紫外LED照射器的人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

吳韻輝，吳云峰，鄧麒麟，孫文博

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054）

紫外光固化技術(shù)是利用波長(zhǎng)短的紫外線照射光固化涂料，產(chǎn)生化學(xué)作用而粘合元器件的技術(shù)，紫外固化技術(shù)相對(duì)于普通的熱干燥固化技術(shù)，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(diǎn)[1]，可以保護(hù)敏感元件，因此在高精度光學(xué)鏡頭粘合，特種儀器焊接等現(xiàn)代精密儀器制造工業(yè)中有重要作用。

在光固化的工業(yè)應(yīng)用中，隨著科技的發(fā)展，對(duì)固化技術(shù)的精度要求也越來越高，隨著LED制造工藝的發(fā)展，大功率LED制造技術(shù)的成熟，紫外LED被研制出來之后，具有波長(zhǎng)范圍小，光強(qiáng)穩(wěn)定可調(diào)的特點(diǎn)，因此其在光固化技術(shù)上的應(yīng)用成了研究的熱點(diǎn)[2]，國(guó)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(shù)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先水平，但其輸出功率固定，顯示模式單一，無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，本課題設(shè)計(jì)的顯示模塊，應(yīng)用于紫外光固化控制設(shè)備的人機(jī)交互系統(tǒng)中，不僅有輸出模式的靜態(tài)顯示界面，而且具有照射功率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示界面，可應(yīng)用于更加智能化的紫外LED照射器人機(jī)交互系統(tǒng)，以便滿足現(xiàn)代高精度工業(yè)中不同環(huán)境的需要。

1 人機(jī)交互模塊的實(shí)現(xiàn)原理

人機(jī)交互模塊的實(shí)現(xiàn)，需要硬件和軟件的協(xié)調(diào)支持，如圖1所示，顯示程序的調(diào)用，是通過狀態(tài)機(jī)（state machine）也稱作操作平臺(tái)（operation platform）互相調(diào)配來實(shí)現(xiàn)，顯示程序?qū)?shù)據(jù)載入顯示緩存，再由設(shè)定好的顯示驅(qū)動(dòng)程序，將顯示緩存中的內(nèi)容顯示到液晶屏上。其工作原理如圖1所示。

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

1.1 硬件實(shí)現(xiàn)原理

軟件設(shè)計(jì)是基于硬件平臺(tái)的，軟件才有發(fā)揮需要硬件平臺(tái)的支持，因此必須先實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本課題的顯示模塊應(yīng)用于紫外LED照射器的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由人機(jī)交互單元、數(shù)據(jù)處理單元和系統(tǒng)控制單元、配置信息保存單元、大功率LED驅(qū)動(dòng)電源和特殊設(shè)計(jì)的LED光學(xué)探頭組合構(gòu)成[3]，系統(tǒng)的控制核心是基于ADI公司的Blackfin 531DSP處理器，采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的FPGA主要用于收集按鍵采集信號(hào)、實(shí)現(xiàn)SDRAM擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)紫外LED電源；DSP處理器主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模塊的驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(qū)動(dòng)。PPI（Parallel Port Interface）接口是Blackfin DSP處理器的并行數(shù)據(jù)接口，主要用于數(shù)據(jù)的高速傳輸。它包括16位數(shù)據(jù)線，3個(gè)同步信號(hào)和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。PPI接口直接與DMA通道整合，數(shù)據(jù)傳輸寬度可靈活配置，支持8位、10～16位等多種數(shù)據(jù)寬度[4]。

由于LQ043T3DX02為24位彩色LCD，紅、綠、藍(lán)各8位數(shù)據(jù)輸入，而PPI只有16位數(shù)據(jù)輸出，故將紅、綠、藍(lán)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(shí)色彩幾乎沒有差別[5]。

1.2 PPI驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

PPI驅(qū)動(dòng)主要包括PPI的設(shè)置、DMA的設(shè)置和定時(shí)器的設(shè)置3個(gè)部分。

1）PPI的設(shè)置

PPI給LCD提供了一個(gè)并口，使DSP和LCD和之間可以更加容易連接。PPI支持的運(yùn)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(shè)計(jì)中，將DSP中的數(shù)據(jù)輸出到夏普的LQ043T3DX02LCD是通過PPI實(shí)現(xiàn)的，所以使用的是General Purpose模式中的TX模式，并且其內(nèi)部幀同步有2個(gè)。PPI的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)由FPGA提供。幀同步信號(hào)的作用在于控制圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)序，2個(gè)幀同步引腳分別用來向LCD發(fā)送HSYNC和VSYNC信號(hào)，LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖3所示。

