【毕业学位论文】基于ARM与R8C的嵌入式数控系统设计-控制理论与控制工程

华中科技大学硕士学位论文基于文强申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：何顶新20080601 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 二十世纪九十年代以来，随着嵌入式系统的蓬 勃发展，嵌入式技术开始渗透到数控领域，传统数控技术与嵌入式技术相结合，新型嵌入式数控技术进入一个高速发展的阶段。激光切割由于具有切割尺寸质量好、速度快、精度高、效率高等优点，在工业数控系统中具有非常广泛的应用。基于嵌入式的激光切割数控系统是嵌入式技术在激光切割应用中新的探索 ,对于激光加工工业有着重要的意义。本文以 8C 为平台，研究了以激光切割为应用的嵌入式数控系统的设计。 文中介绍了嵌入式数控系统的原理、 体系结构和硬件组成以及激光切割和原理、发展和特点，然后从硬件和软件两个方面对系统的具体设计进行了研究。硬件上先介绍了上位机 3下位机 7 的特点，执行机构步进电机的控制原理，然后对外围设备相关设计进行了研究，包括上位机 3串口通信、示、触摸屏的设计，已及下位机 7 的串口通信与对步进电机的控制。软件上先介绍了嵌入式操作系统 原理及特点， 特点及应用。然后对系统各功能模块的软件设计进行了研究，包括嵌入式操作系统上任务的设计和通讯、系统人机界面的设计。文中还研究了两种激光切割路径的算法，包括通用的来回扫描切割算法以及作者研究的实际路径切割算法。 通过给出的实验结果验证了系统设计方案和算 法的正确有效性，达到了设计的基本要求。 关键词：嵌入式数控系统、激光切割、C/ 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 990s, in a is 970s of on NC a in of an NC RM 8C. An is at of of of on a is is 38C/17 of is as CD of C/C/is of of is is by 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密. （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 引言 激光因具有单色性、相干性、平行性和 高能量密度等特点，为材料加工提供了一种经济效益十分显著而生产效率又相当高 的生产技术，被誉为“万能加工工具” 。激光加工是激光应用最有发展前途的领 域之一，其应用已遍及各行各业，在航空、航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械和轻工等部门均占有重要地位。激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的 70以上激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点1 数控技术是早于激光技术发展的一项技术，它伴随着计算机技术的发展而发展，上个世纪 60 年代出现集成电路时，数控系统已经发展到了第三代，目前已经发展到第五代数控系统（ 3。数控技术是一种高效率、高自动化的技术，具有相当大的柔性。数控技术的应用已经成为促进企业文明生产、树立企业良好形象的一个重要指标。为了提高企业竞争力，世界各国争先用数控机床取代传统机床，数控机床的需求量越来越大。 嵌入式技术起步较晚，但是发展非常迅速，经过将近 30 年的发展历史，嵌入式系统相关产品涉及广泛的领域，包括信息家电、汽车电子、手持设备、仪器仪表等。由于嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的 通用型 最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。所以嵌入式系统 常都具有低功耗、 体积小、 集成度高等特点， 能够把通用 从而有利于整个系统设计趋于小型化4。 在工业控制领域，使用嵌入式技术的数控机床、仪器仪表、工业机器人等正在改变传统的工业生产方式。过程控制装备、通信设备、智能检测、军事装备、航空 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 航天、消费电子等诸多方面，都能够看到采用嵌入式技术的产品。嵌入式系统与数控技术相结合开创了数控系统新的领域。 数控系统发展现状 控系统概述 数控技术是数字控制 (术的简称，是一种用数字化的信息 (数字、 字母和符号 )对某一工作过程进行可编程自动控制的技术， 数控系统 (数字控制系统 )是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统5。 它是数控技术的载体。一个完整的数控系统硬件构成原理如图 1 图 1控系统硬件组成框图 其中包含了 控单元（ 、人机交互装置 ( 源、驱动 5 个主要模块。 (1)控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、元集成了数控 片，包括数控软件和 件。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 (2)有自己独立的可以带硬盘，带软区，包括三部分: 带硬盘，用以存储系统程序、参数等。操作员面板示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。要有以下列6个硬功能键操作：操作模式键区、轴选择键区 、自定义键区、主轴操作区、进给轴操作区、急停按钮。 (3)块 集成在 的。设备上的各种光电开关、行程开关的输入和电磁阀、接触器的输出信号分别与输入和输出模块相连，控制各种外部执行元件的协调动作。 (4)I/主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。 (5)驱动系统 它包括主轴驱动系统和进给驱动系统两部分。 控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化， 使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国民经济一些重要行业 (车、轻工、医疗等 )的发展起到越来越重要的作用。数控机床的拥有量及其年产量已经成为一个国家制造能力的重要标志。随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工不仅是设备，而是机床、刀具、夹具和数控系统以及编程技术的集成，高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。可以替代 80 85%的电火花机床的加工， 加工的周期因此大大地被缩短， 降低了成本，大大地改变了模具加工方式3。数控技术及装备的发展趋势如下： (1)制造信息的数字化， 将实现 如产品 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 数据经过校核，可直接传送给数控机床完成加工。 (2)通过局域网实现企业内部并行工程，通过 现资源共享，优化配置，使制造业向互联网辅助制造方向发展。 嵌入式系统发展现状 入式系统概述 嵌入式系统被定义为 :以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗严格要求的专用计算机系统6。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物 ,这一点就决定了它必然是一个技术密集 、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 (1)嵌入式计算机分类 目前嵌入式系统除了部分为 32 位处理器外 ,大量存在的是 8 位和 16 位的嵌入式微控制器 (,嵌入式系统是计算机应用的另一种形态 ,正如前所述它与通用计算机应用不同 :嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐 藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统7。 目前根据其发展现状 ,嵌入式处理器可以分成下面几类 : 1)嵌入式微处理器 嵌入式微处理器 (基础是通用计算机中的 应用中 ,将微处理器装配在专门设计的电路板上 ,只保留和嵌入式应用有关的母板功能 ,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 2)嵌入式微控制器 嵌入式微控制器 (称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心 ,芯片内部集成 线、总线逻辑、定时 P 计数器、 行口、脉宽调制输出、 2各种必要功能和外设6。和嵌入式微处理器相比 ,微控制器的最大特点是单片化 ,体积大大减小 ,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 3)嵌入式 理器 嵌入式 理器 (系统结构和指令进行了特殊设计 ,使其适合于执行 法 ,编译效率较高 ,指令执行速度也较高。在数字滤波、 分析等方面 法正在大量进入嵌入式领域 ,用正从在通用单片机中以普通指令实现 能 ,过渡到采用嵌入式 理器。 4)嵌入式片上系统 随着 推广和 计的普及化 ,及半导体工艺的迅速发展 ,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临 , 这就是 n 。 各种通用处理器内核将作为 计公司的标准库 ,和许多其它嵌入式系统外设一样 ,成为 计中一种标准的器件 ,用标准的 语言描述 ,存储在器件库中。 (2)嵌入式系统的特点 1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体 技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统8。 2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的通用型 最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。通常，嵌入式系统 具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。 3)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 4)为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。 5)嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。 6)通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。 入式操作系统 20 世纪 80 年代起， 国际上就有一些 织和公司开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，其中涌现出一些著名的嵌入式系统 : (1) E 从整体上为有限资源的平台设计的线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上计算机到专用 的工业控制器的用户电子设备进行定制，其操作系统基本内核需要至少 200 (2) 目前嵌入式系统领域中使用较为广泛，市场占有率较高的系统。