基于STC12C5616AD單片機(jī)的操作指示器設(shè)計(jì)

火箭炮能否迅速展開(kāi)火力打擊是衡量其武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的重要因素?；鸺谠趯?duì)目標(biāo)實(shí)施準(zhǔn)確打擊之前，必須對(duì)其進(jìn)行精確的調(diào)平。目前，部隊(duì)在對(duì)火箭炮車(chē)體平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平時(shí)，調(diào)平過(guò)程復(fù)雜，協(xié)調(diào)要求高。調(diào)平過(guò)程通常需要三個(gè)人配合完成，一人站在梯子上觀察放于回轉(zhuǎn)盤(pán)水準(zhǔn)儀檢查座上的水準(zhǔn)儀，兩人位于車(chē)下手動(dòng)操作兩個(gè)千斤頂，一般要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試才能完全使車(chē)體縱橫向水平。檢查調(diào)整完后，若車(chē)體水平發(fā)生變化，又要重復(fù)以上調(diào)平過(guò)程。這種調(diào)平方式耗時(shí)長(zhǎng)，調(diào)平過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不便于指揮、協(xié)調(diào)困難，精度也得不到保證。因此，部隊(duì)亟需一種能動(dòng)態(tài)顯示車(chē)體姿態(tài)，并指示操作手操作的指示器。本文基于STC12C5616AD單片機(jī)設(shè)計(jì)一種能夠?qū)?chē)體平臺(tái)的傾斜狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)顯示的操作指示器。

操作指示器的組成及工作原理

操作指示器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由主控制器、無(wú)線數(shù)傳模塊和液晶顯示屏等組成。其工作原理：操作指示器通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊接收到從傾斜檢測(cè)儀輸出的縱向和橫向傾斜角度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，然后通過(guò)液晶屏幕顯示出車(chē)體的縱橫向傾斜角度，并根據(jù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算結(jié)果，指示出左右兩個(gè)千斤頂需要進(jìn)一步調(diào)整的方向。傾斜檢測(cè)儀放置于回轉(zhuǎn)盤(pán)水準(zhǔn)儀檢查座上，兩個(gè)操作指示器分別吸附于兩個(gè)千斤頂旁或戴在操作人員手臂上，兩名操作手觀察各自的指示器即可調(diào)平車(chē)體。液晶顯示采用的是COG封裝的12864液晶屏，采用串行SPI總線驅(qū)動(dòng)，這種液晶屏幕驅(qū)動(dòng)芯片直接集成到玻璃基板上，體積小、省電，背光電路設(shè)計(jì)靈活。

圖1 操作指示器結(jié)構(gòu)組成圖

主控制器的選型及電路設(shè)計(jì)

主控制器的選型

操作指示器的控制核心選用STC12C5616AD單片機(jī)。該芯片具有如下特點(diǎn)：

（1）高速：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，平均指令運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快8~12倍。

（2）寬電壓：5.5V~3.3V。

（3）增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門(mén)檻電壓，頻率<12MHz時(shí)，無(wú)需此功能）。

（4）增加外部掉電檢測(cè)電路，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM，正常工作時(shí)無(wú)需EEP。

（5）低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒。

（6）低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式（可由任意一個(gè)中斷喚醒）；掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒。

（7）工作頻率：0~35MHz，相當(dāng)于普通8051：0~420MHz。

（8）時(shí)鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置。

（9）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次以上。

（10）1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

（11）ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無(wú)需編程器/仿真器。

（12）8通道，10位高速ADC，速度可達(dá)25萬(wàn)次/秒，2路PWM還可當(dāng)2路D/A使用。

（13）2通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP），也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器或2個(gè)外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）。

（14）4個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器T0/T1，2路PCA實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器。

（15）可編程時(shí)鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時(shí)鐘，T1在P3.5輸出時(shí)鐘，BRT在P1.0輸出時(shí)鐘。

（16）硬件看門(mén)狗（WDT）.

（17）高速SPI串行通信端口。

（18）全雙工異步串行（UART），兼容普通8051的串口。

（19）先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。

（20）通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不超過(guò)100mA。

主控制器電路設(shè)計(jì)

操作指示器的主控制器采用的芯片是STC12C5616AD單片機(jī)，具備一個(gè)串口UART0和一個(gè)SPI總線接口，采用的3.3V供電，具有低功耗，指令執(zhí)行效率高的特點(diǎn)。由于ZigBee無(wú)線數(shù)傳模塊和LCM屏都采用TTL電平驅(qū)動(dòng)。因此，控制器通過(guò)UART0直接接到無(wú)線數(shù)傳模塊上；通過(guò)SPI總線相關(guān)端口，直接接到LCM模塊的數(shù)據(jù)傳輸端。具體的電路原理如圖2所示。

圖2 操作指示器主控制器電路原理圖

顯示屏的簡(jiǎn)介及其接口電路設(shè)計(jì)

