文献阅读与开题报告

第一部分：文献阅读与开题报告第1章文献综述1.1课题研究背景及意义良好的人机接口可以为用户提供友好的操作界面，这对于系统的应用广泛与否有着重要的影响。本课题即为参考三菱通用交流伺服系统MELSERVO-J2-Super系列的参数表为伺服控制器设计人机接口部分。选用TMS320f28035芯片完成对液晶显示器的控制，使得用户设定的参数能够实时显示。1.1.1交流伺服控制系统[1]交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统，具有稳定性好、速度快、精度高等特点。它最早被应用到航天及军事领域。而后逐渐进入到工业领域和民用领域，如高精度数控机床、机器人、纺织和印刷机械、医疗设备、自动化流水线等。其电机的类型主要有永磁同步交流伺服电机和感应异步交流伺服电机。其中，永磁同步电机低速性能优良、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，是伺服系统的主流之选。而异步伺服电机则结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性和效率上与永磁式电机存在一定差距，多用于大功率场合。交流伺服系统的性能指标主要有调速范围、定位精度、动态响应和稳定性等方面。至今国产产品和世界先进水平依旧存在较大差距。比如三菱伺服电机MR－J3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品则多在200～500Hz。1.1.2三菱通用交流伺服系统三菱通用交流伺服系统MELSERVO-J2-Super系列是在MELSERVO-J2系列的基础上开发的具有更高性能、更多功能的伺服系统。此型号的伺服放大器应用领域广泛，除了在工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度的场合应用外，也可用于速度控制和张力控制。MELSERVO-J2-Super系列有RS-232C和RS-422串行通讯功能。通过设置软件即可进行参数设定、试运行、状态显示和增益调整等操作其控制模式主要分为3种：位置控制、速度控制和转矩控制。还可以选择切换控制方式，如位置/速度控制、速度/转矩控制、转矩/位置控制。完成控制的过程中用户可以自设定各相关参数值，而本课题即以TMS320f28035芯片为平台，参考此三菱通用交流伺服系统的参数来设计人机接口部分。[2]1.2伺服控制器的人机接口设计概述液晶显示器由于具有体积小、外形薄、功耗低、重量轻、工作驱动电压低、无辐射、视域较宽、显示信息量大等优点而在各种仪器仪表和测控系统中作为显示模块得到大量的应用。而数据信号处理器（DSP）则因为其超强的计算处理能力而在航空、通信、图像处理等方面广泛使用，甚至可以说是无处不在。伺服控制器的人机接口这一课题则使用数据信号处理器控制液晶显示器，以达到显示用户选定的控制参数的目的。1.2.1TMS320f28035芯片[3]F28035是德州电子在2010年推出的Piccolo系列开发套件。它包含两个部分：XDS100V1仿真器，MiniF28035开案板，小巧玲珑。用户可以以极高的性价比在其基础上进行二次开发、学习。该系统的仿真器提供14针标准JTAG仿真接口，具有极好的通用性和兼容性，兼容CCS3.3和CCS4。可以认为2803X系列是F2812的精简版，具有更低的价格。2803X系列的核心结构和各个寄存器与280X系列相统一，可以非常方便的将原有280X系列DSP平台中的程序移植到2803X中。F28035内部集成FLASH/OTPROM和RAM，使用变得非常简单，成本平易，性价比极高。芯片采用单电源供电，内部集成1.8V电源给内核供电，采用了上电复位电路，外接阻容就可以工作。且内部集成了振荡器，不需外接晶体，节省成本。CCS是用于开发DSP芯片的集成开发环境，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能为一体。有软件仿真器模式和硬件在线编程模式两种工作模式。