打印机墨盒模拟测试系统的开发
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打印机墨盒模拟测试系统的开发打 印 机 墨 盒 模 拟 测 试 系 统 的 开 发摘要由于喷墨打印机可以应用于多种打印机介质, 并且可以呈现多种色彩, 使打 印效果更加接近于真实, 因此打印机已经成为办公室不可或缺的工具。 然而打印 机的核心部件是墨盒, 墨盒技术含量的高低直接影响整个打印机的工作性能。 目 前市场上的墨盒都带有都有自己专门的序列号和墨量的数据芯片, 有一定的加密 技术, 使墨盒成为一次性消耗品 , 极大的浪费了资源 , 因此墨盒测试系统的开发 显得格外重要。本文通过对打印机 墨盒、 LabVIEW 进行研究后, 开发了一套基于 LabVIEW 的 模 拟 墨 盒 测 试 系 统 。 本 系 统 通 过 LabVIEW 界面将数据通过主单片机发送给模 拟墨盒功能的从单片机, 模拟墨盒收到数据后再通过主单片机系统将反馈信息回 送到 LabVIEW 中, LabVIEW 会自动检测回馈信息 是否正确, 完成一次测试 。 测 试 系 统 包 括 : 硬 件 设 计 模 块 : 采 用 基 于 IC 协 议 的 单 片 机 来 模 拟 墨 盒 ; 主 机 主 要 进 行 数 据 传 输 功 能 。 软 件 设 计 模 块 : 设 计 LabVIEW 界 面 , 实 现 对 Access 数据库连接、数据传输、处理、存储功能。经过对整个系统的调试,LabVIEW 操 作 界 面 基 本 可 以 实 现 设 计 要 求 , 利 用 基于 IC 协 议 的 单 片 机 模 拟 墨 盒 , 可 以 实 现 与 LabVIEW 的 数 据 传 输 。 但 系 统 还 不能实现全自动测试过程,仍需要人为干涉,功能有待进一步开发。关键词:打印机墨盒,LavVIEW,数据库,IC 协议打印机墨盒模拟测试系统的开发DEVELOPMENT OF SIMULATION TEST SYSTEM FOR PRINTER CARTRIDGEABSTRACTInk jet printer can be applied to a variety of printer media, and can show a variety of colors, so the printing effect is much closer to the reality, and the printer hasbecome an indispensable tool in the office. However, the core component of the printer is the ink box, and the technical content of the ink box directly affects the working performance of the entire printer. Currently the ink cartridge on the market with have their special serial number ,the amount of ink microarray data, and encryption technology, so that ink cartridge become disposable consumables, great waste of resources, and cartridges test system development is particularly important.In this paper, a simulation test system based on LabVIEW virtual instrument is developed from the research on the simulation test system of the printer cartridge. The system send the data to the MCU system which has the function of simulation cartridge by LavVIEW. The MCU system will feedback information to the LabVIEW after receiving data, and the LabVIEW will automatically make sure whether theinformation is correct.Test system include:(1)Hardware design module: Using the master-slave single chip microcomputer based on IC protocol to simulate the ink