嵌入式點(diǎn)膠控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

鄒連英，高 寧，于寶成

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205；2.武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430205）

點(diǎn)膠是一種生產(chǎn)工藝，最主要的應(yīng)用是在LED封裝領(lǐng)域，是其關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，除此之外還廣泛應(yīng)用于電子封灌、平面密封、網(wǎng)格膠帶、PCB 保護(hù)、螺紋密封等領(lǐng)域[1-3]。 點(diǎn)膠機(jī)可以將膠水或其他溶液點(diǎn)滴到目標(biāo)物體上，將目標(biāo)物體固定，準(zhǔn)確而快速的點(diǎn)膠控制能夠基本滿足裝貼需要。 本設(shè)計(jì)提供了功能完善、開(kāi)發(fā)友好的操作界面解決方案。

當(dāng)前市場(chǎng)上既有成本十分昂貴、性能非常優(yōu)越的智能點(diǎn)膠機(jī)，也有便宜、性能一般、操作基于旋鈕式的點(diǎn)膠機(jī)[4]。 采用四軸運(yùn)動(dòng)控制卡+IO 卡+工控機(jī)（主機(jī)和顯示器）+伺服系統(tǒng)是目前比較流行的自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)控制方案。 這種方案的缺點(diǎn)在于成本高，設(shè)備體積龐大，設(shè)備啟動(dòng)速度慢，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，需要強(qiáng)大的硬件和軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的支持[5-7]。 本次設(shè)計(jì)的方案優(yōu)點(diǎn)在于界面友好方便操作人員學(xué)習(xí)且便于維護(hù)，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，成本較低，性價(jià)比較高，運(yùn)行可靠。

1 點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

觸摸屏與主控芯片之間的通信由USART 串口實(shí)現(xiàn)，連線簡(jiǎn)單[8-9]。 嵌入式智能點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 主控芯片和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的連接可以有RS232 通訊方式、CAN 總線通訊方式和外部脈沖控制方式，由工作環(huán)境確定[10]。在比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下，多用外部模擬量輸入控制方式，由主控芯片引腳輸出PWM 波到驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的工作。 伺服電機(jī)外接24 V 電源和GND，電機(jī)的控制和反饋通過(guò)三相編碼器和驅(qū)動(dòng)器連接其接口實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System hardware structure diagram

1.1 主控芯片的功能和選型

主控芯片負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的模塊功能，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制、通訊、存儲(chǔ)。 控制功能包括控制電機(jī)啟停、系統(tǒng)任務(wù)的中斷和管理、異常處理等。 通訊功能實(shí)現(xiàn)主控芯片與觸摸屏之間的交互，觸摸屏的主要控制關(guān)鍵開(kāi)關(guān)量以及狀態(tài)顯示。 因此，本控制系統(tǒng)采用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)觸摸屏和主控芯片之間的交互，將得到的控制信號(hào)通過(guò)RS232 經(jīng)過(guò)特定的協(xié)議輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器中。 存儲(chǔ)功能主要用來(lái)記錄系統(tǒng)運(yùn)行的重要信息，如開(kāi)機(jī)時(shí)間、異常狀態(tài)信息等[11]。 基于嵌入式的點(diǎn)膠控制系統(tǒng)屬于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，控制器需要高速實(shí)時(shí)地進(jìn)行高速處理，同時(shí)還需有一定的存儲(chǔ)能力。

STM32F407 芯片工作頻率高達(dá)168 MHz，擁有4 個(gè)USRAT 串口接口可以用來(lái)通信，2 個(gè)PWM 定時(shí)器用于電機(jī)脈沖模式控制，多達(dá)1 MB FLASH 可以用來(lái)存儲(chǔ)歷史信息。 本設(shè)計(jì)使用2 個(gè)串口模塊用來(lái)通信，通過(guò)D-Code 數(shù)據(jù)總線來(lái)訪問(wèn)STM32F4 內(nèi)部閃存模塊存取歷史信息。 STM32F4 系列芯片能夠滿足本設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算性能、存儲(chǔ)能力和可擴(kuò)展性的要求。

