毕业设计（论文）-气动打标机的原理及打标系统的设计的研究.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 气动打标机的原理及打标系统的设计的研究气动打标机的原理及打标系统的设计的研究 摘 要 为适应全自动生产线上对产品打标记的要求 设计了一种可由计算机控制的自动 打标机 其中气动打标机是广泛应用于汽车 摩托车 机械 航空等领域中的重要辅 助工具 能够对产品的生产 使用等过程进行有效的管理和识别 目前 国外自动打 标技术较为成熟 但价格昂贵 国内气动打标系统抗干扰性不强 精度容易丢失 操 作不便 因此 研制一种经济适用 运行可靠 操作方便的气动打标机控制系统 该 机具有选字灵活 体积小 安装方便 性能价格比高等优点 既具有一定的理论意义 又具有较大的实用价值 本文主要介绍了一套基于 USB 接口的气动打标机控制系统 这些自动打标机在实际生产中都取得较好的良好的打标效果 拥有广阔的发展前景 关键词 自动打标系统 自动打标机的原理 气动打标机 基于 USB 接口气动打标 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 Abstract Based on the requirements of automated product lines for marking on work pieces an automatic marking system with computer control has been designed Numatic marker is an important assistant tool widely used in the fields of auto motor achine and aero industry and it can make products be effectively managed an didentified in manufacturing and utilization At present foreign pneumatic marker technology is more maturebut very expensive while the domestic pneumatic marker system is not strong easy to lose accuracy and operation inconvenience Therefore developing a pneumatic marker control system that is affordable reliable and easy to operate has some theoretical significance and more ractical value he marking device features agile character selection compact volume easy installation and excellent cost performance ratio This study also shown the developing of a pneumatic marker with USB nterface based on Windows platform These automatic markers have obtained good marking effect in productivity which have a broader perspective Key words automatic marking system the tenets of automatic marker pneumatic marker a pneumatic marker with USB nterface 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 3 目 录 摘 要 3 ABSTRACT 3 1 绪 论 3 1 1 引言 3 1 2 气动打标机概述 4 1 2 1 气动打技术 4 1 2 2 气动打标系统的普遍工作原理 4 1 2 3 气动打标机的系统组成及分析 5 1 2 4 气动打标机的发展方问 7 2 基于 USB 接口的气动打标机 8 2 1 方案设计与系统工作原理 8 2 1 1 系统工作原理分析 8 2 1 2 系统方案的确定 9 2 1 3 打标机控制器设计 9 2 1 4 USB 接口的气动打标机的系统功能 10 3 打标机控制器及硬件设计 10 3 1 控制器总体设计 10 3 2 接口芯片 11 3 3 单片机设计 12 3 4 FPGA 控制器设计 13 3 5 运动控制方法 15 3 5 1 插补运算 15 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 4 3 5 2 升降频控制 18 4 硬件电路设计 18 4 1 通信电路 18 4 2 核心控制电路 19 4 3 电磁阀驱动电路 20 4 4 步进电机驱动电路 20 4 5 外部信号管理电路 21 5 打标机控制软件设计 22 5 1 软件总体设计 22 5 1 1 软件功能需求分析 22 5 1 2 总体设计 22 5 2 VC 开发平台 23 5 2 1 WINDOWS 编程模型 23 5 2 2 VC 应用程序创建过程 24 5 3 打标机控制软件主程序设计 25 5 3 1 显示编辑 25 5 3 