时间：2023-03-07 15:18:00
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关键词：CAN智能节点；MSP430；MCP2510；数据通信
1引言
CAN总线是控制器局域网（ControllerAreaNet-work）总线的简称，它属于现场总线范畴，是一种能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它可将挂接在现场总线上作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并进一步构成自动化系统，从而实现基本的控制、补偿、计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。
CAN总线智能节点在分布式控制系统中起着承上启下的作用。它位于传感器和执行机构所在的现场，一方面和上位机（PC或者工控机）进行通信，以完成数据交换；另一方面又可根据系统的需要对现场的执行机构或者传感器进行控制和数据采集。它常常将一些简单的过程控制程序放在底层模块中，从而减少了通信量，提高了系统控制的实时性。因此，智能化模块设计在CAN系统中有着十分重要的作用。
本文将给出一种用MSP430单片机和MCP2510CAN控制器组成的总线智能节点的设计方案（见图1），该方案中的单片机和CAN控制器通过标准的SPI接口进行通信，因此，该节点能够完成对被控器件的数据采集上报，并接受上位机的命令，进而进行解析以完成对执行机构的控制。为了调试简单，本方案作了一些改动：一是使MCP2510工作在环回模式，也就是数据由发送缓存直接发送到接收缓存，由于不经过CAN收发器和CAN总线，而只是使用了它的一个发送缓存和一个接收缓存，因而方便了调试；二是把被控器件的数据采集和对执行机构的控制部分略去，而这些功能在以后可以方便地添加，这样，在实际使用时，只要对程序稍作修改就可应用。
2硬件设计
本设计的整个接口模块主要由两部分组成：CAN控制器MCP2510和微控制器MSP430。图2所示是该智能节点的部分电路硬件原理图。下面对主要部分功能作一介绍。
2．1MSP430F1232简介
MSP430系列微控制器是TI公司推出的功能强大的超低功耗16位微处理器。它集成了丰富的片上资源，因而开发方式十分简便，可以用C语言编写出效率很高的程序。所选MSP430F1232的工作电压为1．8～3．6V，内含8kBFLASH存储空间。片内集成了看门狗定时器（WTD）、基本时钟模块、US-ART、10位ADC、和带有3个捕获／比较器的16位定时器，因而片上资源十分丰富，完全可以满足一般的需要，同时减少了设计的复杂度。与其它单片机相比，MSP430的I／O端口功能更强，可实现双向的输入、输出，并可完成一些特殊的功能，如A／D转换、捕获比较等；另外，它还可以实现I／O的各种中断。
本设计中，MSP430的作用有两个：一是对执行机构的控制以及对输入模拟量或者开关量的信号采集；二是利用UART模块通过SPI模式与MCP2510通信并控制MCP2510以实现CAN规范。
2．2MCP2510简介
MCP25101是Microchip公司推出的功能很强的CAN控制器芯片，它支持CAN1．2、2．0A及2．0B规范；其内部结构见图3所示。该芯片内含3个发送缓存和2个接收缓存，可以对发送优先级进行管理，可滤除无用信息，MCP2510有6个可编程滤波器，而且中断资源十分丰富。最可贵的是，它可以通过标准的SPI接口与微控制器进行通信，从而放宽了MCU的选择范围使得所有单片机都有接入的可能。
MCP2510的主要功能是在MCU的控制下实现CAN规范，它内部的所有寄存器和控制寄存器都映射到一个地址表上，MCU可以使用相应的命令格式通过标准的SPI接口来完成对MCP2510的初始化、工作状态的控制以及数据的读写。此外，MCP2510产生的中断还可以反馈给MCU来处理。
2．3系统时钟
由于MSP430的时钟频率决定着指令周期，因而该时钟直接影响SPI接口的速率。MSP430F1232有两个可选的时钟：一是外部低速32．768kHz的时钟晶体；二是采用内部数控DCO的可调频率。本设计直接采用它内部的数控DCO作为它的主时钟MCLK和SMCLK，由于直接工作在800kHz，因而免去了使用晶体。MCP2510采用标准的4MHz晶体。MSP430中USART模块的CLK可由系统时钟分频得到，速率设定也十分方便。实际上，MCP2510输出到总线的速率也可通过设置内部寄存器的控制分频系数来调节。
此外，由于MCP2510的输出信号驱动能力不够，而且与CAN总线物理接口的要求存在很大的差异，所以，在实际应用中必须使用CAN收发器（如MCP2551等），它可支持的CAN速率最高可达1Mbps，而且容错能力很强。此外，它内部还有很强的保护电路，可以防止总线的其它节点对它的影响。
3软件设计
在进行本系统节点的软件设计前，首先简要说明一下MCP2510的指令格式，MCP2510的5条指令如表1所列。
表1MCP2510指令格式
指令指令格式说明
复位11000000使内部寄存器复位,进入配置模式
读取00000011从寄存器读取数据,指令在前,地址随后
写入00000010写数据到寄存器,指令在前,地址和数据随后
发送请求10000nnn对发送缓存发送信息进行初始化
