基于單片機控制的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計

第8頁共8頁1引言1.1課題研究背景及發(fā)展方向在軍隊射擊訓練和各種體育射擊比賽中，示靶、檢靶、報靶和成績的記錄統(tǒng)計，是訓練和比賽過程中的主要保障工作。目前，這些保障工作大部分還是依靠人工來完成的。人工報靶有著工作量大、效率低、安全性差的特點。想要提高射擊比賽或訓練中報靶的效率，最主要是要解決自動報靶的問題[1]。因此，設(shè)計制作并采用安全有效的自動報靶系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義也是迫切的現(xiàn)實需求。當今較為先進的報靶系統(tǒng)包括光電坐標靶、圖像處理坐標靶、CCD線陣靶、聲電坐標靶、光纖編碼坐標靶剛、雙電極短路坐標靶等[2][3]。但以上這些方法也存在著各自的不足：有的技術(shù)過于復雜、有的不能用于野外實彈射擊報靶、有的成本過高、有的著彈實報率較低、不適用于連發(fā)射擊訓練等缺點。目前應用較多的還有紅外光電定位測試、基于圖像處理模板匹配法、基于聲電坐標定位法、基于光纖編碼定位法、廣義Hough變換法(基于圖像處理)、面陣CCD精度靶等報靶系統(tǒng)，都是較有效的測試方法[3]。近年來發(fā)展起來一種新型智能自動報靶系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的實彈射擊準備工序繁瑣且隱藏著極大的安全隱患比較，利用這種報靶系統(tǒng)開展的訓練將會更安全高效。這一智能自動報靶系統(tǒng)由主機、從機、靶面?zhèn)鞲衅魅糠謽?gòu)成。具有可對射擊過程全程監(jiān)控，并作數(shù)據(jù)處理、自動統(tǒng)計以及查詢成績等功能，還可對射手存在的問題作出分析，極大地提高了訓練效率[4]?？梢灶A見，這種新型智能自動報靶系統(tǒng)將會在不遠的將來取代傳統(tǒng)自動報靶系統(tǒng)并向更加智能化、自動化、數(shù)字化方向發(fā)展，它將可能成為未來研制報靶系統(tǒng)的新趨勢。1.2基于激光坐標定位法實現(xiàn)的自動報靶系統(tǒng)簡介激光坐標定位法在一些資料中也稱為光電坐標定位法，光電靶是由X、Y兩個方向上的激光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖l所示。圖1.1光電靶將普通靶紙置于激光網(wǎng)絡(luò)之前并與之同軸，當子彈打破靶紙，并穿越激光網(wǎng)絡(luò)時，會阻斷相應位置處X和Y兩個方向上的各一路激光，從而使接收裝置(光敏管)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化[5][6]。通過對光敏管開關(guān)狀態(tài)進行編碼，便可將子彈穿過時對應的光敏管狀態(tài)進行記錄，利用單片機對該信號進行處理，便可得到彈著點的坐標和環(huán)數(shù)。激光坐標定位法的主要優(yōu)點是在實際應用過程中不依賴于靶紙更不依賴于環(huán)境，可以做到快速、安全、高效、準確地自動報靶[7][8]。