1.2 點(diǎn)膠機(jī)控制

1.2.1 現(xiàn)有點(diǎn)膠系統(tǒng)的控制方法

點(diǎn)膠系統(tǒng)控制器是用來(lái)聯(lián)通機(jī)器平臺(tái)與點(diǎn)膠閥的紐帶，用來(lái)控制點(diǎn)膠閥開(kāi)關(guān)。 這些控制器根據(jù)點(diǎn)膠機(jī)控制閥的不同分為不同種類，但大多數(shù)控制器與操作人員的信息交互的方式采用LED 顯示參數(shù)、旋鈕或按鍵設(shè)置參數(shù)，可操作性十分有限[12]。

1.2.2 伺服系統(tǒng)和點(diǎn)膠泵控制

本設(shè)計(jì)針對(duì)低成本應(yīng)用場(chǎng)景，采用高性價(jià)比伺服控制解決方案，在確保穩(wěn)定可靠的前提下選擇低壓交流伺服系統(tǒng)。 和普通的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比，噪聲低、轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱小、恒力矩輸出、不丟步；和步進(jìn)伺服電機(jī)系統(tǒng)相比，功能、性能和可靠性更好。 低壓交流伺服系統(tǒng)滿足出膠控制精準(zhǔn)，保證出膠的穩(wěn)定可靠的要求。

螺桿泵點(diǎn)膠在目前的接觸式膠液分配系統(tǒng)中被普遍采用，螺桿泵點(diǎn)膠具有膠量易控制、適宜不同粘度的膠液和成本較低等優(yōu)點(diǎn)[13]。 螺桿泵是最終完成點(diǎn)膠的部件，膠液儲(chǔ)存在物料區(qū)，在電機(jī)施加的恒定壓力下被推吸到螺桿段，螺桿通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，螺桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)膠液在螺槽內(nèi)往外滑動(dòng)， 膠液最終從針頭擠出， 并與目標(biāo)物體接觸、拉斷，最后在目標(biāo)物體上留下一定量的膠粒，完成點(diǎn)膠。 在此過(guò)程中螺桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)在觸摸屏上設(shè)置，是控制出膠量的主要因素，螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)和針頭尺寸只能預(yù)先設(shè)好。 本設(shè)計(jì)采用螺桿點(diǎn)膠泵實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠功能，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用高分辨率的步進(jìn)電機(jī)，精準(zhǔn)控制所需出膠量。

2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)便于用戶實(shí)際操作的人機(jī)交互界面往往能提高控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 人機(jī)界面主要顯示點(diǎn)膠機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)并通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)的交換，為操作人員提供可操作的界面。 這個(gè)人機(jī)交互界面應(yīng)該有必要的引導(dǎo)功能，對(duì)操作人員友好，美觀易懂、能向主控芯片傳遞輸入的參數(shù)以及能實(shí)時(shí)顯示控制設(shè)備的狀態(tài)。

2.1 觸摸屏的選型

并口屏通常采用8 位或16 位的并方式與外部連接。并口屏能對(duì)顯存直接操作，并口屏實(shí)時(shí)放映速度相對(duì)串口屏更快，抗干擾不是很強(qiáng)，適合速度高但是顯示圖片比較簡(jiǎn)單的環(huán)境。 并口屏成本較低，實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)單，但并口的方式會(huì)耗費(fèi)控制器很多資源，主控芯片性能不佳且事務(wù)繁雜不宜采用并口屏。 并口屏的開(kāi)發(fā)需要工程師對(duì)液晶屏的文件管理和顯示原理有了解，開(kāi)發(fā)進(jìn)度慢，產(chǎn)品升級(jí)不方便，處理圖片、文字等工作要工程師自己來(lái)做，一般要有很好的研發(fā)基礎(chǔ)，否則開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品穩(wěn)定性不高。

