《一种工控系统数据实时显示方案的设计》8100字

页 一种工控系统数据实时显示方案的设计目录TOC\o"1-2"\h\u115341绪论 1153491.1研究背景 118641.2研究目的与意义 244581.3国内外研究现状 2292212系统方案设计 2184942.1控制方案设计 3153622.2显示方案设计 486352.3存储方案设计 510152.4采集方案设计 524507通讯式传感器 5202093系统硬件设计 671593.1硬件整体设计 6159673.2最小系统电路设计 6282683.3温度传感器电路设计 8157193.4主要元器件选择与介绍 10247784系统软件设计 1247594.1主程序设计 12222384.1主程序流程图 13115674.2初始化子程序设计 13287344.3温度传感器子程序设计 1417254.4存储子程序设计 14202634.5显示模块子程序设计 1544565系统仿真与调试 17313885.1硬件调试 17265725.2软件仿真 17153005.3软件调试 19275055.4整体测试 197970结论 211绪论1.1研究背景现如今，随着世界各地的科学电子技术不断的快速发展；在生活中处处可见一些用于工控系统数据的实时信息的显示设备，以大量适用于如一些体育、交通运输系统、商业、物流快递管理、指挥调度系统、国防和军事等众多领域方面中。因此，液晶显示器的技术也得到了快速的发展，并在当今的光学电子技术工业中有一席之地；由于液晶显示屏的运行可靠、安全、经济性、可以显示众多信息和其便于操作等特点，已广泛适各种公共场合中心。1.2研究目的与意义在工业控制领域，经常需要采集很多实时数据，来实现对设备工作状态的监控。由于数据在实时变换时，需要人工观察和分析，从而得知设备的工作状态。因此，数据的可视化会经常用到，一般是显示为随时间变化的曲线，并且要记录下来。工控系统数据实时显示模块的应用越来越广泛，工控系统数据实时示显的模块在工业自动化显示的领域和智能家居等领域非常大。针对市场对工业控制领域显示的巨大需求，本课题可有效解决以上问题，该显示模块的使用寿命、性能、都有高标准的要求。1.3国内外研究现状自20世纪80年代末以来，因为液晶显示器的制造技术不断进步，所以在国外老早的得到了广泛用于生活中。自从我国改革开放四十多年以来，随着人民的需求不同，科学和社会进步的发展对信息的量的需求量不断增加，故液晶显示器将广泛使用于生活中各个方面；LCD显示器技术也有从原始的单色、双色图形显示到如今图像显示。随着科技技术的迅猛发展，LCD显示的屏在各个的方面都取得了大的进步，与传统显示器的差距变得越来越小。LCD显示的屏在各个的市场潜力都很大，全球的LCD显示器的屏的生产基地主要集中到的在中国台湾、韩国和日本三大产地。尤其在近年来我国的LCD显示屏技术得到了飞一般速度的发展，在此产业化十年内经历了7次重大的改革变化，据近期数据统计每1年半就要更新一次产业化模式。LCD显示屏的发展使得工业控制领域显示模块加速更新，其功能更加强大，稳定性更高。2系统方案设计针对本次“一种工控系统数据实时显示方案的设计”，我将以一种在显示屏上显示温度的实时测量数据来实现本次设计的目标。在本次设计中一共有显示屏，电路板和程序三大部分组成。本次我将采用单片机作为设计的控制主题，用液晶显示屏作为本设计实时显示的方式。用存储器作为本设计数据信息的记忆部件，用传感器作为本设计实现自动检测和自动控制的功能。2.1控制方案设计单片机单片机是一种微控制处理器，它可以把计算机内部的大部分功能剪裁然后进行高度的集成。单片机的集成度非常高，内部可以实现的功能特别丰富，可以根据你的需求进行裁取。单片机的芯片可以和其他的有需要的电路构成一个内容丰富的系统，在集成电路的背景下，数据的操作和处理被集成到芯片中以执行高速的数据处理。