【正文】 觸摸屏及電容技術(shù)觸摸屏都用到的主要材料，實(shí)際上電阻和電容技術(shù)觸摸屏的工作第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 23 面就是 ITO 涂層。 鎳金涂層，五線電阻觸摸屏的外層導(dǎo)電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料，外導(dǎo)電層由于頻繁觸摸，使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長(zhǎng)使用壽命，但是工藝成本較為高昂。鎳金導(dǎo)電層雖然延展性好，但是只能作透明導(dǎo)體，不適合作為電阻觸摸屏的工作面，因?yàn)樗鼘?dǎo)電率高，而且金屬不易做到厚度非常均勻，不宜作電壓分布層，只能作為探層。 2） 四線電阻模擬量技術(shù)的兩層透明金屬層工作時(shí)每層均增加 5V恒定電壓：一個(gè)豎直方向，一個(gè)水平方向。總共需四根電纜。特點(diǎn)：高解析度，高速傳輸反應(yīng)。 表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理。具有光面及霧面處理。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。 四線電阻屏在表面保護(hù)涂層和基層之間覆著兩層透明電導(dǎo)層 ITO（ ITO：氧化銦，弱導(dǎo)電體，特性是當(dāng)厚度降到 1800 個(gè)埃（埃 =1010 米）以下時(shí)會(huì)突然變得透明，再薄下去透光率反而下降，到 300 埃厚度時(shí)透光率又上升。是所有電阻屏及電容屏的主要材料。），兩層分別對(duì)應(yīng)X， Y 軸，它門之間 用細(xì)微透明絕緣顆粒絕緣，當(dāng)觸摸時(shí)產(chǎn)生的壓力使兩導(dǎo)電層接通，由于電阻值的變化而得到觸摸的 X， Y坐標(biāo)。 人機(jī)界面 HMI 簡(jiǎn)介 HMI？ HMI 是 Human Machine Interface 的簡(jiǎn)稱，即人機(jī)界面。用來連接可編程序控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備 ,由硬件和軟件兩部分組成。 產(chǎn)品的組成及工作原理 人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬 件部分包括處理器顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等。 HMI 軟件一般分為兩部分，即運(yùn)行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于 PC機(jī) Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（例如 EV5000 組態(tài)編輯軟件）。使用者都必須先使用 HMI 的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過 PC機(jī)和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到 HMI 的處理器中運(yùn)行。 圖 313 人機(jī)界面硬件組成 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 24 圖 314 人機(jī)界面軟件組成 組態(tài)軟件是運(yùn)行于 PC硬件平臺(tái)、 Windows 操作系統(tǒng)下的一個(gè)通用工具軟件產(chǎn)品。是一個(gè)使用戶能快速建立自己的 HMI 的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。 EV5000 組態(tài)軟件的主要組成 ： 控制器 PLC PLC 簡(jiǎn)介 可編程控制器（ Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱 PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 25 個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Personal Computer）的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC。 系統(tǒng)中的控制器為 PLC，運(yùn)用其高速計(jì)數(shù)器記錄旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)，再通過 PLC 的其它指令計(jì)算出焦車行走的距離，由此判斷出焦車所在爐室；又與光電開關(guān)組成校正系統(tǒng)，通過焦車經(jīng)過爐室，光電開關(guān)遇到定位遮光片輸入到 PLC 的脈沖，使 PLC程序進(jìn)入中斷程序，從而進(jìn)行對(duì)焦車進(jìn)行位置校正。 1． PLC 控制系統(tǒng)的基本硬件組成 中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出接口、外部設(shè)備編程器及電源模塊組成。 PLC 內(nèi)部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，外部則根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象配置相應(yīng)設(shè)備與控制裝置構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)。 2． PLC 的特點(diǎn) （ 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10 到 1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F系列 PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá) 30 萬小時(shí)。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在 應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 （ 2）硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各 種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （ 3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它 接口容易，編程語言易河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 26 于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 （ 4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外 部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 （ 5）體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的 1/2~1/10。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 S7200 高速計(jì)數(shù)器 這次設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了 PLC 中的高速計(jì)數(shù)器部分， 高速計(jì)數(shù)器對(duì) CPU 掃描速率無法控制的高速事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，最多可配置 12 種不同的操作模式。