孫 波

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061)

工程車輛顯示終端是諸如挖掘機、起重機等工程機械車輛上的核心單元之一，可以通過柱狀圖、虛擬開關(guān)、虛擬儀表盤等可視化界面，實現(xiàn)對車輛水溫、油位、轉(zhuǎn)速、開關(guān)、電磁閥、通信端口等工作狀態(tài)的實時顯示。近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入開展，工程車輛的種類與功能不斷豐富，對工程車輛顯示終端的性能水平、安全可靠性也提出了更高的要求。常見的車輛顯示終端往往采用ARM+Linux的軟硬件架構(gòu)［1-2］，性能較強，但價格較高且開發(fā)難度大、開發(fā)周期長。本文針對工程機械車輛顯示終端的安全可靠性、顯示實時性等方面的實際需求，提出基于STM32(基于ARM Cortex-M3內(nèi)核)處理器和μC/OS2操作系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計思路，以STM32處理器為核心，通過擴展電源管理模塊、通信端口適配模塊以及顯示控制模塊等，實現(xiàn)對車輛上所有傳感器、通信端口、攝像頭視頻、設(shè)備工作狀態(tài)等信息實時顯示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

工程車輛顯示終端的系統(tǒng)總體框圖如圖1如示，處理器STM32F207為顯示終端的核心，通過FSMC(Flexible Static Memory Controller)機制擴展了SRAM和Flash，分別作為處理器運行時的數(shù)據(jù)緩存與可視化圖形元素的存儲空間。顯示控制芯片采用EPSON公司的S1D13513，并擴展一片專用的SDRAM作為顯示緩存。STM32處理器與S1D13513之間通過FSMC機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。攝像頭視頻輸入信號經(jīng)過ADV7180芯片采樣處理后轉(zhuǎn)換為YUV信號并接入S1D13513，由S1D13513負(fù)責(zé)LCD液晶屏所有顯示內(nèi)容的輸出控制。另外，為了適應(yīng)車輛上電源輸入動態(tài)范圍大、干擾多等特點，電源管理模塊利用外部輸入的電壓，輸出多種穩(wěn)定的工作電平，保證顯示終端穩(wěn)定工作。

圖1 顯示終端的系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源管理模塊

顯示終端需要12 V，5 V，3.3 V和1.8 V 共4種工作電壓，而只能使用來自工程車輛上標(biāo)稱為24 V的蓄電池作為輸入電源。由于儲電量等因素的不同，蓄電池輸出電壓并不固定，范圍有可能在9～36 V左右緩慢變化。本設(shè)計采用Linear公司的LT3980產(chǎn)生12 V與5 V電壓。LT3980可以在3.6～58 V輸入電壓的范圍內(nèi)工作，具有過壓閉鎖保護，可承受高達80 V的瞬態(tài)電壓，該器件非常適用于汽車應(yīng)用中常見的負(fù)載突變和冷車啟動等情況。3.3 V和1.8 V采用LT1117芯片從5 V電壓變換獲得。另外，考慮到車輛上其他設(shè)備在啟動、工作時在電源上產(chǎn)生的干擾脈沖，甚至在現(xiàn)場可能產(chǎn)生人為失誤造成的電源正負(fù)極反接等情況，在LT3980的前端，需要采取必要的防過壓、抗瞬間干擾、防反接的措施。如圖2所示，二極管D1可以為蓄電池BAT上的瞬間高壓提供一條快速釋放通道，并可保證在電源反接時電壓無法加至后級電路，電感L1與電容C1可以有效抑制電源的瞬態(tài)干擾，防止瞬態(tài)干擾影響顯示終端的正常工作。