状态读取10100000读取常用状态寄存器的某些位数据
位修改00000101对豁口的某几件位修改
在使用时，可以把这些指令直接编写成函数形式，这样可使程序简练易读。同时，发送请求的硬件触发只需把TXnRTS置低即可。实际上，接收缓存收到信息后也能产生硬件触发，并在TXnRTS引脚产生低电平输出。
本设计的主程序流程图如图4所示。
上电复位后，MSP430首先完成自身模块的初始化，其任务主要是选择时钟模块中的时钟、使USART模块工作于SPI模式、以及对看门狗定时器的配置等；然后对MCP2510进行初始化，以对寄存器进行设置。需要注意的是，MCP2510只有在配置模式下才可以对控制参数进行配置，但它在复位以后就是配置模式。
当配置MCP2510到环回模式后，MSP430将写数据到MCP2510的发送缓存并控制其发送，此后，在接收缓存收到数据后，INT引脚将产生低电平中断以通知MSP430，MSP430响应中断后将读取数据，并和发送的数据进行比较，以验证程序的可行性。需要注意的是，无论是对MCP2510的读还是写，都必须使它的CS引脚处于低电平。
在实际应用中，MSP430和MCP2510都可以进入睡眠模式，并可以由中断来激活。整个节点的主要功能均由中断子程序来完成，其中的一部分是MSP430自身的中断（看门狗定时器溢出中断、SPI接收发送中断、ADC中断等），另一部分是MCP2510引起的中断，这部分中断资源十分丰富，包括信息接收发送中断、信息错误中断、总线激活中断等。它产生的所有中断都能使INT引脚为低电平，单片机在检测到这些中断后，将通过SPI接口读取MCP2510内部的中断标志寄存器以判断是何中断，然后再进行进一步处理。
C8051F000、SRAM、地址锁存器之间的硬件连接框图如图2所示。微处理器C8051的地址线和SRAM的地址次线分别对应相连，进行地址的选通；“CS”、“WR”、“RD”等控制指令分别相连，进行读、写的控制，AD[7：0]为地址、数据复用总线，分别与锁存器和SRAM的输入输出接口相连，进行相应的地址与数据的通信。检测装置C8051F000、（128k× 8）SRAM和地址锁存器硬件电路接口部分采用地址和数据总线复用的方式以减少所需要的端口引脚数。当传输数据时低位地址保持在一个锁存器中。图3给出了该实现方案经过验证的电源电路图和C8051F000、SRAM、地址锁存器之间详细的电路配置图。
双向端口操作 接口部分采用地址和数据总线复用的方式以减少所需要的端口引脚数。当传输数据时低位地址保持在一个锁存器中，“Data1”用作数据输入总线输出总线和部分地址总线，对总线的复用需要对端口的配置进行动态改变使端口按需要设置为输入或输出。为了将一个端口引脚配置为输入，必须将其相应的端口配置寄存器位（PRTnCF.x）设置为“0”使其输出方式为“漏极开路”，寄存器锁存位（Pn.x）必须设置为“1”，使其输出状态为高阻态。例如下面的代码将端口0的所有引脚配置为输入：movPRT0CF，#00h；漏极开路输出方式movP0，#0ffh；高阻抗下面的代码将端口0的所有引脚配置为推挽输出方式：movPRT0CF，#0ffh；推挽输出方式SRAM_Read子程序（见程序代码部分）给出改变端口方向的一个例子，在程序执行的前一阶段“DATA1”口被配置为输出，将低字节地址输出到端口锁存器，在程序执行的第二阶段“DATA1”口被配置为输入，从外部SRAM读取数据。
二、接口电路程序控制实现
该程序控制系统由初始化SRAM接口逻辑程序、读外部SRAM程序、写外部SRAM程序等组成，功能是通过该接口电路程序实现硬件间的有效连接，实现稳定的通信，从而实现对记录盘的各种配置以及对记录数据进行精确管理。程序代码中的主程序概述了如何对该外部128KBSRAM的每一个字节进行读写，该程序向外部SRAM写入一个字节，再从写入的地址读回，然后比较回读的值与写入的值是否一致，程序接着处理下一个地址，直到整个64K的存储块写完，一旦低存储块写完，程序将“A16位”置1（见示例代码中“常数和声明”一节），切换到高存储块。程序将接着对高存储块的每个字节进行同样的读、写和校验操作。
三、结语
【关键词】建筑信息模型技术；地下输电工程；结构设计；应用
近年来，建筑信息模型技术发展迅速，并且在工程设计方面得到了广泛的应用，取得了很好的效果，特别是在建筑工程领域，其应用已经非常普遍，显著提高了工程设计的质量和效率，而且有效的解决了各种设计问题，对降低工程成本，提高工程质量具有重要做作用。但是对于结构较为复杂，单体数量较多的工程项目来说，如：地下输电工程，建筑信息模型技术的应用还不是很成熟，应用的范围和实际效果还不是很明显，主要是因为工程复杂，工程规模大，建筑信息模型技术的数据信息很可能出现错误，不好掌控，再加上建模时间长等问题突出。因此，在地下输电工程这样复杂的工程设计上应用建筑信息模型技术，还需要根据实际情况，不断探索，采取有效的策略，提高建筑信息模型技术应用的水平，优化地下输电工程的结构，提高工程的质量。
1建筑信息模型技术简述
