嵌入式技术的数字沙盘控制系统设计
内容实物沙盘是一种立体模型，这种模型在中国古代就已经被广泛应用在各个方面。沙盘一般上都是实地勘察制作的，不方便时也会使用地形图来制作。因为其对地形的展示十分具体直观，所示广泛的应用在教学和军事中。随着现代技术的发展，对于地形的观察手段多了航空拍摄和卫星拍摄，所以精确度有了更好的提高。沙盘的分类主要有以下几类，第一种是地形沙盘，这种沙盘是用来显示地形地貌的，在军事和地理领域使用较多；第二种是用于建筑物的楼房沙盘，一般多见于售楼处，对于建筑和建筑所在环境比较详细；这两种较多。剩下的就是电子沙盘了，电子沙盘因为使用方便，易于更改等原因，正越来越多的运用于各个方面。 本文通过对设计电路和计算机编程，来实现对沙盘实物的实时控制，加入了电脑的控制，使沙盘的变化更加方便。这就是数字沙盘，数字沙盘比起传统沙盘，不仅更改更加方便，而且由于加入了电子技术，可以从声光电等多个方面进行演示，比传统沙盘更加形象。本文主要对数字沙盘机械装置，设计了一组CPU的嵌入式控制板，完成对于数字模块方阵的控制和步进电机的驱动，这个嵌入式控制板主要包括几个部分步进电机驱动模块，用来驱动步进电机；RS-485接口模块，用来实现模块间的互相通信和对电脑的通信；行程开关接口模块，用来保护电机；LED显示模块，用来驱动led显示屏。最后，完成电路原理图和，并在系统集成中得到实现。
目录
一、绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）国内外研究现状 1
（三） 本文安排和内容 1
二、数字沙盘结构和开发环境 3
（一）沙盘的整体结构 3
（二）软件开发环境 3
（三）硬件开发环境 3
1. 电路板设计流程 3
三、主系统架构和具体实现 5
（一）整体部分的设计 5
1. 步进电机的型号选择 5
2.驱动电路板的分析 6
（二）硬件的系统的架构 7
（三）CPU核心模块 7
（四）电源模块 9
（五）步进电机驱动模块 9
（六）RS485模块 9
（七）行程开关保护模块 10
（八）CPU核心模块电路图 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> （九）电机驱动模块电路 12
（十）电源模块电路图 13
（十一）RS485模块电路图 13
（十二）PCB版图绘制 14
1. 版图绘制及布局 14
2.布线 15
(十三)本章小结 16
四LED显示架构设计以及具体实现 17
（一）显示屏概述 17
（二） LED控制卡介绍 17
（三）显示屏驱动板设计 18
（四）显示屏驱动板电路图 18
（五）显示屏PCB版图 19
（六） 本章小结 21
五、 总结和展望 22
（1） 总结 22
（2） 展望 22
参考文献 23
致谢 24
一、绪论
（一）本课题的研究背景和意义
近年来，环境一直在恶化，虽然在党的领导下，治理初见成效，但是现在环境形势还很严峻，所以怎样预防和快速发现自然的隐患就显得十分重要了；为此，国家十二五计划中提出了相对应的计划，来监测环境是否在继续恶化。
数字沙盘计划是从这个计划中提取出来的一个部分，可以用来展示地形信息的全部地形地貌，以便更好的预警自然灾害。
（二）国内外研究现状
现在的沙盘主要是按照一定比例缩小，然后再进行实体化然后展示的。这样用模型来表示虽然精确度高，但是不是特别有利于改动。沙盘的应用范围很广，有的用途需要快速改变，电子沙盘的优势就能体现出来了。电子沙盘用在传统沙盘的基础上，地形数据库为核心，用计算机技术来制作出的全息3d图像，方便互动。
如图11，MIT做过一款三维交互系统。可以通过一个控制系统去通过人的形态或者重力影响来显示不同的形状，它的控制系统的立柱，是每个分开独立控制的，很适合用于电子沙盘。
图11麻省理工学院交互系统研究图
动态立体显示墙的应用。现在的动态立体显示墙，墙体的表面有数千块小突起，下面有数千个活塞，通过程序来控制鳞片的突起，用来显示不同的图案或者是文字。
本文安排和内容