串口屏通過(guò)串口（USART 232）與主控芯片進(jìn)行通信來(lái)控制顯示屏。 串口屏開(kāi)發(fā)起來(lái)較簡(jiǎn)單，但是反應(yīng)速度比不了并口屏，刷新整個(gè)屏幕的速度會(huì)比較慢。 單片機(jī)通過(guò)協(xié)議來(lái)控制液晶顯示內(nèi)容，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)本身性能要求不是很高，但串口屏?xí)加脝纹瑱C(jī)串口資源。 只需編寫(xiě)串口通信程序就可實(shí)現(xiàn)菜單、文字、圖片操作，對(duì)研發(fā)人員要求低，開(kāi)發(fā)周期要快很多，但價(jià)格相對(duì)并口屏?xí)咭恍?工業(yè)上一般串口屏比并口屏用的多，畢竟串口屏操作簡(jiǎn)單快捷，編寫(xiě)程序代碼也比較簡(jiǎn)單，串口通信也比并口的傳輸速度快，這里選擇串口屏作為觸摸屏設(shè)備。

2.2 人機(jī)界面的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的頁(yè)面，控件下載到觸摸屏設(shè)備中， 集成觸摸屏下內(nèi)置一塊芯片，界面的顯示是觸摸屏設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，主控芯片不需要底層驅(qū)動(dòng)， 底層功能都由觸摸屏設(shè)備封裝好。點(diǎn)擊某個(gè)按鈕，在觸摸屏改變內(nèi)容的同時(shí)，會(huì)發(fā)送指令到主控芯片，通過(guò)程序計(jì)算或選擇，返回指令到觸摸屏，改變屏上的狀態(tài)或某個(gè)值，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)送和返回的指令格式均可以按主控芯片設(shè)定好的格式來(lái)收發(fā)，方便了用戶的開(kāi)發(fā)。 受限于篇幅，這里僅展示觸摸屏主頁(yè)、 菜單和人機(jī)界面結(jié)構(gòu)圖，如圖2～圖4 所示。

圖2 觸摸屏主頁(yè)界面圖Fig.2 Home interface diagram of touch screen

圖3 觸摸屏菜單界面圖Fig.3 Menu interface diagram of touch screen

圖4 人機(jī)界面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Human-machine interface structure diagram

圖2界面為主頁(yè)，左上方7 個(gè)小工具為狀態(tài)顯示，輸出系統(tǒng)的狀態(tài)信息；中間2 個(gè)報(bào)警裝置顯示報(bào)警信息；右上方3 個(gè)按鈕分別用來(lái)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)界面；左下方表示已設(shè)定好的有關(guān)值；右下方表示歷史的報(bào)警信息。 點(diǎn)擊菜單跳轉(zhuǎn)到菜單界面。 菜單頁(yè)面下還能設(shè)計(jì)擴(kuò)展的功能按鍵，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)某種異常情況的時(shí)候，人機(jī)界面自動(dòng)彈出報(bào)警信息，工作人員找到問(wèn)題并對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。

圖3 界面為菜單，左上方4 個(gè)小工具為控制按鈕，右上方輸出模塊的狀態(tài)信息，下方的7 個(gè)按鈕分別用來(lái)切換到 “主頁(yè)”、“測(cè)試”、“待機(jī)”、“校正”、“參數(shù)”、“監(jiān)視”界面。

圖4 為人機(jī)界面結(jié)構(gòu)圖，主頁(yè)和菜單的功能框圖可以在圖2 和圖3 中找到模塊。 點(diǎn)擊主頁(yè)中的菜單則進(jìn)入更深一級(jí)的頁(yè)面選擇，這些頁(yè)面都有其特定功能。 以上結(jié)構(gòu)框圖描述的功能基本能夠滿足一個(gè)點(diǎn)膠機(jī)操作人員能夠?qū)C(jī)器進(jìn)行的所有操作，功能完整且界面友好。