2電子電路的虛擬設(shè)計及仿真2.1電路虛擬設(shè)計及仿真的意義當今電子信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，電腦CPU主頻越來越高，物理內(nèi)存和硬盤容量也越來越大，相應的個人電腦的功能也越來越強大了，處理信息的能力也越來越強，但價格卻隨之越來越便宜，功能強大的個人PC機已經(jīng)漸漸普及，同時得益于國際上一些知名的電子設(shè)計公司推出的各種功能不斷完善的電子設(shè)計軟件，現(xiàn)今的大部分電子電路設(shè)計都可以先在個人電腦上進行系統(tǒng)的總體設(shè)計、驗證，得到相對正確的仿真設(shè)計結(jié)果后，再進行具體的硬件開發(fā)和制作。通過電腦虛擬設(shè)計仿真后再進行具體實物的制作，能大大降低電子設(shè)計的開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，使研發(fā)人員工作量大大減少，把更多的精力投入到電子電路的合理性設(shè)計中去，而不用花費大量時間搭建實驗所需的物理工作環(huán)境，進而提高研發(fā)效率和成功率。2.2系統(tǒng)虛擬設(shè)計所用軟件簡介此系統(tǒng)是基于單片機的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計，首先運用了當今十分流行的單片機仿真軟件Proteus，在電腦上搭建電子電路，然后運用到了Keil軟件，進行程序設(shè)計。Proteus和Keil軟件可以進行聯(lián)合調(diào)試，功能比較強大，對付一般的電子電路設(shè)計仿真已經(jīng)綽綽有余。最后還運用了AltiumDesigner軟件對整個電路的原理圖進行了繪制，并同時制作了PCB原理圖，使整個設(shè)計更加完整。在下文介紹中將要用到的電路圖中，大部分為AltiumDesigner軟件所繪制。2.2.1Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。一、其功能特點Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：（1）原理布圖設(shè)計。（2）PCB自動或人工布線。（3）SPICE電路仿真。二、革命性的特點（1）互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。（2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。三、具有4大功能模塊（1）智能原理圖設(shè)計（ISIS）豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計簡明清晰；可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。（2）完善的電路仿真功能（Prospice）①ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；②超過27000個仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設(shè)計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件；③多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入；④豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；⑤生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動；⑥高級圖形仿真功能（ASF）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析；（3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM）①支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；②支持通用外設(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；③實時仿真：支持UART/USART/EUSARTS仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；④編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試；（4）實用的PCB設(shè)計平臺①原理圖到PCB的快速通道：原理圖設(shè)計完成后，一鍵便可進入ARES的PCB設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計；②先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設(shè)計更為合理；③完整的PCB設(shè)計功能：最多可設(shè)計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動設(shè)計規(guī)則檢查，3D可視化預覽；④多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導入或?qū)С?，便利與其它PCB設(shè)計工具的互轉(zhuǎn)（如protel）和PCB板的設(shè)計和加工。四、Proteus提供了豐富的資源（1）Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。（2）Proteus可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。（3）除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。（4）Proteus可提供的調(diào)試手段Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。五、電路功能仿真在Proteus繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在Proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。PROTEUS是單片機課堂教學的先進助手。Proteus不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于Proteus提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點。可使設(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應用。使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計,是虛擬仿真技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力；實踐證明，在使用Proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此Proteus有較高的推廣利用價值。目前Proteus的最新版為7.7sp2,今年將推出8.0版本，增加DSP系列及ARMcortex處理器，在此設(shè)計中我運用的是Proteus7.5sp版本。2.2.2Keil軟件簡介單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍?；局R一、KeilC51開發(fā)系統(tǒng)基本知識KeilC51開發(fā)系統(tǒng)基本知識（1）系統(tǒng)概述KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹KeilC51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。（2）KeilC51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖(1)所示，其中uVision與Ishell分別是C51forWindows和forDos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。二、優(yōu)點KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。2.2.3AltiumAltiumDesigner是澳大利亞的Altium公司開發(fā)的一款進行電子線路板設(shè)計的系列軟件之一，是Protel99SE、Protel2004的后續(xù)版本。當前我使用的是AltiumDesigner6.9，現(xiàn)在已有7.0及9.0等版本。我也對其進行了簡要的了解，發(fā)現(xiàn)在界面與操作上幾乎沒有改變。通過AltiumDesigner可以完成一般電子工程項目的從開發(fā)到制板的開發(fā)過程。在低速電子線路板設(shè)計中，該軟件使用非常廣泛。在我們實驗室里，由于涉及的電路板速度通常低于100MHz，所以一般會使用該軟件進行電路板的繪制。7.0版本：AltiumDesignerSummer即AltiumDesigner7.0，AltiumDesigner7.0不斷通過為高速設(shè)計提供各種功能來提高用戶生產(chǎn)力，這些功能包括交互式長度調(diào)整和PCB層片增強等功能。新增的庫工具和各種新功能將AltiumDesigner提升成為統(tǒng)一的電子產(chǎn)品開發(fā)解決方案。這款最新的更新程序?qū)⑦M一步增強您的能力，讓您能夠在更短的“設(shè)計到制造”周期內(nèi)生產(chǎn)更為尖端、更具創(chuàng)新性的電子產(chǎn)品，AltiumDesigner完全取代了Protel。AltiumDesignerSummer08新增匯入AllegroPCB(*.brd)的轉(zhuǎn)文件功能。AltiumDesigner提供了唯一一款統(tǒng)一的應用方案，其綜合電子產(chǎn)品一體化開發(fā)所需的所有必須技術(shù)和功能。AltiumDesigner在單一設(shè)計環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設(shè)計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)以及PCB版圖設(shè)計、編輯和制造。并集成了現(xiàn)代設(shè)計數(shù)據(jù)管理功能,使得AltiumDesigner成為電子產(chǎn)品開發(fā)的完整解決方案－一個既滿足當前，也滿足未來開發(fā)需求的解決方案。AltiumDesigner7.0加強了FPGA-PCB協(xié)同設(shè)計能力雖然人們早就認識到了FPGA給邏輯開發(fā)帶來的好處，但把這些器件集成到PCB設(shè)計流程所帶來的挑戰(zhàn)，會使得PCB線路板設(shè)計變得十分復雜并導致整體設(shè)計時間超長。通常無需考慮PCB版圖即進行FPGA管腳分配，而在大規(guī)?？删幊唐骷惺褂玫拿芗庋b技術(shù)將使得PCB板布線成為極大的挑戰(zhàn)。