它支持多种处理器，如 C 等等。大多数 专用的，采用 编译和调试器。 (3) 司己被 司兼并，现在 于 司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。 (4) 一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循 关标准。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供 4 种服务 :进程调度、进程间通信、底层网络通讯和中断处理。 (5) 司的 S 在 场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口 (开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 (6) 一个免费的小实时操作系统内核，内核代码仅几到几十 有十几年的应用史，并己经被移植到了几乎所有的嵌入式处理器上。它具有可裁剪 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 (占先式 (多任务、可确定性、任务栈、系统服务、中断管理中断 (嵌套层数可达 255 层 )。 (7) 一套非常优秀的嵌入式自由软件。其具有文件系统，功能强大，它的内核需要至少 512储空间。由于 作系统是源代码公开的，其硬件相关部分可以通过定义一些函数移植到不同的硬件平台。具有 宿主机开发环境，有 C 交叉编译器的支持，有操作系统的源代码，因此开发基于嵌入式系统的应用程序将非常方便。 入式系统的应用前景 嵌入式控制器的应用几乎无处不在 :移动电话、家用电器、汽车无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功 能强、灵活方便等许多优点 ,其应用已深入到工业、农业、教育、国防 、科研以及日常生活等各个领域 ,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用9。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机 ,一台通用计算机的外部设备中就包含了 5嵌入式微处理器。在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统工业是专用计算机工业 ,其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用 ;通用计算机的发展变为功能电脑 ,普遍进入社会 ,嵌入式计算机发展的目标是专用电脑 ,实现“普遍化计算” ,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”10。正如我国资深嵌入式系统专 家沈绪榜院士的预言 ,“未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片” ,将为我们提供无限的创造空间。 本课题的研究意义 到目前为止激光切割雕刻机已经发展到了第三代， 第三代二氧化碳激光切割机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 分为两大分支，一种是计算机控制的二氧化碳激光切割机，另一种是基于嵌入式控制的二氧化碳激光激光机，其中电机的选 择主要是直流伺服和步进电机两种2。这些激光切割雕刻机的控制系统多采用主从式结构，个人计算机负责图形处理和数据的传送，下位机接收数据后，通过插补计算进行切割和雕刻加工。目前工业上用的激光系统几乎都是基于计算机控制的，具有执行速度快、可存储数据量大，易于维护的优点，同时成本也高、占用空间大。基于嵌入式控制的系统成本低、体积小、能够适应高温高压的恶劣环境。同时由于嵌入式系统是面向特定应用的，使得 随着嵌入式应用的不断发展，嵌入式处理器的 性能也在不断提升，嵌入式系统的技术已经非常成熟，基于嵌入式本身的特点，在很多领域已经能够代替计算机控制。这使得嵌入式激光切割系统在将来也会是一个发展趋势。 本课题的主要研究内容 嵌入式系统在我们生活中随处可见，要设 计一个嵌入式系统首先要选择处理器类型。目前比较流行的处理器包括 51 单片机等，在此基础上还需要选择嵌入式操作系统，如前面所提到的那些潜入式操作系统，应用较广泛的是 一些小型的实时操作系统像 于其免费且开发源代码，而且本身是又 C 语言开发的且内核非常小巧，因此在一些存储空间比较节约的处理器上也占有一席之地。本课题的研究内容是嵌入式激光切割系统，上位机选择体积小、低功耗、低成本而高性能的 理器，片上带有 2M 的 8M 的 作系统选择的是采用可剥夺型内核的的 合同样是 C 语言开发的形设计用户接口 )，使得系统人机界面的设计显得相当简单。下位机选用瑞萨公司生产的高效率低功耗、采用小型封装的 7 系列单片机，它专门为功能需求较低的应用设计，用它来控制 2 轴的步进电机步进能满足实时功能的要求，而且成本上显得非常实惠。综上所述，本文将从硬件设计和软件设计 2 个方向本文研究以下 5 个方面的主要内容： (1) 理器的特点和发展， 外围资源和硬件设计，如通讯机制， 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 接口应用，可编程 I/O 口在触摸屏设计上的应用。 (2) 7 的特点和应用，与 通讯已及对 2 轴步进电机的控制。步进电机的原理与控制。 (3) 作系统的原理及特点，如任务的管理和调度、消息机制、中断控制等。以及 的移植。 (4) 的移植和应用。如绘图机制、窗口和控件的管理，回调函数的原理等；以及嵌入式激光切割系统的人机界面的程序设计。 (5) 激光切割算法的研究。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2 系统硬件方案设计 系统硬件总体结构设计 统硬件体系结构 口内存单元内存入式数控系统硬件体系结构 嵌入式数控系统硬件体系结构如图 2示。