基于μC/OS-II的礦用新能源電機(jī)車液晶顯示系統(tǒng)

岳明臣，常龍，公棟梁，翁峰

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590

礦用新能源電機(jī)車以鋰離子蓄電池為動(dòng)力源，具有體積小、重量輕、容量大、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、使用安全等優(yōu)點(diǎn)［1］，越來(lái)越受到各煤礦企業(yè)的重視［2］。但是鋰離子蓄電池在使用的過(guò)程中各參數(shù)異常都會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命，進(jìn)而影響電機(jī)車的性能。所以對(duì)礦用新能源電機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中能否全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池各項(xiàng)參數(shù)成為了礦用新能源電機(jī)車顯示系統(tǒng)的核心技術(shù)。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，以液晶顯示器為代表的平板顯示技術(shù)迅速崛起［3］。與傳統(tǒng)電機(jī)車的數(shù)碼管顯示相比，液晶顯示具有顯示信息量大、功耗低、壽命長(zhǎng)、接口方便等優(yōu)點(diǎn)［4-5］，因此，礦用新能源電機(jī)車的顯示系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用了液晶顯示技術(shù)。

μC/OS-II作為市場(chǎng)上最具代表性的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以其源碼公開(kāi)、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的使用［6］，并且μC/OS-II已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)航天管理局的安全認(rèn)證，可用于飛機(jī)、航天器等人命攸關(guān)的控制系統(tǒng)中，因此μC/OS-II在對(duì)實(shí)時(shí)性需求比較高的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用［7］。在礦用新能源電機(jī)車液晶顯示系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使該液晶顯示系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示電機(jī)車運(yùn)行參數(shù)，符合礦用新能源電機(jī)車對(duì)于參數(shù)顯示的要求。

1 液晶顯示系統(tǒng)硬件方案

1.1 ILI9481驅(qū)動(dòng)芯片原理

本設(shè)計(jì)液晶屏選用的是由ILI9481液晶控制器驅(qū)動(dòng)的 S8233型閃耀 35系列 3.5寸液晶屏。ILI9481控制器的主要特點(diǎn)在于:支持8、9、16、18位并口數(shù)據(jù)傳輸以及串口數(shù)據(jù)傳輸;能夠進(jìn)行睡眠模式和正常顯示模式間轉(zhuǎn)換;能夠設(shè)置顯示圖像的位置和方向，減少軟件設(shè)計(jì)困難;自帶345 600 bytes RAM，采用 RGB色彩顯示模式，顯示色彩高達(dá)262K;內(nèi)部設(shè)有DC/DC轉(zhuǎn)換器，只要外接3.3 V電源就能提供LCD顯示所需電壓。

相比于普通的240×320點(diǎn)陣式3.5寸液晶屏，內(nèi)置ILI9481控制器的液晶顯示屏能夠驅(qū)動(dòng)480×320點(diǎn)陣，分辨率提高一倍。背光采用六顆正白高亮LED燈，并且使用增亮銀底偏光片，亮度比普通3.2寸液晶屏高50%，功耗僅上升10%，顯示更清晰，戶外使用更方便。

1.2 液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中以ST公司的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6為控制器來(lái)進(jìn)行液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制器是基于ARM的32位微控制器，其內(nèi)部的CAN接口兼容規(guī)范2.0A和2.0B協(xié)議，位速率高達(dá)1 MB/s;同時(shí)其內(nèi)部具有靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器——FSMC模塊，它的主要作用是將AHB傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議，同時(shí)能夠滿足訪問(wèn)外部設(shè)備的時(shí)序要求。

液晶顯示器與微控制器的硬件連接如圖1所示:RESX是液晶外部復(fù)位引腳，用于液晶顯示器的復(fù)位;CSX是片選輸入引腳，用于選中該液晶顯示器;D/CX是數(shù)據(jù)/命令控制引腳，用于控制總線傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息還是命令信息;WRX/SCL是寫/時(shí)鐘引腳;RDX是讀控制引腳;DB［17∶0］是18條總線，用于傳輸數(shù)據(jù)信息或者命令信息。UART接口模塊用于與上位機(jī)連接進(jìn)行程序的調(diào)試，CAN模塊接口用于接收并處理報(bào)文信息，處理后將顯示在TFT液晶屏上。

圖1 液晶顯示系統(tǒng)硬件連接

在本設(shè)計(jì)中，采用STM32控制器自帶的FSMC模塊與ILI9481控制器進(jìn)行通信。FSMC數(shù)據(jù)寬度可以支持到8位、16位和32位，為了與ILI9481的位寬匹配，數(shù)據(jù)總線采用16位數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)信號(hào)D［15∶0］對(duì)應(yīng)ILI9481控制器的低16位，即LCD液晶屏RGB色彩顯示模式采用5∶6∶5分配形式［8］(如表1所示)。選用 NE［1］信號(hào)、NOE信號(hào)和NEW信號(hào)分別作為ILI9481控制器的片選信號(hào)、讀選通信號(hào)和寫選通信號(hào)，ILI9481的命令字和數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)到 STM32地址的 0x60000000和0x60020000。