单片机微型计算机的开发比较舒适，在编译程序中编制相应的程序，生成的单芯片微型计算机可以促进各种外部设备的进行。在我们的生活中就有各种各样的电子产品是通过单片机进行研发出来的，比如工业控制当中，在智能家居等的方面。单片机芯片一共是由CPU、ROM、RAM组成的，单片机可以完成各种各样复杂的操作及各种运算，无论是数据的具体操作还是系统的控制，都是可以由单片机来辅助完成的。单片机较与其他微处理器来说优势是体积小、构造简单方便、功能性强大等，开发使用的时候也是比着其他的方便快捷，即使在长时间工作也几乎没有出现过故障，因此稳定性都让我们很满意。单片机微型计算机的耗电量很低，以提高产品的耗能为目的，为生产和发展提供了可能。图2.1为单片机系统框图图2.1单片机系统框图2.2显示方案设计液晶地显示液晶显示地屏可以显示出各种各样你想要的的信息，液晶显示屏通过设置像素的亮灭来完成任务，将需要的文本转换为十六进制。其特征在于，如果要提升的像素为1，则要切换的像素为0，字符每一行像素都要用十六进制数据去表示，然后扫描几行以显示要显示的字符，液晶屏里有很多像素点，所以液晶显示屏的显示部分的分辨率比着数码管更高，它可以显示出各种复杂的汉字、符号、图形等。LCD稳定性高、开发难度低，适合于信息量大的集成系统。本次设计中需要用到动态绘制数据曲线的功能，因此采用液晶显示屏作为本次论文设计的显示功能。图2.2为液晶显示屏结构图；图2.2液晶显示屏结构图2.3存储方案设计FLASH存储器FLASN存储器还有一个名字叫做闪存，它的寿命很长并且是非易失性存储器(所要存储数据地信息可以在停电时保存)。该设备数据删除有固定内存，而不是单字节单元。区域块是单位，块大小通常为256KB到20MB。特点是具有电子可擦性能和可编程性能，可允许快速地读取数据而不失去电源。Flash存储器可实现高集成度、高容量、写入速度快。由于本系统需要存储大量的数据，因此选择Flash存储器作为本系统的存储方式。2.4采集方案设计通讯式传感器本次设计中由于需要实现实时显示的功能，因此需要用到传感器去实现这次的功能，DS18B20是目前市场较为广泛收到好评的数字温度传感器的设备，当在系统中检测过程时，其结果显示为数字信号；设备具有工作运行可靠性、经济合理性、工作时抗外界能力强、检测精度较高和使用时操作简单；本类型数字温度传感器设备，可根据外界环境使用场合进行设计封装，以满足工作要求。因此本次设计采用通信温度传感器作为系统的采集方案。3系统硬件设计3.1硬件整体设计本系统硬件整体部分为：5V电源流入AMS1117将电源转化为3.3V，3.3V的电源供给单片机、存储芯片；液晶：DS18B20。DS18B20传感器又可以把采集到的温度数据通过单总线的方式去运输到单片机，单片机它又将通过SPI总线把数据存储到W25Q64里，同时将数据显示在液晶显示屏上面。本系统硬件整体框图如图3.1所示；STM32F103ZET6单片机STM32F103ZET6单片机图3.1系统硬件整体框图3.2最小系统电路设计3.2.1复位电路单片机系统的复位方式有两种，一种是软件的复位方式，另外一种则是硬件复位方式。硬件的重置首先需要重置电路的设置。实现硬件复位的需要是在第一个引脚产生一个低电平信号。如果低电平时间超过某个时间，则单片机复位启动。依照上面复述的原理，设计出了如图3.2.1所示的复位电路。启动复位引脚时，当复位引脚下降超过一个机器周期时，单片机复位引脚启动，当按钮弹出时，功率变大，电容器开始充电。随着电容器自身容量的缓慢增加，电容器自身的阻抗也会越来越大，此时，电容器容量达到电力状态时，电容器就会打开，复位销等级会变高。为了防止充电时电流过大而燃烧电容器，将10k电阻串联到电容器上方，限制电流。当负荷增加时，当电容量开始充电时，复位引脚立马变成为低电平，因此每次都会对电气系统进行复位。