3 系統(tǒng)調(diào)度軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度和參數(shù)的傳遞主要是通過(guò)主控芯片來(lái)控制，主控芯片通過(guò)串口數(shù)據(jù)線控制下位機(jī)并更新觸摸屏顯示。 點(diǎn)擊觸摸屏上不同的按鍵時(shí)，觸摸屏傳遞相應(yīng)的信號(hào)到主控芯片，主控芯片整理信號(hào)并發(fā)送指令控制下位機(jī)。 主控芯片觸摸屏操作的工作流程如圖5 所示。

圖5 主控芯片工作流程圖Fig.5 Flow chart of main control chip

圖中指令的轉(zhuǎn)換和發(fā)送過(guò)程的程序由主控芯片控制并通過(guò)串口傳輸，其中指令轉(zhuǎn)換的代碼還可拆解為觸摸屏更新操作和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制操作，實(shí)際的操作過(guò)程會(huì)一直檢測(cè)串口指令。 點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)調(diào)用初始化函數(shù)，觸摸屏進(jìn)入主頁(yè)。 主頁(yè)函數(shù)中檢測(cè)串口指令，檢測(cè)到串口指令后由主頁(yè)上的菜單項(xiàng)進(jìn)入其他下級(jí)功能頁(yè)面，此功能由主控芯片通過(guò)狀態(tài)機(jī)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。 在每個(gè)頁(yè)面的函數(shù)體中檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)來(lái)的反饋信號(hào)，發(fā)生報(bào)警時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，在觸摸屏上顯示報(bào)警。 步進(jìn)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)方向都由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到的脈沖信號(hào)控制，根據(jù)脈沖信號(hào)模擬量通過(guò)改變速度參數(shù)值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖信號(hào)起始的高低電平?jīng)Q定方向，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的方向信號(hào)，修改當(dāng)前方向控制位的電平狀態(tài)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

本次調(diào)試主要根據(jù)設(shè)計(jì)的界面，點(diǎn)擊界面上的按鈕，觀察觸摸屏按照指定要求工作的情況。 點(diǎn)擊圖2 參數(shù)旁邊的“+”或“-”設(shè)置參數(shù)然后點(diǎn)擊運(yùn)行，電機(jī)按給定的量正常運(yùn)行10 s，，利用精密微量天平稱量10 s 內(nèi)擠出膠液的質(zhì)量將其與給定量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明誤差在3%左右。 點(diǎn)擊待機(jī)按鈕，電機(jī)從任意狀態(tài)停止運(yùn)行。 點(diǎn)擊菜單按鈕，觸摸屏從主頁(yè)切換至菜單頁(yè)面， 菜單頁(yè)面下有其他功能按鍵，分別可以進(jìn)入到不同的功能界面，通過(guò)在觸摸屏輸入?yún)?shù)也可以達(dá)到控制電機(jī)參數(shù)的效果。 這種頁(yè)面切換式的操作方式讓人一目了然，使用方便，運(yùn)行調(diào)試結(jié)果說(shuō)明在該點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)能夠基本達(dá)到預(yù)期顯示和控制效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)方案主要針對(duì)市面上主流的點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)提供人機(jī)操作界面方案優(yōu)化，對(duì)于操作人員更加友好易于維護(hù)， 容易輸入?yún)?shù)和觀察異常報(bào)警。在效率、成本、功能和可操作性等方面進(jìn)行了綜合考慮后，提出了觸摸屏界面的設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)要介紹了關(guān)鍵部分的功能和實(shí)現(xiàn)。 相比一般工廠使用的半自動(dòng)化按鈕式或者單頁(yè)面式的人機(jī)界面，本文提出的人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便了操作人員，而且具有范圍很廣的可擴(kuò)展性，除了可以運(yùn)用在點(diǎn)膠機(jī)上，同樣可以運(yùn)用到其他中小型工作模式類似的儀器上。