圖3 LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖Fig.3 LCD driver timing diagram

因?yàn)楸菊n題的LCD顯示開關(guān)控制信號(hào)DISP由FPGA提供，液晶開關(guān)控制是由DSP控制FPGA中對(duì)應(yīng)寄存器的值實(shí)現(xiàn)間接的。

本設(shè)計(jì)中的PPI設(shè)置實(shí)現(xiàn)如下：

*pPPI_DELAY=65；

*pPPI_COUNT=320－1；//每行傳輸字節(jié)數(shù)，應(yīng)該比實(shí)際值小1

2）DMA 的設(shè)置

DMA控制器為數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)通道，使數(shù)據(jù)可以在存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和有DMA功能的外設(shè)之間進(jìn)行傳輸。在本課題的PPI驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)需要在外接的65MSDRAM外部存儲(chǔ)器和PPI中進(jìn)行傳輸。

在本設(shè)計(jì)中，具體的DMA設(shè)置如下：

*pDMA0_X_COUNT=320：

*pDMA0_X_MODIFY=2；//因?yàn)槊總€(gè)字是兩個(gè)字節(jié)，其寬度為2，所以設(shè)置為2

*pDMA0_Y_COUNT=262；//通過 LCD 的 DATA Sheet手冊(cè)可知，在整屏的數(shù)據(jù)傳輸中，前面19行和后面的3行是無(wú)效的，這是LCD液晶屏的時(shí)序所要求的，所以3+19+240=262.

*pDMA0_Y_MODIFY=2；

3）定時(shí)器設(shè)置

在PPI的2幀同步模式下，Timer1和2的引腳分別變?yōu)镻PI_FSl和PPI_FS2。如果PPI設(shè)置為傳輸數(shù)據(jù)，則定時(shí)器必須設(shè)置為產(chǎn)生需要的輸出幀同步脈沖。通常在視頻應(yīng)用中，同步幀1為HSYNC信號(hào)，同步幀2為VSYNC信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，具體的DMA設(shè)置的實(shí)現(xiàn)如下。

//對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器使用PWM_CLK，當(dāng)timer1和timer2對(duì)點(diǎn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到了設(shè)置的次數(shù)的時(shí)候，那么會(huì)在Out引腳輸出一個(gè)有效電平，然后計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。

*pTIMER_ENABLE=TIMEN1 l TIMEN2；//使能定時(shí)器1和2

1.3 圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

用戶圖形界面的實(shí)現(xiàn)，除了硬件電路模塊的支持外還需要豐富的軟件系統(tǒng)的支持，而其中最基礎(chǔ)，也是最不可或缺的是圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。用戶圖形界面的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)最基本的庫(kù)函數(shù)簡(jiǎn)單的包括畫點(diǎn)、畫線、畫矩形，復(fù)雜的包括填充矩形、畫圓形，以及放置bmp格式的圖案庫(kù)函數(shù)，要實(shí)現(xiàn)顯示中、英文等功能，需要設(shè)計(jì)字庫(kù)函數(shù)，本系統(tǒng)基于強(qiáng)大的Visual DSP++5.0Kernel（VDK），擁有強(qiáng)大的圖形庫(kù)，所以可以支持復(fù)雜的用戶圖形界面[6]。

要實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面，僅僅有了繪制圖形的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，圖形庫(kù)只能形成單一的畫面，但是要想形成切合用戶習(xí)慣的可操作圖形界面的話，還需要在后臺(tái)有一個(gè)功能強(qiáng)大，并且穩(wěn)定的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它決定了負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的狀態(tài)，就是我們平常說的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)根據(jù)用戶的外界按鍵輸入，以及系統(tǒng)當(dāng)前的特定工作狀態(tài)來決定系統(tǒng)的下一步狀態(tài)，從而調(diào)用相應(yīng)的圖形界面，如此，便實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)思路