AltiumDesigner打破了FPGA的使用障礙，把硬連接的PCB平臺和軟件及軟連接的邏輯開發(fā)集成在一起，后者構(gòu)成的嵌入式智能通過在PCB線路板上編程以創(chuàng)建完整的應用。AltiumDesigner6.0改進了FPGA級設(shè)計和PCB級設(shè)計間的集成，開發(fā)了很多新功能，與現(xiàn)在的大型可編程器件相結(jié)合，它們精簡了產(chǎn)品開發(fā)。“大型FPGA器件的可用性正改變著工程師的系統(tǒng)設(shè)計方法――產(chǎn)品中可以添加更多智能并同時縮短設(shè)計時間，減少制造成本?！盇ltium的創(chuàng)始人和CEONickMartin說，“AltiumDesigner6.0可幫助工程師在嵌入式智能級和物理設(shè)計級充分利用FPGA提供的好處，系統(tǒng)的統(tǒng)一特性打破了在主流設(shè)計中廣泛采用可編程器件的障礙，這樣可以充分利用這些器件的擴展資源，簡化邏輯和物理設(shè)計?！盇ltiumDesigner6.0引入了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重分配概念，PCB布線期間可在線交換FPGA管腳。這包括重新分配預先布線的子網(wǎng)和交換鏈接的差分信號對，差分信號對可利用FPGA器件上充分的LVDS資源。動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重分配在板級具有增強了的FPGA管腳優(yōu)化引擎，允許工程師充分利用FPGA器件管腳的可重新編程特性，在PCB板極獲得最優(yōu)的布線方案。AltiumDesigner系統(tǒng)的統(tǒng)一特性允許在板級完成的管腳交換和FPGA項目的自動同步，減少手動調(diào)整處理I/O的耗時。通常帶有大量管腳的FPGA器件是密集BGA型封裝。這給原型階段的調(diào)試帶來很大困難，因為這些器件上的管腳不能直接探測。AltiumDesigner的LiveDesign開發(fā)方法允許工程師在開發(fā)中可與基于FPGA的設(shè)計直接交互。AltiumDesigner6.0具有改進的JTAG器件瀏覽器，可提供系統(tǒng)中所有JTAG器件的管腳狀態(tài)顯示，在調(diào)試期間工程師可以實時檢測管腳信號狀態(tài)。管腳狀態(tài)也可以在源原理圖和PCB版圖動態(tài)顯示，‘定位’查看設(shè)計文檔內(nèi)的信號狀態(tài)。另外還有AltiumDesigner的FPGA虛擬儀器，可用來設(shè)定并監(jiān)控FPGA內(nèi)的信號，給設(shè)計師提供電路運行完整的狀態(tài)圖，以進行系統(tǒng)的邏輯和物理調(diào)試。FPGA系統(tǒng)的在線測試在AltiumDesigner7.0中得到改進，提供增強的邏輯分析儀(LAX)虛擬儀器?？膳渲玫腖AX可監(jiān)控FPGA內(nèi)從8位到64位帶寬的總線，支持多重信號集的連接。任意信號都可用來觸發(fā)輸入或選定為數(shù)據(jù)源。當可配置的LAX連接到處理器指令總線時，總線數(shù)據(jù)可顯示為反匯編的代碼指令，代碼相關(guān)的問題可方便地在虛擬儀器輸出中進行跟蹤。AltiumDesigner7.0中32位的基于FPGA的處理器系統(tǒng)也有更多通用性，支持大量第三方的軟核和分立處理器，包括XilinxMicroBlaze軟處理器、SharpBlueStreakLH79520(基于ARM720T)和AMCCPowerPC405CR分立處理器。這些新器件的支持，對于已經(jīng)有了8位和32位目標獨立軟處理器支持的AltiumDesigner設(shè)計系統(tǒng)來說，使設(shè)計者在使用FPGA進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時更加靈活。AltiumDesigner7.0提供的包裹連接器內(nèi)核可幫助設(shè)計者定位支持的第三方處理器，同時保留AltiumDesigner環(huán)境的所有設(shè)計功能，包括使用AltiumDesigner虛擬儀器方便地連接基于FPGA外設(shè)和用LiveDesign進行調(diào)試。Altium基于Viper的編譯器工具鏈保證所有處理器間的軟件兼容性，包裹連接器內(nèi)核提供硬件兼容性。這意味著嵌入式設(shè)計師無需花費高昂的重新設(shè)計工程的代價即可在處理器間進行設(shè)計移植。AltiumDesigner7.0在FPGA開發(fā)方面有以下主要特點。（1）支持不依賴于FPGA廠商即各個廠商通用的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)。AltiumDesigner7.0支持NanoBoard開發(fā)器。NanoBoard開發(fā)器標準配置有兩塊可以選擇的FPGA子板，分別為：AlteraCyclone（EP1C12-Q240C7）和XilinxSpartanIIE（XC2S300E-PQ208C），由于各個廠家不同芯片引腳有些不同，AltiumDesigner7.0提供了一個可以定義引腳之間連接的約束文件（ConstrainFiles），可以定義不同F(xiàn)PGA與PCB上的引腳對應關(guān)系。這樣就可在NanoBoard上將設(shè)計好的FPGA邏輯關(guān)系換燒到不同的廠家生產(chǎn)的不同系列的FPGA上；就可以依賴于不同廠商的FPGA而進行開發(fā)，這一點在實際開發(fā)中有很大的好處。AltiumDesigner7.0實現(xiàn)了跨廠家FPGA設(shè)計，以前FPGA每一個廠家每一個系列的FPGA設(shè)計都需要有專門對應的下載工具，但是現(xiàn)在AltiumDesigner7.0克服了這種麻煩，實現(xiàn)了不受芯片廠家型號約束的設(shè)計方法。（2）豐富的原理圖庫，有大量的預綜合元件，包括處理器。在原理圖庫里有大量預綜合的元器件，設(shè)計者可以調(diào)用到FPGA設(shè)計上。包括很多IP模塊可以直接調(diào)用。有大量免費使用的IP庫可以放心使用。在設(shè)計中需要的元件基本上都可以在IP庫里找到，包括51核和DSP模塊等。這給IP資源復用（IPReuse）帶來了很大的方便。IP資源復用（IPReuse）是指在集成電路設(shè)計過程中，通過繼承、共享或購買所需的智力產(chǎn)權(quán)內(nèi)核，然后再利用EDA工具進行設(shè)計、綜合和驗證，從而加速流片設(shè)計過程，降低開發(fā)風險。IPReuse已逐漸成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計的重要手段，在日新月異的各種應用需求面前，超大規(guī)模集成電路設(shè)計時代正步入一個IP整合的時代。（3）在工程的設(shè)計和調(diào)試階段都支持原理圖導向設(shè)計方法。以FPGA為核心的PLD產(chǎn)品是近幾年集成電路中發(fā)展得最快的產(chǎn)品。隨著FPGA性能的高速發(fā)展和設(shè)計人員自身能力的提高，F(xiàn)PGA將進一步擴大可編程芯片的領(lǐng)地，將復雜專用芯片擠向高端和超復雜應用。隨著處理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之間的界限將越來越模糊，未來的某些電路板上可能只有這兩部分電路：模擬部分（包括電源）和一塊FPGA芯片，最多還有一些大容量的存儲器。由于芯片設(shè)計的復雜性和產(chǎn)品面市時間對于保證終端市場的成功率至關(guān)重要，設(shè)計師不斷尋求縮短設(shè)計周期的方法，以及更有效的設(shè)計方式。隨著我們步入系統(tǒng)級芯片時代，利用IP內(nèi)核和可編程邏輯進行設(shè)計復用顯得日趨重要。（4）豐富的虛擬儀器。虛擬邏輯分析儀、虛擬頻率發(fā)生器、頻率計數(shù)器、I/O模塊、ROM仿真器，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供很大的便利。虛擬儀器可以對FPGA里面的模塊或模塊與模塊之間的邏輯關(guān)系進行測試檢驗。（5）為了方便在FPGA上設(shè)計嵌入式系統(tǒng)，AltiumDesigner6.0完全綜合了Altium獨特的基于FPGA的現(xiàn)場設(shè)計開發(fā)板——NanaBoard（Nano-levelBreadoard）和一系列的混合到原理圖層的FPGA物理設(shè)備。一旦設(shè)計被綜合并下載到NanaBoard，設(shè)計者就可利用JTAG通信技術(shù)對任何核進行通信和控制。JTAG是JointTestActionGroup的縮寫，是一個國際標準（IEE1149.1-2001）。是為了測試PCB開發(fā)的。利用JTAG可以對芯片進行邊界掃描仿真。但是邊界掃描仿真器不能提供真實的路徑，因為JTAG邏輯沒有通向內(nèi)部地址和數(shù)據(jù)線單元。一般的JTAG仿真不能看到內(nèi)部的邏輯情況。而AltiumDesigner6.0利用其軟鏈Nexus鏈，可以使用虛擬儀器看清FPGA的內(nèi)部構(gòu)造并對其進行調(diào)試。在開發(fā)調(diào)試過程中，可以很方便地看清楚FPGA內(nèi)部的情況，也可以實時地觀察FPGA發(fā)生的情況，而且在AltiumDesigner6.0平臺上可以看到FPGA里面燒寫進去的模塊。（6）支持軟硬件并行開發(fā)，克服以往嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的串行開發(fā)形式中的缺點。這種方法必將成為以后FPGA開發(fā)的主流方法。傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)流程是：系統(tǒng)級設(shè)計→PCB板硬件制作→硬件調(diào)試→嵌入式軟件開發(fā)→軟件調(diào)試→整個系統(tǒng)的軟硬件綜合調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題后再從流程開始檢查調(diào)試。這是一個串行的開發(fā)流程，造成的問題是一個系統(tǒng)開發(fā)時間過長和調(diào)試不方便，發(fā)現(xiàn)問題再修改會很麻煩?，F(xiàn)在很多嵌入式開發(fā)存在的問題是，在硬件開發(fā)階段，那些軟件開發(fā)工程師無從下手，非得等硬件PCB板做出來才可以基本進行開發(fā)，從而浪費了人力和時間。而AltiumDesigner7.0提供了一個軟硬件并行的開發(fā)方法。當系統(tǒng)級設(shè)計完成以后，PCB板硬件工程師可以進行制作板子，嵌入式軟件工程師可以進行芯片級的嵌入式軟件開發(fā)，而到最后調(diào)試時出現(xiàn)問題可以很方便地進行軟硬件各自的修改。這種軟硬件并行的開發(fā)方法已經(jīng)在國外慢慢流行起來，在不久的將來將成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流方法。通過以上的介紹，可見AltiumDesigner是一款功能多么強大的設(shè)計軟件，我電腦上安裝的是AltiumDesigner6.9版本，雖然不是最新版本的，但應付一般的設(shè)計也是綽綽有余了。