建筑信息模型技术，也就是BIM技术，是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，实际上就是用三维数字对工程项目实体、设计和性能的一种表达[1]。通过建立系统完整的信息模型，把项目工程的生命周期内，每个阶段的各项数据、信息、资料进行连接，从而完整的来表述工程项目。并且该模型会随着项目进展不断的深化和改进，有利于工程项目项目设计设计的更加合理、科学，有利于提高解决实际问题的效率，从而更好地保证工程项目的质量。建筑信息模型技术，与传统的技术相比较，具有一定的优势和特点，如：信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性等，这也是建筑信息模型技术广泛被应用的重要原因。
2地下输电工程结构设计的缺陷和不足分析
在以往的地下输电工程结构设计中，主要采用传统的设计方法，存在着一定的缺陷和不足[2]。地下输电工程一般处于地下，工程项目的规模和空间跨度都很大，输电系统中各个组成部分较为复杂，如，工作井的数量较大，地质环境差异大，排管的布置也具有一定的差异性，荷载也会随时发生变化等。应用传统设计方式，主要是先对地下输电工程系统的具体功能进行分析，然后对地下输电工程结构的外形和尺寸进行设计，再以设计图纸为依据，利用结构设计软件，进行建模计算，最后对施工图纸进行设计。由于地下输电工程处于发展之中，这种传统的设计方式已经不能很不好的满足工程发展的实际需要，在结构设计中也出现了一定的问题。（1）地下输电工程中，工作井数量相对较多，而且每个工作井的实际功能和具体的边界条件具有很大的差异性，在工作井的外形和具体尺寸设计上，就需要区别对待，分别设计，绘制的图纸数量加大，设计工作量也很大，在对结构进行计算时，需要利用相关软件建立多个模型，这样，建模和绘图的所占用的时间非常多，工作效率非常低。（2）修改工作量大，较为困难。在地下输电工程结构设计中，如果相关某个数据发生变化，需要改动，那么模型计算和绘图工作就要重新进行，工作量非常大，修改不方便。（3）设计管理困难，计算结果缺乏准确性。由于地下输电工程结构设计图纸和模型较多，而且具有一定的相似性，很容易发生数据混淆的情况，导致计算结果的准确性降低。
3建筑信息模型技术在地下输电工程结构设计中的应用分析
3.1Revit与建筑信息模型技术结合建立参数化的工作井模型
在地下输电工程结构设计中，应用Revit系列软件，利用建筑信息模型技术建立起具有一定参数信息的工作井模型。成为一个系统的信息数据库[3]。并且根据工程结构设的具体情况，根据工作井的具体涉及要求，进行修改，从而完成工作井模型设计。首先，工作井的设计内容主要是外形尺寸，每个工作井的区别都集中在接口的大小和位置上，除了长宽高等结合数据上的不同以外，还有一些其他方面的差异性，如：防水等级等，都是应用建筑信息模型技术需要的具体参数，通过修改几何参数建立工作井的模型，再与非几何参数结合，建立一个统一的数据库。其次，要在Revit中建立建筑信息模型族库，要应用结构选项卡下的构件，能够掌握结构分析时的数据信息，结合实际需要，合理选择具体的构件后，再把相应的材料、尺寸等具体的参数输入到构件属性的面板中，再把这些参数通过接口传输到Robot中。然后合理放置构件，根据具体的要求生成参数驱动模型。对于工作井来说，主要的构件就是梁板等，要在墙上开洞口，把排管连接好，选定合适的构件，对工作井的模型族库进行准确组装，然后在把所有类型的信息添加进去，生成工作井模型库。
3.2把输电工程结构模型正确导入
Robot在工作井的建筑信息模型建立完成后，要进行检查确认无误后，应用相关接口，把模型的数据信息导入到Robot中，涉及到的主要信息参数有：计算后的结构材料，尺寸信息，荷载等。导入完成后，要在Robot中对模型进行及时更新。对于工作井的建筑信息模型中的各个信息，要保证Robot软件能够完全识别[4]。如果在检查中，发现模型有不合适的地方或者不够合理，要进行及时修改，在发送到Revit中，还要及时查看发送报告，确认信息数据在传输过程中没有发生错误。
3.3对输电工程设计结构进行准确计算
在应用建筑信息模型技术对输电工程结构进行设计时，需要对设计的结构进行计算，结果准确与否，直接关系着设计的质量[5]。Robot就是用来计算的软件，主要是采用有限元算法，对模型的进行动态分析，弹塑性分析等，最后得出计算结果，并且应用表格等把结果的数据输送出去。在实际计算中，只需把Revit中已经设置好的信息全部导入到Robot中，就可以直接对结构进行计算，无需模型修改等，计算效率非常高，而且结果准确。Robot在计算结构时，会提供多种形式的网格控制方法，不仅能够计算出内力，还能够针对不同的设计范围和具体的参数进行结构的计算，如：混凝土结构的配筋等，都可以准确进行计算。在地下输电工程结构设计中，主要是根据模型的实际情况，合理选择网格尺寸和控制方法，结合所有的参数信息进行结构的计算，保证计算结果科学准确，从而提高地下输电工程结构设计的规范性和准确性，有力的保证了工程的质量。
4结论
综上所述，在地下输电工程结构设计中，应用建筑信息模型技术，是输电工程发展的必然趋势，也是科学技术进步的具体表现。通过采用合理的应用方法，打破传统设计的弊端，减少了工作量，提高了设计的效率和质量，地下输电工程的发展具有重要意义。
作者:胡能萍 汪欣 单位:江西省电力设计院
参考文献
[1]陈明，史健勇.建筑信息模型技术在地下输电工程结构设计中的应用[J].工业建筑，2016，12：196~200.
[2]牟茗.四维建筑信息模型技术研究[D].北京林业大学，2013.
[3]孔庆节.建筑信息模型技术在建筑工程项目管理中的应用[J].中华建设，2014，05：96~97.