软件复位时，需要使用相应的复位指令对单片机进行复位。图3.2.1复位电路3.2.2时钟电路时钟电路在单片机工作时提供参考信号，STM32的单片机虽然内置了专用RC时钟振荡器，但为了保证系统的稳定性，设计了外部时钟振动电路，系统采用8MHZ外部前馈作为时钟电源，当晶振的两端通电时，晶振自动输出8MHZ的时钟信号，为了稳定地启动晶体发生器，在晶体发生器的两极增加两个共振电容器，方便晶体发生器的快速运行。可以在上电之后的系统用超级快的时间去运行它。时钟电路如图3.2.2所示。图3.2.2时钟电路3.2.3电源电路5V电源流入AMS1117将电源转化为3.3V，3.3V的电源供给单片机、存储芯片；液晶：DS18B20。整体电源转换电路如图3.2.3所示。图3.2.3电源电路图3.3温度传感器电路设计1脚、2脚、3脚分别是GND、数据线和3.3V，DS18B20与单片机进行数据的交互是通过数据的引脚来实现的。当数据引脚空闲的时候系统自己默认为高电平。DS18B20温度传感器电路如图3.3所示。图3.3温度传感器电路图3.3.1存储电路设计W25Q64使用SPI通讯协2议里的NORFLASH内存，W25Q64的CS工鞥点、CLK地功能点、DIO地功能点、DO地功能点将分别连到STM32上的SPI标识NSS、SCK、MOSI、MISO。STM32的NSS针是相同的。SPI专款NSS针，应用程序需要控制软件。FLASH芯片有WP和HOLDphinWP针可以控制书写保护功能。当数据填写将被禁止，我们被直接连入了电源供应系统，HOLD引脚是实现暂停通讯地，当HOLD地引脚为低电平的时候，通讯是处在暂停的状态，当数据的输出和引脚地输出为高阻抗状态的时候，时钟的引脚和数据输入的引脚就是处在无效状态。存储电路如图3.3.1所示；图3.3.1存储电路图3.3.2液晶电路设计LCD接口有8条RGB信号线路，用以显示LCD画面中像素的红色、绿色和蓝色组成部分。通常使用红色、绿色和蓝色来表现颜色。通常的色彩表达需要RGB颜色组件值的数据位数。比方说，RGB565代表的是红色、绿色和蓝色的三种颜色的数据线，分别是5、6和5。一共是有16个数据位，最大可以显示出来216个颜色。其中，“框架”是图像的单位，图像是框架，在LCD画面中，框架代表液晶像素的整个画面。人们经常使用来显示LCD画面更新的特性，即每秒能够在LCD画面上显示的图像框架数。例如，LCD画面以60帧的速度运行时/秒、VSYNC等级将会以每秒60的速度跳高。数据的able的信号DE数据是用来显示数据的有效性的方法，要的DE的信号线路比较高的话，RGB地信号线路所显示的数据就有效。液晶电路如图3.3.2所示。图3.3.2液晶电路图3.4主要元器件选择与介绍3.4.1单片机的介绍单片机STM32F103ZET6属于32位的单片机，STM32速度可以达到72MHZ，8位单片机6倍，也可同时处理32位的数据，它的内部分别是144个I/O、6个串口、计数/定时器数量有8个，模数转换的通道有16个。软件开发中有一个类似于图书馆似的文件库，在软件开发中可以安装各种操作系统的方便配置和能力，譬如，μ对于cos、freeertos等操作系统，在接口开发中可以移植gui，实现复杂的内置系统开发。单芯片微型计算机以高性能和高性价比为特点，它的包装方式是芯片包装，所以单芯片主要应用于内置系统。STM32ZET6单片机体积小，有利于系统集成，外围的资源也更加的丰富多彩；因为本设计要求的是对线路功率特性参数进行实时监测，CPU对速度要求特别高，系统的所有周边模块电路需要更多的单边机周边设备。由于上述的原因，我将把本次的设计的主要的控制芯片选为STM32F103ZET6单片机作为本次的核心芯片。