b e d s i d eh a n d l eo f p r o g r a m m i n ga n do p e r a t i o np e n d a n tw h i c hc a ne n a b l ed o c t o r t om a n i p u l a t et h er o b o t s y s t e mm a n u a l l y t h i so p e r a t i o np e n d a n ti sm a d e u po fc o n t r o lp a n e l ，l c d ，c o n t r o lp c b a n d t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fb e t w e e n o p e r a t i o np e n d a n ta n dm a i n c o n t r o l c o m p u t e r t h eo p e r a t i o np e n d a n tc a nm a n u a l l yc o n t r o lt h e6 - d o f c a r r l lw i t ht h e f u n c t i o no f p i c t n r ec o l l e c t i o n ，t h e6 - d o f p a r a l l e lr o b o tw i t ht h ef u n c t i o no f b o n e r e s t o r a t i o n ，t h e6 - d o fn a v i g a t i o nr o b o tw i t ht h ef u n c t i o no fm a r r o wn a i ll o c k a n dt h em o v em a c h i n eo f n a v i g a t i o nr o b o t t h e s es u b s y s t e m sa r ec o n t r o l l e db y t h es e r v om o t o ro rs t e pm o t o r ，a n dc a nb eo r i e n t e dp r e c i s e l y t h ec o n t r o lp a n e lw h i c hi sm a d eu po f 5 2f i l mk e y s t r o k e s8l e di n d i c a t o r l i g h t s a n d1 u r g e n c y b u t t o nc a nc o n t r o la b o v em e n t i o nd e v i c e s s a f e l y a n d c o n v e n i e n t l y b e c a u s e o ft h ep a n e ld i m e n s i o nr e s t r i c t i o n ，s o m e u n i m p o r t a n t f u n c t i o n sa r er e a l i z e db yt h es o f t k e y s t r o k e sa n dt h el c ds h o wc o n t e n t t h e l c di su s e dt os h o wt h em a n i p u l a t ec o n t e n ta n dt h et a s kp r o c e d u r eo ft e a c ha n d p l a y b a c kw o r k i n gm o d eo f n a v i g a t i o nr o b o t t h i sp a p e r d e s i g n st h es c m 8 0 31a st h ec o r eo fc o n t r o lp c b ，a n dw r i t et h e s c mc o n t r o lp r o c e d u r et or e a l i z ed a t ap r o c e s s i n go f k e y b o a r da n d t h el c ds h o w c o n t e n t o n et h em a i nc o n t r o lc o m p u t e rs i d e ，e a c hs u b s y s t e m sc o n t r o ls o f t w a r e h a sb e e nf u n c t i o n v o l u m e ，t h i sp a p e ro n l y w r i t e p r o c e d u r e t ot r a n s f e rt h e s e f u n c t i o