基于Memory-link的人機交互系統可靠性設計

在人機交互的工業(yè)控制系統中，通信是必不可少的部分，而穩定可靠性是通信的基本指標。這就要求系統在硬件上具有較強的抗干擾能力，在軟件運行上能夠有效的避免出現死機等現象。在傳統工控系統中，一般是采用PLC作為控制器，其應用廣泛、技術(shù)成熟，具有很高的可靠性和抗干擾能力。但是PLC相對于普通微控制器來(lái)說(shuō)存在成本高、體積大、實(shí)現功能單一等問(wèn)題。為此，很多設計者采用微型控制器進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)工控系統，但是其在惡劣環(huán)境中的可靠性和抗干擾方面相對要弱，致使其工控系統總體性能較差。
為此，文中采用S3C44BOX作為控制芯片，結合硬件和軟件兩方面綜合考慮，介紹一種可靠的人機交互工控系統的設計方案。

1 系統總體設計

人機交互系統主要是觸摸屏和主控芯片的通信，觸摸屏能夠正確發(fā)送和接收顯示數據是系統的基本功能。該系統采用日本的proface30 00系列的觸摸屏作為人機界面，通過(guò)S3C44BOX芯片進(jìn)行數據轉換和功能控制。圖1為系統結構框圖。


2 硬件設計

在硬件方面，影響系統可靠安全運行的因素有3個(gè)方面：1)干擾源，能夠產(chǎn)生干擾信號的元件、設備或信號，比如雷電、電機等；2)傳播路徑，從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介，典型的干擾傳播路徑是導線(xiàn)的傳導和空間的輻射；3)敏感器件，容易被干擾的對象，比如A／D、D／A變換器，通信線(xiàn)路，弱信號放大器等。
因此，要增強系統的抗干擾能力，就必須從抑制干擾源、切斷干擾信號傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能這3個(gè)方面考慮。以下為該系統的硬件可靠性設計方法。

2．1 抑制干擾源

為了給系統提供穩定干凈的電源，電源模塊采用安規電容抑制差／共模干擾，并加入磁環(huán)抑制高頻干擾信號，提高電源的穩定性。

2．2 切斷傳播路徑

1)電源模塊隔離。各個(gè)功能模塊的電源相對獨立，也就阻斷了一個(gè)受干擾的模塊會(huì )通過(guò)電源去影響另一個(gè)模塊正常工作的傳播路徑。由系統框圖可知，該系統的內部電源模塊和觸摸屏通信電源模塊分開(kāi)獨立供電，減少各個(gè)模塊之間的干擾。

2)光耦隔離。為減少外部干擾信號對控制器的影響，利用光耦對外部信號進(jìn)行隔離．并采用SN74HC245DW驅動(dòng)／緩沖器芯片在光耦的兩端，以增強其驅動(dòng)能力。由于其較強的驅動(dòng)能力也降低了光耦對其外界干擾信號的敏感性，提高了抗干擾能力。圖2為光耦隔離電路。

3)在該系統中，通信線(xiàn)使用帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)，并將其屏蔽層可靠接地。這樣可以有效的阻斷其外部電磁干擾信號通過(guò)通訊線(xiàn)干擾系統正常的傳播路徑。

2．3 提高線(xiàn)路的抗干擾性能

由于RS-422采用了差模傳輸方式，傳輸速率高達10Mb／s，傳輸距離長(cháng)2 000 m，綜合抗干擾能力比RS-232優(yōu)越，已廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò )、機電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。因此，該系統采用MAX488CSA芯片將RS-232通信電平轉換成RS-422通信電平后再進(jìn)行傳輸。圖3為RS-422電路。


3 軟件設計

為提高系統軟件性能，很多軟件開(kāi)發(fā)人員采用一些軟件來(lái)增強系統正常運行的可靠性，比如使用看門(mén)狗、設置軟件陷阱等，這些措施的采用都具有普適性。針對于人機交互系統來(lái)說(shuō)，頻繁的點(diǎn)擊觸摸屏，短時(shí)間內產(chǎn)生多次串行通信中斷，而響應中斷程序執行代碼較長(cháng)，如果超出中斷嵌套次數，則系統會(huì )面臨崩潰的危險。為解決此問(wèn)題，該系統專(zhuān)門(mén)設計中斷響應函數，提供支持多次產(chǎn)生的串行中斷。