圖2 電源管理模塊

2.2 STM32F207與S1D13513的連接

本設(shè)計采用ST公司的STM32F207ZE作為主處理器，采用S1D13513作為顯示控制芯片。S1D13513是EPSON公司推出的一款高性能、低功耗的液晶控制器，帶有大容量SDRAM接口，支持片外擴展SDRAM作為顯存，支持單屏RGB接口，最高支持1 024×768的分辨率，支持多種流行CPU的直接或間接訪問，適合移動通信、手持設(shè)備及車輛等領(lǐng)域的應(yīng)用。處理器通過FSMC機制與S1D13513進行通信，相當(dāng)于將S1D13513映射為一種片外存儲器。本設(shè)計中S1D13513采用直接Intel 80模式1。模式選擇依賴CNF［8:0］引腳的上電復(fù)位時的配置，其中CNF［8:7］決定了芯片的工作時鐘源，CNF［6］決定了CNF［5:0］的配置對象，CN［5:0］決定了具體的總線接口配置內(nèi)容。通過配置CNF［8:0］引腳的復(fù)位電平，將引腳上電輸入狀態(tài)設(shè)置為0x144，表明使用OSC1作為時鐘源、工作方式為直接Intel80模式1。S1D13513采用了哈佛架構(gòu)，在與處理器連接時，地址與數(shù)據(jù)分開，其與處理器的接口部分包含16位數(shù)據(jù)線、21位地址線、片選信號、中斷信號及讀寫控制信號等，可以將STM32的FSMC地址、數(shù)據(jù)總線、片選信號直接與S1D13513連接，如圖3所示。

STM32F207ZE的片外Flash、SRAM擴展電路，以及S1D13513的片外SDRAM擴展電路、攝像頭輸入電路、LCD液晶屏顯示電路等，參考芯片手冊中推薦的電路直接連接即可。

圖3 STM32F207與S1D13513的連接示意圖

2.3 CAN總線接口適配電路

由于STM32芯片內(nèi)部集成了CAN總線協(xié)議控制器，因此只需要在外部為其增加CAN總線收發(fā)器，實現(xiàn)TTL電平到CAN總線電平的轉(zhuǎn)換適配［3］。本設(shè)計中采用的CAN總線收發(fā)器采用了NXP公司的TJA1040T，是一款針對汽車電子行業(yè)使用的高性能CAN收發(fā)器，其最主要的特點是芯片上有一個SPLIT的平衡電壓輸出端，用于輸出芯片自身的2.5 V電壓，用于抑制由于各節(jié)點地電平不同而造成的信號共模電壓差，或者抑制由于其他沒有上電節(jié)點造成的反向電流，可以使共模干擾的影響降低到最小，保證正常通信?？偩€終端節(jié)點R1、R2可以分別使用60 Ω的分裂端接電阻，若是總線中間節(jié)點使用1.3～2.7 Ω的分裂電阻，C1的典型值可以取47 nF。另外為了防止CAN總線上的瞬間高壓的干擾，二極管V1采用NXP公司的PESD1CAN，L1采用EPCOS公司的B82789作為扼流圈，防止瞬態(tài)干擾串入，防止CAN總線數(shù)據(jù)的錯誤接收(見圖4)。

圖4 CAN總線接口電路

3 軟件設(shè)計

顯示終端的軟件設(shè)計全部采用C語言編程，在STM32處理器的基礎(chǔ)上移植構(gòu)建了μC/OS2操作系統(tǒng)，利用UCGUI圖形開發(fā)環(huán)境，完成CAN接收FIFO中數(shù)據(jù)的接收與解析、按鍵輸入處理、顯示控制等功能，并將功能模塊劃分為子任務(wù)中斷處理的方式運行，提高了軟件運行的實時性。軟件運行總流程圖如圖5所示。

圖5 軟件運行總流程圖

3.1 μC/OS2的移植

μC/OS2是一種源碼開放的實時操作系統(tǒng)，此操作系統(tǒng)內(nèi)核空間小，包括了多種操作系統(tǒng)特性，如任務(wù)調(diào)度、任務(wù)通信、內(nèi)存管理、中斷管理等。μC/OS2總共包括3個部分:核心代碼部分，該部分代碼與處理器無關(guān);設(shè)置代碼部分，該部分可以配置時間控制塊的數(shù)據(jù)及消息管理相關(guān)的配置;與處理器相關(guān)的移植代碼部分。針對STM32處理器的μC/OS2移植主要集中在對以下幾個文件的修改［4］:

1)os_cpu_c.c，主要是修改 OSTaskStkInit()函數(shù)，用來完成初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)。

2)os_cpu_a.s，對STM32處理器的寄存器進行操作，包括 OSSrartHighRdy()，OSCtxSw()，OSInitCtxSw()和 OSTickISR()這4個函數(shù)。