2 记录查询 30 5 3 3 数据通信 31 6 打标机控制系统抗干扰设计 33 6 1 硬件抗干扰设计 33 6 1 1 抑制干扰源 33 6 1 2 切断干扰传播路径 34 6 1 3 提高敏感元件的抗干扰性能 34 6 2 软件抗干扰设计 34 6 3 通信抗干扰设计 35 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 5 7 研究总结与前景展望 36 7 1 研究总结 36 7 2 前景展望 37 致 谢 38 参考文献 38 1 绪论 1 1 引言 打标又称为标记 是通过一定的技术手段在相关材料上标记出图案或文字 打标技 术可以追溯到远古时期 传统的手工纂刻及早期的字模冲印 都是一些典型的标记手 段 近年来 随着自动控制技术及计算机技术的飞速发展 涌现出来了多种新型的打标 技术 这些新兴的打标技术以其速度快 图案精美 清晰 使用便捷等特点在市场上 得到了广泛的应用 随着国际上产品质量认证体系的推广和普及 各类制造企业通过对 打标技术的应用 提高了产品档次 树立了产品品牌形象 增强了产品的防伪作用 同时还为企业提供了产品的可追溯性 因此产品的包装也面临更大的挑战 目前 在以 制造业为主的中国 随着经济的高速增长 打标产业市场已成为一项朝阳产业 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 6 1 2 气动打标机概述 1 2 1 气动打标技术 气动打标是电磁阀控制压缩空气 0 2 0 7Mpa 驱动高硬度 HRC92 标记针以较 高频率 300 次 秒左右 上下震动 同时 由计算机操作系统控制 驱动器控制步进 电机带动标记针做二维运动 从而实现在工件上的标记 其标记的内容是由无数个标记 针在工件上冲击的小点构成 这一点 与针式打印机的打印过程有部分类似 气动打标 具有成本低 目前单机价格1万元左右 操作维护简单 应用领域广泛 标记深度深 便于计算机系统或网络控制的特点 是目前应用较为广泛的一种标记技术 1 2 2 气动打标系统的普遍工作原理 自动打标机的核心是自动打标系统 其主要由计算机控制系统 步进电机电源 定位步进电机 选字步进电机 气缸 字模及工件组成 其结构组成如图1所示 1 各运动控制部分都装有光电传感器 预置了初始位置 一通电 系统重新校正各 部分的定位 计算机控制系统发出初始化信号 控制定位步进电机 选字步进电机和 气缸到起始位置 为下一步工作作准备 开始工作时 计算机控制系统接受信息并发出 指令 脉冲数及电机运转方向 接通步进电机电源 控制定位步进电机实现打标头的 横向定位 从而将打标头移动到打字位置 控制选字步进电机把所要求的字模转到规定 位置 完成后 计算机控制系统控制气缸动作 气缸冲击字模 把字符打到工件上 从而完成一个标记的打印 气缸退回 循环进行 直到一个工件的标记全部打完后 选字步进电机和定位步进电机回到初始位置 重新定位 以消除系统间断运转所引起的 累计误差 气动打标机工作时 气动打标机可固定在需要打标标记产品的流水线或专用夹具 上 然后连通压缩空气源 通过专用打标软件预先编辑打标内容 并与控制机箱相连 气 动打标机连通来自计算机控制信号 当计算机接到来自Y 原点控制开关和 X 原点控 制开关的信号后 即输出信号控制安装在步距细分拖动机构上的 Y 行程步进电机 X 行程步进电机 首先将所有工位复位到原始位置 然后上料系统将工件送入打标工位 同时夹紧气缸将工件夹紧 X Y 轴向需要打印的第一点位置运动 运动到位后 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 7 Z 轴向下运动并且打标头向下冲击 打上一个点 打完一个点后 打标头缩回 此时 X Y 轴再向需要打印的第二点位置运动 到位后打标头打上第二个点 如 此重复循环工作 带动标记头在驱动气源的配合工作下 采用高速冲击方式 形成字 符 或图形点阵 直到打标完毕 从而完成在金属 塑料 玻璃 陶瓷等硬质材料上 所需要的各种文字 号码 图形的标记打标 1 2 3 气动打标机的系统组成及分析 气动打标系统主要由 标记软件 标记头行走机构 控制机构 气动机构构成 2 一是标记软件 目前气动打标系统与计算机的连接通常采用并口和 USB 接口两 种连接方式 用户可通过标记软件制作出所需输出的文字或图案 一个完善的气动标 记软件通常包含以下功能 1 自动记忆功能 系统自动记忆设定的标记状态 打标 格式 打标数据等各种信息 在下次开机时自动恢复上次关机时的状态 不需要初始 化可立即工作 2 工件存储功能 系统可以将建立好的不同格式工件以不同的文件 名保存起来 方便的进行各种格式的标记 3 模拟显示功能 工件的打标内容与打 标位置在系统的主操作窗口中以 1 1 的比例显示出来 所见即所打 对于三轴的标 记系统 系统可以三维的方式来显示所打标的内容 此外 还包括流水号自动递增 多种标记速度选择 自动日期等功能 二是标记头行走机构 标记头的行走包含垂直 Z 方向行走和水平 X Y 方向行走 其中垂直 Z 方向行走调节的主要目的是根据工件尺寸大小来保持标记头与工件之间有 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 8 合适的打标距离 距离过近或者过远都会对打印效果造成很大的影响 目前采用的多 是通过旋转丝杆来带动固定在丝杆上的标记机构在垂直方向移动 旋转丝杆有手动和 电动两种方式 目前采用较多的是手动方式 而电动调节方式以操作简单 定位精度 高等特点 已开始被部分企业所采用 三是控制机构 控制机构由开关电源 