n so nt h eb a s eo fd i f f e r e n tm a n i p u l a t e so fp r o g r a m m i n ga n do p e r a t i o n p e n d a n ta n di n t e g r a t et ot h em a i n s o f t w a r es y s t e m t h e n a v i g a t i o nr o b o ti sa no u t s o u r c i n gd e v i c e ，a l t h o u g hi th a st e a c hb o x ，i n o r d e rt ol e td o c t o rt om a n i p u l a t ec o n v e n i e n t l ya n di t s p o s s i b l et os e l f - d e v e l o p t h i sd e v i c e ，t h i sp a p e rr e a l i z e ss o m ef u n c t i o n so ft h et e a c hb o xw h i c hi n c l u d et h e r o b o tt e a c ha n d p l a y b a c kf u n c t i o ni nt h eb a s ec o o r d i n a t e ，t o o lc o o r d i n a t ea n d t h e j o i n tc o o r d i n a t e b yt h er s 一2 3 2i n t e r f a c e ，t r a n s f e rt h ed a t ab e t w e e nt h ep r o g r a m m i n ga n d 1 i 堕查鎏三些尘兰：；兰堡圭耋堡鎏圣 o p e r a t i o np e n d a n ta n dt h em a i nc o n t r o lc o m p u t e r , a n d t h i s p a p e rw r i t e st h i s p r o c e d u r et or e a l i z et h i sf u n c t i o n ，a n dd e s i g n s t h ec i r c u i t t h ep r o g r a m m i n ga n do p e r a t i o np e n d a n to ft h i sp a p e rh a sd o n ee x p e r i m e n t o nt h e s a m p l er o b o t s o ft h en a t i o n a l “8 6 3 p r o g r a m “l o n g d i s t a n c es u r g e r y m e d i c a lr o b o ts y s t e ma n dt h er e s e a r c ho fk e yt e c h n i q u e ”，a n dr e a l i z et h em a n u a l c o n t r o lo f e a c hs u b s y s t e ma n d t h et e c ha n d p l a y b a c k o ft h en a v i g a t i o nr o b o t k e y w o r d s m e d i c a lr o b o t ；m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ；p r o g r a m m i n g a n d o p e r a t i o np e n d a n t ；t e a c ha n dp l a y b a c k ； i i i 暗尔滨工业大学： 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、来源、目的和意义 本课题源至于哈工大机器人研究所承担的国家8 6 3 计划项目“远程医疗 机器人系统及关键技术的研究”。远程医疗机器人系统主要用于远程控制下 的骨科手术。图l l 表示出该系统近地部分的构成。 c 型臂并联机器人手术床导航机器人导航机器人行走机构 图1 1 远程医疗机器人系统实物图 由图可以看出，该系统主要由以下几部分构成： ( 1 ) 6 自由度的床旁可移动的c 型臂x 光机( 简称c 型臂) ，用于提供手 术中的医学图像。所要实现的运动分别是在x 、y 、z 方向的平动和绕 x 、y 、z 方向的转动。6 自由度均采用伺服电机驱动，可实现运动范围内 喻尔浜工业大学工学硕士学位论文 的精确定位。 ( 2 ) 7 自由度的多功能自动化手术床，为手术提供操作平台。