（1）滚筒体的三维模型本文设计的滚筒体直径D=630mm，滚筒体长度L=1800mm。由于设计的滚筒体直径较大，因此选取厚度为16mm。滚筒体采用Q235A型钢板焊接而成，弹性模量2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度为77kg/m3，其许用应力为65MPa。根据以上设计参数，使用三维软件SolidWorks建立外装式电动滚筒滚筒体的三维实体模型。最终完成电动滚筒滚筒体三维实体模型。
（2）滚筒体有限元模型的边界条件有限元分析中的边界条件分为力约束和位移约束。本文只对滚筒体进行模态分析，所以只有位移约束。电动滚筒滚筒体可以沿着轴向旋转（绕着轴旋转），定义的约束必须要限制滚筒体其他5个自由度。所以要在2个端盖的轴孔内表面设置铰链约束，约束它3个方向的平动和2个方向的转动。
（3）滚筒体的网格划分SolidWorksSimulation提供了3种网格划分方式：四面体实体单元、三角形壳体单元和混合网格，本文采用三角形壳体单元作为划分单元。整个滚筒体模型共生成15623个节点，划分为13682个单元如图3所示。
（4）滚筒体的模态分析模态分析用于分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型。SolidWorksSimulation是一款基于有限元技术的设计分析软件，可以进行模态分析。由有限元法进行求解分析，得到滚筒体的前5阶固有振动频率和振型图如图4所示。其中第1阶模态频率0.0024595Hz是刚体的转动模态，没有实际参考意义；第2阶模态频率1369Hz，节点最大变形位移214.7mm，振型为扭曲形式；第3阶模态频率2043.1Hz,节点最大变形位移245.3mm，振型为弯曲形式；第4阶模态频率2043.9Hz，节点最大变形位移246.1mm，振型为弯曲形式；第5阶模态频率2048Hz，节点最大变形位移383.2mm，振型为弯曲形式。由振型图可以看出，随着频率的增加，滚筒体以弯曲振动为主且变形越来越大，最危险节点的变形位移也越来越大且总是在滚筒体的中心位置。在设计筒体时，可以通过加厚筒体或改善支承条件来抑制其变形。
在一定输入转速条件下，各齿轮的齿数决定了齿轮的啮合频率。设计滚筒内部的封闭行星齿轮传动机构时，确定各齿轮齿数及其他参数，要避开滚筒体的振动频率，以免发生共振。
2结语
在我国，如何提高城市道路的上下公共空间，一直是制约我国城市发展的重点，为了能够更好的对城市进行发展，我国的一些专家学者通过对国外发达城市的发展进行研究，认为城市道路的地下空间作为城市的发展空间之一，对于城市的发展具有重要的影响，因此，需要充分的利用城市道路的地下空间。在我国，比较常见的一种应用是将其作为城市生命管线设施的共同沟，这样不仅能够解决当前我国存在的土地资源问题，同时，还能保证各种传输管道的安全性。地下电力隧道的建设对于地面之上的市民生活影响非常小，因此，能够保证城市的正常运行。然而，这项技术在我国目前的施工中还存在着很多的问题，因此，需要尽快对其进行研究，寻找控制施工质量的方法和措施。
2电力隧道结构设计
2．1电力隧道地层荷载研究
当前，作用在隧道结构上的荷载主要为以下三种:主要荷载、特殊荷载和附加荷载。主要荷载指的是一种具有长期作用的荷载，包含地层的压力和自身的重力等，而附加荷载指的是不经常作用的一种荷载，其包含施工荷载等，主要是由一些施工操作过程中出现的问题而造成的。最后是特殊荷载，其指的是一些由于特殊的原因，像自然灾害等造成的荷载。以上所说的荷载是所有的隧道建设过程中都存在的，除此之外，还有像地层的压力等都会对隧道形成一定的荷载。为了能够更好的解决这些问题，人们随着对这些问题认识的深入，逐渐发现这些问题主要是由周边的围岩和支护结构两个部分造成的，两者之间存在着相互作用。而对于周边围岩主要有两个作用:一个是作用在结构上，承担一定的荷载;另一个作用是作为结构的一部分。根据当前国际上比较流行的模型设计，可以将地下结构的设计模型分为以下几种:首先是经验设计法，这种方法主要是利用过去的设计经验，然后比对当前的建筑工程进行相应的隧道建设，另一种是约束法，其主要是根据现场的数据测量，将测量数据作为基础进行地下隧道的设计，第三种是作用和反作用模型，在这种模型中，通过弹性地基圆环计算公式等，对需要进行建设的隧道结构进行计算，得到最佳的设计方案，最后一种是连续介质模型，这种模型中包含了解析法和数值法两种，通过这两种计算方法的结合，得到最佳的隧道设计方案。本文主要介绍的是荷载—结构模型的设计方法，在这种方法中，将支护和围岩分开进行考虑，其中，作为承载主体的是支护结构，而地层仅仅是在地下结构上产生一定的荷载，然后通过一定的计算方法，在荷载作用的基础上，形成一定的内力和变形。在进行设计时，将围岩按照一定的标准进行分级，然后通过弹性支撑实现对支护结构的变形约束，而对于围岩的承载能力，则需要在围岩的压力和弹性支撑约束能力确定后再进行考虑。在这种模型中，围岩所能承载的能力越大，支护结构所需要承担的压力则越小，相应的，弹性约束支护结构的变形反弹力就越大，总的来说，支护结构的作用就显得越小。
2．2电力隧道断面的选择
电力隧道在进行建设时，会涉及到各种各样的地形，因此，会出现各种不同的电力隧道断面，每种断面的用途和优势各有不同，为了选择最合适的隧道断面设计方法，需要对各种电力隧道断面进行数据测量和整合，从而找到最佳的受力情况。电力隧道断面的形式主要分为七种，分别是直墙无仰拱形式和直墙仰拱形式等，为了能够得到不同断面的数据，需要利用AB-SYS14．0软件对电力隧道进行相应的模拟，然后根据荷载的计算方法得到相应的隧道断面图。通过对电力隧道断面进行对比，我们可以找到最佳的断面。根据数据显示发现，圆形断面和上下层断面形式具有更小的弯矩，因此，在建设过程中出现的变形较小，具有较大的安全性，更加适合于浅埋暗挖电力隧道的建设，因此，在进行该种隧道的建设时，需要优先考虑这种断面，能够增加电力隧道运行过程中的安全性。此外，在电力隧道的运行过程中，容易对电缆进行维修工作，在电缆出现故障时，能够更加便捷的进行维护，保障了电力的正常传输。