控制板 驱动器 步进电机等部分组成 这一部分统称为控制箱 气动打标机机头通过多芯电缆及航插接头与控制箱相连 控 制箱通过接口电路与计算机相连 控制箱接收计算机指令控制步进电机动作 当计算 机接到来自 Y 原点控制开关和 X 原点控制开关的信号后 即输出信号控制安装在步 距细分拖动机构上的 Y 行程步进电机 X 行程步进电机 在驱动气源和气动打标头 等部件的配合工作下 采用高速冲击方式 形成字符 或图形点阵 其中 驱动器的细分 数 电压及控制板的相关参数均可根据打印要求做相关调节 四是气动机构 气动机构包含空气过滤器 电磁阀 标记针腔 标记针头等几部 分组成 其中 空气过滤器对压缩空气进行净化 实现油水分离 控制箱控制电磁阀 实现对压缩空气的控制 高质量的电磁阀可以确保标记字迹连续不缺笔 标记针腔有 多种方式 它决定了标记针的运动方式 其中活塞式气动标记针腔 根除了传统气动 标记头耗气量大 出针行程短 冲击频率低的设计缺陷 0 1Mpa 的工作气压即可在玻 璃上标记 使气动打标机的使用拓展到一个更广泛的应用领域 标记针采用高硬度合 金材料磨制而成 其硬度一般大于 HRC92 一个高品质的标记针对提高打印应用范围 提高打印质量起着重要的作用 早期的气动打标机多采用进口标记针头 近几年 国 产化的标记针头的质量也的得到了显著的提高 但仍存在成本较高等问题 目前国际 上正在开展通过离子表面注入技术实现对普通材料的变性研究如能实现 则可大幅度 提高标记针的性能及成本 届时 气动打标记的应用将跨上一个新的台阶 1 2 4 气动打标机的发展方问 气动打标机是计算机技术 自动控制技术 机械设计技术 气动技术等多项报术 综合交义的技术密集型产品 由于近年来这些相关的技术都得到了很大的发展 因此气 动打标机技术也日趋完善 当前 国内外气动打标技术的发展主要有以下三个方向 3 数字化 自动化 20世纪so年代以来 气动打标机的数字化 自动化成为这一领域的研究热点 近 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 9 年来 随着传感技术 电子技术 自动控制技术 计算机技术的发展 现代的打标机 己经进入了计算机控制为主的时代 数字化自动化的具体表现有 打标过程实时监控和打标工件运行过程的监控 如对 钢管在生产线上的监控 自动扫描 自动定位和跟踪检测技术在打标机系统中的应用 能够实时地 自动地修改和处理仟意复杂的图形和字符 多功能 集成化 在现代生产环境下 打标机不仅要能够进行单一形式的打标 还要实现功能多样 化 比如 打标机既要能够打印标准字库中的字符 还要能够打印用户自行设计的字符 图样 并且还能够在一定程度上对点阵字符的打印轨迹进行优化 传统的点阵打印是按 照逐行或逐列扫描的顺序进行的 这样做电机的无效行程就较多 效率很低 如果能够 将点阵字符轨迹进行优化 那么将获得较高的打印效率 这是打标机发展的一个重要方 向 结构简单化 操作界面人性化 随着打标机集成化的提高 很多功能将集中在少数儿个模块中实现 气动打标机 的结构也就相对变得越来越简单 简单化不仅仅体现在硬件的结构方面 同时也体现在 软件方面 窗口式的操作程序 触摸屏等技术使打标机的各种操作更清楚 更容易掌 握 这也是当前气动打标机技术发展的一个方向 而且 针对当前中国庞大的市场 各 大打标机生产企业也紧紧抓住操作界面中文化这一课题 致力于开发符合国人操作习 惯的操作界面 2 基于 USB 接口的气动打标机 传统的工业标记打印效率低 不美观 稳定性差 废品率高 气动 电动相结合 的方式结构简单 成本低 速度快 可控性好 随着USB外设的普及 目前围绕在计算 机周围的各式各样的连接线将有所改观 取而代之的是各种USB接口外设 同时 通 过集线器或交换机扩展总线功能使普通用户能够非常方便地添加更多外设 无传统接 口的计算机目前己成为现实 4 针对不同的打印对象可以选择不同类型的气动打标机 且各种打标机的控制原理和方法各不相同 为此本文提出了一种基于USB接口的气动 打标机控制系统方案其体系结构 整套控制系统包括硬件控制系统和控制软件 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 10 下面首先对控制器进行总体设计 得出控制器的系统结构 并分别对控制器中的 关键部分 单片机和FPGA 进行设计 对本系统中FPGA所用插补运算和升降频控制 两种控制方法进行介绍 最后对通信模块 核心控制电路 电磁阀驱动电路 步进电 机驱动电路和外部信号管理模块电路进行设计 2 1方案设计与系统工作原理理 2 1 1 系统工作原理分析 用户输入要打印标记 系统根据所要标记的图形或文字的轮廓 经过主机中的打标控制软件处 理 生成操作与画线指令 由主机的USB接口传输至由单片机和FPGA组成的控制器 并经过FPGA处 理 形成步进电机的控制脉冲信号 发送控制信号到步进电机驱动器和高压气源电磁阀 受指令控 制的步进电机驱动器驱动步进电机带动打印头在平面上按所标记的轮廓运动 驱动电磁阀标记轮廓 的过程中作高频开关动作 从而实现了打印头在压缩空气作用下的高频冲击运动 在工件上打印出 标记 另外 步进电机反过来将其位置及状态信息传给FPGA 由FPGA形成状态指令 并通过单片机 反馈回打印控制系统 由打标控制系统进行综合 进而形成新的标记指令 2 1 2系统方案的确定 通过对系统各个部分的分析 最后 我们确定了一个整体的设计方案 即 该系 统由打标机控制器 打标机控制软件构成 打标机控制器 采用单片机与FPGA组合的控制方式 主要负责将上位机的指令转 化为步进电机的控制脉冲以驱动电机和电磁阀 