7 自由度 中的3 个为步进电机驱动，其余为手动。 ( 3 ) 6 自由度的并联机器入，主要功能是完成牵引、复位等接骨操作。 所要实现的运动分别是在x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 方向的转 动。6 自由度均采用伺服电机驱动，可实现运动范围内的精确定位。 ( 4 ) 6 自由度的导航机器人，用于在图像的引导下辅助医生完成髓内钉 的锁定和钻孔手术。6 自由度均采用伺服电机驱动，可实现运动范围内的精 确定位。该机器人能实现在直角坐标系、关节坐标系和工具坐标系下的的示 教和再现控制。 ( 5 ) 一个自由度的导航机器人行走机构，实现机器人沿手术床的来回行 走。该机构采用伺服电机驱动，可实现精确定位。 以上五个部分由一台计算机实现集中控制。虽然手术过程可在远程方式 下实现，但医生的手动于预有时是不可避免的，如远程系统出现故障，中央 控制室离手术床较远等。因此，研制一台床旁手持式编程操作器供医生就近 对系统实施手动操作是十分必要的。 本文研究最终要达到目的是：研制一台床旁手持式操作编程器，通过操 作编程器上的按键可以控制系统中各组成部分的运动。另外，考虑到医生操 作的方便，该操作编程器应能包含原导航机器人的示教盒的主要功能，实现 导航机器人在关节坐标系和直角坐标系下的示教再现操作。 研究的意义具体体现在以下几个方面。 ( 1 ) 操作方便：整个机器人系统的基本运动可以通过编程操作器来完 成。与用鼠标和键盘在工控机上控制相比较，编程器的操作非常方便。当选 中系统中的一个子系统后，操作者只需按住轴操作键就可以方便地控制机器 人带到目标点。达到目标点后，操作者只需松手让按键弹开就可以让机器人 在目标点停住，当需要控制速度时候，只需通过“速度”键，就可以在高 速、中速、低速和微动4 个速度之间进行切换。在控制导航机器人时，通过 “坐标”键可以方便地在直角坐标、关节坐标和工具坐标之间切换。 ( 2 ) 可以床旁操作：当主控计算机离手术台较远时，通过编程器与主控 计算机串口通信，可以使医生在手术床旁对机器人进行控制，完成手术操 作。 ( 3 ) 减少x 光的辐射：通过编程器上的“拍照”键可以运距离控制x 光机。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 国内外示教编程器的研究现状与分析 瑞典a b b 公司为采用模块化设计的第五代机器人控制器( i r c 5 控制器) 配 套设置了一个功能强大的示教编程器。该编程器与其控制器通信，可以同步 控制四台机器人。该编程器的物理设计和布局以及触摸屏上常见的菜单型 w i n d o w s “点击”页面，具有很强的用户友好性。该装置重量不足1 3 k g ，采 用了人机工程学设计，无论操作员手掌大小，均同样适合左手或右手单手操 作。另外，该装置采用7 7 英寸( 6 4 0 x4 8 0 像素) 图形化彩色触摸屏，可视 角度为1 8 0 度，无论左右手操作均可一览无遗。触摸屏的使用使按钮数量实 现最小化，只需8 个按钮即可实现快速访问，固定式和可分配式各4 个。该示 教编程器按照单机装置设计，采用开放式系统p c 架构，自配计算能力，软件 与微软公司联合开发，采用w i n d o w s 。n e t 操作系统。示教编程器是全球第一 个开放式机器人界面装置，a b b m i 是是全球首家采用w i n d o w s n e t 的工业自动 化和机器人公司，各种定制应用程序可使用包括c # 语言在内的各种微软标准 开发工具创建，支持中文、日文和韩文等各种亚洲文字。用户可充分利用触 摸屏上的各种图形和图标进行操作，用手指而不是鼠标在熟悉的w i n d o w s 界 面中启动或点击工具栏、状态栏和软按钮来创建各种页面。用户可在各种窗 口中设置必要的信息及满足窗口特定用途的软按钮数量，避免屏幕显示多余 信息，使显示界面更加干净利落、使用更加轻松便利。显示页面采用了熟悉 的图标和图形，迸一步增强了示教器的“友好性”1 2 - 6 1 q 日本安川公司为s v 3 机器人控制器配套设置的示教编程器。该编程器 外壳采用强化塑料制作，外形美观大方。按键设置与布局充分考虑了人体工 学原理，操作者操作时非常方便。在编程器的后面设置有安全开光，操作者 通过安全开关可以开启、关闭伺服电源，操作非常安全。液晶显示采用彩色 的液晶显示屏，显示介面分为中英文两种显示介面，并配有图形和文字两种 显示方式，显示屏划分为四个显示区即菜单显示区域、状态显示区域、通用 显示区域和人机接口显示区域。通过轴操作键可以控制机器人单向运动，也 可以合成运动，速度和坐标系都可以通过按键选择。出于安全考虑设置了示 教锁定键。此键可以保证在示教模式下，其它模式的按键操作无效。