2．3平面线路的规划
电力隧道线路的规划需要根据中心城区的电网分布情况等进行确定，尤其是对于中心城区的电力隧道受地下建筑等的影响较大，在进行电力隧道的建设时，需要同各个相关部门进行协商，寻找合适的线路走向。在路径规划基础上，隧道内电缆的合理布置也尤为重要。电力隧道在进行选择时，一般会沿着城市中路幅宽且长度较长的主要干道，这样在电力隧道内的电缆出现问题时，能够更加方便的进行维修。如在路电力隧道中，北起新疆路，南至复兴中路的电力隧道，有一段隧道会穿越南京路地下行人通道和苏州河，然后通过一些著名的建筑物，对于顶管轴线的平面直径最小要求在300m以上。通过这些事例可以发现，电力隧道在建设过程中会受到较多的阻碍，这时，可以通过设立一些工作井来减小建设过程中隧道的转弯半径，从而满足线路的走向改变。为了减小建设过程中的难度，需要遵循以下几点原则:首先，在进行线路的选择时，需要将规划的道路网作为基础，然后选择合适的隧道走向，在走向选择完成后，将其进行统一的建设和规划。其次，电力隧道应尽量选择在市政道路的下方一侧，且方向一致，在进行建设时需要距离道路5m～10m，这样能够保证工作井的位置同高层的建筑物之间存在一定距离，保护建筑物的安全。最后，隧道的建设是一项非常耗费财力的工程，因此，在进行线路的选择时，需要选择尽量简短的路径，这样既能保证线路沿着直线进行，同时，还能保证电力隧道周边建筑物的安全，降低建设成本。
2．4电力隧道设计的新技术研究
随着电力隧道的作用被发现，其在建设中的设计受到越来越多的关注，各种新技术层出不穷，当前，双孔电力隧道以其断面的巨大优势，使用越来越广泛。通过对其模拟数据的分析可以发现，其结构更加适合电力设施的运行，在进行开挖过程中，地层的变化和地表的沉降均能满足该技术的应用。其中，整体式的双孔电力隧道能够更加充分的利用进站道路地下空间，从而使地下的建筑物不再需要进行迁改，这样大大节约了工程的投资，也保证了设备运输的安全性。
3结语
1农机车载电子设备常用界面简介
农业现场的电子设备通常以监测控制为主，监测和控制设备一般是在农机运行前进行参数设置，在运行过程中进行数据显示，在很多情况下监测和控制是合二为一的，因此要求界面是非阻塞式的，能在各种状态下方便的相互切换，并可以通过菜单项选择实现一定的功能（如：启动，停止）。农业上常用的计量单位标准尚不统一，通常还需实现计量单位切换功能。工业控制常用的界面分为5种类型：菜单屏、变量屏、选择屏、设定屏和显示屏[5]。与之类似将界面类型分为：菜单选择屏、静态文本屏、动态文本屏和参数设定屏。各个类型界面的功能见表1。基于以上界面类型，参照一般人机交互的按键系统考虑到通用性及便捷性，系统设计时采用7键制，分别为：上、下、左、右、确定、设置、返回。以下介绍各界面的元素类型和操作分析：菜单选择界面主要用于自顶向下的树状界面操作，为界面设计中常用的类型，用户通过此类界面进行界面跳转，功能设定。静态标签一般为提示性文字，静态选项为带被选择功能文字。菜单选择界面的一般操作为：上下键变更选项，左右键翻页，确定键进入下一界面，或实现某一功能，返回键返回上一界面，设置键的功能一般不使用。静态文本界面主要用于显示固定的内容，一般用于信息提示，帮助文档，版权信息的显示，即它只包含静态标签。因为静态文本界面本身操作较少，所以其按键响应也相对简单，只包含滚屏和返回，操作方法与菜单选择界面类似。动态文本界面主要用于变量数据，运行状态的实时显示，用户主要通过这类界面实现对系统实时状态的了解，其界面由静态标签和动态标签组成，而动态标签又由固定文字，变量文字组成。像静态文本界面一样动态文本界面本身并不需要太多操作，所以其按键响应也相对简单与静态文本界面相同。参数设定界面也是用户界面中常用的界面，主要用于用户对系统中的变量进行设置。它包含了几乎所有的界面常用功能，其组成如图1所示。这里的动态选项指的是既可以被选中，又会因变量和单位的改变而变化显示内容的选项。参数设定界面的操作相对复杂，因其有两种状态，即选项切换和变量修改，其操作逻辑如图2所示。以上分析了界面的组成和操作。在操作上采用了和目前大多数手持设备相仿的操作模式，并且在各种类型界面间保持了操作风格的统一。
2农机车载电子设备界面的数据结构设计
目前常见的界面框架数据结构都以菜单为单位，缺少对菜单项的精细化分，这使得界面显示和操作函数对各种类型的菜单很难做到通用，而基于菜单项的菜单组织结构可以很好解决这个问题。将以上分析抽象为实际的数据结构，则形成菜单和项两种数据结构，其中项是菜单的子结构，为了适应较小的屏幕，并简化显示和操作函数，一项即实际屏幕显示中的一行。
2.1项数据结构设计项中含有文本内容，即格式化字符串，用于格式化输出的字符串；含有数据变量地址和单位变量地址，用于填入格式化字符串中的变量内容；含有项状态标志，用于区别项的类型，以便在显示和操作时加以区分；含有跳转菜单指针，用于表明该项所应该跳转的菜单。特别指出将数据变量类型定义为无类型指针，从而使得同一种数据结构可以实现多种数据变量类型的表示。其中第一个元素表示了要显示的数据和变量元素的显示格式；第二、三个元素分别是数据变量地址和单位字符串首地址，在设置模式时可以利用这些指针修改变量原始值，实现数据设置和单位更改；第四个元素是项状态标志，表示该项是可选中项，用于区分标题和选项；最后一个元素表示选择此项后跳转的目标菜单。通常定义项数据时是定义一个项数组用来组成一个菜单，以减少存储空间，并实现随机存储。
2.2菜单数据结构设计菜单是用于表达一个界面内容和状态的数据结构。它应该含有项数组首地址，用于表示界面显示的内容；含有界面状态标志位，用于表明界面的状态和界面的功能；含有被选项，用于表明当前界面的被选项；含有页顶项，用于控制界面视图位置；含有最大项数，用于防止项数组越界；含有按键响应函数，用于相应按键操作。其中按键响应函数采用带参函数指针形式，利用界面的状态和按键共同决定需要执行的操作，既实现了统一接口，又增强了可扩展性。菜单间的关系只由项与菜单的指针决定，而与项的顺序无关。一个常见的菜单数据其中第一个元素表示了该菜单对应的项数据数组；第二个元素是菜单状态标志，表示该菜单是参数设置类型，该元素也可以在运行过程中被改为正在设置状态；第三、四个元素默认填充0，在程序实际运行中可更改，以变更选项或视图；第五个元素是菜单最大项，与项数据数组长度相当；第六个元素是操作响应函数，对应的函数为参数设定界面的操作函数。