并将步进电机的状态信息反馈给上位 机 选择CP2102接口芯片实现打标机的即插即用功能 打标机控制软件 主要实现打印机的系统设置 各种标记处理 打印显示 数据 保存 通信 误差补偿 校正 外部数据接口等功能 在VC 6 0环境下开发 下图是系统设计的总体框图 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 11 图2 1 2总框图 Fig 2 1 2tem structure 2 1 3打标机控制器设计 打标机的控制器的性能的优劣直接影响打印质量 口前控制器核心主要由单片机 实现 通过单片机收发打印指令 指令运算 生成步进脉冲 单片机的工作是相当繁 重的 这样如果需要使打印速度与精度达到较高的水平 则需要一个性能较高的单片 机芯片 并且单片机的程序的复杂度也同样需要提高 这将使系统的开发成本大大增 加 近几年 FPGA得到了快速的发展 许多领域的电子设计都采用单片机与FPGA配 合来实现 单片机的程序代码是顺序执行的 或者说是串行执行 而FPGA的代码是并 行执行的 用FPGA执行指令运算和生成脉冲 将使单片机的处理仟务变得简单 选择 低端产品就可以满足仟务要求 这样既提高了系统的运行速度 又降低了系统的设计 成本 所以控制器选用单片机与FPGA的组合设计 5 2 1 4USB 接口的气动打标机的系统功能 根据总体方案设计 对待开发的气动打标机归纳出如下功能 参数管理功能 实现系统参数的设置 保存 调用等 管理的参数有图形显示参数 刻印参数 打印方式等参数 加工控制功能 具有自动加工 手动连续或暂停 继续加工 手动设置刻印针头的参考点 急停等 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 12 功能 系统根据加工控制指令和所设置的参数 进行插补计算 发送控制信号到步进 电机驱动器和高压气源电磁阀 控制打印标记 USB通信功能 通过USB接口 实现上位机和单片机和FPGA的数据通讯 一方面将插补量和控制信 息传递给单片机和FPGA 另一方面打标机状态信息和加工信息传至上位机 打印演示功能 图形化可视界面 显示和打印具有相同效果 在打印的同时演示打印路线 图形管理功能 按照用户要求 对所打印的气动打标机运动轨迹图形进行编辑操作 如字体变换 等 此外可进行放大 缩小 旋转 移动和还原等图形变换操作 3 打标机控制器及硬件设计 3 1控制器总体设计 控制器是标记打印机系统的硬件核心部分 它的主要功能是处理主机通过USB接口 发送来的数据 传向步进电机 控制打印针在X Y平面内运动 同时 控制器控制电 磁阀 使打印针头作高频微冲击运动 将步进电机的位置和状态信息形成指令 再通 过USB接口实时反馈到上位机 上位机的数据通过USB接口发送到控制器后 经过CP2102 将其转换为RS232信息 流格式发送给单片机 如果该数据是画线指令或操作指令 发送该指令给FPGA 如果 该数据是复位 停止的中断信号 则直接处理中断 并将处理的结果反馈给上位机 按钮指令包括复位和急停 由单片机直接处理 总结得出 CP2102完成USB RS232数据转换工作 单片机主要完成与PC机通信 中 断处理和FPGA控制的工作 FPGA主要完成指令处理及步进脉冲 步进方向和电磁阀控 制等工作 其系统结构如图3 1 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 13 图3 1控制器系统结构图 Fig3 1Pture figure of controller system 3 2接口芯片 通用串行总线USB 它具有即插即用 传输速度快 通用性强 易扩展等优点 USB接口代替传统串行口已经成为整个行业的发展趋势 一般USB开发需要了解USB协议 固件编程 驱动程序开发等 这对很多开发者来说是既烦琐又不是必须掌握的 采用 CP2102桥接器 可以无需改变现存系统固件 也无需编写驱动程序 只要具备一定的 计算机应用程序的知识 就可以轻松开发出USB接口的产品 CP2102内部主要由USB收发器 电源管理器 48MHZ晶体振荡器等构成 USB收发器 可以提供USB 2 0规范下的全速物理接口 内含两个双数据缓冲区 一个是576字节接 收缓冲区 另一个是640字节发送缓冲区 它们均用于USB数据与RS232数据的交换缓冲 区 USB功能控制器包括串行接口引擎 USB协议引擎和收发缓冲控制器等的功能 提 供六个控制脚 RTS发送请求 CTS线路畅通 DTR数据终端准备好 DSR数据准备好 DCD数据载波检测 RI响铃指示器 6 与同类产品相比 CP2102具有以下优点 7 具有较小的封装 CP2102为28脚SmmxSmmMLP封装 这在PCB上的尺寸就比竞争对 手小30 左右 高集成度 片内集成512字节EEPROM 用于存储厂家ID等数据 片内集成收发器 无需外部电阻 片内集成时钟 无需外部晶体 低成本 可实现USB转串口的解决方案 CP2102的USB功能无需外部元件 而大 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 14 多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管 上拉电阻 晶振和EEPROM 具有竞争 力的器件价格 简化的外围电路 无成本驱动支持使得CP2102在成本上的优势远超过 竞争者的解决方案 具有低功耗 高速度的特性 符合USB2 0规范 适合于所有的DART接口 波特 率为300bps 921 6kbps 工业级温度范围为 40 85 使用Cygnal免费提供的器件驱动程序 