摘要：為了滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中多路壓電陶瓷高壓驅(qū)動(dòng)器輸出電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示的需要，提出了基于高速單片機(jī)C8051F120的電壓測(cè)量、顯示和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。利用20路電壓測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)電壓采集，通過(guò)ModBus RTU通訊協(xié)議對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和LCD液晶顯示。詳細(xì)介紹了液晶顯示接口的硬件設(shè)計(jì)方案，電壓測(cè)量模塊與單片機(jī)的通信以及軟件設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此液晶模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)的良好效果。
關(guān)鍵詞：LCD；單片機(jī)；壓電陶瓷；電壓采集；ModBus協(xié)議；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

    在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，波前校正器作為光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分發(fā)展起來(lái)，它與波前傳感器和波前控制部分相結(jié)合，使光學(xué)系統(tǒng)具有克服外界動(dòng)態(tài)干擾的能力，這是傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)難以做到的。在眾多類型的波前校正器中，分立壓電式連續(xù)鏡面變形鏡以其變形量大、表面變形沒(méi)有間斷點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的采用。變形鏡的結(jié)構(gòu)有基板、驅(qū)動(dòng)器和薄鏡面組成，在基板上固定若干個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器前在固定一個(gè)薄的光學(xué)鏡面，施加電壓給驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷即可產(chǎn)生正的或負(fù)的變形，從而推動(dòng)薄反射鏡表面產(chǎn)生變形，起到改變光學(xué)波前并校正波前誤差的作用。為了防止壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓出現(xiàn)異常，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要及時(shí)了解各路壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓情況，并且工程中要求監(jiān)測(cè)上千路壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，所以設(shè)計(jì)壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)成為一個(gè)亟需解決的課題。
    本設(shè)計(jì)的主要工作是利用20路電壓測(cè)量模塊采集到壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，通過(guò)ModBus RTU通訊協(xié)議，經(jīng)RS485接口將電壓數(shù)據(jù)傳送到高速單片機(jī)，并在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示各路壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓值，20路電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 20路電壓測(cè)量模塊介紹
1．1 20路電壓測(cè)量模塊功能與特點(diǎn)
    20路電壓測(cè)量模塊是一智能型的數(shù)據(jù)采集模塊，可以測(cè)量20路電壓號(hào)，輸入信號(hào)為直流。其輸出為RS485，通訊協(xié)議符合ModBus RTU協(xié)議。此模塊可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。其主要的功能特點(diǎn)如下：
    采用最新電子技術(shù)，以高速信號(hào)處理器、微處理器為核心的數(shù)字式智能型數(shù)據(jù)采集模塊；可測(cè)量20路0～500 V直流電壓信號(hào)；并且量程可以根據(jù)需要選擇；配有光電隔離的RS-485通訊接口，ModBus RTU通訊規(guī)約，可以與具有ModBus兼容協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的有效傳送。
    20路電壓測(cè)量模塊的技術(shù)指標(biāo)如下：
    測(cè)量精度能夠達(dá)到0．2級(jí)，在利用模塊進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，地址范圍是0～255，并且波特率可選，默認(rèn)值為9 600b／s。
    工作條件：溫度范圍是-30～70℃，濕度范圍是10％～90％RH；存儲(chǔ)條件：溫度范圍是-40～80℃，濕度范圍是10％～90％RH。
1．2 ModBus通訊規(guī)約
    在各種不同的系統(tǒng)通信中，Modbus協(xié)議是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的、真正開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議控制器之間、控制器與其它設(shè)備之間都可以實(shí)現(xiàn)通信。由于設(shè)計(jì)所用的20路電壓測(cè)量模塊采用ModBus通訊協(xié)議，作為主機(jī)的單片機(jī)也應(yīng)該采用此協(xié)議，才能實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的通信。在編程實(shí)現(xiàn)主機(jī)功能之前，需要理解協(xié)議的規(guī)約。
    主機(jī)查詢信息包括從設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤校驗(yàn)。從機(jī)回應(yīng)信息包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤校驗(yàn)。
    主機(jī)和從機(jī)的通信方式符合查詢-回應(yīng)的方式，主機(jī)發(fā)送的查詢消息中的功能代碼告訴從機(jī)要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段中包含了從機(jī)要執(zhí)行功能的附加信息以及寄存器的起始地址和數(shù)量，錯(cuò)誤校驗(yàn)為從機(jī)提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。從機(jī)產(chǎn)生回應(yīng)是建立在讀取指令未發(fā)生錯(cuò)誤的前提下，在回應(yīng)消息中的功能代碼是查詢消息的回應(yīng)，數(shù)據(jù)段包含了從機(jī)收集的數(shù)據(jù)。如果中間過(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤，功能代碼將被修改，并且數(shù)據(jù)段包含描述錯(cuò)誤信息的代碼，錯(cuò)誤校驗(yàn)允許主機(jī)確認(rèn)消息是否可用。
1．3 20路電壓測(cè)量模塊組網(wǎng)
    因?yàn)?0路電壓測(cè)量模塊的輸出為標(biāo)準(zhǔn)RS485，所以以RS485為接口的20路電壓測(cè)量模塊可以進(jìn)行組網(wǎng)。通常RS485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為32個(gè)，通過(guò)中繼器可以提高RS485接口的帶負(fù)載能力，最多可達(dá)到驅(qū)動(dòng)256個(gè)模塊的能力，從而可以將多個(gè)20路電壓測(cè)量模塊組成網(wǎng)絡(luò)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)幾百路甚至上千路電壓的需要，最終達(dá)到監(jiān)測(cè)顯示多路壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的要求。