如图3.4.1STM32实物图图3.4.1STM32实物图图3.4.1STM32实物图STM32单片机的介绍STM32F103ZET6单芯片微机以3种低功率消耗的模式去运行的；在待机的模式下，只有CPU在芯片内工作，其他的外围资源还是在正常的工作，在待机的模式下触发的外部中断可以将芯片给唤醒；在停止作业的模式下：此时的单片机耗电量是最少的，只有在停止的工作模式下，SRAM和寄存器它们是在正常运行并且是正常工作的，其它的都是处于停止工作的状态的，这个模型的模式也是是可以通过外部中断的方式去唤醒芯片。而待机的模式下：芯片在待机模式下运行，出了他的备用电路和它专用寄存器模式之外，外部设置之类的是不能处在运行的状态的，如果要想唤醒，那么可以通过唤醒搜索者和守门犬的方式去唤醒。灵活的去运用单片机的三种地功耗模式，可以最低的降低系统的功耗，这样就能达到并且实现我们对节能环保的目标。3.4.2显示模块显示模块的选择由于电容式屏幕在潮湿环境下的灵敏度受到影响，而电阻式触摸屏的精度较高，适用于像素级的最大的分辨率可以达到4096x4096；屏幕的筛网它是不受灰尘还有水的影响。也可以在低温或高温的环境下工作。电阻式触摸屏是通过使用压力的感应的方式，可以触摸任何的物体，在戴着的手套的情况下，也可以用手写来识别的；随着电阻技术越来越成熟以及临界值的一直在降低，触摸屏的成本相对之前降低了很多呢。因此，本系统采用电阻膜屏作为示模块。3.4.3存储芯片存储芯片芯片的选择W25Q64NorFlash存储器按照数据的传输类型可以分为并行口的传输和串行口的传输；并行口的传输数据的时候可以同时传输多个字节的信息；串行口的传输数据的时候每次传输只能传输一个字节信息；串口的优点是价格比并行口传输的价格便宜和接线简单，其缺点是在传输数据速度较慢。在本系统中单片机Rom有限，W25Q64的扇区大小为4K而33333Flash扇区为20K，并且W25Q64的存储空间更大性价比较高，所以本系统选用W25Q64作为存储Flash。3.4.4温度传感器温度传感器选择DS18B20是一种市场上普遍使用的数字温度计的传感器，输出的是数字的信号，其尺寸较小，硬盘头较低，有强大的防干扰功能和高密度特性。DS18B20数码温度计的配线很容易，管道型、罗型、吸附磁铁型、不锈钢成套设备型、LTM8877、LTM8874等多种型号的产品可以搭配在一起使用。本次设计中由于对在各个环境中要求测量值与真实值不能存在较大偏差，需要便于系统数据的检测我们采用DS18B20系统作为我们一个的一个收集系统。4系统软件设计本系统的实现，不仅需要硬件电路还需要硬件驱动程序系统才能正常的工作。系统软件包括基本的主要程序设计、子程序启动的设计、温度传感器程序的设计、存储子程序和显示模块的设计，在这些设计中，我主要把显示模块的设计为这次设计的重中之重。4.1主程序设计整个软件系统中，系统的主程序是非常的重要的，一旦开始连接到系统，启动程序先启动文件之后，启动程序就要进入到主程序的入口。在应用程序输入输出之后，将系统里面的所有的模块都初始化为0，其次，主程序就会根据各个子程序的本身需求去调用各个子程序，又通各个子程序之间的相互协作，就可以一步步的实现系统的整体功能，系统主程序的流程图如图4.1所示；4.1主程序流程图系统开机后，单片机开始连续执行各个子程序，当程序进入主功能后，最重要的任务是去实现模块初始化的程序，把程序初始化之后，系统开始进入主模式，首先是去了解触摸屏的数据是否有无，其次查看运行子程序设置触点1的中断计时器是否在运行，触摸屏每10ms扫描一次，检测到触摸数据时设置相应的触摸数据标志时，当主循环期间检测到标记为触摸的标志的位时，系统需要提供历史数据或实时更新的数据。显示功能的函数在计时器中断服务功能1中进行运行，每20毫秒扫描一次显示功能。4.2初始化子程序设计在软件的启动过程中，每个系统的模块也都需要进行初始化，在该系统之中，温度检测模块、触摸模块和LCD和数据存储模块都需要初始化。