可以很容易地将CP2102实现一个有效的串 口 电路板接到上位机的USB端口时 系统会提示发现新硬件 并要求安装驱动程序 双击从Silicon公司的官方网站上下载的CP2102的驱动程序CP210 x VCP Win2K XP文 件 按照提示完成安装 安装完成以后 在系统设备管理器的 端口 里看见了 CP210 x USB to DART Bridge Controller COM3 即CP2102虚拟的那个COM口 即 可以对这个串口进行操作 采用CP2102的最大优势在于开发者不必设计固件及驱动程序 总线枚举 数据收 发与转换等全部由芯片自动完成 3 3单片机设计 由于本系统的主要指令处理及步进脉冲形成由FPGA实现 所以单片机的处理能力 要求不高 故我们选择美国ATMEL公司生产的AT89LV51单片机 7 AT89LV51单片机是一 种低电压 高性能的CMOS 8位单片机 兼容标准MCS 51指令系统 提供许多高性价比 的应用场合 每片AT89LV51提供一个全双工串行通信口 能够满足系统的串行通信要 求 AT89LV51单片机内部有4K字节的Flash闪速存储器 它在出厂时已处于擦除状态 用户随时可对其进行编程 编程接口可接收高电压 12V 或低电压 Vcc 的允许编程 信号 低电压编程模式给用户提供在线编程的条件 方便用户编程和调试 高电压编 程模式可以与通用的EPROM编程器兼容 本系统中 单片机所实现的功能较简单 程序首先进行单片机的初始化工作 接 着程序进入到查询接口的循环中 当有数据到达时 程序对数据进行判断 如果该数 据是画线指令或操作指令 发送该指令给FPGA 如果该数据是复位 停止的中断信号 则直接处理中断 并将处理的结果反馈给上位机 本系统单片机的程序设计流程图3 3 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 15 图3 3单片机程序流程图 Fig3 3Afdg SCM program 该单片机ISP功能可方便厂家对产品的升级 通过ISP的下载线即可完成软件升级 而无需拆开设备 其次W78E516B的指令集同标准8052指令集完全兼容 它包含64 k字 节的主ROM0 表明 m 点在 OA 直线上方的m处 若Fm 0 表明 m 点在 OA 直线下方的m 处 从坐标原点出发 当 Fm 0时 应沿 X方向进给一步 走一步 后新的坐标值为 Xm 1 Xm 1 3 3 Ym 1 Ym 3 4 Fm 1 Fm Ym 3 5 当 F m 0 时 应向 Y 方向进给一步 走一步后新的坐标值为 Xm 1 Xm 3 5 Ym 1 Ym 1 3 5 Fm 1 Fm Xe 3 5 其它三个象限的计算方法 可以用相同的原理获得 总之 插补计算过程就是 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别 3 5 2升降频控制 步进电机有一技术参数是空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动 的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在 有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使打标机高速打印 脉冲频率应该有加速 过程 即采用升降频控制 升降频控制方法很多 如线形升降频 S型曲线升降频 指 数曲线升降频等 因FPGA的计算能力有限 本文采用线性升降频 8 在线性速度变化下 可以将一段直线运动分解为加速 匀速和减速三段 加 减 速步数在程序中重新计算后赋值 加速步数为总步数的一半 取整数 减速步数为总 步数减去加速步数 最高频率也要根据计算后的加速步数通过计算重新赋值 加速方程是 f t f0 at 己知启动频率f0 一般大于突跳频率 和加速度a 在 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 20 加减速过程中保持不变 可对直线进行离散 求出对应的频率与时间间隔 转化成定 时常数及脉冲数 将定时常数按升序排成一个表 按顺序方式查表得的数值作为软件 定时器0的计数初值 就可以实现升速控制 反之则实现降速控制 因步进电机的电磁 转矩和转速是非线性关系 因而加速度与频率也不是绝对的线性关系 所以它不能使 步进电机在最短的时间内升到最高的频率 且保证力矩最大 适用于要求不太高的场 合 4 硬件电路设计 整个硬件设计的原理图和PCB绘制均在Protel 99SE环境下开发 9 10 4 1通信电路 实现USB RS232转换功能 一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格 式发送给单片机 另一方面可从RS232单片机接收数据转换为USB数据格式传送回主机 如图4 1 图4 1 USB接口电路 Fig4 1interface circuit 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 21 4 2核心控制电路 单片机与FPGA采用总线方式连接 完成控制器的各种控制功能 如图4 2 图4 2 FPGA连接电路 FIG4 2picturetween SCM and FPGA 4 3电磁阀驱动电路 控制电磁阀工作主要考虑的是抗干扰设计 采用光电隔离控制 同时 在电磁阀 两端并接续流二极管 消除开关继电器线圈时产生的反电动势干扰 如图4 3 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 