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計(jì)
2．1 RS485通信接口
    由于20路電壓測(cè)量模塊支持RS485串行通信，為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電壓測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)通信，必須設(shè)計(jì)RS485通信接口。主機(jī)可以通過(guò)RS485接口將查詢信息傳送給從機(jī)，同時(shí)從機(jī)可以將采集的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)回應(yīng)給主機(jī)。采用RS485信號(hào)收發(fā)專用芯片MAX485實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要充分考慮MAX485芯片同相端、反相端的電平對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于從機(jī)回應(yīng)數(shù)據(jù)幀的初始位-低電平使主機(jī)產(chǎn)生接受中斷，所以只有MAX485芯片同相端A的初始電平大于反相端B的初始電平時(shí)，才能保證主控制器單片機(jī)打開(kāi)接收中斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤中斷，而造成接到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀，RS485接口電路原理圖如圖2所示。

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2．2 LCD液晶顯示模塊
    LCD液晶顯示模塊-LM320160CCW是320x160全圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，該模塊支持并口通信，內(nèi)置升壓電路，5 V供電；模塊顯示屏由內(nèi)置的主控芯片S1D13700控制，可靠性高，指令簡(jiǎn)單，易于操作；此外，液晶模塊使用高亮度LED背光，實(shí)現(xiàn)極佳對(duì)比顯示，藍(lán)底白字或白底黑字，顯示效果可選。液晶模塊的以上特點(diǎn)適合本設(shè)計(jì)選用的C8051F120主控制器，LCD液晶顯示范圍也可以滿足本設(shè)計(jì)信息顯示的需要。對(duì)于內(nèi)置控制芯片的液晶顯示模塊，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，只需把液晶的控制電路信號(hào)分清就可以方便的使用。由于LM320160CCW液晶模塊中配備液晶控制單元，所以在接口電路設(shè)計(jì)不需加入更多控制芯片就可實(shí)現(xiàn)圖形或字符的顯示。
2．3 LCD與控制器接口電路設(shè)計(jì)
    在接口電路設(shè)計(jì)中，由于LM320160CCW液晶顯示模塊為5 V供電，而單片機(jī)為3．3 V供電，所以不能簡(jiǎn)單的彼此連接在一起，需要做電平處理。本次設(shè)計(jì)中選用741S245作為總線驅(qū)動(dòng)器，并在單片機(jī)引腳加入5 V上拉電阻，這樣即可保證信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，接口電路原理圖如圖3所示，其中P3和P7為單片機(jī)的I／O端口，RV1為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)液晶模塊背光對(duì)比度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電復(fù)位后，液晶模塊需要系統(tǒng)初始化、寫(xiě)入指令代碼、寫(xiě)入數(shù)據(jù)3個(gè)步驟才能正常工作。在指令、數(shù)據(jù)寫(xiě)入的過(guò)程中要注意時(shí)序問(wèn)題，如果時(shí)序過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致指令、數(shù)據(jù)無(wú)法正確寫(xiě)入液晶模塊，而造成信息無(wú)法顯示或出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。由于主控制器單片機(jī)采用C語(yǔ)言編程，因此，單片機(jī)程序和液晶模塊顯示程序都具有很強(qiáng)的移植性、可操作性。
