紫外LED照射器的人机交互模块设计

    紫外光固化技术是利用波长短的紫外线照射光固化涂料，产生化学作用而粘合元器件的技术，紫外固化技术相对于普通的热干燥固化技术，有热损伤小、硬化速度快(通常1 s左右)，粘合过程形变小等显著的特点，可以保护敏感元件，因此在高精度光学镜头粘合，特种仪器焊接等现代精密仪器制造工业中有重要作用。
    在光固化的工业应用中，随着科技的发展，对固化技术的精度要求也越来越高，随着LED制造工艺的发展，大功率LED制造技术的成熟，紫外LED被研制出来之后，具有波长范围小，光强稳定可调的特点，因此其在光固化技术上的应用成了研究的热点，国外研制成功的有日本欧姆龙公司的ZUV系列UV-LED照射器，其技术指标处于世界领先水平，但其输出功率固定，显示模式单一，无法应对复杂的工业环境，本课题设计的显示模块，应用于紫外光固化控制设备的人机交互系统中，不仅有输出模式的静态显示界面，而且具有照射功率的实时动态显示界面，可应用于更加智能化的紫外LED照射器人机交互系统，以便满足现代高精度工业中不同环境的需要。

1 人机交互模块的实现原理
    人机交互模块的实现，需要硬件和软件的协调支持，如图1所示，显示程序的调用，是通过状态机(state machine)也称作操作平台(operation platform)互相调配来实现，显示程序将数据载入显示缓存，再由设定好的显示驱动程序，将显示缓存中的内容显示到液晶屏上。其工作原理如图1所示。

1．1 硬件实现原理
    软件设计是基于硬件平台的，软件才有发挥需要硬件平台的支持，因此必须先实现硬件平台的设计。本课题的显示模块应用于紫外LED照射器的控制系统，系统主要由人机交互单元、数据处理单元和系统控制单元、配置信息保存单元、大功率LED驱动电源和特殊设计的LED光学探头组合构成，系统的控制核心是基于ADI公司的Blackfin531DSP处理器，采用DSP+FPGA结构，系统的FPGA主要用于收集按键采集信号、实现SDRAM扩展、驱动紫外LED电源；DSP处理器主要用于实现人机交互模块的驱动和显示，因此，本课题的硬件原理主要涉及到DSP和LCD之间的硬件部分，连接结构如图2所示。

    系统的显示模块选用的是SHARP的LQ043T3DX02彩色液晶显示屏，通过DSP的PPI接口驱动。PPI(Parallel Port Interface)接口是Black fin DSP处理器的并行数据接口，主要用于数据的高速传输。它包括16位数据线，3个同步信号和一个时钟信号。PPI接口直接与DMA通道整合，数据传输宽度可灵活配置，支持8位、10～16位等多种数据宽度。
    由于LQ043T3DX02为24位彩色LCD，红、绿、蓝各8位数据输入，而PPI只有16位数据输出，故将红、绿、蓝分别取高5位、高6位、高5位与PPI相连，将剩下的8位一直置低，形成RGB-565显示模式，此种显示模式的效果与真实色彩几乎没有差别。
1．2 PPI驱动实现
    PPI驱动主要包括PPI的设置、DMA的设置和定时器的设置3个部分。
    1)PPI的设置
    PPI给LCD提供了一个并口，使DSP和LCD和之间可以更加容易连接。PPI支持的运行模式有ITU-R 656．和GP(General Purpose)2种模式。本课题的PPI接口使用的是GP模式。并且在本设计中，将DSP中的数据输出到夏普的LQ043T3DX02LCD是通过PPI实现的，所以使用的是General Purpose模式中的TX模式，并且其内部帧同步有2个。PPI的时钟信号时由FPGA提供。帧同步信号的作用在于控制图像数据的发送时序，2个帧同步引脚分别用来向LCD发送HSYNC和VSYNC信号，LCD的驱动时序如图3所示。