3．1 Memory-link協(xié)議

系統通信采用Proface內部集成的Memory-link通信協(xié)議，該協(xié)議支持兩種工作方式：ASCII碼兼容方式和擴展方式。在兼容方式下，只有寫(xiě)到數據區和讀數據區兩種命令；而在擴展方式下，除此之外，還可以執行繪圖命令。

該系統采用的是ASCII碼兼容、主從訪(fǎng)問(wèn)方式。其所用通訊命令有以下4條。

1)主機(單片機)讀命令，如表1所示。

注：讀的數據地址占4字節，例如讀取地址50，其HEX格式為0x0032；
讀的數據長(cháng)度也占4字節，數據長(cháng)度是以字為單位的。

2)GP應答命令，如表2所示。

注：每個(gè)地址的(WORD)數據，占4字節傳送

3)主機(單片機)寫(xiě)命令，如表3所示。

注：每個(gè)地址的(WORD)數據，占4字節傳送

4)GP中斷輸出命令：GP主動(dòng)發(fā)送一個(gè)字節數據到主機。

3．2 中斷響應和驅動(dòng)結構

在人機交互系統的應用中，觸摸屏主要有兩大功能：數據顯示和數據輸入。數據顯示功能只需要單片機利用Memory-link協(xié)議通過(guò)RS4-22將數據寫(xiě)到觸摸屏的邏輯寄存器，觸摸屏就會(huì )立刻顯示；數據輸入過(guò)程比較繁瑣，首先觸摸屏接收數據輸入，然后給單片機發(fā)送中斷，單片機識別發(fā)送的中斷號后執行響應的驅動(dòng)程序，將觸摸屏發(fā)送的數據進(jìn)行讀取并保存起來(lái)。

為解決短時(shí)間內，觸摸屏多次發(fā)送輸入中斷產(chǎn)生的隱患，必須使單片機進(jìn)入中斷后執行的時(shí)間足夠短(小于等于人的反應與觸摸屏中斷發(fā)送時(shí)間之和)。為此，文中介紹一種中斷程序執行足夠小的代碼執行結構。圖4為程序流程圖。

觸摸屏每次發(fā)送串行中斷之后，單片機進(jìn)入串行中斷，根據觸摸屏發(fā)送來(lái)的中斷號，設定自定義中斷標志位并退出中斷等待接收下一次中斷，在無(wú)中斷時(shí)候，程序執行相應自定中斷標志位有效的中斷函數。

1)中斷函數部分程序

上述的代碼可見(jiàn)，單片機進(jìn)入中斷后執行的最長(cháng)有效的指令超過(guò)10條，單片機如果用10 M的晶振3倍頻后時(shí)鐘周期為30 M，在根據ARM最大指令周期估算，整個(gè)中斷執行時(shí)間不超過(guò)10μs。遠遠小于人的正常反應時(shí)間0．1 s，保證了單片機能執行在觸摸屏中人的觸摸發(fā)來(lái)的任意多個(gè)連續的中斷。

2)主函數部分程序

在主函數中。通過(guò)查詢(xún)全局變量，進(jìn)入相應中斷程序。不把中斷程序放在中斷里，減弱了實(shí)時(shí)性，但是極大的增強了可靠性。

4 結束語(yǔ)

由上述的理論分析和詳細的軟硬件設計可以看出?；赟3C44BOX與Proface通信系統硬件將結構具有普適性，軟件結構清晰簡(jiǎn)單。硬件采用隔離、差分傳輸、增強驅動(dòng)的方式來(lái)阻斷傳播途徑、減弱敏感元件的敏感性的方式來(lái)提高硬件的抗干擾能力；軟件則采用在中斷置標志位的辦法實(shí)現中斷的快速反應能力和在主函數或任務(wù)中通過(guò)判斷標志位的方法來(lái)運行中斷程序保證了其不會(huì )受到多重中斷的干擾而不能被正常執行。實(shí)踐證明，在弧焊機等強干擾源的干擾下，系統沒(méi)有出現數據傳輸錯誤或死機等現象。