图1 2 和图1 3 分别为该示教编程器的显示界面和外观布局【7 4 j 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 2 安川示教编程器的输出页面 f i gi _ 2t h es h o wp a g eo fy a s n a ct e a c hp e n d a n t 图1 - 3 安川示教编程器的外观 f i gl 一3t h ea p p e a r a n c eo f y a s n a ct e a c hp e n d a n t 4 哈尔滨工业 学工学硕士学位论文 另外f i 本松下公司和三菱公司也为其自己研制的机器人相应地配套设计 了示教编程器。美国的w e s t i n g h o u s e 公司u n i m a t i o np u m a5 6 0 系列的示教 编程器也是比较典型的机器人编程器。 p a r 系统公司设计开发的低成本高精度的v e c t o r 2 机器人，其手持控制 器装有一个急停开关按钮和三位使能开关，符合a n s i r i a l 5 0 6 1 9 9 9 标 准。手持控制器上配备有一个8 行每行2 6 字符的显示器，一个倍率控制按 扭和一个密封的工业键盘。键盘由系统键( 用于控制和修改机器人操作参 数) ，功能键，操作机器人每一个轴的驱动键和应用键组成 在国内，专门从事工业机器人研究的首钢莫托曼机器入公司所研制的机 器人示教编程器颇具特色。图1 5 为莫托曼机器人公司研制的n x l o o p p 机 器人示教编程器。其规格为表l l 所示。 沈阳新松公司在开发弧焊机器人时也研制出了中文界面功能键驱动的新 型示教编程器，该编程器是此控制系统中重要的人机交互部件，它通过串行 口与主计算机相联。编程示教盒的外型采用s o l i d e d g e 进行三维c a d 设 计，符合人体工学的标准，大大提高了编程示教盒设计水平。编程示教盒由 显示屏、5 4 个按键和急停按钮组成，用单片机进行管理。显示屏采用 3 2 0 x 2 4 0 点阵的l c d 图形显示器，可显示1 3 行x 2 0 个汉字。按键按功能分 成四组：( 1 ) 功能键；( 2 ) 轴操作键；( 3 ) 程序编辑键：( 4 ) 光标、数字键。图1 5 所示为新松公司示教盒的外观和液晶显示界面。 表i - 1 莫托曼n x l 0 0 p p 示教编程器规格参数 t a b l e1 - 1t h es p e c i f i c a t i o no f m o t o m a nn x l 0 0 - p pt e a c hp e n d a n t 外形尺寸 1 9 9 ( 宽) 3 3 8 ( 长) x 6 0 ( 厚) m m 本体重量1 3 2 k g 材料强化塑料 操作设施 选择键、轴操作键、数字用途专用键、模式选择键( 示教、 再现和远程控制) 、急停按钮、安全开关、c f 卡插槽 显示6 5 英寸彩色液晶显示触摸屏，分辨率为6 4 0 x 4 8 0 。w i n d o w s 操作界面，可选择中文、英文和日文显示，并且具有图像编 辑和监视功能 电缆长度标准：8 m 最长：3 6 m ( 可选) 安全开关( 背后) 确保安全操作 ! ! ! ：! ：= ：塑冀圣型壁篁耋至塑坠兰篁篁兰 ! ! ! ! ：! ： f 卡插话 借助c f 卡司苏觏昀谖行 耩辘宴件强怍鳢巍髀构壤骂 5 5 “器色液品显示触摸屏 w i n d o v v s 撮作界面 可选择中壹、英童豉日文箍泳 0 6 4 0 x 4 8 0 身娜窜 0 增强的攫f i 凰豁辋确耩 o 虢梗功能 人体工学踺盘布弱 0 科学的帮局僚操作耨峨瘟手 0 针列不同甩墟设有相瘟专用键 克僳操作 安全溷镄开关( 背面j 睡保攥怍嶷全 图1 4 莫托曼n x l 0 0 一p p 示教编程器 f i g1 - 4t h et e a c hp e n d a n to f m o t o m a n n x l 0 0 一p p a ) 示教编程器的外观b ) 示教编程器输出画面 图1 - 5 新松公司的示教编程器 f i g1 5t h et e a c hp e n d a n to fx i n s o n gc o m p a n y 6 啥尔滨工业大学 ：学硕士学位论文 1 2 2 国内外医疗机器人的控制方式现状 目前国内外的医疗机器人主要是通过主控计算机，键盘和鼠标来操作控 制。但有些医疗机器人的控制方式也比较独特，比如在各种灵活的手臂上装 有多组摄像头组成的多媒体电子眼“宙斯”医疗机器人，医生可以通过程 控台发出指令，也可以通过医生的手臂动作和声言来控制，世界上第一外科 手术机器人一达芬奇手术机器人系统的控制主要是通过医生的主控台来控制 的，加拿大研制的心脏搭桥手术机器人由电脑控制板和手柄实现遥操作，另 外许多国外的医疗机器人也可以通过网络实现异地控制操作 9 q o 】。 在国内，天津大学研制的可以完成直径为1 毫米以下的微细血管的剥 离、剪切、修整、缝合和打结等各种手术操作的“妙手”机器人系统采用的 是主从遥操作控制方式，医生通过具有力感觉功能的主手完成对具有力检测 功能的从手的控制。