嵌入式数控系统必须包含一个可编程计算部件，也可以包含多个，构成多 统。嵌入式处理器或控制器种类很多，比较常用的有 入式 ，处理器是整个系统运算和控制中心，它的架构越来越趋向于采用 令集 构。可编程计算部件，若干年前还是单指处理器或微控制器，而现在却增加了如 其它可编程计算资源5。 数控系统要和操作人员交互，必须有一个显示硬件，可以是 示器，但是一般嵌入式处理器中集成 制器，它提供与 扫描扭曲向列液晶屏）或 膜晶体管液晶屏）显示器的接口，通过这个接口可以直接驱动液晶显示屏。 串口用来实现上下位机通信，在有些伺服驱动装置中也提供串口连接，因此，也可以通过串口与驱动连接。 外部存储器总线接口支持各种外部存储器： 闪存储器，内存一般选用 存是一类非易失性存储器，在电源关闭后仍能保持片内信息，这里用来存储数控系统程序及配制数据。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 电机驱动接口连接数控系统与主轴驱动单元， 它包含两个部分：主轴速度控制输出和主轴编码器输入。 在数控系统内集成的 于内置式，它有设计灵活、结构紧凑、针对性强等特点， 主要完成主轴转速的 S 代码、 刀具功能的 T 代码以及控制主轴正反转与启停、主轴换档、冷却液开关、卡盘松紧等 M 代码。 上述各功能模块通过标准总线连接，实行统一的总线接口规范 入式激光切割数控系统原理 主控计算机（3P（触摸+液晶屏）串行通信接口二维运动控制器（7）光切割数控系统原理图 激光切割数控系统原理如图 2示，嵌入式处理器选用 列的 供了丰富的内部资源， 包括 8内部 制器，2 通道的 71 个可编程的 I/O 口等。增加一个 7 处理器作为下位机对步 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 进电机和开关量的控制。激光切割数控系统的原理图如图 2控计算机从图像采集设备获取切割的图形，并对获得的图形进行粗插补得到数据采样点。主控计算机将数据采样点以及辅助控制信息发送到 2 轴的运动控制器中， 2 者之间的通讯采用异步串行通信的方式。 2 维运动控制器对接收到的数据采样点进行精插补并以脉冲增量的方式驱动 2 轴的步进电机转动，同时在插补的过程中根据接收到的辅助控制信息 信来实现对一些开关量的控制。 上位机结构设计 3司是全球领先的 16/32 位 处理器知识产权设计供应商。 1991 年 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 术知识产权 (的微处理器，即我们通常所说的 处理器，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 术的微处理器应用约占据了 32 位 处理器 75%以上的市场份额， 术正在逐步渗入到我们生活的各个方面11。 理器有三大特点 :小体积、低功耗、低成本而高性能 :16/32 位双指令集；理器目前有五个系列产品 : 中 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，其中适合应用于实时环境。 片还获得了许多实时操作系统 应商的支持，比较有名的有 :E、。 32位 3供了丰富的内部资源，包括 8内部制器， 2 通道的 4 通道的 统管理器 (片选逻辑，制器 )，带 能的 5 通道定时器和一个内部定时器， I/0 端口，8 通道 10 位 线接口， 线接口，同步 口和 频器。件平台体系结构如图 22所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 图23系结构 71个可定义的多用I/支持大、小端模式。内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式； 内含效率高、功能强的高性价比、基于统管理器 支持外部I/6/32位的操作方式； 带总线请求/应答引脚的外部总线控制器； 支持高性价比的从存储器到外围的体化的指令/数据体化的8K 可支持基于统内存)16盘） 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 定义的彩色/黑白/灰度液晶控制器； 可定义的扫描和显示频率； 系统存储地址映射为显示存储； 灰度级别:16级,颜色:256色控制。 个可工作于支持5, 6, 7, 8位的串行数据发送和接收； 波特率可编程，1位或2位停止位,奇偶校验。 断控制器 30个中断源:8个外部中断、6个定时器中断、6个个个看门狗定时器中断、2个个个个支持正常中断(快速中断模式( 电平/边沿模式具有可编程的优先级。 时器和宽调制) 5通道16位具有通道16位内部定时器； 可编程的占空比周期，频率和优先级； 死区(生器,支持外部时钟源。 部时钟可由片内输入频率范围:10输出频率可以是输入时钟的10倍。 31)串行通信原理 1) 同步串行通信与异步串行通信 串行通信可以分为同步串行通信和异步串行通信两类。同步通信是按照软件识 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 别同步字符来实现数据的发送和接收，异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。 同步串行通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符（ 成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有 1到 2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。异步串行通信方式是将传输数据的每个字符一位接一位 (例如先低位、后高位 )地传送。