3．1 液晶模塊指令、數(shù)據(jù)的寫(xiě)入
    液晶模塊在正常工作之前，首先進(jìn)行模塊初始化，寫(xiě)入系統(tǒng)設(shè)置命令將使液晶模塊退出電源模式，并且啟動(dòng)模塊內(nèi)部時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)將初始化液晶模塊的內(nèi)部狀態(tài)。然后設(shè)置液晶模塊的顯示模式，包括打開(kāi)顯示、設(shè)置游標(biāo)、設(shè)置圖形模式等。所有指令的寫(xiě)入都可以通過(guò)公用的指令函數(shù)實(shí)現(xiàn)。寫(xiě)指令程序如下：
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    LCD320160CCW寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)程序包括清屏、圖形界面、符號(hào)和漢字等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入是建立在指令正確寫(xiě)入的基礎(chǔ)上。因?yàn)樵揕CD模塊為圖形點(diǎn)陣式，所以可以將顯示信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)組，在需要顯示信息時(shí)只需調(diào)用點(diǎn)陣數(shù)組即可，寫(xiě)數(shù)據(jù)程序如下：
   
3．2 控制器主程序設(shè)計(jì)
    圖4為單片機(jī)主程序流程圖，在系統(tǒng)及LCD初始化完成后，主機(jī)計(jì)算查詢信息的錯(cuò)誤校驗(yàn)CRC碼，并且將其附加在發(fā)送信息的末端，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后；查詢信息通過(guò)定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)定時(shí)發(fā)送，由于設(shè)定的UAWT波特率為9 600 b／s，查詢信息的字節(jié)數(shù)為8個(gè)，從機(jī)正確回應(yīng)信息的字節(jié)數(shù)為35個(gè)，那么一次發(fā)送、接受過(guò)程字節(jié)總數(shù)為43個(gè)，需要的時(shí)間為T=43x8x1 s／9 600x1 000=35．8 ms，所以確定定時(shí)器2的定時(shí)間為50 ms。一次定時(shí)間隔內(nèi)除發(fā)送、接收的時(shí)間外，其余時(shí)間用于LCD液晶顯示，由于壓電驅(qū)動(dòng)器電壓變化速率相對(duì)與定時(shí)器定時(shí)頻率比較大，因此可以認(rèn)為監(jiān)控、顯示具有較好的實(shí)時(shí)性，并且在程序中按照這樣的順序安排任務(wù)調(diào)度能夠滿足實(shí)際工程中實(shí)時(shí)性的要求。

4 結(jié)論
    本文中通過(guò)對(duì)20路電壓測(cè)量模塊以及ModBus協(xié)議進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上搭建基于高速單片機(jī)C8051F120的硬件連接，通過(guò)編寫(xiě)控制器程序?qū)崿F(xiàn)了單片機(jī)與電壓測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)通信和電壓的LCD液晶實(shí)時(shí)顯示。實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，開(kāi)發(fā)周期短，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中各路壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓值的需要，具體實(shí)物如圖5所示。