紫外LED照射器的人機交互模塊設(shè)計

摘要：隨著紫外LED照射器在工業(yè)中的應(yīng)用，普通的人機交互模塊已經(jīng)無法滿足復(fù)雜的工業(yè)需求，介紹了一種人際交互模塊在紫外LED照射器中的應(yīng)用設(shè)計，在硬件上利用Blackfin531的PPI接口，并且基于Visual DSP++5．0開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)了PPI驅(qū)動設(shè)計，并且使用Visual DSP++Ker nel(VDK)實現(xiàn)靜態(tài)配置狀態(tài)顯示和動態(tài)工作模式顯示兩種用戶圖形界面。實驗表明，該設(shè)計能滿足紫外LED照射器的多用途解決方案。
關(guān)鍵詞：紫外光固化；LED照射器；Blankfin531；PPI；圖形界面

    紫外光固化技術(shù)是利用波長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，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，具有波長范圍小，光強穩(wěn)定可調(diào)的特點，因此其在光固化技術(shù)上的應(yīng)用成了研究的熱點，國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，無法應(yīng)對復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，本課題設(shè)計的顯示模塊，應(yīng)用于紫外光固化控制設(shè)備的人機交互系統(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時動態(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 人機交互模塊的實現(xiàn)原理
    人機交互模塊的實現(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(state machine)也稱作操作平臺(operation platform)互相調(diào)配來實現(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。

1．1 硬件實現(xiàn)原理
    軟件設(shè)計是基于硬件平臺的，軟件才有發(fā)揮需要硬件平臺的支持，因此必須先實現(xiàn)硬件平臺的設(shè)計。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)動電源和特殊設(shè)計的LED光學(xué)探頭組合構(gòu)成，系統(tǒng)的控制核心是基于ADI公司的Blackfin531DSP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、實現(xiàn)SDRAM擴(kuò)展、驅(qū)動紫外LED電源；DSP處理器主要用于實現(xiàn)人機交互模塊的驅(qū)動和顯示，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。

    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。PPI(Parallel Port Interface)接口是Black fin 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個同步信號和一個時鐘信號。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。
    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色彩幾乎沒有差別。
1．2 PPI驅(qū)動實現(xiàn)
    PPI驅(qū)動主要包括PPI的設(shè)置、DMA的設(shè)置和定時器的設(shè)置3個部分。
    1)PPI的設(shè)置
    PPI給LCD提供了一個并口，使DSP和LCD和之間可以更加容易連接。PPI支持的運行模式有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)計中，將DSP中的數(shù)據(jù)輸出到夏普的LQ043T3DX02LCD是通過PPI實現(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。PPI的時鐘信號時由FPGA提供。幀同步信號的作用在于控制圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送時序，2個幀同步引腳分別用來向LCD發(fā)送HSYNC和VSYNC信號，LCD的驅(qū)動時序如圖3所示。