由洛阳正骨医院和北京航空航天大学机器人研究所联合 研制的正骨机器人是通过电脑远距离控制。 由哈尔滨工业大学机器人研究所自主研制的“遥造作辅助正骨医疗机器 人系统”采用本地控制和遥操作控制：疗式两种方式。本地控制采用主控计算 机、控制柜、键盘和鼠标控制，遥操作是医生通过网络得到手术现场视频及 音频反馈，同时得到力反馈信息通过主手回放，医生通过网络来远程控制异 地机器人相应的运动。本文在现有的两种控制基础之上，为了医生操作方 便，研制了机器人编程操作器，可以把系统集中起来控制，并可在控制时对 控制对象进行切换操作，也可以床旁操作。 1 3 本文的主要的研究内容 根据远程医疗机器人系统的要求，本课题主要研制一个能对远程医疗机 器入系统的各个机器人进行手动操作以及对导航机器人进行示教再现编程操 作的编程操作器，具体研究内容如下： ( 1 ) 分析医生手术时对本医疗机器人系统现场操作时的可控性、方便 性、可实现性的要求。 f 2 ) 设计、制作并调试完成编程操作器的实用样机。该编程操作器能实 现对远程医疗机器人系统中的手术床、c 型臂、并联机器人、导航机器人及 其行走机构的手动操作以及对导航机器人在关节、直角坐标系下的示教和再 现操作。控制结果满足( i ) 项中的要求。 哈尔滨_ t 业大学l = 学硕上学位淹文 ( 3 ) 该操作编程器通过串行通讯口实现与远程医疗机器人系统主控计算 机的连接，编写的控制程序集成到主控程序库中，完成系统的实验研究，并 根据需要实现主控计算机与操作编程器的切换操作。 一 堕堡童三些查耋；! ；兰堡圭兰堡篁兰一。：，。：。：。：。g = = _ = ! ! 自= = ! j 1 2 # ! ! 目 = = # ! = = = ；一一一一 第2 章系统总体方案设计 2 2 系统软硬件方案设计 硬件 个子系统 程序存储 片机为控 提供接口 路采用单 液晶显示 容量很难 核心，外 路，所以 机控制，本文所研制的编程操作器要控制系统中的 面很多，字库量和程序量较大，一般的单片机的片 足系统要求，所以本文选择8 0 3 1 单片机，以8 0 3 1 程序存储器和数据存程器。由于本电路要为控制面 须扩展系统的i o 口。本文采用可编程的8 2 5 5 a 芯 片扩展系统的f o 端口。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 蜂警器ll 显示接口电路r 叫液晶显示器 复位电路 存储器扩展 电路 电源 时钟电路 l e d 阵列 键盘接口电路 r s l 2 3 2 接u 电路ec 键盘模块 r s 4 2 2 接口电路 图2 - 1 硬件结构框图 f i g , 2 1 t h es t r u c t u r ed i a g r a m o f h a r d w a r e 只系面。括界要包示重计显其设晶及案液究方及 研的以的文局文本布 论。 、 对究义此研定因文的，论键 局成按布完板体利面 总顺制的能控前才器究，程研案编文方、论体计 在总设是的案计确方 言口 栽虹醋。 引 方计软划 设的规 乙 有统的 5 内单板 片界满扩必 电，器制电 电路提供r s 2 3 2 和r s 4 2 2 两种串口通信方式。另外结合系统需求设 计了键盘接口电路、液晶显示借口电路和串口通信电路。图2 一l 为系统的硬 件电路框图。 软件设计采用模块化设计方法，对每个模块分别设计最后集成在一块， 模块化设计方法可以提高编程效率和质量。本文的软件设计包括单片机控制 程序和主控计算机的控制程序两部分。而单片机控制程序主要包括串口通信 模块、液晶显示模块和键盘扫描及键值功能处理模块。主控计算机的程序包 括串口通信协议定义模块、数据接收和解析模块、导航机器人示教再现模 块。图2 - 2 为系统的软件框图。 系统程序设计 单片机系统程序设计主控计算机控制程序设计 帛口 键盘液晶 串口 数据导航 通信扫描显示通信接收机器人 模块模块模块协议解析 示教 程序程序程序模块模块 再现 设计设计设计设计设计 模块 图2 - 2 软件结构框图 f i g2 - 2t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo fs o f t w a r e 2 3 控制面板设计和液晶显示界面规划 控制面板作为本文人机交互的重要输入设备，设计时结合本文机器人系 统中的各个子系统的功能和运动控制要求，以及本文设计的最终要到达的目 的和效果，另外也充分考虑了操作者操作方便等因素。规划设计出控制面板 的外观，按键个数和按键定义。本文的控制面板由5 2 个薄膜按键、8 个 l e d 指示灯、1 个急停按钮和液晶显示屏组成，图2 3 和图2 - 4 分别为控制 哈尔滨工业大学： 学硕士学位论文 图2 - 3 控制面板外观图 f i g 2 - 3 t h ea p p e a r a n c ep i c t u r eo f c o n t r o lp a n e l 面板的外观图和按键定义及其规划框图。