论文总字数：27180字

摘 要

一直以来，压电阀在各种液气压工业中都有着不可替代的作用，因此如何准确反映压电阀状态信号便尤其重要。为了给开发者提供压电阀的状态分析，本课题主要研究一种基于压电阀的气动伺服仿真器设计，分别从硬件电路，嵌入式软件开发和上位机编程三方面进行了课题的研究开发。首先实现了基于MSP430F149的信号传输电路和接口转化电路设计。针对压电阀的各种信号，本文在研究了各个芯片的外围应用电路之后，完成了电源模块，传输协议以及通信接口的设计。完成硬件设计之后，本文实现了嵌入式的串口收发程序开发。在研究MSP430F149的各个寄存器配置以及指令集的基础上，针对UART模式通信编写了对应的汇编程序，使其能与上位机正常传输数据。完成了硬件部分的通讯准备后，本文在Windows环境下实现了PC端上位机软件的开发。主要利用Visual Basic 6.0的MSComm控件设计了基于串口通信的上位机软件，实现了信号在PC上的实时显示与误差监控。本课题最后完成了仿真器的各项功能设计，并且在实际试验中也可以进行正常工作，验证了设计的可靠性。

关键词：仿真器，信号传输，串口通讯，上位机

Abstract

Piezo valves always play an irreplaceable role in liquid and air pressure industries. So it is particularly important how to accurately reflect its state. To provide developers with analysis of piezo valve status, this research mainly studies the design of an emulator based on piezo valve and develops the subject from three aspects: hardware circuit, embedded software development and host computer programming. Firstly, this research realizes signal transmission circuit and interface conversion circuit based on MSP430F149. For the various signals of the piezo valve, after studying the peripheral application circuits of each chip, this research completed the design of power supply module, transmission protocol and communication interface. After completing the hardware design, this article implements an embedded serial port transceiver program development. Based on the study of the MSP430F149's various register configurations and instruction sets, a corresponding assembler program was written for UART mode communication so that it can communicate with the host computer normally. After completing the hardware part of the communication preparation, this research realizes the development of the PC-side host computer software in Windows. Mainly via using the MSComm control of Visual Basic 6.0 to design the host computer software based on serial communication, this research realizes the real-time display and error monitoring of the signals on the PC. This subject finally completed the design of various functions of the emulator, and can also work normally in the actual test.

KEY WORDS: Emulator, Signal transmission, serial communication, host computer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.1.1 压电阀研究背景 1

1.1.2 仿真器研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 信号传输 1

1.2.2 MCU与PC通信 1

1.2.3 上位机软件 3

1.3 论文研究内容 4

第二章 整体设计的规划与准备 5

2.1 需求分析 5

2.2 硬件电路设计准备 5

2.2.1 单片机选择 5

2.2.2 通信协议选择 6

2.2.3 串口转USB芯片选择 7

2.2.4 电源模块选择 8

2.3 嵌入式软件设计准备 8

2.4 上位软件设计准备 9

2.5 本章小结 9

第三章 基于MSP430的硬件电路设计 10

3.1 概述 10

3.2 信号传输电路设计 10

3.3 接口电路设计 11

3.4 总体电路设计与PCB板绘制 13

3.4.1 总体电路设计 13

3.4.2 PCB板绘制 15

3.5 本章小结 16

第四章 单片机嵌入式通信程序设计 17

4.1 概述 17

4.2 通讯帧格式确定 17

4.3 通讯初始化子程序 17

4.3.1 时钟配置 17

4.3.2 UART初始化配置 18

4.4 单片机数据收发子程序 19

4.4.1 数据发送子程序 19

4.4.2 数据接收子程序 19

4.5 本章小结 20

第五章 PC端上位机软件设计 21

5.1 概述 21

5.2 数据显示和误差监控功能开发 21

5.2.1 串口通信模块开发 21

5.2.2 图像界面绘制开发 23

5.2.3 数据显示和误差监控功能的完善 24

5.3 参数设置功能开发 25

5.4 软件整体布局 26

5.4.1 布局所需控件 26

5.4.2 控件的位置设计 26

5.5 代码组成部分 27

5.6 本章小结 27

第六章 仿真器整体试验 29

6.1 概述 29

6.2 硬件连接 29

6.3 软件调试 29

6.4 结果分析 33

6.5 本章小结 33

第七章 总结与展望 34

致 谢 35

参考文献 36

绪论

选题背景和意义

压电阀研究背景

阀门是一种在液气压系统中应用极为广泛的元件，它不仅能够对流体的压力、流量以及流向进行控制，还制约着液气压系统的工作性能。随着科技的不断发展，液气压技术已经不仅仅局限于传统工业的应用，它开始向生物医学，微电子行业等新兴产业等不断扩展。因此为达到新型产品的要求，液气压系统的中所涉及的元件尺寸需要更小，它们的控制精准度以及响应速度也需要进行提高。由于传统的控制阀无法满足这些高新技术产业的需求，因此国内外的企业或科研机构已经开始着手研究对传统阀门的升级了。

压电阀就是这样一种高新技术发展下的成果，是一种两位式（或比例式）控制阀。它的制作原理于传统阀门不同，它依靠陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形而制成的。与传统控制阀相比，压电阀的工作电功耗几乎为零，只需提供足够的电压。同时，相对于传统的阀技术来说，它具有更多的优点，例如控制精度高、响应快，同时功耗又小、寿命长、结构也紧凑。在现在的工业中，它已经在一些需要高精度控制的系统中得到了应用，相信随着技术的发展它的应用潜力和范围会越来越大。

仿真器研究意义

由于液气压系统正走向精密化和电子智能化，压电阀将会被更多地应用到要求精密和智能控制的系统中。因此，各企业和科研机构对压电阀的开发与研究就十分重视。为了能对压电阀进行精确的测试与调试，设计一款基于它的仿真器的需求就应运而出了，仿真器可以用来将压电阀的多种运行状态实时的传送到操作人员面前，它的出现会对压电阀的设计开发与研究带来极大的便利。

国内外研究现状

对于仿真器的设计，国内外都有过很多相关的研究。包括串口转USB电路设计，嵌入式软件通信功能实现以及上位机设计方面在内，都有许多的成果可供参考。随着技术的日新月异，开发工具，设计理念，功能需求等要素也在不断发展成熟，因此，仿真器的设计实现有了许多文献可供参考，所研究到的主要的方面如下。

信号传输

对于信号传输来说，目前主流的协议为I²C和SPI通信协议。SPI的全称为Serial Peripheral Interface，即串行接口技术。它具有速度快效率高的特点，仅需要四根接口线即可完成设备间的数据传输，主要用于扩展外设之间的连接^[1]。一般来说，在主从分布式的通信网络中，它的应用十分广泛。同样的，I²C协议也常常被人使用。I²C是一种双向串行总线接口，它利用SCL信号线进行时钟同步，并通过SDA线进行传输，从而完成并行向串行的转化^[2]。I²C接口只需要两根串行总线，相对于SPI更为简单。

MCU与PC通信

对于MCU和PC之间通信，主要的设计方法是进行USB/串口转化^[3]和对单片机进行嵌入式软件通信功能开发。

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