box. (2)Software design module:Using LabVIEW to write a program to achieve theconnection to the Access database, data transmission, processing and storage function.After debugging the whole system , LabVIEW operation interface can achieve the basic design requirements . It can use the master-slave single chip microcomputer based on I C protocol ,achieving the data transmission with LabVIEW. But thesystem cant achieve automatic test process, still need to be human intervened.So the function needs to be further developed.打印机墨盒模拟测试系统的开发Key Word: printer cartridge, LavVIEW, database, IC打印机墨盒模拟测试系统的开发目 录1 绪 论 11.1 研究背景及意义 11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意义 11.2 打印机墨盒的现状与发展 21.2.1 墨盒结构 21.2.2 墨盒的现状与发展 21.3 打印机墨盒测试技术的现状与发展 31.4 本课题的主要工作 32 总体方案设计 42.1 功能需求分析 42.2 系统组成及功能 62.2.1 LabVIEW 功能模块划分 62.2.2 模拟墨盒方案设计 73 模拟墨盒硬件系统设计 83.1 单片机的选用 83.2 稳压电路设计 93.3 IC 通信硬件设计 .103.4 USB 接口电路 .114 软件设计 124.1 软件整体方案设计 124.2 LabVIEW 界面设计 124.2.1 串口配置 144.2.2 LabVIEW 与数据库的连接模块 154.2.3 LabVIEW 数据处理 16打印机墨盒模拟测试系统的开发4.2.4 数据存储 174.2.5 LabVIEW 报错 184.4 主从单片机程序设计 .204.4.1 主单片机主程序设计 204.4.2 从单片机程序设计 225 系统调试 246 结论 276.1 论文总结 286.2 应用前景展望 28参考文献 29致谢 32附录 33附录 40附录 41译文及原文 43打印机墨盒模拟测试系统的开发11 绪 论1.1 研 究 背 景 及 意 义1.1.1 研究背景 作为打印机核心部件的墨盒 , 虽然相比打印机整体来说微不足道 ,但是它的技术含量却直接影响到打印效果的优劣。 因此墨盒的发展也经历了 3 次优化。 从 最 初 的 多 种 颜 色 整 合 到 一 个 墨 盒 中 , 实 现 多 色 一 体 的 打 印 过 程 1。 由 于 打 印 任 务 的不同, 墨盒中各个颜色的使用情况也不一样, 致使有的颜色已经全部用完而有 些颜色则几乎没用过, 但是某个颜色被用完就预示着整个墨盒的报废, 造成资源 的极大浪费。 为了提高墨盒利用率, 出现了第二次转变即黑墨和彩墨采用分离的 结 构 2。 由 于 大 部 分 打 印 都 是 采 用 黑 白 打 印 , 所 以 单 独 出 来 的 黑 色 墨 盒 极 大 的 节 省了资源, 使得墨盒得到充分利用 。 但是彩色墨盒依然存在严重的浪费, 随之过 渡 到 单 色 分 离 的 结 构 。 可 以 看 出 每 次 墨 盒 技 术 的 更 新 都 是 为 了 提 高 墨 盒 的 利 用 率, 节约资源。 现在的墨盒属于高度集成的技术产品, 但是制造商为了增加效益, 对墨盒进行加密处理,使墨盒成为一次性消耗品,严重妨碍墨盒的回收利用 3。 总之打印机墨盒每次技术的革新都只有一个目标: 使墨盒得到充分的利用。 打印 机墨盒测试这一理念正是迎合了墨盒技术的发展趋势。1.1.2 研究意义 打印机在我们的日常生活中受到了越来越多的重视, 是办公用品中必不可少的装备, 但是很少有人知道墨盒是一种高集成的高技术产品, 而且墨盒中残余的 墨水会导致环境的污染,一滴墨可以污染 60 平方米的水源;除此之外商家为了 获取更多利益, 使检测墨盒墨量的芯片在墨水还剩三分之一左右时便提示更换墨 盒 , 造 成 资 源 的 极 大 浪 费 4。 如 果 墨 盒 没 有 进 行 加 密 , 用 户 便 可 以 自 行 重 复 利 用 墨盒。 这样看来 , 开发一套打印机墨盒测试系统显得格外重要, 不仅节约资源保 护环境,还降低打印机成本。