顏　偉

(江蘇自動化研究所，連云港 222061)

基于XC2267M的工程機(jī)械發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測終端

顏偉

(江蘇自動化研究所，連云港 222061)

摘要:為了實現(xiàn)對工程機(jī)械車輛發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)的保存、查閱，研制基于C166的工程機(jī)械發(fā)動機(jī)狀態(tài)智能監(jiān)測終端。該終端以C166汽車級16位微控制器XC2267M為核心，采用C語言編程，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等信息測量、狀態(tài)屏顯、歷史數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)報警、按鍵消音等功能。

關(guān)鍵詞:XC2267M；C166；監(jiān)測終端

引言

當(dāng)前我國正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時期，作為社會發(fā)展的支撐，工程建筑、道路設(shè)施等迅速發(fā)展，對工程機(jī)械車輛的需求量也日益增長。發(fā)動機(jī)作為工程機(jī)械車輛的核心器件，其運行狀態(tài)的好壞直接影響著工程車輛整車的運行效率以及運行安全。隨著車輛運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)信息化和智能化水平的不斷提升，對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求也越來越高。本文設(shè)計了一款工程機(jī)械車輛發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)智能監(jiān)測終端，該終端以汽車級16位微控制器XC2267M為核心，采用C語言編程，實現(xiàn)了包含發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等信息的實時測量，實測狀態(tài)信息屏顯，歷史數(shù)據(jù)存儲，狀態(tài)信息超限報警，按鍵消除報警音等功能，具有監(jiān)測全面、顯示直觀、軟硬件成本低、編程靈活等特點，可以廣泛應(yīng)用于多種工程車輛發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中。

1原理設(shè)計

本文設(shè)計的發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測終端采用C語言編程，硬件部分包括主處理器模塊以及與其相連的外圍電路，外圍電路包括電源模塊、存儲器模塊、實時時鐘輸入、傳感器狀態(tài)采集、通信總線模塊、屏幕顯示模塊等，其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1　監(jiān)測終端原理框圖

主處理器模塊選用英飛凌公司16位單芯片微控制器XC2267M作為控制核心，外圍電路基于XC2267M的外設(shè)資源進(jìn)行擴(kuò)展。XC2267M最高工作頻率為80 MHz，擁有16 位外部數(shù)據(jù)總線；具有兩個支持外部復(fù)用器的可同步 ADC，可采集發(fā)動機(jī)外圍多種模擬量信號；1個16通道捕獲/比較單元CC2，可實時快速捕捉測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻率信號；4個用于產(chǎn)生靈活PWM信號的捕獲/比較單元(CCU6)；2個多功能通用定時器單元GPT； 8個通用串行通道USIC，支持外圍適配SPI、I2C等多種串行協(xié)議芯片； 6個CAN節(jié)點的MultiCAN。XC2267M的上述特點使其非常適合應(yīng)用于工程車輛發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控終端。

電源模塊由電源保護(hù)、電源轉(zhuǎn)換、傳感器供電與點火線開關(guān)等電路組成。電源保護(hù)電路能夠?qū)﹄娫捶唇?、過壓和過流進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，防止電流異常造成監(jiān)測終端的損壞，保證了監(jiān)測終端的安全；電源轉(zhuǎn)換子模塊將車載電池電壓轉(zhuǎn)換為監(jiān)測終端內(nèi)部所需的工作電壓；傳感器供電子模塊使得工程車輛無需額外配備供電系統(tǒng)即可對外接傳感器進(jìn)行供電，不僅方便系統(tǒng)接線，還可以降低系統(tǒng)硬件成本；點火線開關(guān)允許在一直供電的系統(tǒng)中通過軟件關(guān)閉監(jiān)測終端。

存儲器模塊包括Flash程序與數(shù)據(jù)存儲器、RAM存儲器和非易失性EEPROM存儲器。監(jiān)測終端使用XC2267M片內(nèi)的832 KB Flash作為BootLoader和C語言監(jiān)測程序的存儲空間，連接到XC2267M的SPI總線上的8 KB EEPROM存儲器來記錄系統(tǒng)監(jiān)測歷史信息。