對(duì)于用戶圖形界面的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的模塊，要考慮到用戶在復(fù)雜的應(yīng)用情況下對(duì)操作界面的需求，我們將這些界面分成不同的種類，設(shè)計(jì)流程如圖4所示，一種是靜態(tài)的配置狀態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)的輸出狀態(tài)實(shí)時(shí)變化顯示，對(duì)于靜態(tài)界面，我們可以用格式轉(zhuǎn)化軟件將bmp格式圖像轉(zhuǎn)化成二維數(shù)組載入到顯示緩存中來顯示當(dāng)前的固定配置界面。

一般來說，編程人員在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)顯示界面的時(shí)候，如果按照常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，會(huì)使用一些全局變量作為不同狀態(tài)、不同模式下的標(biāo)志，這樣可以實(shí)現(xiàn)圖形界面的改變，但這會(huì)導(dǎo)致變量的數(shù)量過多，從而引起變量之間的搭配成倍的增加，隨著工作復(fù)雜程度的真假，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移關(guān)系也就會(huì)劇烈的增加，這會(huì)讓開發(fā)者陷入復(fù)雜的邏輯問題。

圖4 圖形界面設(shè)計(jì)流程Fig.4 GUI design process

為了解決上述問題，改變普通的設(shè)計(jì)方法，盡量少設(shè)可以改變的狀態(tài)，使貫穿與整個(gè)界面顯示系統(tǒng)的只有一兩個(gè)狀態(tài)量，如果想得到新的界面信息，只需要改變特定的一兩個(gè)狀態(tài)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(jié)構(gòu)作為輔助，這樣設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，非常簡(jiǎn)明而且易于控制和修改。在使用過程中通過對(duì)鍵值的解析，得到對(duì)應(yīng)的界面。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在配置狀態(tài)顯示顯示中，顯示緩存模塊起著至關(guān)總要的地步，改變顯示緩存，即可實(shí)現(xiàn)顯示界面的改變，對(duì)于配置狀態(tài)的顯示界面，只需調(diào)用將預(yù)先設(shè)置好的bmp圖像通過軟件轉(zhuǎn)成二維數(shù)組，在鍵值的激發(fā)下載入緩存，再由驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒕彺鎯?nèi)容顯示到液晶屏上。

紫外LED照射器工作時(shí)的配置狀態(tài)顯示效果如圖5所示。

圖5 配置狀態(tài)圖形界面Fig.5 GUI of configuration state

照射器工作時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的時(shí)候，不需要經(jīng)常變動(dòng)對(duì)話框和廠家標(biāo)識(shí)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(yè)來顯示。第1頁(yè)顯示的是靜態(tài)的背景參數(shù)，曲線參數(shù)和電壓電流值是在頻繁刷新，將其放置在第2頁(yè)，將2頁(yè)的內(nèi)容同時(shí)載入顯示緩存，由驅(qū)動(dòng)程序輸出到LCD。這樣，在照射器工作的時(shí)候，只需不停地更改和調(diào)用第1頁(yè)的內(nèi)容，而不改變第1頁(yè)的背景參數(shù)。有鍵盤操作的時(shí)候再切換顯示界面[7]。

動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)顯示效果如圖6所示。

圖6 輸出狀態(tài)圖形界面Fig.6 GUI of output state

4 結(jié) 論

目前國(guó)內(nèi)外的紫外照射器的人機(jī)交互模塊單一，在整體性和用戶的可操作性上均無(wú)法滿足某些復(fù)雜的工業(yè)需求，本文從紫外LED控制平臺(tái)的Blackfin 531處理器的PPI接口驅(qū)動(dòng)出發(fā)，基于Visual DSP++5.0軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了紫外LED人機(jī)交互顯示模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，成功顯示了照射器的配置工作狀態(tài)和輸出工作狀態(tài)，使紫外LED照射器的控制平臺(tái)具有更加智能化的人機(jī)交互模塊。

在未來，隨著國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，國(guó)內(nèi)的高精度工業(yè)的發(fā)展，對(duì)紫外LED照射器這種高精度紫外光固化焊接產(chǎn)品的需求將會(huì)越來越高，因此，對(duì)該人機(jī)交互系統(tǒng)的中文字庫(kù)的設(shè)計(jì)將是本課題的下一個(gè)重點(diǎn)。

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