3农机车载电子设备界面框架实现
3.1菜单显示将以上数据结构作为基础，菜单的操作实现也呼之欲出。界面显示函数，每次从PageTopSelect对应项开始显示，显示接下来的若干项到屏幕（受屏幕显示最大行影响），显示项数据时，先分析项字符串中的变量类型和显示宽度，再将项数据中对应的变量插入到显示字符串中。同时可以利用MenuSelect变量值反显选中行。如此可以显示超过屏幕长度本身的菜单，每次只显示对应屏幕大小的一部分内容，相当于扩展了屏幕。具体流程图如图3所示。
3.2操作功能实现树状菜单结构使用堆栈，即主界面为栈底，每次执行菜单跳转时执行压栈操作，菜单返回时执行出栈操作，并且堆栈操作都使用指针方式实现，这样既可以较少的代价实现多级菜单跳转，又将菜单的操作和菜单数据本身分离，使得在修改菜单数据时避免了对其他菜单关系的影响。每个菜单可以使用不同的按键响应函数，相同类型菜单之间还可以共用响应函数，兼顾了灵活性与复用性。将菜单显示和操作分开，用户可以将显示刷新放在定时中断中，将操作放在外部中断中，增强了编程的灵活性。一个典型的界面操作流程如图4所示。菜单操作对应的软件实现方式见表2。
3.3菜单修改对于已经编写好的菜单对其修改非常简单，以下介绍几种常见的菜单修改方式：（1）要增加（删除）菜单中某项，直接增加（删除）该项数据，并修改相关菜单数据的最大项参数即可。（2）要修改项数据显示格式，直接修改项数据中的格式化字符串即可。（3）要调节菜单项顺序，直接调整项数组的顺序而不用修改其他数据内容。（4）要修改某项跳转的菜单，直接替换掉该项数据后的跳转菜单指针。（5）要修改某项显示的变量，直接修改该项数据中的变量指针指向即可。（6）要将菜单中的某项移至同类型其他菜单，直接将相关项数据移至目标菜单项数组，并修改两个菜单数据的最大项参数即可。（7）要增加（删除）某菜单只需将与其相关的项数据同时增加（删除），并修改相关菜单数据的最大项参数即可。这些修改完全不涉及整个菜单的结构调整，项与项，菜单与菜单之间没有直接关系，在修改时也不会相互影响。
4结语
照明节能就是在不降低照明质量的前提下,充分利用自然光的同时,选择发光效率高、视觉舒适,使用寿命长的灯具。
1.1采用高效节能光源
白炽灯过去用得最广泛,因为它价格低廉,安装维护简单,它的致命弱点是发光效率太低,因此,目前常被各种发光效率高、光色好,显色性能优异的新光源代替。低压钠灯和高压钠灯的发光效率高,但由于色温低,颜色偏暖,显色指数在40~60之间,颜色失真度大,只能用在路灯或广场照明显色指数在60的高显色性钠灯可与汞灯组成混光照明灯,用于工厂或体育馆的照明。发光效率很高的金属卤化物灯,三基色荧光灯及稀土金属荧光灯,由于色温范围广,3200K~4000K,光色选择性好,显色指数又高,可达80~95,颜色失真度小,尤其金属卤化物灯对人的皮肤显色性特别好,因此广泛用于商场、展厅、车站的候车室,航空港的候机楼以及舞台的灯光照明。荧光灯是大范围照明所普遍采用的光源。因其发光效率高、显色性好是一种冷光源,而与之配套的电感镇流器(如40W荧光灯)所消耗的功率竟有8W之多,而且对电压要求高,质量稍差的电感镇流器噪音大,功率因数只有0.5,所以在大量采用荧光灯的场所,如果不配置电容补偿器,就使得配电设备的效率降低。而电子镇流器比电感镇流器节能20%,功率因数达0.9以上。其节约的电能是相当可观的。但在选择电子镇流器时,要注意产品的性能,有的产品为了降低造价取消防电磁干扰滤波器;降低谐波含量修正电路及软启动电路,看似售价低,若大量集中使用这种产品,会造成相互之间由于浪涌电流的冲击,烧坏器件。而谐波含量不合要求,会造成中性线过热引起火灾。因此绝不能选用功能不完善的产品,否则,达不到节能的效果,还增加了投资。
1.2电路控制方式节电
对于长期需要开停,但又要按人流的多少自动调整照度的场合,在增加投资不多的情况下,对荧光灯可利用调电后的方式,固定几级调节,如北京地铁采用澳大利亚的调光设备就是如此。对于住宅楼、办公楼等公共楼梯间、楼道等应采用光感应延时开关,这不仅节约了电能,而且大大延长了灯泡的寿命。实践证明,住宅楼梯间灯采用了以上开关后,更换灯泡的周期大大延长,而且灯泡容量受开关的控制也不会过大,杜绝了以往楼梯间使用大容量灯泡昼夜长明的浪费现象。
2．电力变压器的正确选择
变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗,即Pb=P0+B2Pk,式中Pb为变压器的有功损耗,P0为变压器的空载损耗,Pk为变压器的有载损耗,B为变压器的负载率。P0又称铁损,它是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成,是固定不变的部分,它的大小取决于矽钢片的性能及铁芯制造工艺。所以变压器应选用节能型的,如S9、SL9及SC8型等油浸变压器及干式变压器。Pk
是功率传输的损耗,即变压器的线损,它决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小,与负载率B的平方成正比。当B=50%时变压器的能耗最小。此时,仅仅是为了节能而没有考虑经济价值。其实变压器实际运行的负荷率是很不均匀的,根据《变压器允许过负荷系数的负荷率最大负荷持续时间关系曲线》可求得变压器的过负荷系数,所以在确定变压器容量时,可按80%的负荷率选择。若变压器选择容量过大,长期低于经济运行的负荷率,会造成有功损耗的上升,因为其铁损并没有减少。相反,容量过大,铁损增大。为减小变压器损耗,当容量大而需要选用多台变压器时,在合理分配负荷的情况下,尽可能减少变压器的台数,选用大容量的变压器。例如需装机容量为2000kVA,可选二台1000kVA,不选4台500kVA。
3．减少线路上的电能损耗