在结合了数字沙盘的机械装置设计的基础上，本文设计了一款基于c51单片机的的电路板，作用是为了支持数字沙盘的机械装置。在电路板的设计主要实现了三个方向的电机驱动，与电脑的串口通信，步进电机的信号的显示，数字沙盘的行程保护，以及LED屏的显示。除了这些，每个数字模块的驱动板也能组成一个网络，形成网络拓扑结构，模块之间可以互相通信。通过顶层的电脑给中继器发送命令数据，然后用中继器的转发功能把命令发给每个数字模块，达到显示的效果。
本文的研究主要包括四个部分
（1）市场调研和可行性分析：主要是步进电机的型号，对现在市面上现有的各个步进电机的各种参数进行调研，结合沙盘的实际需要，选出最合适的。
（2）每个模块的电路原理图以及PCB设计。
（3）嵌入式开发板的需求分析。整套系统可以分为如下几个模块：核心CPU模块，主要负责数据的储存和运算；步进电机驱动模块，主要用来驱动步进电机；RS485接口模块，主要用于和电脑通信，也可以用在模块之间互相通信；行程开关模块，主要用于行程保护；LED显示模块，用于更加直观的显示地形。
（4）本章主要介绍了数字沙盘的地形显示的研究背景和意义，国内外背景和本文的主要工作，第二章是对数字沙盘的详细介绍，第三章介绍了主系统的架构，包括步进电机型号和芯片型号以及具体实现，第四章介绍了LED屏的驱动板电路以及LED屏的具体实现，第五章是最后一章，对本系统的未来提出展望。
二、数字沙盘结构和开发环境
（一）沙盘的整体结构
沙盘机械装置主要用来在程序的指引下显示和改变地形信息。一个模块由16根立柱组成，每一根立柱可以独立上升或下降，这样上升的不同高度的立柱就可以显示出地形，机械设计图如21，中间4*4的方块就是立柱。
图21，数字沙盘俯视图
本设计是用一根主控立柱去完成对长方体的托举和下拉，每个立柱上方有三个发光二极管，便于可以组成全彩显示，具体在第四章说明。
如果想要完成每个长方体立柱的动作，就需要水平两个方向和垂直方向共计三个方向的的操作。所以要三个步进电机去完成三个不同方向的控制。由图21可以看出，x方向的电机可以带动yz运动，y可以带动z方向，z可以直接带动立柱移动。
（二）软件开发环境
在开发中，本人主要使用了KeilC51工具，因为该工具功能强大，实用性高。
（三）硬件开发环境
Altium Designer6.9 是Altium 公司推出的一款电子产品开发系统。这款系统很实用和方便。用了这款软件以后，工程师能将系统设计中的FPGA 与PCB 设计组合在一起。比protel功能更加强大，也更加方便。
电路板设计流程
如图22所示，在Altium Designer6.9中，完成一个设计需要以下几个步骤。
图22，设计电路板的步骤
在开发本系统时，我们要用uVision2来进行调试，所有的程序语言用C语言的规范语言编写。在硬件方面，先设计好原理图，再按照原理图画出PCB板，最后调试电路板。
三、主系统架构和具体实现
目录
一、绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）国内外研究现状 1
（三） 本文安排和内容 1
二、数字沙盘结构和开发环境 3
（一）沙盘的整体结构 3
（二）软件开发环境 3
（三）硬件开发环境 3
1. 电路板设计流程 3
三、主系统架构和具体实现 5
（一）整体部分的设计 5
1. 步进电机的型号选择 5
2.驱动电路板的分析 6
（二）硬件的系统的架构 7
（三）CPU核心模块 7
（四）电源模块 9
（五）步进电机驱动模块 9
（六）RS485模块 9
（七）行程开关保护模块 10
（八）CPU核心模块电路图 11
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/> （九）电机驱动模块电路 12
（十）电源模块电路图 13
（十一）RS485模块电路图 13
（十二）PCB版图绘制 14
1. 版图绘制及布局 14
2.布线 15
(十三)本章小结 16
四LED显示架构设计以及具体实现 17
（一）显示屏概述 17
（二） LED控制卡介绍 17
（三）显示屏驱动板设计 18
（四）显示屏驱动板电路图 18
（五）显示屏PCB版图 19
（六） 本章小结 21
五、 总结和展望 22
（1） 总结 22
（2） 展望 22
参考文献 23
致谢 24
一、绪论
（一）本课题的研究背景和意义
