摘" 要： 為了提高特種戰(zhàn)車配電控制系統(tǒng)智能化控制能力和故障診斷能力，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)一套基于STM32單片機(jī)的嵌入式配電顯示控制系統(tǒng)。該顯示系統(tǒng)以STM32F217芯片為核心，通過(guò)合理的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了分布式多節(jié)點(diǎn)配電設(shè)備的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。通過(guò)測(cè)試證明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足特種車輛配電系統(tǒng)的使用要求。

關(guān)鍵詞： 分布式配電； 顯示控制系統(tǒng)； STM32； 特種戰(zhàn)車； 配電系統(tǒng)； 控制器局域網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN850.3?34； TP319" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）10?0064?05

Design of distributed distribution integrated display control system

Abstract： In order to improve the intelligent control and fault diagnosis capabilities of the special combat vehicle power distribution control system， while meeting the requirements of real?time performance， an embedded power distribution display control system based on STM32 microcontroller is designed. The display system is based on the STM32F217 chip and can realize the control and real?time monitoring functions of distributed multi node power distribution equipment by means of reasonable modular design. The testing results show that the system has the designed characteristics of simple operation， easy expansion， and strong real?time performance， which can meet the usage requirements of special vehicle power distribution systems.

Keywords： distributed distribution; display control system; STM32; special forces vehicles; distribution system; controller area network

配電設(shè)備作為特種戰(zhàn)車重要的組成部分[1]，其為整車發(fā)射單元、探測(cè)單元、導(dǎo)航單元等用電設(shè)備提供電力支持。根據(jù)供電對(duì)象需求的不同，配電設(shè)備一般分為：高壓交流設(shè)備、高壓直流設(shè)備和低壓直流設(shè)備等。這些設(shè)備作為整車的主要電力輸出設(shè)備，提供電力的同時(shí)還要進(jìn)行供配電數(shù)據(jù)信息采集、狀態(tài)信息監(jiān)控、配電運(yùn)行管理[2?4]；同時(shí)還具有過(guò)壓、欠壓、缺相、漏電流等保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)各種用電設(shè)備安全保障措施[5]。在戰(zhàn)場(chǎng)上，為了防止敵軍破壞，這些配電設(shè)備往往分散地分布于車身的不同位置，這樣雖然提高了安全性，但帶來(lái)了操作上的不便。在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)上，時(shí)機(jī)的把握是非常重要的?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一個(gè)配電顯示控制終端，統(tǒng)一集中管理這些配電設(shè)備，降低操作的復(fù)雜性。整個(gè)系統(tǒng)以配電顯示控制終端為中心，通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network， CAN）與各個(gè)配電設(shè)備相連，并配備交互式顯示界面，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)配電設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)電氣控制的數(shù)字化和智能化。

1" 系統(tǒng)整體方案

配電顯示控制系統(tǒng)主要由CAN總線通信、報(bào)文解析功能模塊、控制指令下發(fā)功能模塊、按鍵檢測(cè)功能模塊、參數(shù)設(shè)置功能模塊、故障記錄功能模塊、顯示控制功能模塊等組成。顯示控制系統(tǒng)由STM32F217及其外圍電路組成，是整車配電系統(tǒng)的核心，主要完成配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文的解析、顯示界面內(nèi)容的刷新和響應(yīng)外部按鍵操作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

配電設(shè)備主控通過(guò)CAN總線與顯示控制系統(tǒng)和其他主控進(jìn)行互連通信[6]。上電初始化后，配電設(shè)備主控負(fù)責(zé)將各個(gè)執(zhí)行模塊反饋回來(lái)的電壓值、電流值、接通情況以及故障信息打包成運(yùn)行狀態(tài)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至顯示控制系統(tǒng)，并接收來(lái)自顯示控制系統(tǒng)的控制報(bào)文，用以控制各個(gè)通道的接通和關(guān)斷。顯示控制系統(tǒng)同時(shí)作為參數(shù)設(shè)置和讀取的終端，能夠下發(fā)讀取參數(shù)報(bào)文和參數(shù)設(shè)置報(bào)文，配電設(shè)備在收到顯示控制系統(tǒng)的報(bào)文后進(jìn)行解析，并根據(jù)報(bào)文的類型進(jìn)行應(yīng)答，同時(shí)使用內(nèi)部CAN與執(zhí)行模塊進(jìn)行通信。CAN通信結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