低压线路截面选择的一般原则是按发热条件、机械强度、电压损失,并按热稳定校核其最小截面,当线路较长时,电压损失较大,这时主要依*电压损失的计算选择截面。因为线路上的电流是不能改变的,要减少线路的损耗,只有减少线路电阻。线路电阻R=LSQ,即与线路电阻电导率Q成正比,与线路截面积S成反比,与线路的长度成正比。因此,减少线路的损耗应从以下几方面考虑。
(1)应选用电导率Q较小的材质作导线,一般选择铜芯线。
(2)减小导线的长度,首先线路尽可能走直线,少走弯路,以减少导线长度;其次低压线路应不走或少走回头路,以减少来回线路上的电能损失;第三,变压器尽量接近负荷中心,以减少供电距离。
(3)适当增大导线的截面,对于比较长的线路,除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面外,可适当再加大一级导线的截面,这样可以延长导线的使用寿命,减少线路的损耗,减少火灾危险,而且提高了供电质量,并为负荷的发展留有余地。
4．提高系统的功率因数
线路上传输的功率分为有功功率和无功功率,有功功率是满足建筑物功能所必需的,因此是不可变的,系统中的用电设备如电动机、变压器、气体放电灯中的整流器都具有电感,会产生滞后的无功,这就需要从系统中引入超前的无功相抵消,这时无功在线路上就产生了有功损耗,怎样使这部分损耗降到最低呢?可以采取以下措施。
(1)提高设备的自然功率因数,以减少对超前无功的需求,可采用功率因数较高的电动机,电感镇流器的气体放电灯加装电容器。
(2)在机旁就地安装无功补偿装置,功率因数提高后可大大降低线路中的损耗,提高电网及配电线路的输送能力,达到节电节能的目的。
无人机载光电平台就是指在无人机上装载的用来监察的设备，设备安装的目的就是为了得到完整的监察图像。在无人机载光电平台中，有很多载荷，这些载荷需要一种稳定的环境来确保监察图像的质量，因此，无人机载光电平台必须有一个稳定的系统。无人机载光电平台的结构和性能等对无人机的整个工作系统起到至关重要的作用，因此应该重视无人机载光电平台的结构设计和性能问题，使得光电平台的结构紧密完整，满足无人机的系统工作的需要。目前无人机常用的光电平台框架结构有二轴二框架稳定、三轴三框架稳定等等，稳定的光电平台结构紧密、体积小，使得无人机的整个工作系统的性能得到提升。无人机载广电平台除了有稳定的结构，还要优化外框架结构，为了尽可能的减小无人机在光电平台的质量，外框架结构在设计的过程中应该得到优化，在满足无人机工作需要的前提下，尽量减小质量。外框架优化设计之后，质量减少，对提高无人机的工作性能有很大的影响，并且外框架优化后无人机还可以在震动的环境中使用。
2无人机载光电平台升降结构的设计思路
由于无人机在飞行过程中容易受到飞行阻力，从而影响到无人机的飞行时间。随着科学技术的发展进步，为了提高无人机的飞行时间，研发出了一种结构简单、易操作的无人机载光电平台升降结构。无人机载光电平台升降结构的工作过程就是：当无人机载光电平台在正常工作的时候，升降结构可以伸出机外；当无人机载光电平台结束工作的时候，升降结构收入机腹，以减小无人机的飞行阻力。无人机载光电平台升降结构的质量问题，也影响着无人机的续航能力，目前，升降结构使用碳纤维铝蜂窝夹层的复合材料代替传统的铝合金材料，质量减轻了几千克，使无人机的续航能力得到了一定程度上的提高。无人机载光电平台的升降结构是无人机工作系统中的一项重要的设备，它的操作简单，却是整个工作系统中必不可少的，假如升降结构出现问题，无人机的工作将会受到严重的影响，甚至无法开展工作。因此，无人机载光电平台升降结构的设计思路是十分重要的。
2.1无人机载光电平台升降结构的工作原理
目前无人机载光电平台升降结构的类型主要有：连杆机构、链轮机构等等，在无人机中使用的光电平台升降结构的设计原理也是特别简单的，只要满足稳定性强、刚度强就可以。升降结构的工作原理就是：当电机轴开始旋转，电机轴上的齿轮也会随之旋转，从而大齿轮和丝杠也开始转动，丝杠上的丝母沿着丝杠的轴做直线运动，升降盘和丝母连接在一起，通过丝母的运动，升降盘也得以升降。无人机载光电平台升降结构的工作原理简单，功能简单，除了工作时间，升降结构只需稳定就行，因此，无人机载光电平台升降结构的设计思路应该满足：稳定性强、坚固等等。
2.2无人机载光电平台升降结构的设计思路
由无人机载光电平台升降结构的工作原理可知，升降结构在设计过程中应该首先满足稳定性强、坚固的要求。此外，由于无人机对质量方面的要求是极其严格的，无人机载光电平台升降结构的质量应该尽可能的轻。这样说来，无人机载光电平台升降结构的自身承重应该尽可能增强，自身质量要尽可能减轻，研究表明升降结构的自身质量约为承重质量的0.17，这就表明升降结构的设计应该采用一种特殊的方法来满足。在升降结构的设计过程中，不应采用传统的设计方法，而是采用了四根丝杠，这样当电机通过齿轮旋转带动丝杠转动时候，也带动另外三根丝杠同步旋转，从而带动升降盘上下运动，四根丝杠的设计思路是每一根丝杠都既可以起到承重的作用，又可以起到导向的作用。四根丝杠的设计方法，不仅仅增强了无人机载光电平台升降结构的稳定性，同时又减轻了升降盘的质量，这样比传统的两根丝杆升降结构更加稳定。丝杠的设计上，采用了梯形的螺旋纹，这样以来可以减小因摩擦造成的缝隙。此外，为了保证丝母的锁定功能，还要采用单头的螺纹。升降盘的设计应该采用一种质量较轻的材料，目前一般是由碳纤维复合材料，这样的材料承重能力强而且自身质量较轻。
3结语
关键词单片机；MSP430；LCD；人机交互接口
1引言
在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，但其实现方式有两种：一种是由MCU力口驱动芯片实现，如键盘显示控制芯片SK5279A，串行数据传输数码显示驱动芯片MAX7219等等，这时显然MCU没有LCD的驱动功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I／O设备访问形式控制键盘和LCD实现人机对话。这里的MCU主要有世界各大单片机生产厂商开发的各种单片机，其中TI公司的MSP430系列因其许多独特的特性引起许多研究人员的特别关注，在国内外的发展应用正逐步走向成熟。