1.2.2开发环境——CCS3.3和CCS4概况[4]TI提供多种开发工具以快速实现基于DSP的应用设计，即从概念到编码/编译、调试、分析和校正，并完成测试。这许多工具都是TI的实时eXpressDSP软件及开发工具策略的一部分，这对设计中快速起步并节省时间非常有帮助。CCSIDE中强大的DSP集成开发工具eXpressDSP软件包括：1.可扩展性，实时软件基础：DSP/BIOS内核2.应用程序互操作性和再使用标准：TMS320系列DSP算法标准3.设计就绪代码对许多应用很常用，用它可以快速开始DSP设计与常用软件开发程序类似，基于DSP的应用程序开发包括四个基本阶段：应用设计、代码创建、调试、分析与调整。因为CodeComposerStudiov4.0(CCSv4)现在是基于Eclipse3.2IDE开源软件框架的新版本，所以与所有旧版C2000Collateral所基于CodeComposerStudiov3.x(CCSv3.x)相比，两者之间存在多处差异。1.2.3SPI串行外设接口串行外设接口（SPI）是一个高速同步串行输入输出口，允许可编程位长的串行位流以可编程的位传输率移入或移出器件。SPI通常用于DSP控制器和外设或另一个处理器之间的通信。SPI支持主/从形式的多机通信。本课题中使用SPI接口完成对于外设液晶显示的控制。SPI模块可以工作在主、从两种模式，其四个外部引脚分别为串行外设从输出/主输入引脚、从输入/主输出引脚、串行外设从传送使能引脚、串行时钟引脚。SPI接口有四种时钟配置，包括下降沿无相位延时、下降沿有相位延时、上升沿无相位延时、上升沿有相位延时。其中下降沿无相位延时即在时钟信号下降沿发送数据，在时钟信号的上升沿接收数据；下降沿有相位延时即SPI在信号下降沿的前半个周期发送数据，在时钟信号的下降沿接收数据；上升沿无相位延时方式为在时钟信号的上升沿发送数据，在下降沿接收数据；上升沿有相位延时即SPI在信号下降沿的前半个周期发送数据，在上升沿接收数据。[5]1.2.4液晶显示器MzLH03-12864为一块128X64点阵的LCD显示模组，模组自带两种字号的一、二级汉字库，并且自带基本绘图GUI功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等；此外还自带有两种字号的ASCII码西文字库。模组上为串行SPI接口，除电源线之外通讯仅需要连接一根片选线（CS）、一根时钟线（SCK）、一根数据线（SDA）以及一根BUSY线即可；接口简单、操作方便；与各种MCU均可进行方便简单的接口操作。MzLH03-12864最有特色的是其自带的基本绘图GUI功能，用户只需要写入一些简单的命令，就可以绘出直线、矩形或者是圆形等，用户代码中无需进行繁琐的计算和操作。MzLH03模块的显示面板上，共分布着128×64个单色像素点，每个像素点均与模块中的显示控制器中的显存有着对应关系，控制器中共有1Kbyte的显存映射着整个屏幕的显示区域；不过与一般的单色液晶模块不同，MzLH03模块内部的显示控制器是不需要用户来直接控制这些显存的数据来改变显示的画面的，而只需要通过控制器所提供的各种接口指令就可以完成各种显示了。MzLH03将显示区域性以X和Y轴进行二维的坐标划分，将横向和纵向以X轴地址（XAddress）和Y轴地址（YAddress）表示，分别可以寻址的范围为XAddress=0~127，YAddress=0~63，XAddress和YAddress交叉对应着一个像素点。[6]1.3国内外研究现状控制系统的商业成功归于三种因素：其一为技术能力，其二为市场能力，最后是期望能力。人机接口设计就是要把控制系统与用户沟通交流的部分设计好，这样才能保证系统的可用性，以达到用户的期望，即此系统的期望能力。由于液晶显示器体积小、功耗低、重量轻、工作驱动电压低、无辐射、显示信息量大；而数据信号处理器（DSP）则有着超强的计算处理能力，各领域已广泛使用DSP控制液晶显示作为人机接口的信息交互部分。1.3.1国外研究现状TI公司（德州仪器）是全球最大一家DSP生产厂商，其他主要的厂商还有ADI和Motorola等。