信息化背景下工程機械儀表改進技術(shù)研究

趙瑞雪

上海云海萬邦數(shù)據(jù)科技有限公司 上海 200233

1 當前我國工程機械儀表存在的問題

通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，能夠看出國內(nèi)工程機械儀器在智能化、信息化方面與國外相比存在較大差距。在中國，工程機械儀表主要采用儀表刻度的機械指示器，這種技術(shù)成熟，操作簡單，工作性能穩(wěn)定可靠。然而機械指針的振動特性比較弱，指針的混合會造成讀數(shù)的多義性，也不利于工程機械儀表的完全電子化以及操作人員的可控性。

2 工程機械儀表信息化改進方法

建立工程儀表系統(tǒng)。儀表系統(tǒng)是工程機械不可缺少的組成部分，是工程機械運行過程中發(fā)動機、底盤等工作裝置狀態(tài)的直觀反映，是操作人員獲取工程機械的狀態(tài)信息并進行正確操作的重要依據(jù)。由于微機控制方法、現(xiàn)代傳感技術(shù)和顯示技術(shù)的快速發(fā)展與普及，使得儀表技術(shù)也同步向更高的水平上發(fā)展。儀表的形式從一開始的指針直讀顯示轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像和數(shù)字顯示；從聲音信號發(fā)展到智能監(jiān)控?，F(xiàn)在大多數(shù)工程機械儀表仍然沿用傳統(tǒng)的步進電機指針，具有功能較為單一，精準度低，能見度差，安裝規(guī)模較大，運行維護困難。用戶不易監(jiān)控，故障后不便于維護。阻礙了我國工程機械現(xiàn)代化的總體水平發(fā)展。根據(jù)當前市場形勢，結(jié)合市場經(jīng)濟需求，開發(fā)一種新型的智能圖形儀表信息系統(tǒng)是非常有必要的。該系統(tǒng)需要集成數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、故障報警、音頻報警、參數(shù)配置和互聯(lián)網(wǎng)傳輸功能，可靈活移植和擴充，實現(xiàn)真正的工程機械儀表智能化和信息化。

3 工程機械數(shù)字化儀表系統(tǒng)總體設(shè)計方法

工程機械的持續(xù)創(chuàng)新和不斷發(fā)展，促使儀表系統(tǒng)作為信息顯示窗口持續(xù)進行發(fā)展創(chuàng)新。文章中設(shè)計的數(shù)字化儀表系統(tǒng)包括儀表板、傳感器、北斗模塊、安裝面板等主要組成部分。主處理器的工作原理是從傳感器獲取傳感器狀態(tài)信息，包括通過總線局域網(wǎng)控制器，來自薄膜晶體管中液晶面板模塊的定位信息應(yīng)在參數(shù)信息以文本或圖形形式呈現(xiàn)后進行處理；同時傳輸?shù)奈锢頂?shù)據(jù)數(shù)量應(yīng)與安裝的響應(yīng)警報的設(shè)備數(shù)量進行比較。其實現(xiàn)的應(yīng)用包括實時監(jiān)控工程機械的基本狀況、當工程機械發(fā)生故障能及時進行報警、識別駕駛員身份、記錄并保存工程機械的運行參數(shù)、采用全球衛(wèi)星定位(GPS)技術(shù)和遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進行遠程監(jiān)控。

根據(jù)工程儀表顯示的信息和模塊化設(shè)計的理念，工程機械數(shù)字儀表主要包含主控制器模塊、CAN總線模塊、TFTLCD觸摸模塊、北斗模塊、故障診斷模塊、電源模塊等模塊。圖1顯示了總體結(jié)構(gòu)。

圖1 工程機械儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4 工程機械數(shù)字化儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計方法

為了滿足工程機械儀表對可靠性、功能性、經(jīng)濟性的要求以及工程機械儀表硬件電路的擴展性和環(huán)境適應(yīng)能力，本文硬件電路設(shè)計主要包括電源處理電路、按鍵輸入電路、最小系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)處理電路、串行通信電路、數(shù)據(jù)存儲電路、LCD顯示電路、CAN通信模塊、LED及蜂鳴器報警電路等。具體的硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

工程機械儀表檢測到的信號相對較復(fù)雜，可按類型分為模擬信號、開關(guān)信號和脈沖信號。根據(jù)參數(shù)的類型、測量方式和測量范圍，選擇合適的傳感器。傳感器主要用于將工程機械的實測信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的二進制數(shù)字信號。儀器系統(tǒng)中選擇了13個測量點，分別配置了傳感器和信號類型，如表1所示。

表1 傳感器選型

硬件系統(tǒng)的核心是控制器。經(jīng)過對系統(tǒng)規(guī)模和控制器的控制能力以及應(yīng)用場景的綜合考慮，選用LPC2478(NXP)作為工程機械數(shù)字化儀表的主控制器。恩智浦公司的LPC2478芯片是一款基于ARM7TDMI－S的32位高性能微控制器，擁有512KB內(nèi)置高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口，CPU時鐘高達72 MHz，支持實時仿真和監(jiān)控。此外，芯片還擁有豐富的片上資源和外設(shè)接口，集成了1個LCD控制器、兩個通道和多個串行接口，這些接口和特性使得LC2478可以在許多工作場所使用。

顯示器是工程機械儀表的重要裝置，要適應(yīng)極端環(huán)境，能夠長期穩(wěn)定運行，使用友達G084SN05 V8液晶屏，它是一款采用a－Si TFT－LCD技術(shù)的8.4英寸液晶模組產(chǎn)品，含LED驅(qū)動器背光驅(qū)動，無觸摸，驅(qū)屏電壓為直流3.3V，采用LVDS信號接口，能夠直觀顯示不同的性能參數(shù)和故障數(shù)據(jù)。