3系統(tǒng)綜述3.1系統(tǒng)設(shè)計簡介我的畢業(yè)設(shè)計題目是基于單片機控制的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計，受限于激光檢測元件較為高昂的價格以及個人技術(shù)水平、研發(fā)周期等原因，此實物僅能用作模擬激光坐標定位法原理，離實際應用還有一定距離，但總體設(shè)計思路是完全可行的，繼續(xù)深入學習制作下去的話，是能達到實彈檢測目標的。單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)激光接收模塊激光發(fā)射模塊液晶顯示模塊串行通信模塊串行通信模塊聲音提示模塊上位機圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3.1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，整個系統(tǒng)大致由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、單片機最小系統(tǒng)、聲音提示模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊等6個模塊組成，并能通過串行通信模塊實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。激光收發(fā)模塊對信號進行檢測，然后把信號傳輸給單片機進行處理。通過C語言編程，使單片機對信息進行判斷處理后，發(fā)出相應的命令，控制聲音提示、液晶顯示以及與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。 圖3.2為系統(tǒng)實物鳥瞰圖，我將在后面的章節(jié)里面一步步詳細介紹整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及其實物制作過程。圖3.2系統(tǒng)總體實物圖3.2系統(tǒng)功能概述（1）打開單片機主控板電源開關(guān)后，系統(tǒng)開始工作，LCD1602液晶逐一顯示學號、姓名以及“Welcome！”，右側(cè)光電靶通電，各激光頭發(fā)射激光使對應接收管接通，點亮高亮指示燈。（2）按下“開始”按鍵，系統(tǒng)進入測試狀態(tài)，液晶同時顯示“Testing…”，提示正在進行測試。（3）此小型光電靶x,y軸各有4對激光收發(fā)對，構(gòu)成一個4乘4的16個點坐標的激光靶。通過編程設(shè)定最中央第一個圓環(huán)通過的4個點為10環(huán)，第二個圓環(huán)上通過的8個點為9環(huán)，最外層圓通過的4個點為8環(huán)。當有物體遮擋這16個點中的任意一個點時，這個點所對應的x,y坐標上的兩路指示燈同時熄滅，液晶第二行顯示“Test:Z環(huán)”(Z為此點所在位置所定義的環(huán)數(shù))，同時伴有蜂鳴器的提示音，10環(huán)、9環(huán)、8環(huán)所對應的蜂鳴器提示音頻率由快到慢，便于區(qū)分。（4）測試完若干點后，按下單片機主控板上的“平均值”鍵，系統(tǒng)對剛才所測各點求取平均數(shù)，液晶顯示“average:Z.ZZZZ環(huán)”，精確到小數(shù)點后4位，然后再按一次“平均值”鍵，系統(tǒng)恢復到測試狀態(tài)，準備下一次測試。（5）每次檢測完環(huán)數(shù)后，單片機通過串口向上位PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，在上位機上顯示出來，支持更好的人機界面。