顯示屏的簡(jiǎn)介

實(shí)際上，可將一般單純的TN型與TFT型液晶顯示器面板視為僅僅是一個(gè)經(jīng)由組合上下兩片玻璃后并灌注進(jìn)液晶的一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)品。在應(yīng)用時(shí)，必須施加驅(qū)動(dòng)電壓到LCD的接口端上，這樣才可以通過(guò)電能所產(chǎn)生的電場(chǎng)將液晶分子按照要求分布，由此產(chǎn)生顯示畫(huà)面。通常，把驅(qū)動(dòng)LCD的技術(shù)都集成在一個(gè)IC芯片（Driver IC）上，由其產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓波形。簡(jiǎn)單地講，LCM（Liquid Crystal Module）就是把此Driver IC與LCD面板連接起來(lái)，可以完成LCD顯示功能的模塊。隨著商品的不斷多樣化，各種數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)液晶模塊（LCM）的形式、性能要求也不斷地豐富、更新，不斷地加入其他組成部件：柔性印刷電路板、背光模組、印刷電路板等，使LCM能夠滿足多種產(chǎn)品的需要。目前，LCM的工藝已經(jīng)發(fā)展為體積小、薄形化技術(shù)。按照Driver IC的封裝形式分為COG工藝、TAB工藝和COF工藝。在此主要介紹COG工藝。

COG（Chip On Glass）工藝：使用的Driver IC為COG IC，該技術(shù)通過(guò)把Driver IC直接安裝在液晶面板玻璃底板上，從液晶面板外掛的印刷電路板上去掉液晶驅(qū)動(dòng)器IC，減小了電路面積，且易于大批量生產(chǎn)，適用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品所用的LCD，如：手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品。在COG工藝中，采用ACF將IC與LCD連接起來(lái)，使得COG IC芯片直接連接在玻璃上。關(guān)鍵點(diǎn)是IC的BUMP對(duì)準(zhǔn)LCD的ITO線路，不能偏移，為了避免這一點(diǎn)，在LCD面板上設(shè)計(jì)有COG工藝對(duì)位標(biāo)記，在COG IC芯片上也要設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)位標(biāo)記。在進(jìn)行壓合前，要找到二者的對(duì)位標(biāo)記，對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行壓合，從而使COG IC與LCD上的ITO線路導(dǎo)通。

TAB（Tape Automated Bonding）工藝：將封裝形式為T(mén)CP（Tape Carrier Package, 帶載封裝）的Driver IC用各向異性導(dǎo)電膜依次固定在LCD和PCB上。這種安裝方式可減小LCM的重量、體積，安裝方便，可靠性較好，是比較成熟的工藝技術(shù)。

COF（Chip On Film）工藝：芯片被直接安裝在柔性PCB上。這種連接方式的集成度較高，外圍元件可以與IC一起安裝在柔性PCB上，是一種新興技術(shù)。

目前LCD模塊的各種工藝技術(shù)中，能夠做到較小、較薄體積的，應(yīng)屬COG及COF工藝。本文指示器中采用的就是COG封裝形式的12864屏。

COG12864接口電路設(shè)計(jì)

操作指示器的液晶顯示屏，采用的是COG封裝形式的12864屏，最大尺寸為43mm×40mm，加上背板電路后的厚度也僅為5mm，功耗在不帶背光的情況下只有10mW，在帶有背光的情況下也不大于100mW。工作電壓僅為3.3V，內(nèi)置升壓電路，外部只要配上相應(yīng)的電容即可。其電路原理如圖3所示。

圖3 COG12864接口電路原理圖

無(wú)線通信模塊選型及其通信聯(lián)絡(luò)

操作指示器與傾斜檢測(cè)儀之間的控制指令采用無(wú)線傳輸方式，用以實(shí)現(xiàn)操作操作指示器與傾斜檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)通信。

無(wú)線通信模塊的選型

操作指示器無(wú)線通信模塊選用的是深圳振通公司推出ZT-TR43C無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊的主要特點(diǎn)有：

①頻率源采用高穩(wěn)定度晶體振蕩，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾性強(qiáng)；

②透明式數(shù)據(jù)傳輸，方便靈活；

③可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)射；

④同時(shí)具有串口通訊即狀態(tài)觸發(fā)功能；

⑤接收具有省電功能，適用于電池供電的場(chǎng)合；

⑥具有良好的發(fā)射匹配，輻射場(chǎng)強(qiáng)大，單位功率通信距離遠(yuǎn)。

該模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為：

① 載波頻率433MHz，工作頻率428MHz~435MHz；

②最大發(fā)射功率為20mW，接收靈敏度為﹣105dBm，開(kāi)闊地的最大傳輸距離為3km；

③采用FSK調(diào)制，采用前向信道糾錯(cuò)編碼，抗干擾能力強(qiáng)；

④有八個(gè)工作信道可供選擇；

⑤傳輸速率20kbps；

⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成在芯片內(nèi)，外圍電路簡(jiǎn)單易于開(kāi)發(fā)。