22 图4 3电磁阀驱动电路 Fig4 3dianalve drive circuit 4 4步进电机驱动电路 对于输出给步进电机驱动器的方向和脉冲信号 则主要考虑的是驱动能力 电路 如图4 4 图4 4 电机驱动电路 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 23 Fig4 4rection driver circuit 74HC14是6反向施密特触发器 使用74HC14一方面是增加驱动能力 另一方面是用 来对输出信号进行波形整形 对干扰信号有一定的抑制作用 4 5外部信号管理电路 控制器接收的外部信号有打印启动 急停 原点限位信号 它们都是由开关产生 的简单的脉冲信号或电平信号 在外部其电路图如下 图4 5外部输入信号处理原理图 Fig4 5diagram for external input signal processing 由于外部开关触点核心部件为弹性金属片 因此不可避免的存在抖动 采用光电隔离 控制 5 打标机控制软件设计 打标机控制系统是由软件和硬件组成的 逻辑上是一致的 所以一个系统功能的 强弱 同一般的计算机系统的硬件和软件在不但取决于系统的硬件 也取决于系统的 软件 5 1软件总体设计 本章对气动打标机控制软件进行设计 首先根据软件需求进行总体设计 介绍了 制软件的开发平台VC 然后分别对主要模块包括显示编辑模块 记录查询模块 数 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 24 据通信模块进行设计 5 1 1软件功能需求分析 根据用户的实际需要 打标机系统控制软件应该满足以下主要功能 显示编辑 用户可以根据需要在操作界面上输入想要打印的字符或者图形 也 可以对自定义的字符图形进行编辑 参数设置 对打印参数进行设置 通信 根据制定的通信协议 实现控制软件和控制器之间的通信 从而达到控 制下位机并实时反映下位机的工作状态的功能 记录查询 用户能够根据需要保存和查询每日的标记内容及打标参数 5 1 2总体设计 针对需求 软件总体结构设计如图5 1 2 图5 1 2软件总体结构 Fig5 1 2Structure Illistration of Marking Software 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 25 5 2 VC 开发平台 本软件在Visual C 6 0环境下开发 我们首先来简单了解下Visual C 简称 VC 开发平台 它是微软公司提供的强大 复杂的开发工具 借助其生成代码的向导 能快速生成可运行的Windows应用程序的外壳 VC 附带的基本类库 即MFC封装了大 部分从前进行开发所用的API函数 己经成为许多C 编译器进行Windows开发的行业标 准 5 2 1Windows 编程模型 Windows程序启动后 执行特定的仟务 其中最重要的是创建应用程序的主窗口 这个主窗口需要自己的代码来处理Windows发送给它的信息 所以Windows程序是通过 来自操作系统的消息来处理用户的输入 Windows中的大部分消息是严格定义的 而且 适用于所有的程序 例如 当创建一个窗口时 发送一个WM CREAT消息 当用户按下 鼠标左键时 会发送一个WM LBUTTONDWON消息 Windows还对选定的窗口发送WM COMMAND消息 以响应用户菜单的选择 对话框按钮的单击等操作 用户也可以定义自 己的消息 并且能够由程序发送到桌面的仟何窗口 接收响应 Windows引入了一个名为图形设备接口 GDI 的抽象层 其中包含了一个重要的概 念 设备环境 DC 它其实是一个对窗口的绘图属性保持跟踪的数据结构 Windows提 供视频和打印机驱动程序 当应用程序进行显示或打印仟务时 就把设备环境映射到 具体物理设备上 所以自己的应用程序不必知道系统连接的显卡和打印机的类型 不 必进行硬件寻址 而只是调用GDI函数 发出适当的输入 输出指令即可 在进行Windows编程时 可以使用大量己经建立的格式在资源文件中存储数据 链 接程序把二进制资源文件与C 编译程序的输出组合起来 生成一个可执行文件 资源 文件可以包括位图 图标 菜单定义 对话框布局和字符串等等 一般情况下 使用 所见即所得工具来编辑资源 例如 在布置一个对话框时 可以使用资源和可编辑框 来选择需要在对话框中放置的元素 按钮 列表框等 并且用鼠标来确定元素的位置 和大小 11 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 26 5 2 2 VC 应用程序创建过程 VC 开发工具包含了两个完整的Windows应用程序开发系统 一个是只使用Win32 API函数开发C 语言的Windows程序 另一个是在MFC类库应用程序框架范围内的C 编 程 使用MFC类库编程接口也可以直接调用一些Win32函数 本课题采用了第二种方法进行应用程序的开发 在其他研究中 如无特殊说明一 般指基于MFC类库的开发 应用程序创建过程如下 生成不用编写代码的起始应用程序 通过许多不同方法查看项口文件 编辑源文件和包含文件 建立应用程序的可视界面菜单和对话框 编译和链接 运行时调试应用程序 5 3打标机控制软件主程序设计 本软件以Windows操作系统作为支撑平台 在Visual C 6 0环境下 运用现在常 用的面向对象的软件开发方法 编程的单位是类 继承是软件复用的一种形式 它是 一个可以扩展或者改进现有的类 从而创建新类的过程 新的类称为派生类 它和被 