液晶显示选取图形点阵液晶显示模 块，本文的显示界厩按其功能分为两部分即手动操作控制显示界面和示教再 现编程显示界面。系统的5 个子系统的手动操作显示界面格式相似内容不 啥尔滨工业大学工学颂士学位论文 同，示教编程界面为导航机器人专用显示界面。系统手动操作显示界面是固 定不变的，示教编程界面是动态的，它提供在线编程，并能保存示教程序， 具有很大的灵活性。图2 - 5 为液晶显示界面总体规划框图。 图2 4 按键定义及其总体规划框图 f i g2 4t h e d e f i n i t i o na n dw h o l el a y o u td i a g r a mo f k e y s t r o k e 液晶显示界面的总体规划 手动操作和编程操作两大模块显示界面 系统 开机 显示 界面 c 型 臂的 手动 操作 界面 并联 机器 的人 手动 操作 界面 手术 床的 手动 操作 界面 底座 手动 操作 显示 界面 导航 机器 人显 示界 面 手动操作显示界面 示教模块显示界面 再现模块显示界面 编辑模块显示界面 图2 - 5 液晶显示界面总体规划框图 f i g2 - 5t h e w h o l el a y o u td i a g r a mo fl c ds h o wi n t e r f a c e 篁竺鋈三些奎童三兰堡圭兰堡篓圣 2 4 本章小结 本章主要介绍了系统的总体设计方案，包括软硬件设计方案、控制面板 设计制作方案和液晶显示界面规划方案。硬件设计采用单片机控制并对其扩 展外围电路，软件设计采用模块化设计方法，分块设计然后集成，控制面板 由薄膜键盘、l e d 指示灯和液晶显示屏组成，液晶显示提供动态可编程和 静态手动操作两种界面。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章系统硬件电路设计与实现 本章的硬件电路设计是以8 0 3 1 单片机为控制核心，并对其进行外围电 路扩展，包括数据存储器和程序存储器的扩展。完成键盘，液晶显示和串口 通信的接口电路。具有键盘输入、液晶显示输出和串口通信功能。 3 2 系统的复位电路与时钟电路 通过某种方式，使单片机各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 为使单片机正常工作，必须保持良好的复位。单片机的复位有上电复位和手 动复位两种方式，本文是采用m a x i m 公司生产的专用复位芯片m a x 7 0 8 对 单片机复位。 8 0 3 】单片机的时钟可以由两种方式产生，一种是内部时钟方式，利用 芯片内部的振荡电路：另一种为外部方式。考虑在串口通信时提高波特率设 置精度，本文采用了外部时钟方式。外部时钟方式是利用外部振荡器信号源 ( 时钟源) 直接接入x t a l l 或x t a l 2 。但通常x t a l l 接地。x t a l 2 按外 部时钟i l l _ l3 1 。 3 3 系统存储器的扩展 由于8 0 3 1 单片机内部没有程序存储器，所以必须扩展外部程序存储 器。由于液晶显示界面较多，需要有较多的存储器空间来存放汉字字库代 码。因此单片机程序容量较大。考虑到8 0 3 1 单片机只有2 5 6 字节的内部数 据存储器。所以本电路扩展了一片6 4 k 的程序存储器( w c 2 7 c 5 1 2 ) 和8 k 的数据存储器( r a m 6 2 6 4 ) ，扩展连接如图3 1 所示。 单片机的系统扩展是通过单片机的片外引脚实现的，片外引脚呈现三总 线结构，即地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 和控制总线( c b ) 。5 l 系列 单片机地址总线宽度是1 6 位，可寻址6 4 k 字节。由p 0 口、p 2 口分别提供 低八位地址( a 0 a 7 ) 和高八位地址( a 8 a t 5 ) 。p 0 口还用作数据总线， 只能分时输出低八位地址的地址信息，所以定要加地址锁存器。锁存器的 哈尔滨工业大学工学顺士学位论义 图3 - 1 单片机的程序存储器与数据存储器扩展电路 f i g ，3 - lt h e e p r o ma n dr a me x t e n dc i r c u i to f s i n g l e c h i p 控制信号由引脚a l e 提供。在a l e 的下降沿，锁存p o 口的地址信息。p 2 口具有锁存功能，所以不需要外加锁存器。 数据总线由p o 口提供，p 0 口是八位三态双向口。单片机与外部交换信 息都要经过p o 口。在数据总线扩展时，p 0 口要与许多芯片相接，数据究竟 走那条通道，是由地址线控制各个芯片的片选端决定的。另外由于在输出数 据时，p o 口的输出级是漏极开路电路。要使“l ”信号正常输出，必须外接 上拉电阻。p o 口作为通用的i o 口使用时，是准双向口，其特点是在输入 数据时候，应先把口置1 ( 写1 ) 。 控制总线包括系统扩展控制总线和片外信号对单片机的控制总线。