5 工程機械數(shù)字化儀表系統(tǒng)嵌入式軟件實現(xiàn)方法

工程機械信息化儀器系統(tǒng)要實時監(jiān)檢測和管理，顯示各種物理信號，需要功能完善的軟件設(shè)計。本文采用基于嵌入式的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)(RTOS，Real Time Operating System)的編程方法，選擇μC/OSII作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，μC/OSII是典型的嵌入式實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核小、移植性好，可靠性高，實時性強，同時能更好的進行擴展和升級。

嵌入式系統(tǒng)依附于特定的處理器，需要對處理器的寄存器、堆棧等進行操作，不同的處理器一般有著不同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，因此需要將RTOS進行移植。μC/OS在設(shè)計時已經(jīng)充分考慮了可移植性，完成μC/OSII實時內(nèi)核的移植，包括以下幾個內(nèi)容:

1.用#define設(shè)置一個常量的值(OS_CPU.H)

2.聲明10個數(shù)據(jù)類型(OS_CPU.H)

3.用#define聲明三個宏(OS_CPU.H)

4.用C語言編寫六個簡單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)

5.編寫四個匯編語言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM)

即μC/OS的移植只需更改3個文件:OS_CPU.H、OS_CPU_C.C及OS_CPU_A.ASM。

根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)軟件主要劃分為如下部分:

1)底層硬件驅(qū)動程序:完成主控制器的CAN通信，實現(xiàn)信息采集及接收顯示等功能模塊，還包含SD卡驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動等。

2)硬件平臺初始化:開啟系統(tǒng)時鐘，獲取程序，初始化觸摸屏，串口初始化，SD卡初始化，開啟報警功能，端口初始化等。

3)μC/OSII建立任務(wù):μC/OS－II建立任務(wù)時，給每個任務(wù)分配不同的優(yōu)先級，DSP RTOS運行就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)，并且在程序運行中能夠通過調(diào)用函數(shù)OSTaskChangePrio()變更任務(wù)優(yōu)先級。按照設(shè)計的優(yōu)先級順序，任務(wù)從高到低包括初始化任務(wù)、CAN通信任務(wù)、系統(tǒng)主任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、觸摸屏識別任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、屏幕界面其他按鍵動作任務(wù)、觸摸屏顯示任務(wù)以及SD卡讀寫任務(wù)。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

全部程序集中在main()函數(shù)，完成系統(tǒng)初始化、創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)、建立多任務(wù)的調(diào)度機制。任務(wù)調(diào)度由調(diào)度器啟動，即main函數(shù)中的OSStart()，創(chuàng)建的所有任務(wù)將由調(diào)度程序調(diào)度，根據(jù)各自的優(yōu)先級在睡眠狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、掛起狀態(tài)、等待狀態(tài)和中斷服務(wù)狀態(tài)之間切換。μC/OS－II始終讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)，運行態(tài)的任務(wù)占用CPU；一旦運行態(tài)的任務(wù)被剝奪了CPU的使用權(quán)，就進入等待狀態(tài)，等待狀態(tài)任務(wù)如果延時期滿或者所等待的事件發(fā)生，則進入就緒狀態(tài)；等待狀態(tài)的任務(wù)被刪除了則進入睡眠狀態(tài)；運行狀態(tài)的任務(wù)若正好有中斷程序到來，就進入中斷服務(wù)狀態(tài)；出現(xiàn)異常后任務(wù)進入掛起狀態(tài)OSTaskSuspend()，然后必須通過恢復(fù)指令OSTask Resume()回到任務(wù)就緒狀態(tài)。

圖4 任務(wù)調(diào)度圖

6 儀表板改進問題關(guān)鍵

6.1 可靠性改進

工程機械運行環(huán)境極差，天氣惡劣，機械振動的幅度大，有較強的電磁干擾。儀表板的設(shè)計要采用先進技術(shù)，滿足防水、防塵和防腐蝕性要求，儀表防護級別要達到IP56以上。提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路板增加EMI模塊 ，采用合理的布線，在電路板和顯示模塊之間使用LVDS接口，達到減少干擾的目的。

6.2 顯示圖像改進

圖像閃爍的問題，經(jīng)常出現(xiàn)在圖形儀表設(shè)計的動態(tài)顯示過程中。原因是在顯示動態(tài)圖像時，屏幕會與目標重疊，導(dǎo)致圖像閃爍。采用移植μcGUI的方法避免該問題。μcGUI是一種嵌入式應(yīng)用程序的圖形支持系統(tǒng)，有著良好的可移植性。它有一個帶有存儲設(shè)備的軟件包，應(yīng)用程序在其中申請存儲設(shè)備，所有圖形工作都在存儲設(shè)備中完成，并在屏幕上顯示最終結(jié)果，從而有效避免圖像閃爍。

7 結(jié)論

本文采用恩智浦公司的LPC2478作為主控制器，以μC/OSII操作系統(tǒng)作為軟件平臺，設(shè)計了信息化條件下工程機械數(shù)字化儀表的改進方案，建立一個工程機械數(shù)字化儀表系統(tǒng)。該系統(tǒng)顯示精確、使用簡單、操作方便、擁有可重構(gòu)可擴充的軟硬件系統(tǒng)、性能可靠運行穩(wěn)定。該儀表系統(tǒng)能夠有效地控制和控制工程機械的工作，并執(zhí)行這些功能，確定如何進行故障診斷和定位，有效地提高了對工程機械工作狀態(tài)的控制和管理，真正實現(xiàn)工程機械儀表的集成化和數(shù)字化。