近年来，环境一直在恶化，虽然在党的领导下，治理初见成效，但是现在环境形势还很严峻，所以怎样预防和快速发现自然的隐患就显得十分重要了；为此，国家十二五计划中提出了相对应的计划，来监测环境是否在继续恶化。
数字沙盘计划是从这个计划中提取出来的一个部分，可以用来展示地形信息的全部地形地貌，以便更好的预警自然灾害。
（二）国内外研究现状
现在的沙盘主要是按照一定比例缩小，然后再进行实体化然后展示的。这样用模型来表示虽然精确度高，但是不是特别有利于改动。沙盘的应用范围很广，有的用途需要快速改变，电子沙盘的优势就能体现出来了。电子沙盘用在传统沙盘的基础上，地形数据库为核心，用计算机技术来制作出的全息3d图像，方便互动。
如图11，MIT做过一款三维交互系统。可以通过一个控制系统去通过人的形态或者重力影响来显示不同的形状，它的控制系统的立柱，是每个分开独立控制的，很适合用于电子沙盘。
图11麻省理工学院交互系统研究图
动态立体显示墙的应用。现在的动态立体显示墙，墙体的表面有数千块小突起，下面有数千个活塞，通过程序来控制鳞片的突起，用来显示不同的图案或者是文字。
本文安排和内容
在结合了数字沙盘的机械装置设计的基础上，本文设计了一款基于c51单片机的的电路板，作用是为了支持数字沙盘的机械装置。在电路板的设计主要实现了三个方向的电机驱动，与电脑的串口通信，步进电机的信号的显示，数字沙盘的行程保护，以及LED屏的显示。除了这些，每个数字模块的驱动板也能组成一个网络，形成网络拓扑结构，模块之间可以互相通信。通过顶层的电脑给中继器发送命令数据，然后用中继器的转发功能把命令发给每个数字模块，达到显示的效果。
本文的研究主要包括四个部分
（1）市场调研和可行性分析：主要是步进电机的型号，对现在市面上现有的各个步进电机的各种参数进行调研，结合沙盘的实际需要，选出最合适的。
（2）每个模块的电路原理图以及PCB设计。
（3）嵌入式开发板的需求分析。整套系统可以分为如下几个模块：核心CPU模块，主要负责数据的储存和运算；步进电机驱动模块，主要用来驱动步进电机；RS485接口模块，主要用于和电脑通信，也可以用在模块之间互相通信；行程开关模块，主要用于行程保护；LED显示模块，用于更加直观的显示地形。
（4）本章主要介绍了数字沙盘的地形显示的研究背景和意义，国内外背景和本文的主要工作，第二章是对数字沙盘的详细介绍，第三章介绍了主系统的架构，包括步进电机型号和芯片型号以及具体实现，第四章介绍了LED屏的驱动板电路以及LED屏的具体实现，第五章是最后一章，对本系统的未来提出展望。
二、数字沙盘结构和开发环境
（一）沙盘的整体结构
沙盘机械装置主要用来在程序的指引下显示和改变地形信息。一个模块由16根立柱组成，每一根立柱可以独立上升或下降，这样上升的不同高度的立柱就可以显示出地形，机械设计图如21，中间4*4的方块就是立柱。
图21，数字沙盘俯视图
本设计是用一根主控立柱去完成对长方体的托举和下拉，每个立柱上方有三个发光二极管，便于可以组成全彩显示，具体在第四章说明。
如果想要完成每个长方体立柱的动作，就需要水平两个方向和垂直方向共计三个方向的的操作。所以要三个步进电机去完成三个不同方向的控制。由图21可以看出，x方向的电机可以带动yz运动，y可以带动z方向，z可以直接带动立柱移动。
（二）软件开发环境
在开发中，本人主要使用了KeilC51工具，因为该工具功能强大，实用性高。
（三）硬件开发环境
Altium Designer6.9 是Altium 公司推出的一款电子产品开发系统。这款系统很实用和方便。用了这款软件以后，工程师能将系统设计中的FPGA 与PCB 设计组合在一起。比protel功能更加强大，也更加方便。
电路板设计流程
如图22所示，在Altium Designer6.9中，完成一个设计需要以下几个步骤。
图22，设计电路板的步骤
在开发本系统时，我们要用uVision2来进行调试，所有的程序语言用C语言的规范语言编写。在硬件方面，先设计好原理图，再按照原理图画出PCB板，最后调试电路板。
三、主系统架构和具体实现
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