继承的基类有相同的操作和属性 但通常添加了自身的数据成员和成员函数 扩展其 自身的功能 不同类型的标记以及图形之间有很多共同的操作 例如日期类型和VIN号都属于字 符类型的标记 它们有字符标记的共同点 都含有数字 刻印选择 拖动 编辑等等 但它们又有自己不同的地方 日期类型的标记只显示日期和时间格式类的字符串 而 VIN号标记则只显示有数字字符 并且可以按照设定的规则在打印完成后加1 这些特 点都是典型的继承关系 合理的设计各种类型的继承关系 将有助于减轻开发和维护 难度 在打标机控制软件中 充分运用了面向对象的方法 下面就分别对控制软件主要 完成的显示编辑 记录查询 数据通信功能进行设计 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 27 5 3 1 显示编辑 Entity类是各图元类的父类 在Entity类中定义了各图元类的公共的属性和方法 子类只要继承Entity类 就可以得到其拥有的属性和方法 同时也可以对继承的属性 和方法进行扩充和完善 在CEntity类中 封装了各种标记的操作和属性 比如显示 Draw 取得所占据的 矩形区域 GetRectRegion 选择标记 SetSelected 以及各种移动 MoveTo 旋转 SetRotate 等操作 大部分操作都作为虚函数定义 在派生类中完成其具体实现的功 能 编辑操作 virtual void Move Point ptOffset virtual void Rotate Point basePt float angle virtual void Scale Point basePt const float x Scale const float y Scale virtual void Offset Point point 显示操作 virtual void Draw CVGSScrollView pView virtual CString GetRunTimeClass return T CEntity 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 28 图5 3 1类设计结构图 Fig5 3 1tureIllistrationofclasshierarchy Object 类是所有 MFC 类的基类 Entity 类直接派生自 Object 类 CPolyLine CText CBezier CVectorGraph 派生自 Entity 类 它们分别对应于多 段线 文本 贝塞尔曲线和矢量图 CVIN CDate CNum 派生自 CText 类 它们分别 对应与VIN 号 日期类型和数字类型 这些都是在本设计中用到的图元 每个图元类 有其公共的属性和方法 这些属性和方法可以从它的父类 Entity 中继承得到 还有 其自己的属性与方法 这些属性和方法可以在类定义中体现 以文本为例 列出其类 定义 class Text public CEntity 如上所示 文本类从实体类中继承而来 并且拥有了实体类的属性和方法 同时 我们还定义自己的属性和方法 BOOL Create CString text CString strCharFontName CString strChineseFontName CString strTTFFontName CPoint basePt 新建字符 void Move Point ptOffset 拖动字符 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 29 上述操作都作为虚函数定义 在派生类中完成其具体实现的功能 下面我们就对 本文所实现的 TTF 字体显示做介绍 由美国 Apple 公司和 Microsoft 公司联合开发的 True Type 字库 TTF 已被用 于windows 中文版生成汉字字库 True Type 字体 TTF 以它优秀的设计思想及其所见 即所得的输出效果脱颖而出 True Type 字体可被随意放大 缩小 旋转和变形 而不影响字体的输出质量 它采用直线和 B 样条 BEZIER SPLINE 曲线来描述字体的 轮廓 克服了以往点阵字体 笔划字体和向量轮廓字体的缺点 表现出强大的生命力 True Type 字库文件包含一个文件头和各索引表项列表 每一个表又包含一个表 头和表数据 TTF 字库文件是以表为基础的 每一个字库文件都是由几个必须表和几 个可选表构成 下面主要对几个必须表的基本数据结构进行分析 分别表示如下 首先来看 CMAP 表 Character to Glyph Index Mapping Table 该表是从 Unicode 编码到该字符在字形码表中位置的一个映射索引表 关于 Head 表 Font header 在本表中需要从它的第 49 个字节开始的两 个字节中查找 indexToLocFormat 对于某一种字体它的 indexToLocFormat 是一定的 的两种格式属性 以便于在 Loca 应用 关于 Loca Index To Location 该表就是对 Head 表中两种格式属性的分 析 其一是 short 型 其二是 Long 型 关于 Glyf 表 Glyph Data 的简称 Glyf 表存储了所有关于该字符字模信 息 根据上述分析 讨论对汉字的轮廓提取过程 对于给定的一个汉字以及其Unicode 代码 它的提取过程包括如下几个步骤 对照 CMAP 表中 Unicode 码的分段区间 如果该 Unicode 值正好落在某一段 内 则按照 TTF 的规定求取索引号 