出了初始化模块的必要性，程序中能使用到的所有的变量都必须要被定义为初始值。由于初始化程序不需要无限的重复，因此初始化只能在主周期以外发生。而初始化的程序也只能执行一次。系统初始化子程序流程图如图4.2所示；图4.2初始化子程序流程图4.3温度传感器子程序设计温度传感器采用简单的总线通信的方式，第一步是初始化单片机的I/O。其次把温度传感器给初始化，接着把他的工作模式设置好，时期在读取温度的数据并将数据通过单总线的方式传输到单片机。DS18B20子程序如图4.3所示；图4.3DS18B20子程序流程图4.4存储子程序设计存储器模块接收SPI通信模式，首先是要激活SPI外围的设备，单片机通过SPI总线开始初始化存储化芯片。需要存储数据的时单片机通过SPI总线读取数据包至内部RAM，修改数据并通过SPI总线将数据包回写至存储芯片，再次读取验证与写入数据是否相等，如果相等则存储成功，否则存储失败。存储数据子程序如图4.4所示；图4.4数据存储子程序流程图4.5显示模块子程序设计在本次设计中，需要显示相关信息的展示时我将用液晶显示进行展示。需要显示数据时，通过FSMC数据总线向液晶屏发送指令，本程序使用emWin实现屏幕的界面处理，实时的将数据信息打印至液晶屏幕，并定期扫描触摸数据响应触摸操作。液晶显示子程序流程图如图4.5所示。图4.5液晶显示子程序流程图5系统仿真与调试在完成本次的软件和硬件设计之后，接着要对系统仿真和调试。因为系统的硬件电路主要采用元器件，具有高焊接要求，与此同时，贴片元器件在系统中的焊接不是机械焊接，因此在焊接时可能会出现一些误差，通过对系统软件的仿真，根据实际运行情况和计划目标，识别并解决系统问题，最终优化系统功能；在达到系统设计的目标之后，就需要进行调试系统的软硬件，等待调试后再测试系统是否可以正常运行。5.1硬件调试在设备的焊接结束后，首先去确认电路图和实物的各个零件零件的焊接是否有误。零件的焊接板之间是否出现连锡现象，确保零件焊接的正确性之后，可以进行以下的测量。首先是在启动前检查系统的绝缘情况，并测量每一个电源是否有短路接地，检查各跨度是否有反焊，极性元件焊接方向是否有误差。在上述检查正常之后，可以继续进行下一步操作。第二阶段是检查电源是否正常通电，在系统开机后，用万用表测量各电压的功率是否与理论值相符合。如果测量值与理论值相差过大，应将立即切断电源，再次检查电路，确保没有错误的情况下才可以通电检查。如果各电压的实际测量功率与理论值一致的话，那么系统电路是正确的，可以通过，继续下一步实现。第三阶段是检查功能模块是否可以正常工作，并在主示意图中依次运行功能模块驱动程序，启动时使用串行端口输出调试信息，并确认每个模块输出的调试信息是否正确。如果准备那么硬件电路没有错误。5.2软件仿真在程序设计中可能会有一些问题。这些问题一般都是逻辑问题和语法问题。首先，首先，语法错误是程序编写最常见的问题，这些问题可以在Keil5开发平台上是可以解决的，如果发生语法错误，程序的开发人员将报告编译器中的错误给单独标记出来，错误的类型和错误的位置会显示在程序的最底部位置。在编制系统逻辑的程序时，为了便于管理和使用变量，程序定义了变量结构，当变量应用于结构时，仿真软件钟中出现如图5.2.1中的错误，首先设置断点，接着开始程序调试和错误原因分析，最后可以通过多次的实验得出以下结论：若结构变量在头文件中定义过，那么只能在关联的C文件中使用，如果您需要另外一个C文件，请在文件标题中使用外部关键字进行修改。修改为正确的仿真，此时程序变为正常运行，错误此时消失，正常运行的界面如图5.2.2所示。图5.2.1软件仿真图图5.2.2软件仿真图5.3软件调试在调试程序时，程序中的逻辑错误可能会导致计划逻辑功能的正确性以及准确性，这可以通过正确的模拟或实际结果来确定。首先，在系统中有一个数字管显示问题。当LCD启动后，屏幕并没有任何数据。但在仔细识别程序后，确保了当L