数据的各不同位可以分时使用同一传输通道，因此串行 I O 可以减少信号连线，最少用一对线即可进行。接收方对于同一根线上一连串的数字信号，首先要分割成位，再按位组成字符。为了恢复发送的信息，双方必须协调工作。在微型计算机中大量使用异步串行 I O 方式，双方使用各自的时钟信号，而且允许时钟频率有一定误差，因此实现较容易。但是由于每个字符都要独立确定起始和结束 (即每个字符都要重新同步 )，字符和字符间还可能有长度不定的空闲时间，因此效率较低13。 2) 异步串行方式 (特点和字符格式 异步串行方式的特点 异步串行方式以字符为单位传送信息 ,相邻两字符间的间隔是任意长 ,接收时钟和发送时钟只要相近就可以。异步方式特点简单的说就是：字符间异步，字符内部各位同步。 异步串行方式的数据格式（字符格式） 异步串行通信的数据格式如图 2示，每帧信息由 4 个部分组成： 图 2步串行数据格式 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 1 位起始位，规定为低电 0； 5 8 位数据位，即要传送的有效信息； 1 位奇偶校验位； 1 2 位停止位，规定为高电平 1。 3) 波特率、波特率因子与位周期 波特率是指单位时间传输二进制数据的位数，其单位为位 /秒（ B/S）或波特。它是一个用以衡量数据传送速率的量。一 般串行异步通行的传送速度为 5019200 波特，串行同步通信的传送速度可达 500 千波特。 波特率因子是指时钟脉冲频率与波特率的比。 位周期 是指每个数据位传送所需要的时间， 它与波特率的关系是： 。它用以反映连续二次采样数据之间的间隔时间。 (2) 元提供 2 个独立的异步串行 I/O 口，每个通信口均可工作于中断或 式。也即 产生内部中断请求或 求，在 串行 I/带有 16 字节的 入先出寄存器） ，最大波特率 个 7 种状态：溢出错误，校验错误，帧错误，暂停态，接收缓冲区准备好， 发送缓冲区空， 发送移位缓冲器空， 这些状态可以由相应的 示，并且与发送接收缓冲区相对应的有错误缓冲区。波特率可以通过设置波特率寄存器（ 制13。 1)始化 配置 I/O 口 由于 I/O 口是多功能复用的，要实现不同的功能就要将 I/O 口配置成不同的模式，这里主要对 和 口配置。 配置 存器 在 作中， 主要是通过对 殊功能寄存器进行设置来对 作进行控制的。 特殊功能寄存器包括 控制寄存器、状态寄存器、保持寄存器和波特率分频寄存器等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 设置波特率 波特率由一个专门的 特率分频寄存器 (制 ,计算公式为 : /( )1波特率16 (2其中： 系统时钟。 值必须在 1（ 216之间。 若系统时钟为 40特率为 115200Kb/s,则有 40000000 /( ) 1 21=（）波特率16 (22)送数据 送数据的流程如图 2示： 发送缓存器是否为空？否清空发送缓存器将发送缓存器的数据发送到发送寄存器中图 2送数据流程图 3)收数据 收数据的流程如图 2示 : 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 接收缓存器是否为空？否返回接收寄存器的值图 2收数据流程图 31) 理 为液晶。液晶得名于其物理特性：它的分子晶体以液态存在而非固态。 示器的基本工作原理就是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。因此， 驱动控制是对每个液晶单元的通电的控制。每个液晶单元都对应着一个电极，对其通电，便可使光线通过 (也有相反的，不通电时光线通过，通电时光线不通过 )。 基于液晶光电效应的显示器件。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。即液晶工作时，使用的是外部的光线，自己本身并不发光，所以与 比，液晶显示器的耗电量较低14。 使用的为液晶照明的方式有两种：传送 式和反射式。传送式屏幕要使用外加光源照明，称为背光 (照明光源要安装在 背后。传送式 示效果都很好，但在户外，尤其在目光下，很难辨清显 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 示内容。反射式屏幕，则不需要外 加照明电源，使用周围环境的光线 (或在某些笔记本中，使用前部照明系统的光线 )。这样，反射式屏幕就没有背光，所以，此种屏幕在户外或光线充足的室内，才会有出色的显示效果，但在一般室内光线下，这种显示屏的显示效果就不及背光传送式的。在嵌入式激光切割系统中使用的是传送式背光 (色 晶屏。 (2) 驱动控制 市面上出售的 两种类型：一种是带有驱动电路的 示模块，这种 以方便地与各种低档单片机进行接口，如 8051系列单片机，但是由于硬件驱动电路的存在，体积比较大。这种摸式常常使用扭转的光线 ,偏振滤光器没有扭转的光线总线方式来驱动。另一种是 示屏，没有驱动电路，需要与驱动电路配合使用。特点是体积小，但却需要另外的驱动芯片。也可以使用带有 动能力的高档 动，如 3 1)总线驱动方式 一般带有驱动模块的 示屏使用这种驱动方式， 由于 经带有驱动硬件电路，因此模块给出的是总线接口，便于与单片机的总线进行接口。驱动模块具有八位数据总线，外加一些电源接口和控制信号。而且自带显示缓存，只需要将要显示的内容送到显示缓存中就可以实现内容的显示。由于只有八条数据线，因此常常通过引脚信号来实现地址与数据线复用，以达到把相应数据送到相应显示缓存的目的。 2)控制器扫描方式 具有内置的 具有将显示缓存（在系统存储器中）中的内置的 制器可支持灰度 彩色 灰度 用基于时间的抖动算法（ 法，可以支持单色、 4 级灰度和 16 级灰度模式的灰度 彩色 以支持 256 级彩色。对于不同尺寸的 有不同数量的垂直和水平象素、数据接