基于STC12C5616AD單片機的操作指示器電路設計工作原理 - 全文

火箭炮能否迅速展開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δ繕藢嵤蚀_打擊之前，必須對其進行精確的調(diào)平。目前，部隊在對火箭炮車體平臺進行調(diào)平時，調(diào)平過程復雜，協(xié)調(diào)要求高。調(diào)平過程通常需要三個人配合完成，一人站在梯子上觀察放于回轉(zhuǎn)盤水準儀檢查座上的水準儀，兩人位于車下手動操作兩個千斤頂，一般要經(jīng)過多次調(diào)試才能完全使車體縱橫向水平。檢查調(diào)整完后，若車體水平發(fā)生變化，又要重復以上調(diào)平過程。這種調(diào)平方式耗時長，調(diào)平過程繁瑣、費時費力，且不便于指揮、協(xié)調(diào)困難，精度也得不到保證。因此，部隊亟需一種能動態(tài)顯示車體姿態(tài)，并指示操作手操作的指示器。本文基于STC12C5616AD單片機設計一種能夠?qū)圀w平臺的傾斜狀態(tài)進行自動顯示的操作指示器。

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：操作指示器通過無線數(shù)傳模塊接收到從傾斜檢測儀輸出的縱向和橫向傾斜角度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理和運算，然后通過液晶屏幕顯示出車體的縱橫向傾斜角度，并根據(jù)數(shù)據(jù)的運算結(jié)果，指示出左右兩個千斤頂需要進一步調(diào)整的方向。傾斜檢測儀放置于回轉(zhuǎn)盤水準儀檢查座上，兩個操作指示器分別吸附于兩個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，這種液晶屏幕驅(qū)動芯片直接集成到玻璃基板上，體積小、省電，背光電路設計靈活。

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計

主控制器的選型

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

（1）高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內(nèi)核，平均指令運算速度比標準8051快8~12倍。

（2）寬電壓：5.5V~3.3V。

（3）增加第二復位功能腳（高可靠復位，可調(diào)整復位門檻電壓，頻率《12MHz時，無需此功能）。

（4）增加外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進EEPROM，正常工作時無需EEP。

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

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

（7）工作頻率：0~35MHz，相當于普通8051：0~420MHz。

（8）時鐘：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設置。

（9）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上。

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

（11）ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用可編程，無需編程器/仿真器。

（12）8通道，10位高速ADC，速度可達25萬次/秒，2路PWM還可當2路D/A使用。

（13）2通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP），也可用來再實現(xiàn)2個定時器或2個外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）。

（14）4個16位定時器，兼容普通8051的定時器T0/T1，2路PCA實現(xiàn)2個定時器。

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

（16）硬件看門狗（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），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不超過100mA。

主控制器電路設計

操作指示器的主控制器采用的芯片是STC12C5616AD單片機，具備一個串口UART0和一個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。由于ZigBee無線數(shù)傳模塊和LCM屏都采用TTL電平驅(qū)動。因此，控制器通過UART0直接接到無線數(shù)傳模塊上；通過SPI總線相關端口，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

顯示屏的簡介及其接口電路設計

顯示屏的簡介

實際上，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經(jīng)由組合上下兩片玻璃后并灌注進液晶的一個簡單結(jié)構(gòu)品。在應用時，必須施加驅(qū)動電壓到LCD的接口端上，這樣才可以通過電能所產(chǎn)生的電場將液晶分子按照要求分布，由此產(chǎn)生顯示畫面。通常，把驅(qū)動LCD的技術都集成在一個IC芯片（Driver IC）上，由其產(chǎn)生驅(qū)動電壓波形。簡單地講，LCM（Liquid Crystal Module）就是把此Driver IC與LCD面板連接起來，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。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，該技術通過把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)動器IC，減小了電路面積，且易于大批量生產(chǎn)，適用于消費類電子產(chǎn)品所用的LCD，如：手機、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，使得COG IC芯片直接連接在玻璃上。關鍵點是IC的BUMP對準LCD的ITO線路，不能偏移，為了避免這一點，在LCD面板上設計有COG工藝對位標記，在COG IC芯片上也要設計相應的對位標記。在進行壓合前，要找到二者的對位標記，對準后進行壓合，從而使COG IC與LCD上的ITO線路導通。