Glyph Index 该索引号是字符在字文件中的序 号 到 Head 表中找到 indexToLocFormat 以确定偏移量在该字库文件是以 short型格式存放 还是以 long 型格式存放 根据第一步所得的 GlyphIndex 到 Loca 表中取得该字符在字库文件中所在 的位置 包括起始位置 即相对与文件头的偏移量 Offsetl 和结束位置 即相对与文件 头的偏移量 Offset2 那么也就可以确定该字符字库文件中所占有的总长度 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 30 Length Offset2 Offsetl 最后就要根据 Offset2 和 Offsetl 从字库文件中取出包含该字符的所有信息 并放在一个新的数组 GlyfTab 里 GlyfTab 放的是具体的某一个字符的信息 表 的结构 参照该结构进行如下的分析 如果 NumberOfContours 的值是大于 0 的 那么表示该字符是单一字符 否则的 话 则说明该字符是一个组合字符 对于单一字符 可以直接按照表 4 2 所示的结构 分析下面的数据 进行字符轮廓信息的提取 而对于组合字符 就要对该组合字符的 每一个合成字符分别分析 然后再合成得到该组合字符的所有轮廓信息 其中 在数组 endPtsofContours n 中 n 代表的是某字符所包含的轮廓的个数 endPtsofContours i 数组 表示字符的第 i 个轮廓上最后一点的序号 需要强调的 是xCoordinates 该数组存放的是 X 坐标的值 对于任意一个字符轮廓来说 除 每一轮廓的起始点为绝对坐标值外 其余的都是相对于前一坐标的相对坐标值 对于 yCoordinates 亦有同样的道理 该结构中最为关键的是对 flags 信息标志的解释 对于任意字符 理论上构成其 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 31 轮廓的点数应该等于 flag 的个数 但是事实上 并非完全如此 这种情况 将在下 面的 flag 结构中给以解释和说明 flags 的数据结构如下 TypeDef Strueture Bool OnCurve 某点在线 还是离线 1 为在线 0 为离线 Bool XshotVector 确定 x 所占字节数 Bool YshotVector 确定 y 所占字节数 Bool Repeat 确定 flag 是否重复 Bool XisSame 确定 x 坐标值 Boo1 YisSame 确定 y 坐标值 Flaglist 其中 OnCurve 是判断构成字符的某点是否在字体轮廓线上 如果在轮廓线上 那么 OnCurve 为 True 否则 OnCurve 为 False XshotVector 代表的是 X 坐标所 占的字节数 如果为 True 表示 X 坐标占一个字节长度 否则 X 就要占两个字节数 YshotVector 代表的意义同 XshotVector Repeat 表示如果为 True 则说明下一字 节数值为当前 flag 将要重复的次数 因此 flag 的数目 可能要比字符轮廓上的坐 标点数要少 XisSame 有两种含义 取决于 XshotVector 的设置 1 当 XshotVector 为 True 时 则 XisSame 代表的是 X 的正负 XisSame 为 True 就表示 X 为正 否则 X 为负 2 当 XshotVector 为 False 如果 XisSame 为 True 则当前的 X 值与其前一点的 X 值相等 否则 则当前的 X 值是一个 16 位的有符号的 Delta 矢 量 YisSame 解释同上 只不过是对 Y 坐标值进行相同的操作而已 通过上面的流程 我们就能够得到全部由直线段构成的曲线描述 显示结果如下 图 图5 3 1 TTF 字库中读取的矢量汉字 Fig5 3 1VectorChinesecharactersreadinTTFcharacter toreroom 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 32 5 3 2记录查询 该模块用于保存和查询标记内容及打标参数 本设计将数据保存在本地数据库中 考虑到实际数据量不会很大 一般在IO万条记录以内 数据库选用MSACCESS数据库来 保存 VC 作为一个功能非常强大的可视化应用程序开发工具 是计算机界公认最 优秀的应用开发工具之一 VC 6 0提供了多种数据库访问技术一一ODBC DAO OLEDB ADO等 ODBC Open Database Connectivity ODBC是为数据库应用程序访问关系型数据库时提供的一个统一接口 对于不同的 数据库 ODB C提供了一套统一的API 使应用程序可以访问仟何一种提供了 ODBC驱动程序的数据库 而且ODBC已经成为一种标准 所以口前所有的关系型数据库 都提供了ODBC驱动程序 这使ODBC的应用非常的广泛 但ODBC只能用于关系型数据库 很难访问对象数据库及其他非关系型数据库 DAO Data Access Object DAO Data Access Object 是应用Jet数据库引擎的面向对象的接口 是组成数据 引擎内核的一组动态链接库 DLL DAO提供了一种通过程序代码创建和操纵数据库的 机制 多个DAO构成一个体系结构 在这个结构中 各个DAO对象协同工作 MFC DAO是 微软提供的用于访问MicrosoftJet数据库文件 mdb 的强有力的数据库开发工具 它 通过DAO的封装 向程序员提供