系统 扩展的控制总线主要有w r 、r d 、尸s e 、a l e 等。脓、r d 用于对片外 数据存储器的读写控制。a 弛用于控制锁存p 0 口的低八位地址。在p o 口 输出地址期问4 加下降沿锁存地址。p s e n 为片外程序存储器的读写信号。 由于扩展的程序存储器和数据存储器使用不同的指令和不同的控制信 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 号，所以两者的地址空问可以重叠，均可以寻址6 4 k 字节。此外对片内和 片外的数据存储器的操作也用不同的指令，故允许两者地址重复，即外部存 储器的地址可以从0 0 0 0 h 开始。而对于程序存储器而言，不论片内、片外 都使用相同的指令，因此只能依靠硬件电路进行选择。另外，对于外扩的 i o ，均与片外数据存储器统一编址，因此应用系统中所有外围接口的地址 均占用r a m 地址单元。与外围接口进行数据传送时，使用与访问外部数据 存储器相同的指令【1 4 0 ”。 3 4 系统串口通信硬件电路设计 计算机通信共有并行通信和串行通信两种方式。并行通信的特点是各数 据位同时传送，传送速度快、效率高，但传送成本高，并且传送距离近，通 常小于3 0 m ，因此不适合大批量、远距离数据传输。串行通信的特点是传 送速度相对较慢，但传送成本低，传送距离远，对实现控制流的数据量，其 带宽和速度也足够，并且没有过于复杂的编解码，硬件上的实现和控制简 单，实现自己定义的协议也不复杂，尤其以计算机作为控制端，以单片机为 终端的串口通信最为常见。 本文在设计电路时，充分考虑了实际操作的需要和各个标准串行接口的 区别，设计了两种可供选择的串行通信的接口电路。r s - 2 3 2 3 c 和r s 一4 2 2 a 接口。 3 4 1r s - 2 3 2 接口电路设计 r s 2 3 2 c 采用负逻辑电平即：在t x d 和r x d 上逻辑l 为一3 v 一l 5 v ， 逻辑0 为+ 3 v 一+ 1 5 v ，在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上信号 有效为+ 3 v 耐1 5 v ，信号无效为3 v - 1 5 v 。对于数据( 信息码) ：逻辑“1 ” ( 传号) 的电平低于3 v ，逻辑“0 ”( 空号) 的电乎高于+ 3 v ；对于控制信 号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平是高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) b p 信号 无效的电平是低于3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以 有效地检查出来，而介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，低于一1 5 v 或高于 + 1 5 v 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在( 3 1 5 ) v 之间【1 6 】。 单片机的串行口是t t l 电平，而标准的r s 2 3 2 串行口是负逻辑电平， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电平不兼容，所以两者接口时候，必须进行电平转换。r s - 2 3 2 与t t l 电平 转换最常用的集成芯片是m a x i m 公司生产的m a x 2 3 2 。m a x 2 3 2 芯片是一 种双组驱动器接收器，片内含有个电容性电压发生器以便在单5 v 电源供 电时提供e i a t i a 一2 3 2 e 电平。m a x 2 3 2 芯片与单片机的接口电路非常简 单，只需加上5 个0 1 u 的电容就可以在t t l 电平和r s 。2 3 2 电平之间进行 互换，通过m a x 一2 3 2 就可以非常方便地实现单片机系统与计算机的串口通 信。其电平转换电路如图3 2 所示。 图3 - 2r s 2 3 2 t t l 电平转换电路 f i g 3 - 2r s - 2 3 2 t t l e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i t 3 4 2r s - 4 2 2 a 接口电路设计 r s - 2 3 2 c 虽然应用很广，但因其推出较早，在现代网络通讯中有它自身 的弱点：数据传输速率低、通讯距离短等。所以在电路设计时提供了可供选 择r s 一4 2 2 a 接口电路。所用的电平转换芯片也是m a x i m 公司的 m a x 4 8 8 e 。 r s 一4 2 2 a 标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和差分接 收的方法。