基于Memory-link協(xié)議的人機交互系統(tǒng)的可靠性設計

摘要：介紹一種人機交互系統(tǒng)的可靠性設計方案。該系統(tǒng)基于Memory-link通信協(xié)議，采用了目前流行的基于ARM7架構的S3C44BOX作為主控芯片，通過RS-422實現(xiàn)人機交互通信。結合抗干擾的硬件設計和穩(wěn)定有效運行的軟件設計方案，實現(xiàn)了在強干擾下穩(wěn)定可靠的通信。實驗結果表明，本系統(tǒng)抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠，在自主開發(fā)控制系統(tǒng)的人機交互通信部分具有一定的參考價值。
關鍵詞：人機交互；S3C44BOX；Memory-link；RS-422

在人機交互的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信是必不可少的部分，而穩(wěn)定可靠性是通信的基本指標。這就要求系統(tǒng)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(xiàn)死機等現(xiàn)象。在傳統(tǒng)工控系統(tǒng)中，一般是采用PLC作為控制器，其應用廣泛、技術成熟，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說存在成本高、體積大、實現(xiàn)功能單一等問題。為此，很多設計者采用微型控制器進行自主開發(fā)工控系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)的設計方案。

1 系統(tǒng)總體設計
人機交互系統(tǒng)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(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基本功能。該系統(tǒng)采用日本的proface30 00系列的觸摸屏作為人機界面，通過S3C44BOX芯片進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和功能控制。圖1為系統(tǒng)結構框圖。

2 硬件設計
在硬件方面，影響系統(tǒng)可靠安全運行的因素有3個方面：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，通信線路，弱信號放大器等。
因此，要增強系統(tǒng)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個方面考慮。以下為該系統(tǒng)的硬件可靠性設計方法。
2．1 抑制干擾源
為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定干凈的電源，電源模塊采用安規(guī)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(wěn)定性。
2．2 切斷傳播路徑
1)電源模塊隔離。各個功能模塊的電源相對獨立，也就阻斷了一個受干擾的模塊會通過電源去影響另一個模塊正常工作的傳播路徑。由系統(tǒng)框圖可知，該系統(tǒng)的內(nèi)部電源模塊和觸摸屏通信電源模塊分開獨立供電，減少各個模塊之間的干擾。
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行隔離．并采用SN74HC245DW驅(qū)動／緩沖器芯片在光耦的兩端，以增強其驅(qū)動能力。由于其較強的驅(qū)動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(tǒng)中，通信線使用帶屏蔽層的雙絞線，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通訊線干擾系統(tǒng)正常的傳播路徑。
2．3 提高線路的抗干擾性能
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、機電一體化產(chǎn)品等諸多領域。因此，該系統(tǒng)采用MAX488CSA芯片將RS-232通信電平轉(zhuǎn)換成RS-422通信電平后再進行傳輸。圖3為RS-422電路。

3 軟件設計
為提高系統(tǒng)軟件性能，很多軟件開發(fā)人員采用一些軟件來增強系統(tǒng)正常運行的可靠性，比如使用看門狗、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(tǒng)來說，頻繁的點擊觸摸屏，短時間內(nèi)產(chǎn)生多次串行通信中斷，而響應中斷程序執(zhí)行代碼較長，如果超出中斷嵌套次數(shù)，則系統(tǒng)會面臨崩潰的危險。為解決此問題，該系統(tǒng)專門設計中斷響應函數(shù)，提供支持多次產(chǎn)生的串行中斷。
3．1 Memory-link協(xié)議
系統(tǒng)通信采用Proface內(nèi)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，只有寫到數(shù)據(jù)區(qū)和讀數(shù)據(jù)區(qū)兩種命令；而在擴展方式下，除此之外，還可以執(zhí)行繪圖命令。
該系統(tǒng)采用的是ASCII碼兼容、主從訪問方式。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(shù)據(jù)地址占4字節(jié)，例如讀取地址50，其HEX格式為0x0032；
讀的數(shù)據(jù)長度也占4字節(jié)，數(shù)據(jù)長度是以字為單位的。
2)GP應答命令，如表2所示。

注：每個地址的(WORD)數(shù)據(jù)，占4字節(jié)傳送
3)主機(單片機)寫命令，如表3所示。

注：每個地址的(WORD)數(shù)據(jù)，占4字節(jié)傳送
4)GP中斷輸出命令：GP主動發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)到主機。
3．2 中斷響應和驅(qū)動結構
在人機交互系統(tǒng)的應用中，觸摸屏主要有兩大功能：數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)顯示功能只需要單片機利用Memory-link協(xié)議通過RS4-22將數(shù)據(jù)寫到觸摸屏的邏輯寄存器，觸摸屏就會立刻顯示；數(shù)據(jù)輸入過程比較繁瑣，首先觸摸屏接收數(shù)據(jù)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(zhí)行響應的驅(qū)動程序，將觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)進行讀取并保存起來。
為解決短時間內(nèi)，觸摸屏多次發(fā)送輸入中斷產(chǎn)生的隱患，必須使單片機進入中斷后執(zhí)行的時間足夠短(小于等于人的反應與觸摸屏中斷發(fā)送時間之和)。為此，文中介紹一種中斷程序執(zhí)行足夠小的代碼執(zhí)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，單片機進入串行中斷，根據(jù)觸摸屏發(fā)送來的中斷號，設定自定義中斷標志位并退出中斷等待接收下一次中斷，在無中斷時候，程序執(zhí)行相應自定中斷標志位有效的中斷函數(shù)。
1)中斷函數(shù)部分程序


上述的代碼可見，單片機進入中斷后執(zhí)行的最長有效的指令超過10條，單片機如果用10 M的晶振3倍頻后時鐘周期為30 M，在根據(jù)ARM最大指令周期估算，整個中斷執(zhí)行時間不超過10μs。遠遠小于人的正常反應時間0．1 s，保證了單片機能執(zhí)行在觸摸屏中人的觸摸發(fā)來的任意多個連續(xù)的中斷。
2)主函數(shù)部分程序

在主函數(shù)中。通過查詢?nèi)肿兞?，進入相應中斷程序。不把中斷程序放在中斷里，減弱了實時性，但是極大的增強了可靠性。

4 結束語
由上述的理論分析和詳細的軟硬件設計可以看出。基于S3C44BOX與Proface通信系統(tǒng)硬件將結構具有普適性，軟件結構清晰簡單。硬件采用隔離、差分傳輸、增強驅(qū)動的方式來阻斷傳播途徑、減弱敏感元件的敏感性的方式來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現(xiàn)中斷的快速反應能力和在主函數(shù)或任務中通過判斷標志位的方法來運行中斷程序保證了其不會受到多重中斷的干擾而不能被正常執(zhí)行。實踐證明，在弧焊機等強干擾源的干擾下，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤或死機等現(xiàn)象。