傳感器模塊對車輛油溫、油壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等多種狀態(tài)進(jìn)行采集，將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓、電阻、頻率值，XC2267M由ADC模塊采集電壓、電阻值，由CC2頻率捕獲模塊測量頻率值，并由轉(zhuǎn)換程序?qū)㈦妷?、電阻、頻率值還原為油溫、油壓、轉(zhuǎn)速值?？梢愿鶕?jù)實際工作情況，設(shè)定油溫、油壓、轉(zhuǎn)速超限值，當(dāng)上述值出現(xiàn)超限情況時，將其超限值記錄到EEPROM中，同時啟動蜂鳴器報警。

RTC模塊選用ISL1208實時時鐘芯片，XC2267M使用I2C接口協(xié)議設(shè)定ISL1208的時間以及讀取ISL1208的實時時間值，當(dāng)采樣的油溫、油壓、轉(zhuǎn)速值出現(xiàn)超限時，記錄超限值的同時，并將超限時間、超限類型、超限值組織為一條記錄，保存在EEPROM中，方便以后查閱。

按鍵輸入部分進(jìn)行鍵值掃描，不同的按鍵完成蜂鳴器報警消音、超限歷史記錄查詢翻頁顯示等功能。

利用CAN總線模塊接口，可以通過BootLoader實現(xiàn)在監(jiān)測終端不開殼的情況下完成底層程序的更新與維護(hù)；同時，可以通過CAN接口將監(jiān)控數(shù)據(jù)實時發(fā)送，配合遠(yuǎn)端監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2軟件設(shè)計

為了保證運行的高效率及狀態(tài)監(jiān)控的實時性，監(jiān)測終端軟件采用C語言編程。系統(tǒng)軟件主要由兩部分構(gòu)成：BootLoader和應(yīng)用程序。

BootLoader是嵌入式系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段用戶程序，負(fù)責(zé)主處理器和內(nèi)存控制器等關(guān)鍵外設(shè)的初始化，并從啟動存儲介質(zhì)加載操作系統(tǒng)映像，根據(jù)配置引導(dǎo)操作系統(tǒng)，此外，它還負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的維護(hù)，包括從上位機(jī)下載操作系統(tǒng)映像、執(zhí)行系統(tǒng)測試等。適配BootLoader到監(jiān)測終端，可以在無需打開監(jiān)測終端外殼的情況下，使用CAN接口對監(jiān)測終端的系統(tǒng)軟件進(jìn)行更新維護(hù)。這不僅方便了系統(tǒng)軟件的更新升級，更避免因頻繁開殼對監(jiān)測終端外殼防水、抵抗電磁干擾的影響。BootLoader工作原理如圖2所示。

圖2　BootLoader流程圖

應(yīng)用程序是監(jiān)測終端軟件的核心部分，其中包含了對監(jiān)測終端所有外設(shè)的初始化、傳感器狀態(tài)獲取、狀態(tài)信息屏顯、狀態(tài)超限判斷、報警信息記錄查詢等核心功能。

采樣模塊ADC是監(jiān)測終端的核心部分，系統(tǒng)能否實時地、準(zhǔn)確地獲取發(fā)動機(jī)油溫、油壓狀態(tài)，很大程度上取決于ADC采樣的精度與速度。采樣模塊ADC的初始化部分完成ADC內(nèi)部時鐘分頻設(shè)定、掃描請求源選擇、采樣轉(zhuǎn)換精度設(shè)置、中斷服務(wù)請求輸出線選擇、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器選擇等功能。

RTC實時時鐘選用的是ISL1208芯片，該芯片通過I2C接口與XC2267M通信，XC2267M具有4個可靈活配置的USIC(通用串行接口通道)模塊，每個模塊內(nèi)部包含兩個串行通道，每個通道都支持軟件選擇其接口協(xié)議，故需初始化XC2267M的USIC的其中一個通道為I2C協(xié)議，設(shè)定其波特率、選擇輸入級引腳、配置移位控制信號、定義數(shù)據(jù)幀長度等。