為了減輕總線的負(fù)載，同時(shí)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將報(bào)文分為周期性報(bào)文和非周期性報(bào)文。報(bào)文的類型和功能如表1所示。非周期性報(bào)文按需求進(jìn)行下發(fā)，周期性報(bào)文則按照固定的周期進(jìn)行發(fā)送。顯示控制系統(tǒng)收到配電設(shè)備主控的周期性運(yùn)行狀態(tài)報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文ID進(jìn)行分類并數(shù)據(jù)解析，并將解析的結(jié)果顯示在顯示模塊上。在檢測(cè)到配電設(shè)備出現(xiàn)故障后，故障告警模塊會(huì)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)一步提醒用戶及時(shí)處理故障信息。按鍵模塊主要用于顯示模塊的頁(yè)面切換和開(kāi)關(guān)。測(cè)溫模塊用于采集顯示控制系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度。

2" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)主程序

顯示控制系統(tǒng)主程序在上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，并在自檢和歷史數(shù)據(jù)加載后進(jìn)入主循環(huán)。初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘、外部I/O（輸入/輸出）、串口、定時(shí)器、CAN通信、內(nèi)部變量等。在主循環(huán)中，主程序循環(huán)調(diào)用其他模塊，包括按鍵開(kāi)關(guān)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)報(bào)文的解析、溫度采集、顯示器內(nèi)容刷新、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)刷新等。主程序流程如圖3所示。

按鍵掃描主要是掃描“上”“下”“左“右”“確認(rèn)”以及“返回”按鍵是否被長(zhǎng)按和短按，根據(jù)各個(gè)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行顯示內(nèi)容更新和頁(yè)面的切換。

CAN報(bào)文解析是用于解析來(lái)自配電設(shè)備主控的運(yùn)行報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文，并存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，更新顯示頁(yè)面的內(nèi)容。故障記錄是根據(jù)數(shù)據(jù)解析的結(jié)果，檢測(cè)是否上報(bào)了故障信息，如果發(fā)生了故障，則將故障寫(xiě)入內(nèi)存中防止掉電數(shù)據(jù)擦除，并更新故障頁(yè)面的內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)故障告警模塊通知用戶。

2.2" 交互設(shè)計(jì)

交互指定的是該顯示系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶的操作，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中采用有限狀態(tài)機(jī)[7?8]模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于系統(tǒng)處于不同的頁(yè)面下，所定義的按鍵操作是不一樣的，因此將當(dāng)前系統(tǒng)所處頁(yè)面作為系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)此狀態(tài)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的按鍵操作。系統(tǒng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)體定義如下：

以結(jié)構(gòu)體數(shù)組的形式列出所有的狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)的操作，交互程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。該流程圖只包含了按鍵“上”“下”和“翻頁(yè)”時(shí)操作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，首先查詢當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，即所處的頁(yè)面，根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行該狀態(tài)對(duì)應(yīng)的函數(shù)，通過(guò)統(tǒng)一的程序接口能夠方便程序的擴(kuò)展和復(fù)用。而系統(tǒng)的狀態(tài)切換根據(jù)按鍵“翻頁(yè)”“確認(rèn)”以及“返回”進(jìn)行更新。其中，“翻頁(yè)”和“返回”只要一按下，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變；而“確認(rèn)”鍵只有需要進(jìn)入子界面時(shí)才會(huì)發(fā)生改變，作為軟開(kāi)關(guān)功能時(shí)系統(tǒng)不發(fā)生狀態(tài)的改變。

2.3" 數(shù)據(jù)接收與解析

配電設(shè)備以節(jié)點(diǎn)的形式掛載在CAN總線上[9?10]，為了方便快速地對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)ID，且保證節(jié)點(diǎn)的ID是獨(dú)一無(wú)二的。同時(shí)根據(jù)報(bào)文的功能設(shè)置功能碼，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的ID和報(bào)文的功能碼合成CAN通信的數(shù)據(jù)幀的擴(kuò)展ID。ID各位的內(nèi)容和數(shù)據(jù)段的定義如圖5所示。

對(duì)于單個(gè)配電設(shè)備而言，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大于CAN通信的所規(guī)定的8個(gè)字節(jié)，因此需要將數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)段的第一個(gè)字節(jié)的高4位用來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前幀，后4位用來(lái)標(biāo)識(shí)所要發(fā)送的總幀數(shù)。在發(fā)送過(guò)程中，更新當(dāng)前幀的標(biāo)識(shí)。為了進(jìn)一步保證接收端收到數(shù)據(jù)的正確性，在最后一幀數(shù)據(jù)段的最后一個(gè)字節(jié)加上校驗(yàn)碼。配電顯示控制系統(tǒng)在接收配電設(shè)備主控上報(bào)的報(bào)文后，首先根據(jù)ID判斷配電設(shè)備的歸屬；接著根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)字節(jié)將數(shù)據(jù)拷貝至對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，只有接收到了完整的報(bào)文并通過(guò)校驗(yàn)后，才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。完整的報(bào)文要求當(dāng)前幀等于總幀。如果在固定時(shí)間內(nèi)未收到配電設(shè)備主控模塊的報(bào)文，則判定配電設(shè)備掉線。程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