4方案比較與論證4.1激光網(wǎng)格的設(shè)計方案一：激光網(wǎng)格大小的設(shè)計決定了該系統(tǒng)報靶的準確性和信號處理的難度，如圖4.1所示。當網(wǎng)格邊長b遠大于子彈直徑a(情況1)時，子彈將會有相當大的概率從網(wǎng)格間穿過造成漏報或是只阻擋住x或y一路光線而造成錯報；當網(wǎng)格過小(情況2)時，子彈會阻擋住同一方向上的多路光而增加了數(shù)據(jù)處理的難度；比較理想的方案是3的情況，此時網(wǎng)格邊長略大于子彈直徑，這樣既能保證子彈不會同時阻擋同一方向的兩路或更多的光線也可以確保子彈能以足夠大的概率同時阻擋住兩個方向上的光而不會漏掉一路。一般打靶用64式手槍和56式半自動步槍彈頭直徑均為7.62mm，此時網(wǎng)格邊長可以設(shè)計為7.8mm即可。當然這種設(shè)計方法存在著錯報的可能，但概率很低一般可以滿足要求[7]。1.b》a2.b<a3.b>a且b≈a圖4.1激光網(wǎng)格設(shè)計方案二：另一種方案則是利用前后兩排相互錯開的光網(wǎng)組合到一起構(gòu)成光電靶，如圖4.2所示。圖4.2雙層激光網(wǎng)格設(shè)計細線代表前激光靶，粗線代表后激光靶，兩靶網(wǎng)格邊長相同都為b，且a<b<2a，這樣便可保證當子彈穿過前(后)靶時如果從格間穿過或是只阻斷一路光線則必然在后(前)靶上阻斷x，y各在一條光線，如1和2所示；而當子彈前后兩靶上均阻斷兩條光線，如情況3，此時會得到兩個坐標，這時只要任取一組即可滿足普通設(shè)計的成績精度要求[8][9]。該方案有效解決了漏報和錯報的問題，但加工難度和成本均要高于第一種方案。從成本和自身技術(shù)水平等原因出發(fā)，擬采用第一種方案，但具體技術(shù)指標有所降低。購買了8對激光傳感器，構(gòu)成4x4的16點激光網(wǎng)格，從模擬原理出發(fā)，每個小網(wǎng)格邊長選定為2.5厘米左右。若選用先前所介紹的7.8mm邊長的網(wǎng)格，所制成的16點激光靶面太小，不易觀察和測試，但若在保持網(wǎng)格邊長7.8mm不變的情況下，加大激光靶面積，必然導致成本大幅提高，故采用網(wǎng)格邊長2.5厘米，共16點的激光檢測網(wǎng)絡(luò)，已能達到模擬激光坐標法檢測靶環(huán)原理的目的。綜上所述，決定采用第一種方案。4.2激光檢測元件選擇激光檢測電路既是此系統(tǒng)設(shè)計中的重點，也是難點，整個系統(tǒng)的構(gòu)建都是建立在符合響應要求的激光檢測電路上的。方案一：采用一體化反射型光電傳感器（也稱做光電開關(guān)、光電對管）RPR220進行檢測。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。體積小結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)置的可見光過濾器減小了離散光的影響，使用塑料透鏡以提高靈敏度。主要應用在游戲機，復印機中[9]。缺點是定向性不太好，紅外光有一定散射，不能保證直線傳輸，且搭建實物驗證后，其檢測有效距離只有3至5厘米，不符合設(shè)計要求。圖4.3RPR220光電檢測電路圖4.4RPR220光電檢測電路實物圖圖4.4中，左面紅色的發(fā)光二極管為信號指示燈，檢測到物體時候點亮。圖右上角黑色的物體便是RPR220光電傳感器，傳感器上方為人的手指，很明顯可見檢測距離只有3厘米左右。通過實際測試驗證，當檢測到障礙物時，圖4.3中OUT端輸出電壓為3.5V左右，沒有障礙物時，OUT端輸出電壓為0V左右。此電路工作原理主要利用了運算放大器“同相輸入時輸出為正，反相輸入時輸出為負的原理”，雖然檢測到的信號輸出為比較規(guī)則的高低電平信號，可以不再外加信號調(diào)理電路，直接加以利用，且RPR220價格也不貴，成本低，但由于此電路具有先前所述的定向性不好、檢測距離過短等缺點，故不采用。方案二：（1）發(fā)射元件：采用小型的激光發(fā)生器即可。激光以其純度高、抗干擾能力強而受到廣泛應用。（2）接收元件：光電二極管:光電二極管的響應速度決定了系統(tǒng)的特性。子彈的速度大概為1000m/s數(shù)量級，因而，光電二極管的響應速度應該在10-6s數(shù)量級。光電二極管的響應速度是由漂移時間決定的，PIN光電二極管的漂移速度大約為5×104m/s，其響應速度為0.3×10-6s。由此可以看出，PIN光電二級管能夠滿足系統(tǒng)的要求[10]。但是PIN光電二極管淘寶網(wǎng)上賣家太少，且單價較貴，故也不予考慮了。方案三：（1）發(fā)射元件：采用高端工業(yè)級紅外激光管，其穩(wěn)定性和壽命都比普通低價激光管高很多。圖4.5工業(yè)級紅外激光管相關(guān)特性：1）激光管內(nèi)附凸透鏡，使發(fā)射光平行度更高2）較耐高溫，適用于野外環(huán)境。3）外圍直徑6.6mm，體積較小，易于調(diào)試與安裝。4）激光波長為650nm，屬于近紅外，可視，方便安裝時進行校準和調(diào)試。（2）接收元件：采用半導體光電元件。主要利用的是半導體光電元件的頻率特性。半導體光電元件的頻率特性是指它們的輸出信號與調(diào)制光頻變化的關(guān)系。圖4.6半導體光電元件工作原理：當光敏電阻受到脈沖照射時，光電流達到其穩(wěn)態(tài)值；當光突然消失時，光電流變?yōu)榱?。樹脂區(qū)域尺寸：長：4.5mm寬：4.5mm。圖4.7激光調(diào)制接收電路激光管配合調(diào)制管組成的調(diào)制電路，調(diào)制出定向性更好的激光，減少散射的影響，由接收管接收。經(jīng)過實物環(huán)境測試，此系統(tǒng)檢測靈敏度很高，定向性很好，最遠檢測距離能達10米以上。測試時，人站在10米左右用激光管發(fā)射激光，接收電路上信號指示燈都很靈敏，只是由于接收管體積太小，超過10米，人工很難把激光對準接收管，故理論上檢測距離還能更遠。當無障礙物遮擋激光時，接收管信號輸出端電壓為穩(wěn)定的5V，信號指示燈亮起，提示激光收發(fā)正常。當有障礙物遮擋時，接收管信號輸出端電壓為近似0V，信號指示燈熄滅，提示有障礙物阻斷激光信號[11]。此電路輸出電壓信號為規(guī)則穩(wěn)定的高低電平信號，且定向性、靈敏度、檢測距離都符合設(shè)計要求，價格也比較適中。綜上所述，決定采用第三種方案。4.3數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計方案一：數(shù)據(jù)采集處理電路是智能化儀器儀表及控制裝置的重要組成部分，包括信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、控制時序邏輯等電路。通常這些電路由若干芯片組成,但當系統(tǒng)要求高速數(shù)據(jù)采集時，由于集成度低，各芯片速度匹配困難，數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)比較復雜，設(shè)計難度大。設(shè)計中選用了大規(guī)模、高速、復雜可編程邏輯器件CPLD，利用CPLD芯片本身集成的上萬個邏輯門和嵌入式陣列塊(EAB)，把數(shù)據(jù)采集電路中用到的地址發(fā)生器、讀寫控制時序邏輯、譯碼等電路、計數(shù)器電路等全部集成到1片CPLD芯片中,借助CPLD芯片高速、大規(guī)模、可重構(gòu)等特性,以及功能強大的EDA開發(fā)工具的支持,數(shù)據(jù)采集處理電路設(shè)計大大降低了設(shè)計難度，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成度和可靠性[12]。另外，CPLD可由軟件實現(xiàn)邏輯重構(gòu)，而且可實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程(ISP)，使得系統(tǒng)具有升級容易、開發(fā)周期短等優(yōu)點。但使用CPLD成本較高，又因本設(shè)計只仿真原理用，只有x、y軸8路信號采集，運用CPLD也過于浪費，故不采用。方案二：采用單片機與74HC573結(jié)合采集信號的方法。74HC573為高性能硅門CMOS器件，SL74HC573跟LS/AL573的管腳一樣。器件的輸入是和標準CMOS輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。特點：1）輸出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上2）操作電壓范圍：2.0V~6.0V3）低輸入電流：1.0uA4）CMOS器件的高噪聲抵抗特性74HC573使用簡單，正好有8路數(shù)據(jù)輸入、輸出接口，適合本設(shè)計的8路信號采集要求，且其輸出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上，故可以通過74HC573把8路信號輸送給單片機，電路簡單且可靠性較高。綜上所述，決定采用第二種方案。4.4通信模塊的設(shè)計方案一：采用無線通信的方式進行通信。與有線通信相比，無線通信是極其復雜的系統(tǒng)。對有線信道來說，其傳輸質(zhì)量是可以控制的。通過選擇合適的材料與精心的加工，可以確保在有線傳輸系統(tǒng)中有一個相對比較穩(wěn)定的電氣環(huán)境。而無線信道則是一個開放的環(huán)境，眾多的無線信號都在同一個空間中傳播，因此在無線信道中不可避免地存在著影響通信質(zhì)量的噪聲的干擾，需要采取措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。激光模擬打靶訓練系統(tǒng)中無線通信的調(diào)制采用抗干擾能力強的FSK調(diào)制，編碼方式采用前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的抗干擾能力[13]。此外，采用CRC校驗檢錯和糾錯。系統(tǒng)開發(fā)過程中，既用到有線通信技術(shù)又用到無線通信技術(shù)。在設(shè)計打靶訓練系統(tǒng)的通信模型的時候，首先考慮的應該是有線通信系統(tǒng)，因為有線通信系統(tǒng)有著無線通信系統(tǒng)所不具有的一部分顯著優(yōu)點。比如，在數(shù)據(jù)進行傳輸時，無線通信能有效地降低成本以及誤碼率，傳輸過程中的可靠性得到保證。但是，通過前文的分析可知，隨著部隊訓練質(zhì)量以及模擬訓練所要求的仿真性的提高，僅僅通過有線通信已經(jīng)無法滿足這些要求了，特別是當訓練規(guī)模較大，訓練技術(shù)含量較高，特別是移動靶和移動槍訓練中，有線通信顯然無法很好的達到要求[13]。此時，就需要用無線通信來完成模擬訓練中數(shù)據(jù)的傳輸工作。但考慮到現(xiàn)在市場上比較成熟的、低端一點的無線收發(fā)模塊一套的價格總體也在160到200元左右，且考慮到系統(tǒng)要求也不是很高，從成本原因考慮，故也不考慮采用。本人以前在實驗室使用過一套效果不錯的無線收發(fā)模塊，操作簡單方便，現(xiàn)淘寶網(wǎng)上單價為80元，一對價格為160元。下面給出其技術(shù)資料。圖4.8CC1020無線收發(fā)模塊RF1020SE模塊是采用基于CC1020無線通信芯片的無線收發(fā)一體模塊，作為微功率無線模塊，直線通信距離可達600米左右。CC1020具有低電壓供電、低電流消耗、高靈敏度等特點，適合微功率遠距離的無線傳輸領(lǐng)域，如無線稱重等。CC1020基本特點：

