紫外LED照射器的人機交互模塊設計

吳韻輝，吳云峰，鄧麒麟，孫文博

（電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054）

紫外光固化技術是利用波長短的紫外線照射光固化涂料，產生化學作用而粘合元器件的技術，紫外固化技術相對于普通的熱干燥固化技術，有熱損傷小、硬化速度快（通常1 s左右），粘合過程形變小等顯著的特點[1]，可以保護敏感元件，因此在高精度光學鏡頭粘合，特種儀器焊接等現代精密儀器制造工業中有重要作用。

在光固化的工業應用中，隨著科技的發展，對固化技術的精度要求也越來越高，隨著LED制造工藝的發展，大功率LED制造技術的成熟，紫外LED被研制出來之后，具有波長范圍小，光強穩定可調的特點，因此其在光固化技術上的應用成了研究的熱點[2]，國外研制成功的有日本歐姆龍公司的ZUV系列UV-LED照射器，其技術指標處于世界領先水平，但其輸出功率固定，顯示模式單一，無法應對復雜的工業環境，本課題設計的顯示模塊，應用于紫外光固化控制設備的人機交互系統中，不僅有輸出模式的靜態顯示界面，而且具有照射功率的實時動態顯示界面，可應用于更加智能化的紫外LED照射器人機交互系統，以便滿足現代高精度工業中不同環境的需要。

1 人機交互模塊的實現原理

人機交互模塊的實現，需要硬件和軟件的協調支持，如圖1所示，顯示程序的調用，是通過狀態機（state machine）也稱作操作平臺（operation platform）互相調配來實現，顯示程序將數據載入顯示緩存，再由設定好的顯示驅動程序，將顯示緩存中的內容顯示到液晶屏上。其工作原理如圖1所示。

圖1 人機交互模塊原理圖Fig.1 Man-machine interactive module principle diagram

1.1 硬件實現原理

軟件設計是基于硬件平臺的，軟件才有發揮需要硬件平臺的支持，因此必須先實現硬件平臺的設計。本課題的顯示模塊應用于紫外LED照射器的控制系統，系統主要由人機交互單元、數據處理單元和系統控制單元、配置信息保存單元、大功率LED驅動電源和特殊設計的LED光學探頭組合構成[3]，系統的控制核心是基于ADI公司的Blackfin 531DSP處理器，采用DSP+FPGA結構，系統的FPGA主要用于收集按鍵采集信號、實現SDRAM擴展、驅動紫外LED電源；DSP處理器主要用于實現人機交互模塊的驅動和顯示，因此，本課題的硬件原理主要涉及到DSP和LCD之間的硬件部分，連接結構如圖2所示。

圖2 PPI接口與LCD連接原理圖Fig.2 PPI interface and the LCD connection principle diagram

系統的顯示模塊選用的是SHARP的LQ043T3DX02彩色液晶顯示屏，通過DSP的PPI接口驅動。PPI（Parallel Port Interface）接口是Blackfin DSP處理器的并行數據接口，主要用于數據的高速傳輸。它包括16位數據線，3個同步信號和一個時鐘信號。PPI接口直接與DMA通道整合，數據傳輸寬度可靈活配置，支持8位、10～16位等多種數據寬度[4]。

由于LQ043T3DX02為24位彩色LCD，紅、綠、藍各8位數據輸入，而PPI只有16位數據輸出，故將紅、綠、藍分別取高5位、高6位、高5位與PPI相連，將剩下的8位一直置低，形成RGB－565顯示模式，此種顯示模式的效果與真實色彩幾乎沒有差別[5]。

1.2 PPI驅動實現

PPI驅動主要包括PPI的設置、DMA的設置和定時器的設置3個部分。

1）PPI的設置

PPI給LCD提供了一個并口，使DSP和LCD和之間可以更加容易連接。PPI支持的運行模式有ITU－R 656.和GP（General Purpose）2種模式。本課題的PPI接口使用的是GP模式。并且在本設計中，將DSP中的數據輸出到夏普的LQ043T3DX02LCD是通過PPI實現的，所以使用的是General Purpose模式中的TX模式，并且其內部幀同步有2個。PPI的時鐘信號時由FPGA提供。幀同步信號的作用在于控制圖像數據的發送時序，2個幀同步引腳分別用來向LCD發送HSYNC和VSYNC信號，LCD的驅動時序如圖3所示。

圖3 LCD的驅動時序圖Fig.3 LCD driver timing diagram

因為本課題的LCD顯示開關控制信號DISP由FPGA提供，液晶開關控制是由DSP控制FPGA中對應寄存器的值實現間接的。

本設計中的PPI設置實現如下：

*pPPI_DELAY=65；

*pPPI_COUNT=320－1；//每行傳輸字節數，應該比實際值小1

2）DMA 的設置

DMA控制器為數據傳輸提供了一個通道，使數據可以在存儲器之間或者存儲器和有DMA功能的外設之間進行傳輸。在本課題的PPI驅動應用中，數據需要在外接的65MSDRAM外部存儲器和PPI中進行傳輸。

在本設計中，具體的DMA設置如下：

*pDMA0_X_COUNT=320：

*pDMA0_X_MODIFY=2；//因為每個字是兩個字節，其寬度為2，所以設置為2

*pDMA0_Y_COUNT=262；//通過 LCD 的 DATA Sheet手冊可知，在整屏的數據傳輸中，前面19行和后面的3行是無效的，這是LCD液晶屏的時序所要求的，所以3+19+240=262.