打印机墨盒模拟测试系统的开发21.2 打印机墨盒的现状与发展1.2.1 墨盒结构 喷墨打印机的一体式墨盒主要由墨盒体及其中的墨水海绵 、 喷头单元 、 侧盖顶端等组成 5如图 1-1 所示,其中滤网是用来滤除墨水中的杂质、气泡和灰尘; 墨 盒 体 上 端 导 气 孔 则 是 将 空 气 导 入 墨 盒 内 , 使 盒 内 的 压 力 达 到 平 衡 状 态 6。 但 是 当墨水使用完至后, 墨盒也会随之丢弃, 不仅提高打印成本而且还浪费资源以及 污 染 环 境 7。1.2.2 墨盒的现状与发展图 1-1 墨 盒 结 构随着打印机的普及, 它已成为办公自动化中不可或缺的一部分, 给人们的生 活以及学习带来极大的便利。 而墨盒则是打印机的核心部件, 它决定着打印机的 性 能 , 因 此 喷 墨 打 印 机 的 发 展 就 等 于 墨 盒 技 术 的 发 展 8。 根 据 阿 里 巴 巴 对 打 印 机 耗材的数据分析,打印机耗材成本已经占企业总支出的 3%, 而 打 印 机 主 要 的 消 耗材料就是墨盒。 由于一体式墨盒属于一次性消耗品, 这就给制造商家带来无限 商机 9。 由图 1-2 可以看出 2011 年到 2016 年打印机喷墨耗材市场规模不断扩大 , 随着而来的则是资源的浪费和环境的污染, 因此墨盒测试系统的开发具有很大的 场价值。图 1-2 打 印 机 喷 墨 耗 材 市 场 规 模打印机墨盒模拟测试系统的开发31.3 打印机墨盒测试技术的现状与发展随 着 信 息 技 术 的 高 速 发 展 , 打 印 数 量 不 断 增 加 , 打 印 成 本 随 之 增 加 , 这 就 推动了墨盒测试技术的发展。 目前对于旧式一体式墨盒的测试技术较为成熟。 国 内采用分布测试方法, 即将墨盒拆分后 , 分别测试内部器件的性能。 这种测试方 法极大地降低了测试效率, 费时费力 , 不能满足客户需求 10。 相比国内技术, 国 外普遍采用总体测试。 将墨盒放在设计好的总体测试设备上, 通过技术人员操作 设备来检测墨盒内部功能,节省了工时提高了效率。但这种方法依然存在缺陷, 人 为 干 涉 太 多 , 不 能 实 现 自 动 测 试 功 能 11。对 于 新 一 代 的 一 体 式 墨 盒 , 技 术 更 加 成 熟 , 打 印 质 量 也 大 大 提 高 , 但 是 由 于墨盒都要进行加密处理, 因此国内对墨盒测试系统的开发仍处在摸索阶段。 经 过相关人士的不断实验, 发现测试墨盒的关键在于测试墨盒芯片中的数据, 墨盒 芯片包含了墨量、 可打印次数等墨盒信息 12, 这为墨盒测试技术的发展提供了方 向。1.4 本课题的主要工作本课题主要工作是开发一套基于 LabVIEW 的 打 印 机 墨 盒 模 拟 测 试 系 统 , 通 过了解打印机墨盒工作原理以及学习 LabVIEW 编 程 , 采 用 单 片 机 系 统 模 拟 打 印 机墨盒, 开发打印机墨盒模拟测试系统。 具体工作过程如下: 通过 设计 LabVIEW 界 面 , 实 现 对 数 据 库 表 中 墨 盒 数 据 的 调 用 , 为 系 统 提 供 数 据 来 源 , 并 显 示 在 LabVIEW 界面上 ; 采用串口通讯的方式实 现 LabVIEW 界面与主单片机系统间 数 据的传输; 经过对打印机墨盒工作原理的了解, 采用基于 IC 协议的单片机模拟 打 印 机 墨 盒 , 模 拟 墨 盒 与 LabVIEW 界面的数据传输通过主单片机系统为媒介实 现 的 。 在 传 输 完 成 后 , LabVIEW 界面完成数据处理及存储功能。打印机墨盒模拟测试系统的开发42 总 体 方 案 设 计2.1 功 能 需 求 分 析打印机墨盒是高集成产品, 它通过墨盒芯片中的数据与打印机进行通讯来记 录墨盒消耗情况, 当打印一定纸张数量后, 不管墨盒是否有墨, 都会提示更换墨 盒 13。 为了满足在不更换墨盒情况下通过更换墨盒数据 实现墨盒的再次利用, 需 要 系 统 将 墨 盒 数 据 从 PC 端 发 送 到 模 拟 墨 盒 中 。 PC 端 数 据 的 发 送 和 接 收 功 能 是 通过设计 LabVIEW 界 面 实 现 的 , 墨 盒 是 通 过 基 于 IC 协议的单片机来模拟其功 能。 LabVIEW 通过 USB 通讯接口主单片机系统进行数据传输, 主单片机系统与 模拟墨盒再通过 I2C 协议进行数据传输, 接收到数据的单片机系统会将反馈信息 回 送 到 LabVIEW 中 , 此 时 LabVIEW 会 自 动 检 测 回 馈 信 息 是 否 正 确 完 成 测 试 任 务。具体方法如下: 数据调用 数据贯穿整个测试系统, 它是测试系统运行的基础。 实现此功能, 首先要建立 一 个 数 据 库 , 将 墨 盒 测 试 数 据 存 储 到 数 据 库 中 的 数 据 表 , 然 后 通 过 设 计 LabVIEW 界面来实现对数据表中数据的调用, 没有数据就无法进行下一步操作, 这是测试系统的关键入口。 数据传输 数据调用后, 需要进行数据的传输, 只有把墨盒数据传输到模拟墨盒的单片机系统中才能进行功能测试。 