基于觸摸屏技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器

俞 鵬 賀 順 王 永 袁 奕 陳家輝

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基于觸摸屏技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器

俞 鵬 賀 順 王 永 袁 奕 陳家輝

目前的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)備普遍缺乏美觀的人機(jī)界面，本文將在普通的運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上增加一塊觸摸屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的優(yōu)化，并且實(shí)現(xiàn)中文指令的輸入，從而改善運(yùn)動(dòng)控制器的交互性與整體性能。

目前 ，我國是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家之一，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)和換代對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的市場需求越來越大。

基于嵌入式控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制器可以在沒有PC機(jī)的情況下使用，降低了設(shè)備成本，集成了觸摸屏和中文控制指令則可以降低用戶使用難度，在一些加工工藝較為簡單的生產(chǎn)設(shè)備上將會(huì)成為不二的選則。

運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)簡介

本運(yùn)動(dòng)控制器采用意法半導(dǎo)體公司的stm32f103vct6作為核心處理器，外圍設(shè)備有一塊電阻式的觸摸屏，輸入輸出端口，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。觸摸屏用于輸入指令以及界面顯示。輸入輸出端口用于與外部其他設(shè)備的通信。而步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備是我們的控制對(duì)象。

觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是觸屏程序設(shè)計(jì)，一個(gè)是顯示程序設(shè)計(jì)。

觸屏的程序設(shè)計(jì)。

觸摸屏的原理簡單來講，它上面有一個(gè)XPT2046，它是一個(gè)四線制觸摸屏控制器，內(nèi)含12位分辨率125KH轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。XPT2046能通過執(zhí)行兩次A/D轉(zhuǎn)換查出被按的屏幕位置。所以設(shè)計(jì)觸摸屏函數(shù)時(shí)，就是不斷掃描屏幕是否按下，當(dāng)屏幕按下的時(shí)候，相應(yīng)按下的標(biāo)志置位，并且得到按下的點(diǎn)的坐標(biāo)。

下面我們來介紹一下如何根據(jù)上述原理在觸摸屏上做一個(gè)按鍵。我們可以先確定想要畫的按鍵位置，然后根據(jù)4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)畫一個(gè)按鍵的框，該框的坐標(biāo)值是已知的，程序中先判斷按鍵是否按下，如果按下，判斷按下的點(diǎn)是否在坐標(biāo)的范圍內(nèi)，便可確定顯示屏上的這個(gè)按鍵是否按下，然后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

多界面的制作和切換。

由于考慮到運(yùn)動(dòng)控制器界面的復(fù)雜性，我們可能需要多個(gè)界面，那這些界面該如何切換呢？事實(shí)上，我們這里運(yùn)用了狀態(tài)機(jī)的思想。每一個(gè)界面作為一種狀態(tài)，定義了一個(gè)狀態(tài)變量。在while（1）中，使用了一個(gè)switch語句，通過狀態(tài)變量來顯示相應(yīng)的界面，每個(gè)界面中都會(huì)有按鍵可以改變狀態(tài)變量，上圖中的翻頁鍵和設(shè)置鍵便是指向其他界面的鍵。

運(yùn)動(dòng)控制器的指令設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器提供的指令有位移指令、延時(shí)指令、速度指令、輸入指令、輸出指令、掃描指令、跳轉(zhuǎn)指令、結(jié)束指令。與傳統(tǒng)的控制器不同的是，我們通過取模軟件取模，將所有的指令實(shí)現(xiàn)為中文，使得操作的難度大大降低。

指令的存儲(chǔ)格式

下面我們介紹下指令的格式。所有的指令都有自己的序號(hào)，名稱和操作數(shù)。第一列的00～04為序號(hào)，第二列的位移、時(shí)間等為指令名稱，第三列則為操作數(shù)。為了存儲(chǔ)的方便，存儲(chǔ)指令的時(shí)候?qū)嶋H上是用結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)。定義了一個(gè)指令結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體的成員為名稱和操作數(shù)。然后建立一個(gè)指令的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，指令的名稱是一個(gè)char型字符，從0x00～0x08（包含空指令）。而指令的操作數(shù)是4位的char型數(shù)組（除了位移指令）。事實(shí)上并不是每一個(gè)指令都需要4位操作數(shù)，這樣做的原因是為了程序存儲(chǔ)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)齊。

