基于觸摸屏技術(shù)的運動控制器

俞 鵬 賀 順 王 永 袁 奕 陳家輝

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基于觸摸屏技術(shù)的運動控制器

俞 鵬 賀 順 王 永 袁 奕 陳家輝

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

目前 ，我國是世界上經(jīng)濟發(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)升級和換代對運動控制器的市場需求越來越大。

基于嵌入式控制芯片的運動控制器可以在沒有PC機的情況下使用，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)備上將會成為不二的選則。

運動控制器硬件設(shè)計簡介

本運動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，步進電機及驅(qū)動設(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。而步進電機和驅(qū)動設(shè)備是我們的控制對象。

觸摸屏程序設(shè)計

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

觸屏的程序設(shè)計。

觸摸屏的原理簡單來講，它上面有一個XPT2046，它是一個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)計觸摸屏函數(shù)時，就是不斷掃描屏幕是否按下，當屏幕按下的時候，相應(yīng)按下的標志置位，并且得到按下的點的坐標。

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按鍵。我們可以先確定想要畫的按鍵位置，然后根據(jù)4個頂點坐標畫一個按鍵的框，該框的坐標值是已知的，程序中先判斷按鍵是否按下，如果按下，判斷按下的點是否在坐標的范圍內(nèi)，便可確定顯示屏上的這個按鍵是否按下，然后實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

多界面的制作和切換。

由于考慮到運動控制器界面的復(fù)雜性，我們可能需要多個界面，那這些界面該如何切換呢？事實上，我們這里運用了狀態(tài)機的思想。每一個界面作為一種狀態(tài)，定義了一個狀態(tài)變量。在while（1）中，使用了一個switch語句，通過狀態(tài)變量來顯示相應(yīng)的界面，每個界面中都會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。

運動控制器的指令設(shè)計

我們設(shè)計的運動控制器提供的指令有位移指令、延時指令、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，將所有的指令實現(xiàn)為中文，使得操作的難度大大降低。

指令的存儲格式

下面我們介紹下指令的格式。所有的指令都有自己的序號，名稱和操作數(shù)。第一列的00～04為序號，第二列的位移、時間等為指令名稱，第三列則為操作數(shù)。為了存儲的方便，存儲指令的時候?qū)嶋H上是用結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)。定義了一個指令結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體的成員為名稱和操作數(shù)。然后建立一個指令的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，指令的名稱是一個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）。事實上并不是每一個指令都需要4位操作數(shù)，這樣做的原因是為了程序存儲時數(shù)據(jù)對齊。

指令名稱　代號　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、加速時間　移動相應(yīng)距離延時指令　0x02　延時時間　延時相應(yīng)時間輸入指令　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　程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的序號處掃描端口，電平狀態(tài)，起始序號a，結(jié)束序號b循環(huán)指令　0x07　起始序號a、結(jié)束序號b、循環(huán)次數(shù)c執(zhí)行a～b序號之間的程序，執(zhí)行次數(shù)為c結(jié)束指令　0x08　無　程序結(jié)束

指令的解釋和運行

在運行之前，需要對指令做解釋。解釋的總體思路是根據(jù)指令內(nèi)部存儲代號來分別解釋，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，然后送入相應(yīng)的函數(shù)做解釋得到指令參數(shù)。

指令運行時，程序中有一個變量j初始化為0，然后讀取數(shù)組第一條指令的代號，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，讀取第二個指令的名稱，繼續(xù)執(zhí)行，直到讀取到結(jié)束指令時停止。

實現(xiàn)步進電機的加減速

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

本文采用定時器的PWM模式，設(shè)定占空比為50%，使能定時器的溢出中斷。步進電機的啟動參數(shù)為加減速時間，速度最大值，脈沖個數(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，脈沖個數(shù)小，使得運行達不到最大速度，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行狀態(tài)，速度曲線大致為梯形。

具體實現(xiàn)時，先計算中點P=N/2，定時器每發(fā)出一個脈沖便會進入溢出中斷，并對脈沖個數(shù)進行計數(shù)，并且根據(jù)式子（1）和（2）計算出下一個脈沖的速度，根據(jù)速度改變定時器的頻率。當個數(shù)小于P時，逐脈沖進行比較，當前速度是否達到最大速度，如果達到，記錄下當前的脈沖個數(shù)P1， P1～（N-P1）階段為勻速階段，而到（N-P1）時電機進入減速階段，這時的加速曲線為梯形。如果到中點P時還未達到最大速度，說明設(shè)置的參數(shù)達不到，此時在中點開始減速，加速曲線變?yōu)槿切?。其?/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)過多次實驗，確定本運動控制器啟動運行平穩(wěn)，最高速度能達到10K，能正確完成各項指令，能緊急停止，穩(wěn)定性很高。本文的運動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。而且因為是中文指令，編程難度顯著下降。本運動控制器在工業(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級本科，自動化數(shù)控專業(yè)，目前研究單片機、嵌入式等方向。

基金類別：江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目（201511276057X）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目（201511276002Z）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.029