數(shù)據(jù)存儲芯片選用25LC640 EEPROM器件，該芯片通過SPI接口與XC2267M通信，需初始化XC2267M的USIC的其中一個通道為SPI協(xié)議，設(shè)定其波特率、選擇輸入級引腳、配置移位數(shù)據(jù)值和數(shù)據(jù)輸出信號、定義數(shù)據(jù)幀長度、定義FIFO深度等。

顯示屏選擇JM12864M芯片，該芯片的RD(讀)、WR(寫)、CD(命令/數(shù)據(jù)選擇)都是用XC2267M的GPIO控制，其數(shù)據(jù)線DO～D7直接接入XC2267M的P0口，有數(shù)據(jù)待寫入JM12864M的顯示緩沖區(qū)時，可直接將該數(shù)據(jù)寫入P0的數(shù)據(jù)輸出寄存器P0_OUT，即可將數(shù)據(jù)顯示在JM12864M的屏幕上。

報警蜂鳴器由PWM驅(qū)動，XC2267M提供一個捕獲/比較(CAPCOM)單元，該模塊具有16路由2個定時器緊密配合工作的捕獲/比較通道。CAPCOM通道可以將定時器的內(nèi)容和給定值進(jìn)行比較，匹配時修改輸出信號，以產(chǎn)生頻率和占空比都可調(diào)的PWM輸出。

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

按鍵檢測由XC2267M外部服務(wù)請求(ESR)引腳檢測外部中斷實現(xiàn)，XC2267M的每個ESR引腳均配有跳變沿檢測單元，可設(shè)定用作觸發(fā)源的跳變沿，選擇由單沿、雙沿或不使用跳變沿觸發(fā)。ESR具有內(nèi)部數(shù)字濾波器(DF)來抑制毛刺，非常適合用作外部按鍵鍵值檢測。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。

監(jiān)測終端的BSP通過英飛凌公司開發(fā)的一種適用其微控制器的快速代碼生成工具DAvE(Digital Application Virtual Engineer)以可視化的向?qū)脚渲梅绞?，設(shè)定所選用的模塊功能，配置XC2267M的外圍設(shè)備接口，根據(jù)配置自動生成相應(yīng)的模塊代碼。在DAvE中，將監(jiān)測終端的CPU工作頻率、中斷事件、中斷向量入口等配置在所需要的工作狀態(tài)，并為片上的外設(shè)以及中斷控制自動生成C代碼和相應(yīng)的驅(qū)動程序。在Keil C166集成開發(fā)環(huán)境中導(dǎo)入DAvE工程文件，自動生成目標(biāo)開發(fā)工程。設(shè)計中根據(jù)監(jiān)測終端的外設(shè)完善BSP，實現(xiàn)所需功能。

實現(xiàn)檢測終端底層功能BSP后，可基于MFC設(shè)計監(jiān)控終端上位機(jī)軟件，通過調(diào)用USB-CAN的驅(qū)動庫函數(shù)中的CAN幀發(fā)送與接收函數(shù)，監(jiān)控終端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過CAN總線發(fā)送至上位機(jī)軟件，在上位機(jī)軟件中實時顯示發(fā)動機(jī)狀態(tài)信息，實現(xiàn)監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程查看。監(jiān)控終端上位機(jī)軟件界面如圖4所示。

圖4　發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控上位機(jī)運行界面

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

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Engine Status Monitoring Terminal for Construction Machinery Based on XC2267M

Yan Wei

(Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China)

Abstract：In order to realize the real-time monitoring of the running state of the construction machinery engine and the preservation of historical data,the design of engine status intelligent monitoring terminal for construction machinery based on C166 is proposed,which uses C166 vehicle level 16 bit processor XC2267M as the core,and uses C language to program.The engine rotational speed,the oil temperature,the oil pressure measurement,the status information display,the history data storage,the condition warning,the key-press silencing and other functions are achieved.

Key words:XC2267M;C166;monitoring terminal

中圖分類號:TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2016-01-03)