基于C8051F060的手持控制器設計

楊 凱，李樹軍，金益韓，郭 鼓

（西北工業大學 機電學院，西安 710072）

0 引言

三坐標移動測試裝置是一種可以使測量探頭在三維空間內任意移動，并能夠精確定位的機械裝置，在工業及科研實驗方面應用廣泛。三坐標移動測試裝置的控制系統由“PC機+運動控制卡+驅動器+伺服電機”組成，使用時控制臺通常置于室內等距離測試現場較遠的地方，如果在測試現場對裝置進行控制，則需要通過手持控制器來完成。

1 總體方案設計

本文所述的手持控制器是在具體應用背景下完成，其設計要求為：能夠在距離室內控制臺100m的實驗現場工作；能夠進行移動測試裝置的運動控制，包括X、Y、Z三軸正負方向選擇、點動或連續運動模式選擇、點動模式下0.01至10.0五種步距的選擇以及連續運動時的啟動停止操作；能夠實時顯示移動測試裝置X、Y、Z三軸的位置坐標、正負方向及當前運動模式等信息。

圖1 手持控制器原理圖

根據設計要求，該手持控制器由電源模塊、通信模塊、按鍵輸入模塊及顯示模塊四部分組成，其原理圖如圖1所示。電源模塊完成單片機及液晶顯示屏的供電；通信模塊進行單片機與PC機的數據傳輸；按鍵輸入模塊實現單片機對用戶控制操作的響應；顯示模塊保證裝置實時狀態信息的顯示。

2 硬件設計

2.1 主控制芯片選型

本控制器選用美國Silicon Laboratories 公司的C8051F060單片機作為主控芯片。該型號單片機上集成有與高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，速度可達25MIPS；提供64個I/O數據端口；5個通用的16位定時/計數器；2個支持全雙工異步方式，并支持多處理器通信的串行接口。芯片性能完全符合本系統的要求。

2.2 顯示模塊設計

移動測試裝置各軸運動狀態通過顯示模塊實時反饋給用戶，手持控制器顯示模塊由單片機I/O端口連接LCM1601A單行16位液晶顯示模塊實現。該液晶顯示模塊內部采用KS0066作為主控制芯片，供電電壓為DC5V，外接10K可調電阻調節對比度，RS、R/W、E控制端口與單片機3個I/O端口連接，8位數據端口與單片機8個I/O端口連接，實現實時位置信息的顯示。其連接電路如圖2所示。

2.3 通信模塊設計

串行通信具有數據線少、實現方便等優點，常用的串行總線包括RS232、RS422/485、USB等。其中，RS232總線的有效距離為15m，RS422總線的有效距離可達1200m，USB的有效距離僅有5m，而該手持控制器要求的通信距離至少為100m，所以采用RS422總線進行通信。由于PC機集成有RS232串行接口，因此采用RS422/RS232轉換器進行接口轉換，從而實現遠距離的串行通信。

圖2 液晶顯示屏控制電路

C8051F060內部集成有通用串行接口UART0，手持控制器工作時，通過UART0接收和發送數據。由于UART0采用的是TTL信號，因此采用接口芯片MAX3488完成TTL信號和RS422使用的差分信號之間的轉換。MAX3488芯片支持全雙工通信，最高傳輸速率可達250kbps，采用DC3.3V供電，其應用電路如圖3所示。MAX3488輸出的差分信號經RS422/RS232轉換器UT-503轉換成RS232信號，由PC機接收。經測試，該方法有效實現了手持控制器與PC機的遠距離通信。

2.4 按鍵輸入模塊設計

按鍵輸入模塊需要滿足使用者對移動測試裝置三個軸共36種運動情況的控制。手持控制器設計有13個按鍵，這些按鍵組成矩陣式鍵盤，使用動態掃描的方式進行識別，提高了單片機I/O端口的使用效率。由于動態掃描速度較快，單片機會對一次按鍵按下執行多次重復響應，設計中采用了軟件判斷和延時，消除了按鍵機械抖動，確保了CPU對按鍵的一次閉合僅作一次處理。

圖3 串行模塊電路圖

2.5 電源模塊設計

手持控制器中需要用到DC5V和DC3.3V分別為液晶顯示模塊和單片機、MAX3488芯片及指示燈供電。設計時，利用RS232串口的1、2號針腳引入DC24V，通過DC-DC模塊電源WRB2405CS-3W實現DC24V向DC5V的轉換，如圖4（a）所示，再通過三段線性穩壓器AZ1117-3.3進行DC5V向DC3.3V的轉換，如圖4（b）所示，可滿足手持控制器內部所有的供電需求。