2LCD简介
LCD(LiquidCrystalDisplay)，即液晶显示器。液晶显示是通过环境光来显示信息的，它本身并不发光，因而功耗很低，只要求液晶周围有足够的光强。LCD是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管(CRT／CathodeRayTube)显示器为主，但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生。LCD由于具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以
及影像稳定不闪烁等优势，逐渐占据显示的主流地位。
LCD的类型，根据其分类方式的不同而不同。如根据LCD显示内容的不同可以分为段式LCD和点阵LCD。根据LCD驱动方式的不同可以分为静态驱动和多路驱动。
3MSP430F44X简介
MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集单片机[2]。该系列单片机性价比相当高，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优势。它主要应用在各种要求极低功率消耗的场合，特别适合用于智能测量仪器、各种医疗器械、智能化家用电器和电池供电便携设备产品之中。
3.1系统结构
MSP430F44X的系统结构，主要包括：CPU、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、FLL+时钟系统(片内DCO+晶体振荡器)、看门狗定时器／通用目的定时器(WatchDog)、ADCl2(12位A／D)、比较器A(精确的模拟比较器，常用于斜边(Slope)A／D转换)、复位电压控制／电源电压管理、基本定时器(BasicTimerl)、定时器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比较器(多达160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各种具体的型号稍有差别。在本次设计中，具体选择MSP430F449作为人机接口电路的设计具有许多独到的优势。这一点，读者可以根据TI公司相关的数据手册进行比较。
3.2片内外模块特性
MSP430F44X具有丰富的片内模块，其明显的特点是：具有48条I／0口线的6个并行口P1-P6，其中P1、p2具有中断能力，同时具有2个可用于UART/SPI模式选择的串行口(USART0和USARTl)；内含12位的A／D转换器ADCl2，快速执行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到结果的硬件乘法器；多达160段的LCD控制器／比较器，可以实现多种方式的驱动显示；可以实现UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常灵活的时钟系统，既可用32768Hz的钟表晶振产生低频时钟，也可以用450kHz-8MHz的晶体产生高频时钟，同时还可以使用外部时钟源或者用不同控制频率的DCO；多达几十kB的Flash空间，这样数据既可以保存在片内的Flash信息存储器，也可保存在程序的Hash中的剩余空间。
4接口电路设计
4.1接口电路简图及说明
典型应用电路示意图。在该图中，LCD类型和键盘种类及数目的选择、下拉电阻的数值大小都必须认真考虑，硬件设计要满足一定的工作时序关系，复位时预留缓冲时间和悬空部分引脚，晶振的选择要在适当的数值，必须保证交流驱动的频率在30Hz-1000Hz范围内，其具体的情况请详细参考TI公司的相关资料[3]。
4.2段型液晶显示屏EDS820A简介
一般而言，LCD分为笔段型和点阵字符型及点阵图形型。笔段型主要是显示数字，常用于计数、计量和计时；点阵字符型用于显示数字和西文字符；点阵图形型用于显示图形及字符。本设计中用到的EDS820A就是由西安新敏电子科技有限公司生产的笔段型LCD。是该显示屏的各个引脚的逻辑功能表。
显而易见，该产品EDS820A是5位的液晶显示屏，它只有4个DP，用于显示小数点；COM端也只有一个，所以该LCD与MSP430F449的管脚连接应该引起足够重视.
5软件设计
硬件连接电路图为例，编写了键盘控制及显示程序，程序在IAREmbeddedWorkbench编译通过。全部主程序包括详细的发射和接收子程序，及初始化和等待键盘输入转换、显示等等，值得注意的是发射与接收的控制要适当。
该程序是用汇编编写的。程序实现的是等待按键输入，读取键值，最后进行键值处理和显示的功能。
检测是否有键按下是通过KEY是否有高电平信号。平时，KEY为低电平，当有键按下时为高电平，它发送一个脉冲给单片机MSP430F449，当单片机检测到该信号时，判断按键的功能，从而进行相应的处理。
6人机接口电路在体内电刺激器中的应用
医学上，在进行疾病控制时，通常可以通过电极以一定波形(如方波、正弦波等)、频率、幅度、占空比等电信号对神经或肌肉进行刺激，以使其支配相应的功能或肌肉产生收缩／舒张动作，从而有利于症状的减轻。由于不同部位的神经或肌肉对电刺激发生的敏感水平不同，不同强弱和不同性质的电信号所产生的刺激效果是不一样的。我们研制的体内电刺激器，可以产生手术时所需要的具有不同的频率、幅度、占空比的不同波形信号。该仪器幅度、占空比准确，频率稳定，各参数均可以精确的调节。而且，由于使用了LCD显示，它与单片机的连接简单。LCD具有质量轻、体积小、电压低、功耗小、显示内容丰富等优点，其人机界面相当友好。但人机接口电路设计的优劣直接影响到整台仪器的使用效果。
根据需要，我们设计了5个键。这里，S1表示波形的振幅，S2表示波形的频率，S3表示波形的占空比，S4为+1键，S5为-1键。通过54，S5可以调节波形的各个参数值。其中，振幅可以是在一个参考值的基础上的0-99.9％；频率可以是1Hz-999Hz；占空比调节范围可以为1.0％-99.9％[1]。