1)頻率范圍為402MHz-470MHz工作

2)高靈敏度（對12.5kHz信道可達-118dBm）

3)可編程輸出功率，最大10dBm

4)低電流消耗（RX:19.9mA）

5)低壓供電（2.3V到3.6V，推薦3.3V）

6)數(shù)據(jù)率最高可以達到153.6Kbaud

7)SPI接口配置內(nèi)部寄存器

8)標準7*2DIP間距接口，便于嵌入式應用9)開闊地直線通信距離可達600米左右

應用領(lǐng)域:車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸、無線稱重等。方案二：單片機與PC機通信采用RS-232通信，RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，將PC機的RS-232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM公司的MAX3232。RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM(通信)口?！癛S-232”是其最明確的名稱。在計算機世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標準，但我們也通常認為它是RS-232口。嚴格地講RS-232接口是DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備)和DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)之間的一個接口，DTE包括計算機、終端、串口打印機等設(shè)備。DCE通常只有調(diào)制解調(diào)器(MODEM)和某些交換機COM口是DCE。標準指出DTE應該擁有一個插頭(針輸出)，DCE擁有一個插座(孔輸出)。這一點經(jīng)常被忽視(如:WYSE終端就是孔輸出DTE串口)，但影響不大，在接線時，最重要的就是要搞清楚DCE、DTE兩個引腳。RS-232C標準接口的全稱是“使用二進制進行交換的數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口”[14]MAX232芯片價格很便宜，接法簡單，考慮到系統(tǒng)要求不是很高，運用此方案是一個經(jīng)濟、有效的方法。綜上所述，決定采用第二種方案。4.5人機界面的設(shè)計4.5.1人機界面（Human-ComputerInterface,簡寫HCI，又稱用戶界面或使用者界面）：是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說人機結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機結(jié)合面是人機系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學的分支學科安全人機工程學去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設(shè)備工程學，安全管理工程學以及安全系統(tǒng)工程學去研究具體的解決方法手段措施安全人機學。它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機信息交流的領(lǐng)域都存在著人機界面。現(xiàn)在大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入”（Input）與“輸出”（Ouput）兩種，輸入指的是由人來進行機械或設(shè)備的操作，如把手、開關(guān)、門、指令(命令)的下達或保養(yǎng)維護等，而輸出指的是由機械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮最大的效能并延長使用壽命，而目前市面上所指的人機接口則多界狹義的指在軟件人性化的操作接口上。4.5.2方案選擇方案一：運用VisualBasic（VB）,編寫人機界面。VB是一種易學習、功能強、效率高的可視化編程語言，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，并且利用VisualBasic6.0的MSComm控件，可實現(xiàn)串口通信。VisualBasic主要通過三種方式與數(shù)據(jù)庫進行連接，即Access數(shù)據(jù)庫引擎、MicrosoftODBC驅(qū)動程序、第三方ODBC(OpenDataBaseConnectivity，開放式數(shù)據(jù)庫連接)驅(qū)動程序。與普通的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，用VisualBasic作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺具有簡單、靈活、可擴充等優(yōu)點。VB的串口編程：微機與集總轉(zhuǎn)發(fā)器的通信是通過VB提供的MSComm通訊控件實現(xiàn)的。MSComm通訊控件是PC機通過串行端口與其它設(shè)備實現(xiàn)連接的通用工具，通過使用MSComm通訊控件，可以簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通訊，而不必調(diào)用低級的API函數(shù)，從而使編程效率大大提高，也降低了因編程不當導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的可能性。本系統(tǒng)設(shè)計提供了串口，可以與PC機實現(xiàn)人機通信，但由于我自身技術(shù)水平原因，VB我還在學習之中，故此方案在短期之內(nèi)我自己還不能實現(xiàn)。方案二：采用LCD1602液晶顯示靶環(huán)數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個簡單的人機界面，同時保留串口通信硬件電路，方便以后擴展連接到PC機，以實現(xiàn)更好的人機界面。在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4）功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。LCD1602帶背光藍白屏，現(xiàn)淘寶上單價10元左右，成本低，且操作比較簡單，自己編寫漢字字庫后，也可以顯示簡單的漢字，已經(jīng)能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。綜上所述，決定采用第二種方案。4.6本章小結(jié)本章主要對本系統(tǒng)一些關(guān)鍵模塊進行了分析，從設(shè)計成本、本人技術(shù)水平和研究時間等因素出發(fā)，通過較為詳細的比較和論證，確定了各關(guān)鍵技術(shù)模塊的設(shè)計方案。此章節(jié)也是我整個實際設(shè)計制作過程中遇到問題、解決問題真實情況的寫照。通過此章節(jié)較為詳細的比較和論證，各關(guān)鍵技術(shù)模塊的實現(xiàn)方案已確定下來，接下來將系統(tǒng)地介紹整個設(shè)計的硬件和軟件設(shè)計。