圖4 手持控制器供電電路

3 軟件設計

3.1 軟件流程

手持控制器的軟件部分包括主程序以及按鍵掃描、液晶屏顯示和串口通信等子程序。單片機的編程通過IDE軟件開發環境，使用C語言完成。手持控制器程序與PC機程序之間定義了控制信息的字符協議，如表1所示，其中點動模式下分五種不同的步距。

按下電源開關按鈕，主程序開始執行，各寄存器、I/O端口以及串行通信口將被初始化，液晶顯示屏顯示歡迎界面。初始化完成后，按鍵掃描子程序開始掃描X、Y、Z三個鍵是否被按下，如果按下則表示該軸被選中，單片機將發送請求該軸位置的指令給PC機，同時等待接收并存儲接收到的信息，完成后再將該軸軸代號及位置信息輸出到液晶顯示屏顯示。

表1 手持控制器與PC機的控制字符協議

如果某一個軸當前位置需要調整，用戶可通過按鍵選擇運動方向，繼而選擇點動或者連續運動方式。當選擇點動方式運行時，有0.01mm、0.05mm、0.1mm、1.0mm、10.0mm五種步距可供選擇，如選擇X軸正向點動0.01mm，單片機即發送相應的命令給PC機，PC機接收后即調用相關運動程序驅動X軸正向移動0.01mm，同時將X軸最新的位置信息反饋給手持控制器，單片機接收到位置信息后再通過液晶顯示屏顯示，實現了位置信息的即時更新。當選擇連續方式運行時，單片機發送相應的命令給上位軟件即可控制該軸連續運動，期間手持控制器每隔50ms請求該軸位置，接收到位置信息后通過液晶顯示屏顯示，實現位置的即時更新。連續運動過程中，程序不斷掃描停止按鍵是否被按下，若停止鍵按下，即發送停止命令給PC機控制該軸停止運動，程序返回主程序，進行掃描X、Y、Z按鍵步驟，不斷循環。軟件流程圖如圖5所示。

3.2 串口模塊程序設計

手持控制器的串口通信模塊完成單片機和PC機之間的雙向通信，單片機向PC機發送運動控制指令，同時接收由PC機發送的實時位置等信息。手持控制器使用單片機自帶的串行口UART0，通過串行控制寄存器SCON0和串行數據緩沖器SBUF0來實現UART0的控制和訪問。讀操作時，CPU通過判斷接收標志位RI0的值判斷一個字符是否接受完成，繼而循環訪問SBUF0中暫存的各字符信息，存入指定數組中，直至接收完成。寫操作時，CPU直接通過循環將單個字符信息逐一寫入緩沖器SBUF0中，單片機自動將信息通過串口發出。

圖5 軟件流程圖

PC機的串口通信通過VC++6.0中的Microsoft Communications Control(version6.0)控件實現，該控件可以直接設置串口相關的屬性，如串口號、波特率、校驗位、數據位、停止位等。MSComm控件加入到工程后，會自動獲得一個MSComm通信類CMSComm，在MSCOMMDlg的主框架中，通過m_Comm.SetPortOpen(TRUE)函數打開串口，m_Comm.GetCommEvent()函數接收手持控制器發送的對各個軸的控制信息，m_Comm.SetOutput()函數反饋給手持控制器各軸的實時位置信息，最后通過 m_Comm.SetPortOpen(FALSE)關閉串口。

3.3 液晶屏顯示程序設計

LCM1601A液晶顯示屏有11個引腳和單片機I/O端口連接，通過LCD_RS、LCD_RW、LCD_E三個標志位控制液晶顯示屏使能、指令或數據操作、讀或寫操作，這三個標志位通過LCD_command()函數設置，從而實現顯示屏模式設置。數據操作時，通過LCD_data()函數操作DB0-DB7八位數據端，最終實現液晶顯示屏顯示實時位置信息。

4 結束語

應用C8051F060單片機設計了對三維移動測試裝置進行遠距離控制的手持控制器，該控制器通過RS422串口與PC機通信，實現對三個運動軸在正負方向上以點動或連續的36種運動情況進行控制，同時能夠通過液晶顯示屏顯示各軸實時位置信息。經試制和試驗，該手持控制器完全滿足用戶需求，具有一定的通用性和實用推廣性。手持控制器實物圖如圖6所示。

圖6 手持控制器實物圖

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