2.4" 數(shù)據(jù)下發(fā)

數(shù)據(jù)下發(fā)模塊主要用于發(fā)送控制報(bào)文和設(shè)置報(bào)文。其中，控制報(bào)文由配電顯示控制系統(tǒng)以固定的周期通過(guò)CAN總線發(fā)送至配電設(shè)備主控，用以控制配電設(shè)備輸出通道的接通和關(guān)斷，報(bào)文的內(nèi)容需要根據(jù)用戶的操作進(jìn)行更新。

如圖7所示，將數(shù)據(jù)段的每?jī)晌挥成涑伤刂仆ǖ赖臓顟B(tài)，其中“11”表示接通該通道，“00”表示關(guān)閉該通道。在顯示控制系統(tǒng)檢測(cè)到用戶更改通道的狀態(tài)時(shí)，立即檢測(cè)通道的狀態(tài)，當(dāng)該通道為可控的時(shí)候，修改報(bào)文對(duì)應(yīng)位的數(shù)值。接通時(shí)的流程如圖8所示。

關(guān)斷相對(duì)接通在程序的設(shè)計(jì)上要相對(duì)復(fù)雜一些，為了避免快速頻繁接通和關(guān)斷設(shè)備導(dǎo)致設(shè)備故障，針對(duì)高壓配電設(shè)備加入了延時(shí)保護(hù)功能，關(guān)斷時(shí)的程序流程如圖9所示。

設(shè)置報(bào)文是非周期性的，用以規(guī)定通道的工作條件，提供告警和故障的依據(jù)，只在用戶修改完參數(shù)進(jìn)行保存時(shí)才會(huì)下發(fā)至配電設(shè)備主控。在發(fā)送完成后，開(kāi)始累計(jì)時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到配電設(shè)備的應(yīng)答報(bào)文則會(huì)提示保存失敗，提示用戶重新下發(fā)。所有參數(shù)也會(huì)保存至內(nèi)存，防止掉電數(shù)據(jù)擦除。

2.5" 溫度采集

溫度采集采用DS18B20溫度傳感器，該傳感器通過(guò)單總線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與接收，且有較為嚴(yán)格的通信時(shí)序要求[11?12]。而顯示控制系統(tǒng)主程序隨時(shí)都會(huì)面臨著被CAN通信接收中斷、定時(shí)器中斷打斷轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷函數(shù)的可能，無(wú)法嚴(yán)格保證通信時(shí)序，從而導(dǎo)致接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合實(shí)際工作溫度緩變的特性，提出以下判別式用以更新系統(tǒng)溫度值：

式中：sysTemp代表當(dāng)前系統(tǒng)的溫度值；lastSysTemp代表上一次系統(tǒng)溫度；cntTemp代表當(dāng)前采集溫度；lastTemp代表上一次采集溫度。根據(jù)判別式，只有當(dāng)相鄰兩次采集的溫度差值小于設(shè)定閾值時(shí)才會(huì)更新系統(tǒng)的溫度值，否則溫度保持不變。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常還需要增加連續(xù)判斷相鄰采集溫度差值低于閾值的條件，即連續(xù)多次低于閾值才更新系統(tǒng)溫度，程序設(shè)計(jì)如圖10所示。

3" 系統(tǒng)應(yīng)用

采用本文設(shè)計(jì)的配電顯示控制系統(tǒng)同時(shí)與多個(gè)配電設(shè)備相連進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的一些運(yùn)行參數(shù)如表2所示。為了進(jìn)一步分析CAN總線的通信情況，將CAN分析儀接入總線，測(cè)得總線利用率如圖11所示，當(dāng)前總線的利用率不足10%，并且沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤幀和漏幀的情況。

在顯示方面，由于本方案采用的是串口顯示屏，界面背景和內(nèi)容的顯示是獨(dú)立的，顯示器本身會(huì)將導(dǎo)入的頁(yè)面進(jìn)行顯示，配電顯示控制系統(tǒng)只需要負(fù)責(zé)將內(nèi)容通過(guò)串口寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的地址空間即可，通過(guò)測(cè)試50 ms刷新內(nèi)容并不會(huì)出現(xiàn)卡頓和延遲的現(xiàn)象。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一套基于STM32F217的配電顯示控制系統(tǒng)，采用CAN總線與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信，并定義一套通信協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸與解析的正確性。設(shè)計(jì)的交互頁(yè)面能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)配電設(shè)備及其各通道的狀態(tài)，并進(jìn)行故障提示與記錄；結(jié)合按鍵的使用，還能方便控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備通道的接通和關(guān)斷，降低操作難度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足實(shí)際需求。

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