基于arm的工业触摸屏控制板-精品

基于arm的工业触摸屏控制板-精品内容摘要：

CPU，各种容量的 ROM、 RAM 以及功能各异的 I/O 接口电路等等，但是，单片机的品种规格仍然有限，所以只能选用某种单片机来进行扩展。 扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一种是串行总线。 由于串行总线的连线少，结构简单，往往不用专门的母板和插座而直接用导线连接各个设备。 因此，采用串行线可大大简化系统的硬件设计。 PHILIPS 公司早在十几年前就推出了 I2C 串行总线，利 用该总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。 因此，这是一种高性能的串行总线。 I2C 串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线 SDA，另一根是时钟线 SCL。 所有接到 I2C 总线设备上的串行数据 SDA 都接到总线的 SDA 上，各设备的时钟线 SCL 接到总线的 SCL 上。 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（ OD）输出或集电极开路（ OC）输出。 设备上的串行数据线 SDA 接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。 而串行时钟线也应是双向的， 作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过 SCL 输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的 SCL 电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的 SCL 信号发出或接收 SDA 上的信号，也可以向 SCL 线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。 总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻Rp 使 SDA 和 SCL 线都保持高电平。 任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的 SDA 是“与”关系， SCL 也是“与”关系。 总线对设备接口电路的制造工艺和电平都没有特殊的要求（ NMOS、 CMOS 都可以兼容）。 在 I2C 总线上的数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上。 另外，总线上允许连接的设备数以其电容量不超过 400pF 为限。 总线的运行（数据传输）由主机控制。 所谓主机是指启动数据的传送（发出启动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是微处理器。 被主机寻访的设备称为从机。 为了进行通讯，每个接到 I2C 总线的设备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。 主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，也可以由从机发到主机。 凡是发送数据到总线的设备称为发送器， 从总线上接收数据的设备被称为接受器。 在 I2C 总线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件（见图 ）：当 SCL保持“高”时， SDA 由“高”变为“低”为开始条件；当 SCL 保持“高”且 SDA 由“低”变为“高”时为停止条件。 开始和停止条件均由主控制器产生。 使用硬件接口可以很容易地检测到开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每时钟周期至少两次对 SDA 取样，以检测这种变化。 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 (封面无 ) 13 图 IIC 开始 、 停止时序图 RS23 RS485 简介 RS232 是美国电子工业协会 EIA（ Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。 RS 是英文“推荐标准”的缩写， 232 为标识号。 RS232 标准规定的数据传输速率为 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200、 38400 波特。 工业一般使用 9600pbs 较多。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS232C 接口 (又称 EIARS232C)是目前最常用的一种串行通讯接口。 (“ RS232C”中的“ C”只不过表示 RS232 的版本，所以与“ RS232”简称是一样的 )。 在 RS232C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。 即：逻辑“ 1”为 3 到 15V。 逻辑“ 0”为 +3 到 +15V。 在 RS232C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。 即：逻辑“ 1”为 3 到 15V。 逻辑“ 0”为 +3 到 +15V。 RS232 端口的缺点也很明显 ， 例如 ： 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。 传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。 因此在“南方的老树 51CPLD 开发板”中，综合程序波特率只能采用 19200，也是这个原因。 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 英尺，实际上也只能用在 50 米左右。 (通过外接 RS232 增强器可将传输距离扩大到 1000 米左右 )。 RS485 采用差分信号负逻辑， 2V～ 6V 表示 “1”， +2V～ +6V 表示 “0”。 RS485 有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现 点对点 的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为 总线 式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接 32 个结点。 在RS485 通信网络 中 一般采用的是主从通信方式，即一个 主机 带多个从机。 很多情况下，连接RS485 通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的 “A”、 “B”端连接起来。 而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因： (1)共模干扰问题： RS485 接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。 但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围， RS485 收发器共模电压范围为 7～ +12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。 当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。 (2)EMI 问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 (封面无 ) 14 低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个 总线 就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 RS485 网络： RS485/MODBUS 是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便 ，而且现在支持 RS485 的仪表又特多，特别是在油品行业 RS485/MODBUS 简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持 RS485/MODBUS，原因很简单，原来的 HART仪表想买一个转换口非常困难 而且价格昂贵， RS485 的转换接口就便宜的多而且种类繁多。 至少在低端市场 RS485/MODBUS 还将是最主要的组网方式，近两三年内不会改变。 CAN 总线简介 CAN(Controller Area Network)， 中文名称为控制器局域网络，通常称为 CAN bus，即 CAN总线。 是由德国 BOSCH(博世 )公司研究开发的，现已成为 ISO 国际标准化的串行通信协议，是目前在国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。 在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。 由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。 为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要， 1986 年德国电气商博世 公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。 此后， CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进 行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 现在， CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。 图 是车载网络的构想示意图。 CAN 等通信协议的开发，使多种 LAN 通过网关进行数据交换得以实现。 图 车载网络构想 在硬件部分 ， 汽车节点 ECU 的开发可以选择带有在片 CAN 的微控制器，也可以选择其它微控制器和相应的片外 CAN 控制器、收发器。 本文以后者为例说明 ECU 的开发。 带有 CAN 接口的 ECU 设计是总线开发的核心与关键，其中 ECU 的 CAN 总线模块有几个功能单元构成 ――CAN 控制器和 CAN 收发器。 CAN 控制器执行完整的 CAN 协议，完成通讯功能，包括信息缓冲和接收滤波。 CAN 控制器与物理总线之间需要一个接口 ――CAN 收发器，它实现 CAN 控制器与总线之间逻辑电平信号的转换。 CAN 控制器和收发器完成 CAN物理层和逻辑电路层的所有功能。 应用层的功能则由软件来实现。 各节点的 ECU 主要由武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 (封面无 ) 15 MCU、 DSP、 CAN 控制器 SJA1000、 CAN 收发器 PCA2C250 和其它外围器件构成。 在软件部分 ， CAN 设计的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。 物理层和数据链路层的功能由 CAN 接口器件完成，包括硬件电路和通讯协议两部分。 CAN 通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。 CAN 通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织和发送，均是由集成在 SJA1000 通讯控制器中的电路实现的，因此系统的开发主要在应用层的设计上。 应用层软件的核心部分是 CPU 与 SJA1000 通讯控制器之间的数据接收和发送程序，即 CPU 把待发的数据发给 SJA1000 通讯控 制器，再由 SJA1000通讯控制器发到总线上；当 SJA1000 通讯控制器从总线接受到数据后， CPU 再把数据取走。 对于单片机而言，操作 SJA1000 就象访问外部 RAM 一样简单。 首先，应对 SJA1000 中的有关控制寄存器写入控制字，进行初始化。 之后， CPU 即可通过 SJA1000 接收 /发送缓冲区向物理总线接收和发送数据。 触摸屏的选择及接口电路的设计 现如今 ， 市场普通使用的是四线电阻式触摸屏。 其高解析度 ， 高速传输反应一直都受到各界人士的青睐。 但是这已经满足不了市场的需求了 ， 自从电容触摸屏的面世 ， 其高效的触摸计算方式更有取代电阻屏的趋势 ， 电容式触摸屏技术是利用人体的电流感应进行工作的。 电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层 ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层 ITO 涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层 ITO 为屏蔽层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。 这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制 器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。 其多点触摸的功能更让电容触摸屏技术更上一层楼。 在此，本课题决定选择敦泰的 FT5206驱动电容触摸屏，支持 5 点同时触摸，使用 IIC 读取数据。 电路图如下 所示： 图 电容触摸屏接口电路 图 触摸屏与 STM32 接口匹配 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 (封面无 ) 16 在显示部分 ， 使用 SSD1963 作为液晶驱动电路。 ssd1963 是 1215k 字节帧缓冲显示控制器，支持 864 x 480 x 24 位图形内容。 它也配有不同宽度并行接口总线来接收图形数据和命令从单片机。 它的显示 界面，支持常见的内存更少的 LCD 驱动器 , 每 — 像素的颜色深度可达 24 比特。 支持 8 位串行 RGB 接口， 0、 90176。 、 180176。 、 270176。 硬件旋转 ， 硬件显示镜像 ， 包含 4 个通用 I/O 口，内置时钟发生器，动态背光控制（ DBC），具体驱动电路如下图 所示： 图 SSD1963 驱动电路 下载电路 CH340 是一个 USB 总线的转接芯片，实现 USB 转串口、 USB 转 IrDA 红外或者 USB转打印口。 在串口方式 下， CH340 提供常用的 MODEM 联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级 到 USB 总线。 STM32 是 支持串口 下载与 调试 的 ， 本课题选用 CH340G 作为串口调试 IC，如下图 所示： 图 串口下载电路 电源管理电路 对于电源输入端 ， 首先应考虑的应该是纹波要求 ， 纹波太大很容易对板载电路产生程度不一的损坏 ， 这里第一级就是滤波电路。 然后通过一个 TVS 管防静电，静电对电子设备的损坏是随时都能发生的，我们应做好必要的保护措施。 接着，必须是放反接电路，由电源反武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 (封面无 ) 17 接引起的损失是可以避免的，简单的可以通过串联一个二极管保证， 正常工作时二极管正向导通，反向电压时二极管截止； 尽量选择压降小的二极管 ,以减少系统供电低时对系统的影响。 由于二极管正向压降基本不变，因此随着正常工作电流增加，消耗在二极管上的功率也要相应增加。 不适用于工业应用，本设计选择使用承受电压电流能力更强的 P 沟道 MOSFET电路。 正常工作时首先电流正向经过体二极管， source 端电压 接近 24V， Gate 端电压为零，相对于 Source端是负电压，。