5系統(tǒng)硬件設(shè)計圖5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖5.1為上文第3章節(jié)所提到過的系統(tǒng)框圖，由于第四章節(jié)對各模塊介紹已經(jīng)比較詳細，此章節(jié)各模塊設(shè)計只著重介紹原理和電路以及芯片的選擇，重復的部分不再贅述。5.1激光信號檢測和采集模塊5.1.1激光發(fā)射電路激光發(fā)射電路由工業(yè)級激光發(fā)射頭與調(diào)制管及其外圍電路組成。但由于Proteus仿真軟件中，無法仿真激光收發(fā)傳感器，故在Proteus仿真設(shè)計時，利用按鍵開閉模擬激光信號的變化，且仿真電路中所用的是基于前文所述的RPR220的檢測電路圖，原理相同，不影響后續(xù)設(shè)計，但實物制作時，選用的是激光頭和半導體光電元件組合的檢測電路。圖5.2Proteus中激光發(fā)射電路圖5.3為實際激光發(fā)射電路，整個設(shè)計總共用到了8個激光發(fā)射電路。圖5.3實際激光發(fā)射電路依次從左到右介紹：左面電容起到穩(wěn)壓、濾波的作用；調(diào)制管用來調(diào)制激光信號，使信號和接收管觸發(fā)信號一致，從而提高激光的定向性靈敏度；圖中LED為激光頭，采用和LED一樣的封裝；右面電阻和三極管用以給激光頭提供電流；最下面P1為電源和接地接口。圖5.48路激光發(fā)射電路實物圖5.1.2激光接收激光接收電路由半導體光電元件及其外圍電路與信號接收指示燈組成：圖5.5激光接收電路圖5.3為激光接收電路，比較簡單，LED為信號指示燈。接收管接收到激光發(fā)射電路調(diào)制發(fā)射出來的激光后，點亮LED，當有障礙物阻斷激光信號后，指示燈熄滅。5.1.3利用74HC573作為中間器件，連接單片機和激光檢測電路。圖5.6鎖存器與信號接口電路引腳1（輸出使能端OE）：低電平有效，直接接地；引腳2到引腳9（數(shù)據(jù)輸入端）：引出Header8的接口，焊接上排針后，利用杜邦線與激光檢測電路相連接。引腳10（GND）:直接接地。引腳11（數(shù)據(jù)鎖存端LE）:單片機通過P3.3口連接LE對74HC573進行控制。引腳12到引腳19腳（數(shù)據(jù)輸出端）：連接單片機P0口。引腳20（VCC）:接高電平。5.2液晶顯示模塊采用LCD1602液晶顯示系統(tǒng)模式信息和所測環(huán)數(shù)，用單片機P2口作液晶數(shù)據(jù)口，再利用單片機幾個I/0口控制液晶顯示。圖5.7液晶仿真顯示圖圖5.5為Proteus仿真圖，在Proteus中沒有LCD1602液晶，但可以用LM016L代替，功能完全一樣，只是比LCD1602液晶少了第15和第16兩個引腳，分別為背光正極和背光負極，在實際連接中，第15腳接5V正極，第16腳接地即可。編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)口6E使能信號14D7數(shù)據(jù)口7D0數(shù)據(jù)口15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)口16BLK背光源負極表5.11602引腳說明調(diào)節(jié)引腳3口10K電位器，可以調(diào)節(jié)液晶顯示偏壓，從而調(diào)節(jié)液晶背光亮度；引腳4（RS）,接到單片機P3.5口；由于此設(shè)計只往液晶寫入數(shù)據(jù)而并不讀取數(shù)據(jù)，所以引腳5（R/W）直接接地；引腳6（E）使能信號，接到單片機P3.4口；第7腳到第14腳為8個數(shù)據(jù)口，接到單片機P0口[15]。圖5.8液晶接口電路圖5.9LCD1602液晶實物圖LCD顯示的基本原理：（1）字符的顯示：用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮[16]。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應的代碼即可[17]。（2）漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應的地址，設(shè)立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字[18][19]。圖5.10漢字編碼軟件界面選擇點陣的大小后，新建字模，在右邊白色區(qū)域中用鼠標構(gòu)建好漢字，一般一個漢字用左右兩個5x7點陣構(gòu)成。構(gòu)建完畢后，點擊取摸方式中的C51格式，這時候右下角圖框里面生成十六進制漢字編碼，編程時候把此數(shù)據(jù)輸送給液晶，便可顯示漢字了[20]。圖5.6中示例為“張”字的偏旁，如果要顯示完整“張”，還需編碼“長”，類似的別的漢字也可以自己編碼出來，但由于1602液晶一個小格為5x7點陣，故只能顯示一些比較簡單的漢字，如果需要顯示更為復雜的漢字和圖案的話，就不行了，可以考慮選用1604、12864等液晶[21]。5.3串行通信模塊單片機與PC機通信采用RS-232通信，RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，將PC機的RS-232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平[22][23]。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM公司的MAX232。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。主要特點如下：1)符合所有的RS-232C技術(shù)標準。2)只需要單一正5V電源供電。3)片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-。4)功耗低，典型供電電流5mA。5)內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器。6)內(nèi)部集成兩個RS-232C接收器。圖5.11串行通信電路此電路接法固定，中間為MAX232芯片，右下角為串口（公頭）。在實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，VCC必須要對地加去耦電容,其值為0.1uF。圖上其它電容取同樣樹枝的鉭電解電容1.0uF/16V,用以提高抗干擾能力，在連接時必須盡量靠近器件。MAX232引腳11和引腳12分別連接單片機TXD和RXD;引腳14連接串口第2腳，引腳13連接串口第7腳[24][25]。此串口除了可以發(fā)送數(shù)據(jù)給PC機以外，單片機下載程序時，也運用的此串行通信電路。5.4聲音提示模塊聲音提示模塊電路比較簡單，利用小型有源蜂鳴器發(fā)聲。注意，這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫。而無源蜂鳴器內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫。必須用2K~5K的方波去驅(qū)動它。有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因為里面多個震蕩電路[26][27]。使用有源蜂鳴器程序控制更加方便。圖5.12聲音提示電路9012為PNP三極管，給蜂鳴器提供電流，基極B通過1K電阻連接到單片機P1.0口，通過程序控制蜂鳴器發(fā)出聲調(diào)各異的提示音。