从 PC 端将数据传输到单片机系统是利用 LabVIEW界面实现的,主从单片机是通过 IC 协议进行数据的传输。 模拟墨盒墨盒功能结构精密, 不易进行分析处理, 但其通信原理与 IC 协议相同, 故 采用基于 IC 协议的单片机来模拟墨盒功能, 模拟墨盒会根据主机发送的地址来 判断自己是否被调用,并根据主机指令来判断自己是接收器还是发送器。 LabVIEW 数据处理当 主 机 系 统 接 收 到 从 机 系 统 的 数 据 后 , 主 机 系 统 将 向 LabVIEW 传输指定的打印机墨盒模拟测试系统的开发5字 符 串 ( 例 如 “YY”) , LabVIEW 界面会根据反馈字符串信息的正确与否判别数 据传输是否成功。 数据存储执行完打印任务后,LabVIEW 界 面 要 进 行 数 据 库 连 接 , 将 本 次 发 送 的 原 始 数据,测试时间以及测试结果存储到数据库表中供用户查阅。图 2-1 系 统 功 能 图LabVIEW界面调 用 数 据 传 输 数 据 处 理 数 据 存 储 数 据主 机 系 统 传 输 数 据存 储 数 据 传 输 数 据模 拟 墨 盒6打印机墨盒模拟测试系统的开发墨盒 2初 始 化 设 置数 据 获 取数 据 发 送数 据 处 理数 据 存 储墨盒 3墨盒 4墨盒 12.2 系统组成及功能实 现 上 述 功 能 , 需 要 进 行 功 能 模 块 的 划 分 , 如 图 2-2 所 示 , 采 用 模 块 设 计 可 以更快捷地设计总体方案,也便于实时修改方案。图 2-2 测 试 系 统 组 成2.2.1 LabVIEW 界面方案设计LabVIEW 作 为 编 程 软 件 , 主 要 实 现 串 口 配 置 、 与 Access 数 据 库 的 连 接 , 数 据传输,数据处理,数据存储。若要进行串口通讯就必须先要进行配置串口, 只有配置成功才可以进行正确 的 通 讯 。 串 口 设 置 包 括 : 波 特 率 、 停 止 位 、 校 验 方 式 、 数 据 位 、 流 控 制 , 其 中 波 特率相同是使用串口通信的必要前提,控制流则是协调发送方和接收方的桥梁, 避免缓冲区数据的溢出 14。LabVIEW 界面模 拟 墨 盒 测 试 系 统主 单 片 机 系 统7打印机墨盒模拟测试系统的开发数 据 获 取 是 LabVIEW 界 面 通 过 与 数 据 库 的 连 接 实 现 的 15, LabVIEW 可 调 用数据库表中的墨盒数据,并显示在操作界面上,为数据的传输提供来源。数 据 发 送 是 LabVIEW 界 面 利 用 虚 拟 串 口 和 USB 接 口 实 现 与 主 单 片 机 系 统 的数据传输功能。数据处理是通过编写一个对比程序, 当主单片机系统接收到模拟墨盒中的数 据后, 主机会检测从机数据是否与之前发送的数据一致, 并根据结果发送相应的 字符串到到 LabVIEW 界面中 , LabVIEW 界面会自动检测接收到的字 符串是否与 程序已设定的字符串一致,以此来检测数据传输是否成功。数据存储通过 LabVIEW 界 面 将 原 始 数 据 、 测 试 时 间 、 测 试 结 果 存 储 到 指 定 的数据库表中,以便后续查阅。2.2.2 模拟墨盒方案设计 墨盒可以执行喷墨动作,主要是通过墨盒芯片实现的。墨盒芯片如图所示。当墨盒安装在卡槽中 , 这时打印机主芯片引脚与墨盒芯片引脚对应相连 , 当执行 打印任务时 , 打印机主芯片根据任务指令向墨盒发送地址 , 对应的墨盒芯片接收 到指令后与主芯片进行通信, 实现喷墨功能。 这一过程与 IC 总线的主从工作方 式相同。图 2-3 墨 盒 芯 片因此本课题采用基于 IC 协议的单片机来模拟墨盒。 主单片机系统主要由复 位电路、 晶振电路、 稳压电路组成 16。 主单片机主要的功能是模拟主机芯片, 实 现与 PC 端的数据传输,并控制模拟墨盒的工作状态,根据 PC 端 的 指 令 选 择 对 应的模拟墨盒。 从机的主要功能是模拟墨盒, 即等待主机的指令, 当主机发送地 址时对应的从机被接通,并开始与主机进行通信。8打印机墨盒模拟测试系统的开发3 模 拟 墨 盒 硬 件 系 统 设 计在总体方案设计中, 用基于 IC 协议的单片机模拟墨盒功能, 因此本节主要 是对模拟墨盒的电路设计, 实现数据的接收、 发送功能。 系统主要包括 : 主单片 机 电 路 设 计 、 稳 压 电 路 设 计 , IC 通 讯 电 路 , USB 接口电路。3.1 单 片 机 的 选 用由于 STC 系列单片机以增强型 8051 为内核, 引脚、 指令代码完全兼容传统 的 8051, 但运行速度比普通的 8051 快 6-12 倍, 具有片内集成功能多 、 运行速度 高 、 稳 定 性 好 、 低 功 耗 、 抗 干 扰 能 力 强 17, 因 此 本 课 题 选 用 STC12C5A60S2 单 片机。