高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率取決于 CPU類型。其中 CPU222 和 CPU221 沒有 HSC1 和 HSC2。 表 32 HSC 模式 在使用高速計(jì)數(shù)功能的時(shí)候，需要修改系統(tǒng)內(nèi)的部分特使寄存器。以改變我們的計(jì)數(shù)模式。SMB36 至 SMB65 被用于監(jiān)控和控制高速計(jì)數(shù)器 HSC0、 HSC1 和 HSC2； SMB136 至 SMB165 被用于第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 27 監(jiān)控和控制高速計(jì)數(shù)器 HSC HSC4 和 HSC5。 下面，我們就對(duì)相應(yīng)的特殊寄存器進(jìn)行介紹 HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 說明 復(fù)原現(xiàn)用水平控制位：0=復(fù)原現(xiàn)用水平高 1=復(fù)原現(xiàn)用水平低 起始現(xiàn)用水平控制位：0=起始現(xiàn)用水平高 1=起始現(xiàn)用水平低 正交計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速率選項(xiàng)： 0=4x 計(jì)數(shù)速率1=1x 計(jì)數(shù)速率 計(jì)數(shù)方向控制位： 0 = 向下計(jì)數(shù) 1 = 向上計(jì)數(shù) 向 HSC 寫入計(jì)數(shù)方向： 0 = 無更新 1 = 更新方向 向 HSC 寫入新預(yù)設(shè)值： 0 = 無更新 1 = 更新預(yù)設(shè)值 向 HSC 寫入新當(dāng)前值： 0 = 無更新 1 = 更新當(dāng)前值 啟用 HSC： 0 = 禁用 HSC1 = 啟用 HSC 表 33 特殊寄存器 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 28 高速計(jì)數(shù)器控制字節(jié) 表 34 高速計(jì)數(shù)器控制字節(jié) HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 說明 未使用 未使用 未使用 未使用 未使用 當(dāng)前計(jì)數(shù)方向狀態(tài)位： 0 = 向下計(jì)數(shù)； 1 = 向上計(jì)數(shù) 當(dāng)前值等于預(yù)設(shè)值狀態(tài)位： 0 = 不相等； 1 = 等于 當(dāng)前值大于預(yù)設(shè)值狀態(tài)位： 0 = 小于或等于； 1 = 大于 第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 29 高速計(jì)數(shù)器初始值及預(yù)置值 載入數(shù)值 HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 初始值 SMD38 SMD48 SMD58 SMD138 SMD148 SMD158 預(yù)置值 SMD42 SMD52 SMD62 SMD142 SMD152 SMD162 表 35 高速計(jì)數(shù)器初始值及預(yù)置值 當(dāng)我們需要手動(dòng)更新計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值和當(dāng)前值時(shí)，需要將 SM**.5 和 SM**.6 設(shè)置為 1。然后，將要輸入的值更新給對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的特殊寄存器中 高速計(jì)數(shù)器 狀態(tài)位 高速計(jì)數(shù)器定義（ HDEF）指令選擇特定的高速計(jì)數(shù)器（ HSCx）的操作模式。模式選擇定義高速計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘、方向、起始和復(fù)原功能。 圖 315 高速計(jì)數(shù)器 HDEF 指令 此次設(shè)計(jì)中選用 CPU226，高速計(jì)數(shù)器 SHC2，工作模式 9。 電源 電源的重要性是無須懷疑的，許多精良的設(shè)計(jì)由于對(duì)電源的處理不當(dāng)，性能受到影響，甚至無法實(shí)現(xiàn)。所以電源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題，為了使電路性能穩(wěn)定，電源的處理是至關(guān)重要的。 根據(jù)不同的工作原理可將電源分成三類：線性穩(wěn)壓電源、 開 關(guān)穩(wěn)壓電源及電荷泵電源。它們各自都有一定的特點(diǎn)及適用范圍，這里分別做一簡(jiǎn)介。 線性穩(wěn)壓電源 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 30 線性穩(wěn)壓電源是因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性范圍而得名。一般認(rèn)為線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差（一般稱為壓差）大，調(diào)整管上的損耗大，效率低。但近年來 開 發(fā)出各種低壓差 （ LD0） 的新型線性穩(wěn)壓器 IC，一般可達(dá)到達(dá)輸出 100mA電流時(shí)，其壓差在 100mV左右的水平（甚至于到 7080mV 的水平 ） ，某些小電流的低壓差線性穩(wěn)壓器其壓差僅幾十毫伏。這樣，調(diào)整管的損耗較小，效率也有較大的提高，因此可延長(zhǎng)電池的壽命。另外，線性穩(wěn)壓電源外圍元件最少、輸出噪聲最小、靜態(tài)電流最小，價(jià)格也便宜。 開關(guān)穩(wěn)壓電源 開關(guān)穩(wěn)壓電源主要有一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管 （ 一般是 MOSFET） ，故稱為開關(guān)電源。開關(guān)管工作于飽和導(dǎo)通及截止兩種狀態(tài)，所以開關(guān)管管耗小并且與輸入電壓大小無關(guān)，效率較高（一般可達(dá) 8095％） ， 有 AC/DC 和 DC/DC 兩種。 電荷泵電源 電荷泵是一種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它利用高頻振蕩器，控制電容的充、放電，將能量由輸入傳給負(fù)載 （ 輸出 ） ，其特點(diǎn)是體積小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；無需電感，因而不存在電磁噪聲；輸出電流較小，通常在 10mA150mA左右；可產(chǎn)生輸入的反相或倍壓輸出。 通過上述分類不難理解，對(duì)于本系統(tǒng)而言，選用 AC/DC 開 關(guān)穩(wěn)壓電源是理想的選擇。 現(xiàn)在市面上的 開 關(guān)電源模塊種類齊全，品種繁多，可根據(jù)需要靈活選用。 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由 脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）控制 IC 和開關(guān)器件（ MOSFET、 BJT等）構(gòu)成