6系統(tǒng)軟件設(shè)計6.1程序總體設(shè)計思路在Keil軟件環(huán)境下，新建工程和文件，利用C語言編寫程序，使系統(tǒng)完成信號檢測、采集、處理和通信、顯示等功能。程序總流程圖如下：開始開始T1串行口初始化開中斷液晶初始化開始鍵開啟進入測試是否檢測到環(huán)數(shù)液晶顯示和聲音提示串口發(fā)送數(shù)據(jù)等待平均值按鍵中斷中斷服務子程序入口平均值計算液晶顯示平均值鍵關(guān)閉中斷返回圖6.1程序總流程圖圖6.1為系統(tǒng)程序總流程圖，包括一個主程序流程圖和一個中斷服務子程序流程圖。整個程序設(shè)計從簡單可讀的思想出發(fā)，能模塊化的程序都模塊化成子程序，主程序在需要時進行調(diào)用，這樣就大大簡化了程序，且簡介明了，增強程序的可移植性和靈活性。6.2系統(tǒng)子程序清單及其注釋6.2.1系統(tǒng)參數(shù)定義#include<reg52.h>//包含89C52程序頭文件#defineucharunsignedchar//定義無符號字符#defineuintunsignedint//定義無符號整數(shù)sbitsuole=P3^3;//鎖存器LE端定義sbitlcden=P3^4;//LCD使能信號端sbitlcdrs=P3^5;//LCD數(shù)據(jù)、命令選擇端sbitaverage=P3^6;//連接中斷sbitbeeper=P1^0;//蜂鳴器控制端sbitkey_1=P1^1;//開啟測試鍵sbitkey_2=P1^2;//平均值鍵ucharnum1;inti;longfloatcounter=0,j=0;//定義浮點數(shù)uintm,n,p,k,h;ucharcodetable[][16]={{0x07,0x01,0x07,0x04,0x07,0x01,0x07,0x00,0x09,0x0A,0x0C,0x1F,0x0C,0x0A,0x09,0x00},/*張,0*/{0x07,0x05,0x05,0x07,0x05,0x05,0x07,0x00,0x0A,0x1B,0x0A,0x0B,0x04,0x1F,0x04,0x00},/*曄,1*/{0x04,0x1F,0x15,0x1F,0x04,0x05,0x1F,0x00,0x1F,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x1F,0x00},/*虹,2*/{0x07,0x02,0x02,0x07,0x02,0x03,0x06,0x00,0x1F,0x04,0x0E,0x15,0x15,0x04,0x04,0x00},/*環(huán),3*/{0x07,0x02,0x02,0x07,0x02,0x03,0x06,0x00,0x17,0x12,0x12,0x17,0x12,0x12,0x17,0x00}/*班,4*/};//二維數(shù)組存儲漢字編碼unsignedcharnum[]={0x22,0x24,0x42,0x44,0x12,0x14,0x21,0x28,0x41,0x48,0x82,0x84,0x11,0x18,0x81,0x88};//存儲數(shù)據(jù)編碼ucharcodetable2[]="Testing...";//把字符串存入數(shù)組ucharcodetable3[]="Test:";ucharcodetable4[]="Welcome!";ucharcodetable5[]="average:";ucharcodetable6[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};6.2.2voiddelay(uintz){ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}6.2.3voidbeep(uintx){ beeper=0; delay(x); beeper=1; delay(x);}6.2.41602液晶寫命令子程序voidwrite_com(ucharcom){ lcdrs=0;//選擇指令寄存器 P2=com;//寫指令 delay(5);//延時5ms lcden=1;//拉高使能端 delay(5);//延時5ms lcden=0;//拉低使能端，產(chǎn)生下降沿，執(zhí)行命令}6.2.5voidwrite_data(uchardate){ lcdrs=1;//選擇數(shù)據(jù)寄存器 P2=date;//送數(shù)據(jù) delay(5);//延時 lcden=1;//拉高使能端 delay(5);//延時5ms lcden=0;//拉低使能端，產(chǎn)生下降沿，執(zhí)行命令}6.2.61602液晶寫數(shù)組數(shù)據(jù)子程序voidwrite_data_table6(uintdate)//原理同上{ lcdrs=1; P2=table6[date]; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0;}6.2.7voidinit(){ lcden=0; write_com(0x01);//清屏 write_com(0x38);//設(shè)置16x2顯示、5x7點陣、8位數(shù)據(jù)接口 write_com(0x0c);//開顯示 write_com(0x06);//字符指針讀寫后自動加一 write_com(0x80); //設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針}6.2.8voidhanzi(intx){ for(i=0;i<16;i++)//寫數(shù)據(jù) { lcdrs=1; P2=table[x][i]; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; } }6.2.9voidlcd_1(){ write_com(0x80+0x40);//設(shè)置地址指針首地址從第二行開始 for(i=0;i<16;i++)//顯示數(shù)據(jù) { write_data(table4[i]); }}6.2.10voidlcd_2(){ write_com(0x80+0x40);//設(shè)置地址指針首地址從第二行開始 for(i=0;i<16;i++)//顯示數(shù)據(jù) { write_data(table2[i]); }}6.2.11voidlcd_3(){ write_com(0x80+0x40);//設(shè)置地址指針首地址從第二行開始 for(i=0;i<16;i++)//顯示數(shù)據(jù) { write_data(table3[i]); }}6.2.12voidlcd_4(){ write_data('0'); delay(200); write_data('6'); delay(200); write_data('0'); delay(200); write_data('5'); delay(200); write_data('0'); delay(200); write_data('4'); delay(200); write_data('4'); delay(200); write_data('2'); delay(200); write_data('4'); delay(200); write_data('2');}6.2.13voidlcd_5(){ write_com(0x80+0x40);//設(shè)置地址指針首地址從第二行開始 for(i=0;i<16;i++)//顯示數(shù)據(jù) { write_data(table5[i]); }}6.2.14串口發(fā)送數(shù)據(jù)voidsend(){ SBUF=P0;//P0口數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)寄存器 while(!TI);//等待發(fā)送完畢 TI=0; //軟件清零}

7總結(jié)在做設(shè)計前，我查閱了大量相關(guān)的技術(shù)資料，學習和汲取了前人不少優(yōu)秀的設(shè)計思想，但正如上文所述，限于成本和技術(shù)水平等原因，此系統(tǒng)功能僅能用作演示用，相比前人們所做的設(shè)計相比，還有許多不足。此課題在此文基礎(chǔ)上還能繼續(xù)深入，不過鑒于已經(jīng)有許多前人做出了不少實用性比較強的激光報靶系統(tǒng)，故此系統(tǒng)若想繼續(xù)往下做，必須有所創(chuàng)新。如果沒有創(chuàng)新，只是簡單沿著前人走過的道路進行仿制，實際意義并不是很大，只有創(chuàng)新才能研究出比前人更為優(yōu)秀的設(shè)計來，集百家之長，但也要有自己的特色和先進的地方。附錄A系統(tǒng)主程序清單及其注釋voidmain() { TMOD=0x20;//設(shè)置定時器1為工作方式2TH1=0xfd;//裝載初值（波特率9600） TL1=0xfd; TR1=1;//開啟定時器 REN=1;//允許串行口接收數(shù)據(jù) SM0=0;//設(shè)置方式1(10為異步收發(fā)器，8位數(shù)據(jù)) SM1=1; IP=0x01;//設(shè)置中斷優(yōu)先級 ES=1;//開串行中斷 EA=1;//開總中斷 init();//液晶初始化 suole=1;//取P0口數(shù)據(jù) num1=P0; suole=0; lcd_4(); write_com(0x40);//寫漢字的區(qū)域地址 hanzi(0);//把漢字編碼寫入液晶數(shù)據(jù)存儲區(qū) delay(200); hanzi(1); delay(200); hanzi(2); delay(200); hanzi(3); write_com(0x80+10);//地址指針往后移動八位,顯示存儲區(qū)內(nèi)漢字 for(i=0;i<6;i++) { write_data(i); delay(200); } while(1) { lcd_1(); if(key_1==0)//鍵盤去抖動 { delay(10); if(key_1==0) { while(!key_1)//等待按下開啟測試鍵 { EX0=1;//開外部中斷0 Testing:suole=1;//取P0口數(shù)據(jù) num1=P0; suole=0;switch(num1)//判斷P0口數(shù)據(jù)，完成靶環(huán)的顯示、蜂鳴器的提示等功能{case0x22:{counter+=10;j++;lcd_3();write_com(0x80+0x40+9);write_data('1');write_data('0');write_data(6);write_data(7);while(num1==P0&&!key_1){suole=1;beep(100);suole=0;};};break;case0x24:{counter+=10;j++;lcd_3();write_com(0x80+0x40+9);write_data('1');write_data('0');write_data(6);write_data(7);while(num1==P0&&!key_1){suole=1;beep(100);suole=0;};};break;case0x42:{counter+=10;j++;lcd_3();write_com(0x80+0x40+9);write_data('1');write_data('0');write_data(6);write_data(7);while(num1==P0&&!key_1){suole=1;beep(100);suole=0;};};break;case0x44:{counter+=10;j++;lcd_3();write_com(0x80+0x40+9);write_data('1');write_data('0');write_data(6);write_data(7);while(num1==P0&&!key_1){suole=1;beep(100);suole=0;};};break;case0x12:{counter+=9;j++;lcd_3();write_com(0x