图 3-1 硬 件 原 理 图从机引出 4 个 引 脚 , 分 别 是 : VCC、 GND、 SDA、 SCL, 这 些 引 脚 分 别 与 主9打印机墨盒模拟测试系统的开发机对应的引脚相连接。 当主机按下电源开关, 主机上电, 指示灯发光 , 主机引脚 TXD、 RXD 分 别 与 USB 接 口 的 RXD、TXD 相 连 , 实 现 与 PC 端 数 据 传 输 ; 当 主机收到 LabVIEW 界面的指令后, 主机通过 SDA 和 SCL 选择对应的模拟墨盒。STC12C5A60S2 管脚功能如表 3-1 所示:引脚 功能PO 口 P0 口 可 作 为 通 用 的 I/O 口 和 地 址 /数 据 分 时 复 用P1 口 P1 口 即 可 作 为 I/O 口 , 也 可 以 作 为 A/D 输入P2 口 P2 口 可 作 为 通 用 I/O 口 也 可 作 为 地 址 总 线 的 高 8 位P3 口 P3 口 除 作 为 标 准 I/O 口 外 , 每 个 引 脚 还 有 其 他 功 能P4.4 上 位 复 电 后 , 没 有 功 能 ; 置 1 时 , 作 为 标 准 的 I/O 引脚XTAL1内部 时钟电路 反相放大 器的输入 端 , 接外 部晶振的 一个引脚 ; 当直 接使 用 外 部 时 钟 源 时 , 此 引 脚 是 外 部 时 钟 源 的 输 入 端内部 时钟电路 反相放大 器的输出 端 , 接外 部晶振的 另一个引 脚; 当直 接XTAL2 使用外 部时钟源 时 , 此引脚 可悬空或 通过一个大 电阻接地, 此时 XTAL2实 际 是 将 XTAL1 输 入 的 时 钟 信 号 经 反 相 放 大 后 的 输 出 端表格 3-1STC12C5A60S2 管 脚 功 能3.2 稳压电路设计STC12C5A60S2 单片机运行时需要稳定的工作电压, 因此必须设计一个稳压 电 路 。 本 课 题 选 用 低 功 耗 稳 压 芯 片 HT7533, 输 出 电 流 为 100mA, 并 且 允 许 输 入 的电压可高达 30V, 具 有 固 定 的 输 出 电 压 , 范 围 可 从 2.1V 到 12.0V18。 5V 电压 从 VIN 流入,3.3V 电压从 VOUT 流出,如图 3-4 所示。图 3-2 7533 稳 压 电 路打印机墨盒模拟测试系统的开发3.3 IC 通信硬件设计10IC 总线是同步通信的一种特殊形式,具有接口少、控制简单、通信速率较 高等优点 19。 在主从通信中, 可以有多个 IC 模拟墨盒同时接到 IC 总线上, 每 一 个 模 拟 墨 盒 都 有 唯 一 的 地 址 , 因 此 通 过 地 址 来 识 别 通 信 对 象 。 IC 总线硬件结 构图如图所示。图 3-3 IC 总 线 系 统 硬 件 结 构 图IC 总线由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成通信线,即可发送数据也可接收 数 据 。 在 主 从 工 作 方 式 中 , 主 单 片 机 启 动 数 据 的 发 送 ( 发 送 启 动 信 号 ) , 产 生 时 钟信号,发出停止信号。当 SCL=1,SDA 由 1 0 时 , 表 明 主 机 发 出 启 动 信 号 , 主 机 发 送 写 信 号 , 当 从 机 接 收 到 应 答 位 后 自 动 将 数 据 位 变 为 0, 主 机 数 据 位 变 为 1,主 机 发 送 数 据 从 机 开 始 接 收 数 据 ; 当 主 机 发 送 读 信 号 是 , 从 机 收 到 信 号 后 将 数 据 发 送 给 主 机 。 当 SCL=1,SDA 由 0 1 时 , 主 机 发 出 停 止 信 号 , 停 止 数 据 的 传输。如图所示。图 3-4 IC 时 序 图11打印机墨盒模拟测试系统的开发3.4 USB 接口电路USB 通讯接口可以通过 USB 转串口芯片实现 TTL 电平与 EIA 电平的转换。 本 课 题 选 用 H1032 STC 作 为 USB 通 讯 接 口 。 相 比 于 普 通 USB 接口,H1032 具 有免手动冷启,支持重新上电;5V 和 3.3V 双电源输出;可代替所有 PL2303 刷 机线使用;支持 USB 转 TTL 线使用。在 USB 转 TTL 模块中采用了 CH340T 芯 片,它是 USB 总线的转接芯片,实现 USB 转串口功能。图 3-7 CH340 硬 件 原 理 图由 于 PC 机 端 口 产 生 的 是 EIA 电 平 , 而 单 片 机 产 生 的 是 TTL 电 平 , 因 此 就 需要运用集成电路转换器来实现电平转换,将 TTL 电平转变为 EIA 电平。当用 于 普 通 USBTTL 通 信 是 , 可 以 将 AUTO 脚 与 GND 脚 短 接 来 关 闭 自 动 冷 启 功 能。 当模拟墨盒与 LabVIEW 界面进行数据通讯时 , 将 USB 接口的 TXD 和 RXD 分别连接到单片机引出的 RXD 和 TXD 接线端。