这相当予两个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一个驱动器 的输出永远是另一个驱动器的反向信号。于是两条线上传输的信号电平，当 一个表示逻辑“1 ”时，另一个一定是逻辑“0 ”。当干扰信号作为共模信号 出现时，接收器接收差分输入电压，因此这样就能识别两个信号并正确接收 传输的信息。因此，r s 4 2 2 a 能在长距离、高速率下传输数据。它的最大 传输率到达1 0 m b i t s ，在此速率下。电缆允许长度为1 2 m ，如果采用较低的 传输速率时，最大距离可达到1 2 0 0 m 。r s 4 2 2 a 电路由发送器、平衡连接 电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成，在电路中规定只允许有一个发送 器，可有多个接收器，因此，通常采用点对点通讯方式，该标准允许驱动器 输出为2 v 6 v ，接受器可以检测到的输入信号电平可低到2 0 0 m v 。r s - 4 2 2 与单片机接口时，两者电平不兼容必须进行电平转化，其电平转换电路 如图3 3 所示。 a r b ；m a x 4 8 8 e 图3 - 3r s 4 2 2 t t l 电平转换电路 f i g3 - 3r s 4 2 2 t t le l e c t r j ec o n v e r s i o nc i r c u i t 3 5 系统的i 0 口扩展 3 5 1i 0 口扩展概述与方法 由于m c s 5 l 系列单片机本身提供的输入输出口线并不多，只有p 1 准 双向口的8 位i o 线和p 3 口的某些位线可作为输入输出线使用。而本课题 的单片机系统除了给液晶显示屏提供8 位控制线和8 位数据线的接口外，还 得提供一个有5 2 个按键的控制面板的接口电路。所以必须对单片机进行 i o 口扩展。 根据扩展并行i o 口时数据线的连接方式，i o 口扩展可分为总线扩展 方法、串行口扩展方法和i o 口扩展方法【1 7 - 1 8 1 。 ( 1 ) 总线扩展方法。扩展的并行i o 口芯片，其并行数据输入线取自 m c s 5 1 单片机的p o 口。这种扩展方法只分时占用p o 口，并不影响p o 口 与其他扩展芯片的连接操作，不会造成单片机硬件的额外开销。因此， 在、m c 5 5 l 单片应用系统的i o 扩展中广泛采用这种扩展方法。 ( 2 1 串行口扩展方法。这是m c s 5 1 单片机串行口在方式0 工作状态下 所提供的i o 口扩展功能。这种扩展方法只占用串行f t ，对于不使用串行口 的应用系统，可以使用这种方法。 ( 3 ) 通过单片机片内i o 口的扩展方法。这种扩展方法的特征是扩展芯 片的输入输出数据线不通过p 0 口，而是通过片内其它的i o 口，郎扩展i 0 哈尔滨工业大学r 学硕士学位沦义 口的同时也占用系统的i o 口。 3 5 2 本文的i 0 口扩展 本文电路采用的是用i n t e l 公司生产的可编程输入输出接口芯片8 2 5 5 a 实现并行i o 口扩展及总线扩展方法。图3 - 4 是单片机与8 2 5 5 a 的接口电路 图，由于8 2 5 5 a 芯片内部无地址锁存能力，所以8 2 5 5 a 的口地址选择线 a 1 、a 0 分别由8 0 3 1 单片机的p o 1 、p 0 0 经地址锁存器后提供。连接在单 片机的地址总线的最低两位a 0 、a 1 用于决定8 2 5 5 a 端口地址。如a t a 0 为o o 是a 口；a 1 a 0 为0 1 是b 口；a 1 a 0 为1 0 是c 口；a 1 a 0 为1 1 是控 制字寄存器1 1 9 l 。 图3 - 4 系统的i o 口扩展电路 f i 9 3 4t h e i oe x t e n dc i r c u i to f s y s t e m 8 2 5 5 a 的全部工作状态是通过读写控制逻辑和工作方式选择来实现 的。其中读写控制逻辑是由单片机输出的地址a 1 、a 0 及控制信号r d 、 w r 、回来选择1 2 i 的操作状态。8 2 5 5 a 有三种工作方式可供选择，通过编 程可以选择其中一种。编程选择是通过对控制口输入控制字的方式实现的。 其中控制字有方式选择控制子和c 口置位复位控制字。通过对8 2 5 5 a 所提 供的方式控制命令字和c 口置位复位控制命令字，就可以方便地控制 8 2 5 5 a 的各个i o 端口了。在本文的电路中，8 2 5 5 a 的a 口和b 口分别为 ：= = ：= ：皇堡堡三些奎童；! 兰堡耋茎篁篁圣= =： = = ： 发光二极管。所以在写控制命令字时，把8 2 5 5 a 漫为工作方式0 ，a 口作为 输入口，b 口和c 口作为输出口，并对c = 进行嚣位复位操作。 3 6 系统的键盘接口电路 单片机的键盘接1 3 可分为独立式按键和行列式按键接口。独立式按键是 指直接用一根i o1 3 线构成的单个按键电路。