    因為本課題的LCD顯示開關(guān)控制信號DISP由FPGA提供，液晶開關(guān)控制是由DSP控制FPGA中對應(yīng)寄存器的值實現(xiàn)間接的。
    本設(shè)計中的PPI設(shè)置實現(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)傳輸提供了一個通道，使數(shù)據(jù)可以在存儲器之間或者存儲器和有DMA功能的外設(shè)之間進(jìn)行傳輸。在本課題的PPI驅(qū)動應(yīng)用中，數(shù)據(jù)需要在外接的65MSDRAM外部存儲器和PPI中進(jìn)行傳輸。
    在本設(shè)計中，具體的DMA設(shè)置如下：
    *pDMA0_X_COUNT=320：
    *pDMA0_X_MODIFY=2；／／因為每個字是兩個字節(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行是無效的，這是LCD液晶屏的時序所要求的，所以3+19+240=262．*pDMA0_Y_MODIFY=2：
    3)定時器設(shè)置
    在PPI的2幀同步模式下，Timer1和2的引腳分別變?yōu)镻PI_FS1和PPI_FS2。如果PPI設(shè)置為傳輸數(shù)據(jù)，則定時器必須設(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，同步幀2為VSYNC信號。在本設(shè)計中，具體的DMA設(shè)置的實現(xiàn)如下。
    *pTIMER1_PERIOD=406；／／設(shè)置行頻的波形時間。
    *pTIMER1_WIDTH=30；／／設(shè)置行頻的波形寬度。
    *pTIMER2_PERIOD=262*406；／／設(shè)置場頻的波形時間。
    *pTIMER2_WIDTH=406*1； ／／設(shè)置場頻的波形寬度。
    *pTIMER1_CONFIG=EMU_RUN 1 CLK_SEL 1 TIN_SEL 1 PERIOD_CNT 1 PWM_OUT；
    *pTIMER2_CONFIG=EMU_RUN 1 CLK_SEL 1 TIN_SELIPERIOD_CNT 1 PWM_OUT；
    ／／對時鐘計數(shù)器使用PWM_CLK，當(dāng)timer1和timer2對點時鐘計數(shù)到了設(shè)置的次數(shù)的時候，那么會在Out引腳輸出一個有效電平，然后計數(shù)器重新開始計數(shù)。
    *pTIMER_ENABLE=TIMEN1 1 TIMEN2； ／／使能定時器1和2
1．3 圖形標(biāo)準(zhǔn)庫
    用戶圖形界面的實現(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。用戶圖形界面的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫最基本的庫函數(shù)簡單的包括畫點、畫線、畫矩形，復(fù)雜的包括填充矩形、畫圓形，以及放置bmp格式的圖案庫函數(shù)，要實現(xiàn)顯示中、英文等功能，需要設(shè)計字庫函數(shù)，本系統(tǒng)基于強大的VisualDSP++5．0Kernel(VDK)，擁有強大的圖形庫，所以可以支持復(fù)雜的用戶圖形界面。
    要實現(xiàn)用戶圖形界面，僅僅有了繪制圖形的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，圖形庫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，還需要在后臺有一個功能強大，并且穩(wěn)定的操作系統(tǒng)平臺，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。狀態(tài)機根據(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)計思路
    對于用戶圖形界面的設(shè)汁小能簡單的設(shè)計成統(tǒng)一的模塊，要考慮到用戶在復(fù)雜的應(yīng)用情況下對操作界面的需求，我們將這些界面分成不同的種類，設(shè)計流程如圖4所示，一種是靜態(tài)的配置狀態(tài)顯示，一種是動態(tài)的輸出狀態(tài)實時變化顯示，對于靜態(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)計動態(tài)顯示界面的時候，如果按照常規(guī)的設(shè)計方法，會使用一些全局變量作為不同狀態(tài)、不同模式下的標(biāo)志，這樣可以實現(xiàn)圖形界面的改變，但這會導(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)系也就會劇烈的增加，這會讓開發(fā)者陷入復(fù)雜的邏輯問題。
    為了解決上述問題，改變普通的設(shè)汁方法，盡量少設(shè)可以改變的狀態(tài)，使貫穿與整個界面顯示系統(tǒng)的只有一兩個狀態(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)計的現(xiàn)實系統(tǒng)，非常簡明而且易于控制和修改。在使用過程中通過對鍵值的解析，得到對應(yīng)的界面。

3 實驗結(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，即可實現(xiàn)顯示界面的改變，對于配置狀態(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)動程序?qū)⒕彺鎯?nèi)容顯示到液晶屏上。
    紫外LED照射器工作時的配置狀態(tài)顯示效果如圖5所示。

    照射器工作時動態(tài)顯示的時候，不需要經(jīng)常變動對話框和廠家標(biāo)識等背景元素，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來顯示。第1頁顯示的是靜態(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，將2頁的內(nèi)容同時載入顯示緩存，由驅(qū)動程序輸出到LCD。這樣，在照射器工作的時候，只需不停地更改和調(diào)用第1頁的內(nèi)容，而不改變第1頁的背景參數(shù)。有鍵盤操作的時候再切換顯示界面。
    動態(tài)工作狀態(tài)顯示效果如圖6所示。

4 結(jié)論
    目前國內(nèi)外的紫外照射器的人機交互模塊單一，在整體性和用戶的可操作性上均無法滿足某些復(fù)雜的工業(yè)需求，本文從紫外LED控制平臺的Blackfin 531處理器的PPI接口驅(qū)動出發(fā)，基于Visual DSP++5．0軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了紫外LED人機交互顯示模塊，在實際應(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照射器的控制平臺具有更加智能化的人機交互模塊。
    在未來，隨著國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化升級，國內(nèi)的高精度工業(yè)的發(fā)展，對紫外LED照射器這種高精度紫外光固化焊接產(chǎn)品的需求將會越來越高，因此，對該人機交互系統(tǒng)的中文字庫的設(shè)計將是本課題的下一個重點。