12打印机墨盒模拟测试系统的开发4 软 件 设 计本测试系统的软件设计包括两个部分: LabVIEW 界面设计;基于 IC 协 议 的 单 片 机 程 序 设 计 。 本 系 统 的 核 心 在 于 数 据 的 传 输 以 及 存 储 。 LabVIEW 界 面 设 计 包 括 串 口 设 置 、 数 据 库 的 连 接 、 数 据 发 送 、 数 据 处 理 、 自 动 报 错 。 模 拟 墨 盒的从机通过 IC 通讯协议与主机系统进行通讯。4.1 软 件 整 体 方 案 设 计软件部分主要是在硬件部分的基础上进行各个模块的开发, 软件部分的总体 框图如下图所示。软件部分由:图 4-1 软 件 设 计 总 体 框 图 上 位 机 LabVIEW 界 面 的 设 计 : 运 用 工 具 模 板 、 控 件 模 板 、 函 数 模 板 进 行程序的设计。其中主要用到 VISA 串 口 模 块 、 Database 模块、程序结构模块、 数据模块、定时模块。通过各个模块的连接实现上位对串口设置、调用数据库、 数据传输、数据处理、数据存储、自动报错功能的实现。 下位机中主机与从机的程序设计:由于从机模拟墨盒功能,因此必须实 现当主机发送地址时, 总线上的 4 个模拟墨盒都将这 7 位地址码与自己的地址进 行 比 较 , 被 选 择 的 墨 盒 根 据 读 /写 位 来 确 定 自 己 是 发 送 器 还 是 接 收 器 。 主 机 的 主 要功能是与 LabVIEW 界 面 进 行 数 据 传 输 , 并 根 据 接 收 的 指 令 来 选 择 哪 一 个 模 拟 墨盒工作。 LabVIEW 界 面 设 计LabVIEW 是目前应用最广的虚拟仪器开发软件。 它利用图形化的程序语言, 不需要编写庞大、 繁琐的文本程序, 而且 LabVIEW 通过数据流进行数据的传递, 这 种 传 递 方 式 对 发 现 程 序 中 的 错 误 有 很 大 帮 助 。 所 有 LabVIEW 程 序 的 设 计 ,LabVIEW 界面 串口通信 主机 模拟墨盒13打印机墨盒模拟测试系统的开发都必须新建 VI。 VI 都包括 3 个部分: 前面板、 程序框图和图表/连线板。 “数据 流 ”是 LabVIEW 的 核 心 , 输 入 控 件 和 显 示 控 件 中 间 的 连 线 就 表 明 了 数 据 是 由 输 入控件流动到显示控件。 输入控件表明数据的“ 来源” , 显示控件则是数据流动的 “目 的 地 ”。前面板窗口就是用户设计测操作界面如图所示, 该窗口上有输入和输出两种 类型,分别是控制器和显示器。控制器为 VI 的程序框图提供数据;显示器用以 显示在程序框图中获取或生成的数据 27。该界面可以模拟真实仪器的操作面板, 用于设置输入参数与观察输出参数。图 4-2 LabVIEW 前 面 板程 序 框 图 是 定 义 虚 拟 仪 器 逻 辑 功 能 的 源 代 码 的 集 合 如 图 。 程 序 框 图 是 由 节 点、端口和数据连线等组织构成的,在界面中对 VI 编程就相当于运算和处理用 户输入的信息,然后在前面板上把结果显示出来供用户参考。图 4-3 LabVIEW 程 序 框 图14打 印 机 墨 盒 模 拟 测 试 系 统 的 开 发如 果 将 虚 拟 仪 器 与 现 实 仪 器 相 比 , 则 前 面 板 可 以 看 作 是 真 实 仪 器 的 操 作 面板,程序框图就是真实仪器的内部结构。若要实现 LabVIEW 系统与单片机系统的数据通信,首先要设计串口程序。 上位机和下位机可以通信之后, 下一步要做的就是实现数据的获取, 为系统提供 数 据 源 。 由 于 LabVIEW 不 能 创 建 数 据 库 , 所 以 必 须 设 计 数 据 库 连 接 程 序 来 获 取 数据。 获取数据后, 需要实现数据传输功能, 因此要设计发送程序 。 单片机系统 获 取 数 据 后 , 要 发 送 反 馈 信 息 至 LabVIEW,以此来表明数据传输成功与否,设 计数据处理程序来实现该判别功能以及自动报错。 完成处理后必须要把判别结果 保 存 起 来 , 以 便 用 户 查 阅 , 所 以 依 然 要 设 计 数 据 库 连 接 , 实 现 数 据 的 存 储 。 LabVIEW 整体功能框图如下图所示。4.2.1 串口配置图 4-4 整 体 功 能 框 图在对 LabVIEW 进行串口配置时 , 首先要对串口的各类数据进行初始化设置。 串 口 设 置 包 括 : 波 特 率 、 数 据 位 、 校 验 、 停 止 位 、 流 控 制 , 如 图 4-5 和 4-6。对 于双向通信的串口, 要设置好帧格式, 双方只有按照约定好的通讯协议才能进行 正确的通信。 VISA 资源名称指的是虚拟串口的端口号。 这是程序设计的第一步。图 4-5 程 序 框 图 设 计 图 4-6 操 作 界 面串口配置数 据 库连接数据发送数据处理自动报错数据存储LabVIEW15打印机墨盒模拟测试系统的开发 LabVIEW 与数据库的连接 目前数据库技术和数据库系统已经成为信息化时代的核心技术,是数据传递的重要基础。 