TAB（Tape Automated Bonding）工藝：將封裝形式為TCP（Tape Carrier Package， 帶載封裝）的Driver IC用各向異性導電膜依次固定在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。

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。

目前LCD模塊的各種工藝技術中，能夠做到較小、較薄體積的，應屬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接口電路設計

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

無線通信模塊選型及其通信聯(lián)絡

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

無線通信模塊的選型

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

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；

②透明式數(shù)據(jù)傳輸，方便靈活；

③可長時間連續(xù)發(fā)射；

④同時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合；

⑥具有良好的發(fā)射匹配，輻射場強大，單位功率通信距離遠。

該模塊的主要技術指標為：

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，采用前向信道糾錯編碼，抗干擾能力強；

④有八個工作信道可供選擇；

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)，外圍電路簡單易于開發(fā)。

無線通信模塊通信聯(lián)絡

無線數(shù)傳模塊具有無線接收和發(fā)送的功能，本文采用無線數(shù)傳模塊ZT-TR43C實現(xiàn)執(zhí)行終端與控制中心通信。在通信前串口的數(shù)據(jù)幀格式與速率應與模塊的設置一致。上位機與模塊間的通信內(nèi)容有兩類：一類是數(shù)據(jù)，一類是命令。數(shù)據(jù)或命令是靠DTR或DSR信號來區(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，命令碼為一個字節(jié)長度，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)送相應的命令。具體的程序?qū)崿F(xiàn)思想如下：

（1）無線數(shù)傳模塊發(fā)送過程：當模塊收到上位機的數(shù)據(jù)后，模塊先通過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)，這個轉(zhuǎn)換過程需要100ms，狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后啟動發(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)打成適合無線發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將一些控制命令動態(tài)地插入到數(shù)據(jù)包中。然后將這個數(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。在這個過程中所有的進程均是并行完成的。

（2）無線數(shù)傳模塊接收過程：在接收狀態(tài)下，接收機總是接收碼流中的同步信息，一旦收到同步信息立刻進行位同步，獲得位同步后進行碼同步，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。

無線數(shù)傳模塊采用的是2.4GHz的通信頻段，有效的通信距離為300m，具備自動組網(wǎng)功能。其控制程序分為模塊的設定和模塊的使用兩部分。模塊的設定需要使用廠家提供的HAC_studio軟件進行設置，設定無線模塊的通信方式、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，加電后自動搜尋網(wǎng)絡。

通信的波特率默認為138400bps，單片機需要9600bps，信道采用默認信道0A。握手程序采用操作指示器向傾斜檢測儀發(fā)送握手數(shù)據(jù)0x55、0xAA，傾斜檢測儀通過中斷的方式收到握手數(shù)據(jù)后，回復握手數(shù)據(jù)給操作指示器，無線握手完成。無線數(shù)傳模塊控制程序如圖4所示。

圖4 無線數(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)設計

操作指示器機殼整體采用鋁合金加工，內(nèi)置電路板、顯示器、電源和無線通信模塊。底部嵌有磁鐵，可以吸附于車體或千斤頂上，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。操作指示器實物如圖6所示。

圖6 操作指示器 實物圖

結(jié)束語

目前，火箭炮車體調(diào)平過程費時費力，部隊亟需一種能動態(tài)顯示車體姿態(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，然后通過分析比較，選擇了操作指示器的主控制器、液晶顯示屏和無線數(shù)傳模塊，并完成了主控制器和顯示屏的電路設計，闡述了無線數(shù)傳模塊的通信聯(lián)絡，最后完成了操作指示器的結(jié)構(gòu)設計。該操作指示器工作運行可靠，能指示操作手進行車體調(diào)平，有效提高了調(diào)平工作效率。