3)os_cpu.h，定義和STM32處理器相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義開關(guān)中斷的方式及指令實現(xiàn)，對堆棧的增長方向進行定義。

4)中斷向量表:對啟動文件中的中斷向量表進行修改，主要將PendSV_Handler和SysTick_Handler替換為STM32處理器匹配的中斷向量表。

3.2 CAN總線接口軟件的設(shè)計

CAN總線接口軟件的設(shè)計主要包括STM32處理器中CAN總線協(xié)議控制器的初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)、CAN總線數(shù)據(jù)的解析等方面。CAN總線初始化主要包括CAN功能的使能、波特率的設(shè)置、FIFO的指定等內(nèi)容。在完成CAN總線的初始化后，即可開始CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)［5］。由于采用了中斷申請的工作方式，在接收到FIFO數(shù)據(jù)達到閾值后，首先判斷數(shù)據(jù)的有效性，如果數(shù)據(jù)有效，再對數(shù)據(jù)進行拆包解析，根據(jù)數(shù)據(jù)不同的標(biāo)志位，解析出數(shù)據(jù)代表的含義，如油位、水位、開關(guān)量的狀態(tài)等，再將數(shù)據(jù)提交給顯示控制子任務(wù)進行顯示處理。

3.3 顯示控制軟件設(shè)計

由于采用了UCGUI的圖形化界面開發(fā)環(huán)境，顯示控制軟件的設(shè)計可以大大簡化，但需要實現(xiàn)對S1D13513的控制，LCD液晶屏的顯示內(nèi)容實際由S1D13513完成具體操作。LCD顯示屏對于主處理器STM32來說，可以認(rèn)為是“透明”的。顯示控制軟件的設(shè)計，主要包括S1D13513的初始化及控制兩方面。初始化主要包括芯片工作模式配置、攝像頭輸入配置、顯示控件元素庫調(diào)入等內(nèi)容。在顯示控制方面，軟件接收到CAN總線接口子任務(wù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，由STM32解析出需要顯示的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給各個狀態(tài)量顯示函數(shù)，由S1D13513調(diào)用相應(yīng)的元素庫來刷新LCD液晶屏上的顯示內(nèi)容。攝像頭輸入視頻的處理，S1D13513直接接收來自ADV7180處理后的YUV信號，由STM32使能S1D13513的該功能，即可實現(xiàn)攝像頭視頻的同步顯示。由于本顯示終端沒有采用Linux操作系統(tǒng)，無啟動等待時間，實現(xiàn)了開機即顯示的功能，提高了系統(tǒng)的工作效率。

4 試驗與驗證

經(jīng)實際測試驗證，本顯示終端啟動時間小于1 s，可達到開機即使用的要求，明顯優(yōu)于基于ARM+Linux系統(tǒng)15 s左右的啟動時間，CAN總線的可穩(wěn)定達到1 Mbit/s的波特率，工作溫度范圍可達到-30℃～+70℃，能夠適應(yīng)工程機械在惡劣環(huán)境下的作業(yè)需求。本顯示終端的實際運行效果如圖6所示。

圖6 顯示終端實際運行效果(照片)

5 結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)了一種基于STM32和μC/OS2架構(gòu)的顯示終端，利用CAN總線接收并實時顯示工程車輛上多種設(shè)備狀態(tài)信息，與常見的ARM+Linux的顯示終端相比，本設(shè)計具有啟動時間快、環(huán)境適應(yīng)性強、性價比高、開發(fā)周期短的特點，可滿足多種工程車輛的應(yīng)用需求，具有較好的市場前景。

［1］李頂根，陳軍，吳朝輝.基于Arm-Linux的車載信息平臺的研制［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2006，40(9):1531-1535.

［2］楊秋萍，李疆.基于ARM-Linux智能車載信息終端的設(shè)計［J］.科技信息，2012(30):29-30.

［3］佟鳴宇，彭開香.基于ARM芯片的CAN總線接口設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設(shè)計，2009，36(7):1574-1576.

［4］任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應(yīng)用［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］龍志強，李小龍.CAN總線技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013.