指令名稱　代號(hào)　指令參數(shù)　用途空指令　0x00　無　不做任何輸出位移指令　0x01　位移、速度、加速時(shí)間　移動(dòng)相應(yīng)距離延時(shí)指令　0x02　延時(shí)時(shí)間　延時(shí)相應(yīng)時(shí)間輸入指令　0x03　輸入端口X1～X8，輸入電平程序暫停，直到輸入端口為相應(yīng)電平繼續(xù)執(zhí)行輸出指令　0x04　輸出端口Y1～Y8，輸出電平　Y口輸出相應(yīng)電平掃描指令　0x05當(dāng)端口為相應(yīng)狀態(tài)后，執(zhí)行a～b之間的程序。跳轉(zhuǎn)指令　0x06　跳轉(zhuǎn)的程序序號(hào)　程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的序號(hào)處掃描端口，電平狀態(tài)，起始序號(hào)a，結(jié)束序號(hào)b循環(huán)指令　0x07　起始序號(hào)a、結(jié)束序號(hào)b、循環(huán)次數(shù)c執(zhí)行a～b序號(hào)之間的程序，執(zhí)行次數(shù)為c結(jié)束指令　0x08　無　程序結(jié)束

指令的解釋和運(yùn)行

在運(yùn)行之前，需要對(duì)指令做解釋。解釋的總體思路是根據(jù)指令內(nèi)部存儲(chǔ)代號(hào)來分別解釋，將4位的操作數(shù)轉(zhuǎn)換為有效的參數(shù)。按順序讀入指令，判斷其代號(hào)，然后送入相應(yīng)的函數(shù)做解釋得到指令參數(shù)。

指令運(yùn)行時(shí)，程序中有一個(gè)變量j初始化為0，然后讀取數(shù)組第一條指令的代號(hào)，判斷是哪種指令，執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，并將上述由操作數(shù)做解釋后的指令參數(shù)作為形參傳入。執(zhí)行完一條程序后返回，j自加1，讀取第二個(gè)指令的名稱，繼續(xù)執(zhí)行，直到讀取到結(jié)束指令時(shí)停止。

實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速

我們先簡單的介紹下步進(jìn)電機(jī)。由于我們使用了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，這里只需要對(duì)該驅(qū)動(dòng)輸入相應(yīng)的脈沖和方向便可控制電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是每發(fā)一個(gè)脈沖走一個(gè)角度，所以它的速度取決于發(fā)送脈沖的頻率。

本文采用定時(shí)器的PWM模式，設(shè)定占空比為50%，使能定時(shí)器的溢出中斷。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)參數(shù)為加減速時(shí)間，速度最大值，脈沖個(gè)數(shù)。本文所使用的加減速為直線加減速。加減速過程分為兩種情況，一種由于速度值設(shè)置過大，脈沖個(gè)數(shù)小，使得運(yùn)行達(dá)不到最大速度，只有加速和減速過程，速度曲線大致為三角形。另一種便是既有加減速又有勻速運(yùn)行狀態(tài)，速度曲線大致為梯形。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，先計(jì)算中點(diǎn)P=N/2，定時(shí)器每發(fā)出一個(gè)脈沖便會(huì)進(jìn)入溢出中斷，并對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且根據(jù)式子（1）和（2）計(jì)算出下一個(gè)脈沖的速度，根據(jù)速度改變定時(shí)器的頻率。當(dāng)個(gè)數(shù)小于P時(shí)，逐脈沖進(jìn)行比較，當(dāng)前速度是否達(dá)到最大速度，如果達(dá)到，記錄下當(dāng)前的脈沖個(gè)數(shù)P1， P1～（N-P1）階段為勻速階段，而到（N-P1）時(shí)電機(jī)進(jìn)入減速階段，這時(shí)的加速曲線為梯形。如果到中點(diǎn)P時(shí)還未達(dá)到最大速度，說明設(shè)置的參數(shù)達(dá)不到，此時(shí)在中點(diǎn)開始減速，加速曲線變?yōu)槿切巍Ｆ渲?/p>

加速過程中使用的公式為：

減速過程中使用的公式為：

結(jié)束語

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，確定本運(yùn)動(dòng)控制器啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，最高速度能達(dá)到10K，能正確完成各項(xiàng)指令，能緊急停止，穩(wěn)定性很高。本文的運(yùn)動(dòng)控制器能夠用于多種場合，例如送料系統(tǒng)、幕布的起降系統(tǒng)等。而且因?yàn)槭侵形闹噶睿幊屉y度顯著下降。本運(yùn)動(dòng)控制器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的意義。

俞 鵬 賀 順 王 永 袁 奕 陳家輝

俞鵬，男，江蘇南通人，就讀于南京工程學(xué)院，2013級(jí)本科，自動(dòng)化數(shù)控專業(yè)，目前研究單片機(jī)、嵌入式等方向。

基金類別：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201511276057X）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201511276002Z）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.029