数据库虽然无法快速存储大量数据, 但是对于中低速的数据采集和 工业控制而言, 它都可以直接使用数据库进行记录数据, 因此数据库在测试测量 和工业控制领域是非常常用的。LabVIEW 自 身 虽 然 不 能 创 建 数 据 库 , 但 是 用 户 可以通过 Access 创建数据库如图所示 , 然后通过 LabVIEW 程序来调用数据。 目 前 Access 是 主 流 的 小 型 桌 面 型 关 系 数 据 库 管 理 系 统 , 主 要 用 于 数 据 管 理 。 因 其 具 有 界 面 友 好 、 智 能 特 性 、 创 建 Web 网 络 数 据 功 能 易 学 易 用 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 。 一 个 Access 数据库文件中包含了 6 种 数 据 库 对 象 , 分 别 是 表 、 查 询 、 窗 体 、 报表、 宏和模块, 而这 6 种数据库对象都存储在一个以. accdb 为扩展名的数据库 文件中。在任何时候, Access 只需打开一个数据库文件,便可以对各种数据库对 象进行操作。图 4-7 Access 数 据 库实现 LabVIEW 调用数据库的功能 , 就要利用 Database 模块与数据库建立连 接 联 系 。 LabVIEW 与数据库连接主要有以下几种方法: 利用 DSN 连接数据库 。 DSN(D ata Source Name) 即数据源名 称, ODBC支持关系型数据库 利用 UDL 连接数据库 。 ADO(A ctiveX Data Objects) 是微软利用 自动化 服 务 技 术 开 发 的 数 据 库 接 口 。 ADO 支持关系型数据库和非关系型数据库。利用连接字符串连接数据库。 无论是 UDL 文件还是 DSN 文件, 它们存储 的都是连接字符串的内容。因此可以根据规定的格式,直接输入连接字符串。由于直接定义字符串来连接数据这种方式更为灵活, 所以本课题选用利用连16打印机墨盒模拟测试系统的开发接 字 符 串 连 接 数 据 库 方 式 。 设 计 数 据 库 连 接 程 序 , 主 要 用 到 Database 模 块 。 如 图所示。图 4-8 Database 选板利用字符串连接数据库, 首先要创建数据库路径, 通过字 符串连接 数据库标 志, 打 开 数 据 库 连 接 , 然 后 查 询 用 户 所 需 的 数 据 表 , 检 测 到 数 据 表 后 , 获 取 数 据 表 中 数 据 , 由 于 LabVIEW 读取到的是乱序数据,因此需要设计一个排序子 VI 来保证 LabVIEW按顺序获取数据,从而保证数据的正确性。程序流程图如图所示。图 4-9 数 据 库 连 接 程 序 流 程 图 LabVIEW 数据处理LabVIEW 数据处理是指当 LabVIEW 将数据发送到下位机 后, 下位机的主从 单 片 机 经 过 数 据 传 输 后 , 主 单 片 机 会 将 反 馈 信 息 发 送 给 LabVIEW。数据处理程 序会自动检测回馈信息是否正确, 并将处理结果显示在前面板上。 首先串口配置,创 建 路 径利 用 字 符 串 连 接数 据 库 标 志打 开 数 据 库 连 接查 询 数 据 库获 取 数 据数 据 排 序前 面 板 显 示 数 据17打印机墨盒模拟测试系统的开发选择发送数据后对数据进行排序和加地址, 利用 VISA 写入将数据发送到主机中, 主机 接 收 到 指 令 后 , 读 取 从 机 数 据 后 发 送 发 聩 信 息 , LabVIEW 检测反馈信息, 正 确 显示 “YY”, 错 误 显 示 “TT”并 有 错 误 提 示 , 如 下 图 所 示 。4.2.4 数据存储图 4-10 通 讯 流 程 图数据处理完成后,若不进行处理结果的存储,则使数据处理变得意义不大。 将原始数据、 数据处理时间、 处理结果存储到数据库中, 极大地方便了用户查阅 数据处理结果。程序流程图如图所示。串 口 配 置选 择 发 送 数 据初 始 化 单 片 机数 据 排 序延时每 位 数 据 加 地 址VISA 写入缓 冲 区VISA 读取接 收 子 程 序显示 YY 显示 TT错 误 提 示存 储 结 果开始PC 机有 指 令接 收 /发 送发 送 子 程 序 YY结束主 机 程 序处 理 数 据18打印机墨盒模拟测试系统的开发4.2.5 LabVIEW 报错图 4-11 存 储 程 序 流 程 图LabVIEW 在程序出现错误时 有 着独特的优点和处理方式。 在 LabVIEW 程序 编 写 时 , 当 程 序 达 到 一 定 规 模 时 , 就 会 可 能 导 致 程 序 出 错 , 但 是 LabVIEW 拥有 预 防 措 施 : 错 误 处 理 机 制 。 