而国内DSP厂商不多，而且由于技术和应用领域所限，其价值也并不十分高。国内大部分控制系统所需DSP仍依赖外国进口。在这方面我国和国际水平有着一定的差距。由于半导体、微纳电子技术的迅速发展，数据信号处理器（DSP）在近十年已进入了成熟完善期。从国际技术发展来看，高集成化和多功能融合是DSP产业发展的两个主要方向。现今的DSP产品在完成外设控制时其高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄露等问题，而且系统的功耗也较大。因此目前数字信号处理器技术主要追求使用新工艺获得更小面积、更低功耗和更高性能的高集成度，同时试图获得更高的运算速度，以跟上不断提速的电子设备的步伐。除此之外，半导体技术的迅猛发展也使得内核结构改善成为可能，多内核架构已是DSP产品发展的的新方向。与其他技术的融合是DSP发展的另一趋势，与SOC融合、与CPU融合以及与微处理器融合而衍生出的产品曾出不穷。集成在硅片上的电路功能不断增多和加强，技术发展迅速，而销售价格也在逐年降低。目前，DSP的结构、资源和接口技术都趋于标准化，尤其接口标准化进展速度更快。这位DSP在各个领域的应用都提供了极大便利。[7]1.3.2国内研究现状如上文所述，国内在DSP技术方面与国际水平仍有着一定的差距。但是近几年在半导体技术迅速发展的带动下也在大幅前进。相信不久的将来我国国产DSP也将在世界占有一席之地。除此之外，我国在使用DSP控制系统的方法上也做了大量研究。以控制液晶显示为例，曾经大部分人机接口的显示使用单片机控制并且用取模软件提取字模数据代码的方法来实现显示，但这样要占用大量的I/0资源同时显示特殊图时不方便。现今研究人员采用高性能增强型F2812芯片来完成显示，即用上位机生成显示所需窗口的BMP文件，从中提取数据并烧写到TMS320F2812flash中，同时配合按键即可实现液晶显示模块的应用。[8]软件上采用“中断计数”方法来对键盘进行扫描管理，在按键的功能子程序中对相应的显示程序调用。进而使得人机系统在尽可能少的占用资源的前提下，给控制系统提供友好的操作界面。[9]在键盘的管理中，需要解决最基本的三个问题：是否有键按下、按键消抖和键值获取问题。键盘去抖只能依靠软件的方式来实现，如果采用常规的程序延时查询去抖方法，则会降低系统微处理器的指令执行效率。因此，在键盘的管理中，研究者使用“定时器中断一计数”的方法来实现键盘管理。即在定时器溢出的中断服务子程序中对中断次数进行计数，根据计数次数并结合即时的按键状态来进行判断，以实现键盘的去抖、键值获取以及对长、短按信息的识别。若按键按下被确认，采用中断计数法对独立式接口键盘进行管理，有效避免了对DSP机时的占用，保证了键盘的实时性和效率。[10]如此设计完成的显示控制系统符合人机工程学开发人机接口的基本原则，其人机交互界面友好，操作容错性强，可靠性高。1.4研究方向三菱通用交流伺服系统的应用领域十分广泛，既可在工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度的场合应用，也可用于速度控制和张力控制。此交流控制系统的控制模式主要分为3种：位置控制、速度控制和转矩控制，还可以切换控制方式。控制的过程中用户可以自设定各相关参数值，而本课题即以TMS320f28035芯片为平台，参考三菱通用交流伺服系统的参数表来设计人机接口部分。良好的人机接口可以为用户提供友好的操作界面，这对于系统的应用广泛与否有着重要的影响。越来越多的开发者在重视控制技术同时也已意识到了人机交互接口对于产品的重要程度。本课题的研究目的及在控制中，用户可以使用键盘选择希望显示的参数的相关数据，如数值、单位、参数说明等等。其中数值为用户在控制中实时设定的，并在此显示部分中进行互动参数显示。课题具体内容主要有：1.硬件用户手册学习。了解所使用芯片、液晶显示器的基本使用、控制方法，完成硬件连接；2.在CCS3.3的开发环境下编写程序完成键盘选择、液晶显示；3.调试系统。1.5存在的问题总体来说，使用DSP和液晶显示完成人机接口的显示部分节约资源且控制简单，与传统的显示系统（单片机、LED）相比有着很大的优势。但是仍