    因为本课题的LCD显示开关控制信号DISP由FPGA提供，液晶开关控制是由DSP控制FPGA中对应寄存器的值实现间接的。
    本设计中的PPI设置实现如下：
    *pPPI_DELAY=65；
    *pPPI_COUNT=320-1； ／／每行传输字节数，应该比实际值小1    2)DMA的设置
    DMA控制器为数据传输提供了一个通道，使数据可以在存储器之间或者存储器和有DMA功能的外设之间进行传输。在本课题的PPI驱动应用中，数据需要在外接的65MSDRAM外部存储器和PPI中进行传输。
    在本设计中，具体的DMA设置如下：
    *pDMA0_X_COUNT=320：
    *pDMA0_X_MODIFY=2；／／因为每个字是两个字节，其宽度为2，所以设置为2
    *pDMA0_Y_COUNT=262；／／通过LCD的DATA Sheet手册可知，在整屏的数据传输中，前面19行和后面的3行是无效的，这是LCD液晶屏的时序所要求的，所以3+19+240=262．*pDMA0_Y_MODIFY=2：
    3)定时器设置
    在PPI的2帧同步模式下，Timer1和2的引脚分别变为PPI_FS1和PPI_FS2。如果PPI设置为传输数据，则定时器必须设置为产生需要的输出帧同步脉冲。通常在视频应用中，同步帧1为HSYNC信号，同步帧2为VSYNC信号。在本设计中，具体的DMA设置的实现如下。
    *pTIMER1_PERIOD=406；／／设置行频的波形时间。
    *pTIMER1_WIDTH=30；／／设置行频的波形宽度。
    *pTIMER2_PERIOD=262*406；／／设置场频的波形时间。
    *pTIMER2_WIDTH=406*1； ／／设置场频的波形宽度。
    *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；
    ／／对时钟计数器使用PWM_CLK，当timer1和timer2对点时钟计数到了设置的次数的时候，那么会在Out引脚输出一个有效电平，然后计数器重新开始计数。
    *pTIMER_ENABLE=TIMEN1 1 TIMEN2； ／／使能定时器1和2
1．3 图形标准库
    用户图形界面的实现，除了硬件电路模块的支持外还需要丰富的软件系统的支持，而其中最基础，也是最不可或缺的是图形标准库。用户图形界面的图形标准库最基本的库函数简单的包括画点、画线、画矩形，复杂的包括填充矩形、画圆形，以及放置bmp格式的图案库函数，要实现显示中、英文等功能，需要设计字库函数，本系统基于强大的VisualDSP++5．0Kernel(VDK)，拥有强大的图形库，所以可以支持复杂的用户图形界面。
    要实现用户图形界面，仅仅有了绘制图形的图形标准库函数，还是远远不够的，图形库只能形成单一的画面，但是要想形成切合用户习惯的可操作图形界面的话，还需要在后台有一个功能强大，并且稳定的操作系统平台，它决定了负责调度系统的状态，就是我们平常说的状态机。状态机根据用户的外界按键输入，以及系统当前的特定工作状态来决定系统的下一步状态，从而调用相应的图形界面，如此，便实现了人性化的用户图形界面，可以满足特定工作需求。

2 软件设计思路
    对于用户图形界面的设汁小能简单的设计成统一的模块，要考虑到用户在复杂的应用情况下对操作界面的需求，我们将这些界面分成不同的种类，设计流程如图4所示，一种是静态的配置状态显示，一种是动态的输出状态实时变化显示，对于静态界面，我们可以用格式转化软件将bmp格式图像转化成二维数组载入到显示缓存中来显示当前的固定配置界面。

    一般来说，编程人员在设计动态显示界面的时候，如果按照常规的设计方法，会使用一些全局变量作为不同状态、不同模式下的标志，这样可以实现图形界面的改变，但这会导致变量的数量过多，从而引起变量之间的搭配成倍的增加，随着工作复杂程度的真假，状态的转移关系也就会剧烈的增加，这会让开发者陷入复杂的逻辑问题。
    为了解决上述问题，改变普通的设汁方法，尽量少设可以改变的状态，使贯穿与整个界面显示系统的只有一两个状态量，如果想得到新的界面信息，只需要改变特定的一两个状态量，文中的方案是提取和解析键值来作为主线，少量全局变量和结构作为辅助，这样设计的现实系统，非常简明而且易于控制和修改。在使用过程中通过对键值的解析，得到对应的界面。
3 实验结果
    在配置状态显示显示中，显示缓存模块起着至关总要的地步，改变显示缓存，即可实现显示界面的改变，对于配置状态的显示界面，只需调用将预先设置好的bmp图像通过软件转成二维数组，在键值的激发下载入缓存，再由驱动程序将缓存内容显示到液晶屏上。
    紫外LED照射器工作时的配置状态显示效果如图5所示。

    照射器工作时动态显示的时候，不需要经常变动对话框和厂家标识等背景元素，而输出的电压电流值是在不停地刷新，所以把屏幕元素分成几页来显示。第1页显示的是静态的背景参数，曲线参数和电压电流值是在频繁刷新，将其放置在第2页，将2页的内容同时载入显示缓存，由驱动程序输出到LCD。这样，在照射器工作的时候，只需不停地更改和调用第1页的内容，而不改变第1页的背景参数。有键盘操作的时候再切换显示界面。
    动态工作状态显示效果如图6所示。

4 结论
    目前国内外的紫外照射器的人机交互模块单一，在整体性和用户的可操作性上均无法满足某些复杂的工业需求，本文从紫外LED控制平台的Blackfin 531处理器的PPI接口驱动出发，基于Visual DSP++5．0软件开发环境，设计了紫外LED人机交互显示模块，在实际应用中，成功显示了照射器的配置工作状态和输出工作状态，使紫外LED照射器的控制平台具有更加智能化的人机交互模块。
    在未来，随着国内的产业化升级，国内的高精度工业的发展，对紫外LED照射器这种高精度紫外光固化焊接产品的需求将会越来越高，因此，对该人机交互系统的中文字库的设计将是本课题的下一个重点。