由 于 LabVIEW 是 基 于 数 据 流 运 行 的 , 因 此 很 多 函 数 和 VI 都 有 一 对 错 误 输 入 /输 出 参 数 , 当 函 数 或 VI 在 执 行 中 出 现 错 误 是 , 错 误 输 出参数就会返回一个错误数据簇即返回错误。 错误簇由一个布尔类型数据、 一个 数值型数据和一个字符串数据组成, 它们别代表是否有错误、 错误代码和错误信 息。如图所示。图 4-12 自 动 错 误 提 示在 数 据 发 送 过 程 中 如 果 出 发 生 错 误 时 ( 数 据 发 送 失 败 ) , LabVIEW 界 面 指 示灯变亮, 而且还会显示错误提示且发出响声, 当用户不在电脑旁前依然可以知 道数据传输出现错误,使设计更加人性化。处 理 结 果插 入 时 间连 接 数 据 库存 储 到 指 定数 据 表 中19打印机墨盒模拟测试系统的开发图 4-13 自 动 报 错在 LabVIEW 程 序 设 计 中 , 虽 然 操 作 前 面 板 呈 现 的 功 能 模 块 不 多 , 但 是 在 程 序框图的编程过程却十分复杂, 因此在设计过程中采用模块设计, 不仅提高效率, 而且方便程序的改正。操作前面板如图所示。图 4-14 操作 前面板打印机墨盒模拟测试系统的开发204.4 模拟墨盒的软件设计用基于 IC 总线的主从工作方式的单片机系统来模拟打印机主机芯片和打 印机墨盒时 , 主从单片机在程序设计中必须写出 : 总线初始化 、 启动信号 、 应答 信号、停止信号、写一个字节、读一个字节关键程序。4.4.1 主单片机主程序设计 主 程 序 中 , 首 先 要 对 主 单 片 机 初 始 化 配 置 , 延 时 之 后 , 检 测 PC 机是否有指令发送,若有指令,判断是接收指令还是发送指令,然后调用相应的子程序。 若没有接收到 PC 端指令,则回到延时,重新检测 PC 端是否有指令发送。图 4-15 主 程 序 流 程 图开始初 始 化 单 片 机延时PC 机有指 令 ?接 收 /发 送 ?发 送 子 程 序接 收 子 程 序结束打印机墨盒模拟测试系统的开发21 主单片机发送子程序设计 当主机发送读指令, 设置为读方式, 若启动总线、 发送地址中有一个失败则返回; 若全部成功, 进行读取数据, 读取失败返回上一级, 读取成功则进行数据 对 比 , 相 同 回 主 机 “YY”, 不 同 回 主 机 “YN”, 返 回 主 程 序 。图 4-16 发送子程序22打印机墨盒模拟测试系统的开发 主单片机接收子程序设计 当主机发送写指令, 若启动总线、 发送地址、写一个字节 、 读一个字节中有一个失败则返回主程序,若全部成功则判断数据是否写完,没写完返回上一级, 写数据完成,发送总线停止信号,返回主程序。图 4-17 接 收 子 程 序 流 程 图23打印机墨盒模拟测试系统的开发4.4.2 从单片机程序设计 从机程序中, 判断主单片机是否有指令发送, 若没有则继续检测是否指令发送; 若有主单片机指令发送 , 判断是否选择该从机工作, 若不是则返回重新指令 检测; 若选择该从机, 判断是接收指令还是发送指令, 若是接收指令 , 则将数据 存储到存储器中;若是发送指令,则读取存储器中的数据。如图所示。图 4-18 从 单 片 机 程 序 流 程 图开始有 指 令 ?选 择 该 从 机 ?接 收 /发 送 ?存 数 据 至 存 储 器 读 取 存 储 器 数 据结束24打印机墨盒模拟测试系统的开发5 系 统 调 试一 个 完 整 的 的 系 统 , 硬 件 和 软 件 可 以 独 立 正 常 工 作 不 能 称 作 系 统 设 计 成 功, 因为设计的过程中可能出现实际与理论不符, 或者人为因素导致系统的不稳 定,只有进行软件和硬件的调试,才能检测所设计的系统是否可以满足要求。 5.1 系 统 调 试 及 结 果测试装置主要包括: 基于 IC 协议的主从单片机系统 , LabVIEW 界面 。 USB 接 口 与 电 脑 串 口 连 接 , 主 单 片 机 的 引 脚 TXD、 RXD、 VCC、 GND 分 别 与 USB 接口对应相连,主机与从机的 SDA、 SCL、 VCC、 GND 引脚分贝对应相连。如 图 5-1 所示。图 5-1 整 体 装 置 图 首先利用 STC-ISP 程 序 下 载 器 将 编 写 好 的 程 序 下 载 到 主 机 和 从 机 中 。 选 择好串口号、 程序文件, 点击下载, 若烧写成功, 则烧写结果显示在操作面板上。 如图所示。25打印机墨盒模拟测试系统的开发图 5-2 程 序 烧 写数据烧写成功后, 再利用串口调试助手测试程序是否正确运行。 当虚拟串 口发送数据后, 主机接收到数据后并发送给从机, 从机接收到数据后, 主机发送 读 取 指 令 , 从 机 将 数 据 发 送 给 主 机 , 主 机 收 到 数 据 , 回 “YY”。 如 图 所 示 。图 5-3 程 序 测 试
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