*pDMA0_Y_MODIFY=2；

3）定時器設置

在PPI的2幀同步模式下，Timer1和2的引腳分別變為PPI_FSl和PPI_FS2。如果PPI設置為傳輸數據，則定時器必須設置為產生需要的輸出幀同步脈沖。通常在視頻應用中，同步幀1為HSYNC信號，同步幀2為VSYNC信號。在本設計中，具體的DMA設置的實現如下。

//對時鐘計數器使用PWM_CLK，當timer1和timer2對點時鐘計數到了設置的次數的時候，那么會在Out引腳輸出一個有效電平，然后計數器重新開始計數。

*pTIMER_ENABLE=TIMEN1 l TIMEN2；//使能定時器1和2

1.3 圖形標準庫

用戶圖形界面的實現，除了硬件電路模塊的支持外還需要豐富的軟件系統的支持，而其中最基礎，也是最不可或缺的是圖形標準庫。用戶圖形界面的圖形標準庫最基本的庫函數簡單的包括畫點、畫線、畫矩形，復雜的包括填充矩形、畫圓形，以及放置bmp格式的圖案庫函數，要實現顯示中、英文等功能，需要設計字庫函數，本系統基于強大的Visual DSP++5.0Kernel（VDK），擁有強大的圖形庫，所以可以支持復雜的用戶圖形界面[6]。

要實現用戶圖形界面，僅僅有了繪制圖形的圖形標準庫函數，還是遠遠不夠的，圖形庫只能形成單一的畫面，但是要想形成切合用戶習慣的可操作圖形界面的話，還需要在后臺有一個功能強大，并且穩定的操作系統平臺，它決定了負責調度系統的狀態，就是我們平常說的狀態機。狀態機根據用戶的外界按鍵輸入，以及系統當前的特定工作狀態來決定系統的下一步狀態，從而調用相應的圖形界面，如此，便實現了人性化的用戶圖形界面，可以滿足特定工作需求。

2 軟件設計思路

對于用戶圖形界面的設計不能簡單的設計成統一的模塊，要考慮到用戶在復雜的應用情況下對操作界面的需求，我們將這些界面分成不同的種類，設計流程如圖4所示，一種是靜態的配置狀態顯示，一種是動態的輸出狀態實時變化顯示，對于靜態界面，我們可以用格式轉化軟件將bmp格式圖像轉化成二維數組載入到顯示緩存中來顯示當前的固定配置界面。

一般來說，編程人員在設計動態顯示界面的時候，如果按照常規的設計方法，會使用一些全局變量作為不同狀態、不同模式下的標志，這樣可以實現圖形界面的改變，但這會導致變量的數量過多，從而引起變量之間的搭配成倍的增加，隨著工作復雜程度的真假，狀態的轉移關系也就會劇烈的增加，這會讓開發者陷入復雜的邏輯問題。

圖4 圖形界面設計流程Fig.4 GUI design process

為了解決上述問題，改變普通的設計方法，盡量少設可以改變的狀態，使貫穿與整個界面顯示系統的只有一兩個狀態量，如果想得到新的界面信息，只需要改變特定的一兩個狀態量，文中的方案是提取和解析鍵值來作為主線，少量全局變量和結構作為輔助，這樣設計的現實系統，非常簡明而且易于控制和修改。在使用過程中通過對鍵值的解析，得到對應的界面。

3 實驗結果

在配置狀態顯示顯示中，顯示緩存模塊起著至關總要的地步，改變顯示緩存，即可實現顯示界面的改變，對于配置狀態的顯示界面，只需調用將預先設置好的bmp圖像通過軟件轉成二維數組，在鍵值的激發下載入緩存，再由驅動程序將緩存內容顯示到液晶屏上。

紫外LED照射器工作時的配置狀態顯示效果如圖5所示。

圖5 配置狀態圖形界面Fig.5 GUI of configuration state

照射器工作時動態顯示的時候，不需要經常變動對話框和廠家標識等背景元素，而輸出的電壓電流值是在不停地刷新，所以把屏幕元素分成幾頁來顯示。第1頁顯示的是靜態的背景參數，曲線參數和電壓電流值是在頻繁刷新，將其放置在第2頁，將2頁的內容同時載入顯示緩存，由驅動程序輸出到LCD。這樣，在照射器工作的時候，只需不停地更改和調用第1頁的內容，而不改變第1頁的背景參數。有鍵盤操作的時候再切換顯示界面[7]。

動態工作狀態顯示效果如圖6所示。

圖6 輸出狀態圖形界面Fig.6 GUI of output state

4 結 論

目前國內外的紫外照射器的人機交互模塊單一，在整體性和用戶的可操作性上均無法滿足某些復雜的工業需求，本文從紫外LED控制平臺的Blackfin 531處理器的PPI接口驅動出發，基于Visual DSP++5.0軟件開發環境，設計了紫外LED人機交互顯示模塊，在實際應用中，成功顯示了照射器的配置工作狀態和輸出工作狀態，使紫外LED照射器的控制平臺具有更加智能化的人機交互模塊。

在未來，隨著國內的產業化升級，國內的高精度工業的發展，對紫外LED照射器這種高精度紫外光固化焊接產品的需求將會越來越高，因此，對該人機交互系統的中文字庫的設計將是本課題的下一個重點。

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[7]張一嬌.四通道數字示波器數據處理與顯示模塊軟件設計[D].成都：電子科技大學，2009.