無(wú)線通信模塊通信聯(lián)絡(luò)

無(wú)線數(shù)傳模塊具有無(wú)線接收和發(fā)送的功能，本文采用無(wú)線數(shù)傳模塊ZT-TR43C實(shí)現(xiàn)執(zhí)行終端與控制中心通信。在通信前串口的數(shù)據(jù)幀格式與速率應(yīng)與模塊的設(shè)置一致。上位機(jī)與模塊間的通信內(nèi)容有兩類(lèi)：一類(lèi)是數(shù)據(jù)，一類(lèi)是命令。數(shù)據(jù)或命令是靠DTR或DSR信號(hào)來(lái)區(qū)分的。

ZT-TR43C的命令傳送格式為：

其中，D7H為命令碼的特征碼即字頭，命令碼為一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，代表命令的性質(zhì)。不同的命令碼有不同的參數(shù)。模塊收到命令后，根據(jù)命令碼的不同，分析參數(shù)并執(zhí)行命令。對(duì)于有些發(fā)送信息的命令，模塊將根據(jù)命令的性質(zhì)發(fā)送相應(yīng)的命令。具體的程序?qū)崿F(xiàn)思想如下：

（1）無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送過(guò)程：當(dāng)模塊收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，模塊先通過(guò)DTR線判斷收到的數(shù)據(jù)是命令還是發(fā)送數(shù)據(jù)，若是命令則執(zhí)行相應(yīng)的命令；若是發(fā)送數(shù)據(jù)則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，并同時(shí)將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要100ms，狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后啟動(dòng)發(fā)送打包程序。發(fā)送打包程序的功能是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打成適合無(wú)線發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將一些控制命令動(dòng)態(tài)地插入到數(shù)據(jù)包中。然后將這個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)送到模塊中的數(shù)據(jù)調(diào)制口，按V23協(xié)議以FSK的調(diào)制方式發(fā)射出去。在這個(gè)過(guò)程中所有的進(jìn)程均是并行完成的。

（2）無(wú)線數(shù)傳模塊接收過(guò)程：在接收狀態(tài)下，接收機(jī)總是接收碼流中的同步信息，一旦收到同步信息立刻進(jìn)行位同步，獲得位同步后進(jìn)行碼同步，碼同步完成后接收數(shù)據(jù)及控制信息。收到數(shù)據(jù)后，按規(guī)定的串口幀格式傳送給上位機(jī)。

無(wú)線數(shù)傳模塊采用的是2.4GHz的通信頻段，有效的通信距離為300m，具備自動(dòng)組網(wǎng)功能。其控制程序分為模塊的設(shè)定和模塊的使用兩部分。模塊的設(shè)定需要使用廠家提供的HAC_studio軟件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定無(wú)線模塊的通信方式、通信的功率和通信的信道。通信方式采用的是透明工作方式，加電后自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)。

通信的波特率默認(rèn)為138400bps，單片機(jī)需要9600bps，信道采用默認(rèn)信道0A。握手程序采用操作指示器向傾斜檢測(cè)儀發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)0x55、0xAA，傾斜檢測(cè)儀通過(guò)中斷的方式收到握手?jǐn)?shù)據(jù)后，回復(fù)握手?jǐn)?shù)據(jù)給操作指示器，無(wú)線握手完成。無(wú)線數(shù)傳模塊控制程序如圖4所示。

圖4 無(wú)線數(shù)傳模塊控制流程圖

操作指示器PCB板圖

圖5所示為操作指示器的PCB板圖。

圖5 操作指示器PCB板圖

操作指示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作指示器機(jī)殼整體采用鋁合金加工，內(nèi)置電路板、顯示器、電源和無(wú)線通信模塊。底部嵌有磁鐵，可以吸附于車(chē)體或千斤頂上，兩側(cè)有扣環(huán)，可以將指示器扣于手臂上，便于隨身攜帶和觀察。操作指示器實(shí)物如圖6所示。

圖6 操作指示器 實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

目前，火箭炮車(chē)體調(diào)平過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，部隊(duì)亟需一種能動(dòng)態(tài)顯示車(chē)體姿態(tài)，并指示操作手操作的指示器。本文首先闡述了操作指示器的組成及工作原理，然后通過(guò)分析比較，選擇了操作指示器的主控制器、液晶顯示屏和無(wú)線數(shù)傳模塊，并完成了主控制器和顯示屏的電路設(shè)計(jì)，闡述了無(wú)線數(shù)傳模塊的通信聯(lián)絡(luò)，最后完成了操作指示器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該操作指示器工作運(yùn)行可靠，能指示操作手進(jìn)行車(chē)體調(diào)平，有效提高了調(diào)平工作效率。