表1 RGB色彩顯示模式5∶6∶5形式分配表

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 μC/OS-II系統(tǒng)移植

μC/OS-II的文件結(jié)構(gòu)分為3部分，如圖2所示。第1部分為與處理器無(wú)關(guān)的內(nèi)核代碼，如 OS_CORE.C、OS_TASK.C、OS_TIME.C 等;第 2 部分為與應(yīng)用程序有關(guān)的配置文件，包括INCLUDES.H(內(nèi)核需要的頭文件)、OS_CFG.H(內(nèi)核配置的頭文件);第3部分為與移植有關(guān)的代碼，包括OS_CPU.H、OS_CPU_A_ASM、OS_CPU_C.C。因此移植 μC/OS-II的關(guān)鍵就是修改與移植有關(guān)的這3個(gè)文件［9］。

1)OS_CPU.H的基本配置和定義。

a)與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型不可移植;

b)修改OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()兩個(gè)宏定義;

(2)一段還原過(guò)程中氫氣露點(diǎn)的提高能有效促進(jìn)還原反應(yīng)的遷移效果，得到形貌均勻、還原充分的二氧化鉬顆粒。

c)通過(guò)OS_STK_GROWTH定義棧的增長(zhǎng)方式;

d)定義宏OS_TASK_SW()。

圖2 μC/OS-II文件結(jié)構(gòu)

2)OS_CPU_A.ASM中移植4個(gè)與處理器有關(guān)的匯編函數(shù)。

a)OSStartHighRdy()被uC/OS-II啟動(dòng)函數(shù)OSStart()調(diào)用，主要完成運(yùn)行任務(wù)就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)功能;

b)OSCtxSw()在任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched()被調(diào)用，通過(guò)SWI或TRAP人為地制造中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換;

c)OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中被調(diào)用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)的切換;

d)OSTickISR()是時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)，為μC/OS-II提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延遲和精確的中斷功能。

3)OS_CPU_C.C中修改與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。

2.2 μC/OS-II系統(tǒng)的啟動(dòng)

在μC/OS-II運(yùn)行應(yīng)用程序前，必須對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化和啟動(dòng)操作。主要包括:μC/OS-II運(yùn)行環(huán)境的初始化、目標(biāo)板初始化、任務(wù)(CAN模塊任務(wù)和液晶顯示模塊任務(wù))的創(chuàng)建和μC/OS-II啟動(dòng)，其流程圖如圖4所示。

μC/OS-II在啟動(dòng)前必須調(diào)用 OSInit()對(duì) μC/OS-II的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化。OSInit()主要負(fù)責(zé)建立空閑任務(wù)、初始化μC/OS-II中的變量及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等。在操作系統(tǒng)完成初始化后，需要初始化目標(biāo)板，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、滴答定時(shí)器初始化、CAN控制器初始化、靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器(FSMC)初始化、中斷初始化等，將STM32系列微控制器獨(dú)有的滴答定時(shí)器設(shè)置為μC/OS-II系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍，在滴答定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)中通過(guò)調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。目標(biāo)板初始化完成之后，系統(tǒng)調(diào)用OSTaskCreate()函數(shù)來(lái)對(duì)本設(shè)計(jì)中的CAN模塊任務(wù)和液晶顯示任務(wù)進(jìn)行創(chuàng)建，同時(shí)進(jìn)行了任務(wù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置。最后，系統(tǒng)調(diào)用啟動(dòng)函數(shù)OSStart()，選擇任務(wù)就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)來(lái)啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境并運(yùn)行任務(wù)。

圖4 μC/OS-II系統(tǒng)啟動(dòng)流程

2.3 任務(wù)的設(shè)計(jì)

本礦用新能源電機(jī)車液晶顯示系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)主要包括兩類，分別是CAN模塊任務(wù)的設(shè)計(jì)和液晶顯示任務(wù)的設(shè)計(jì)。

CAN模塊任務(wù)屬于事件觸發(fā)類任務(wù)，其任務(wù)函數(shù)的結(jié)構(gòu)為:

由以上函數(shù)結(jié)構(gòu)可知，在獲得這個(gè)信息之前該任務(wù)處于等待狀態(tài)，CPU將運(yùn)行權(quán)轉(zhuǎn)給就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，當(dāng)另一個(gè)任務(wù)(或ISR)發(fā)出相關(guān)信息時(shí)，OS就使該任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，并且通過(guò)任務(wù)調(diào)度，使任務(wù)的實(shí)體代碼獲得運(yùn)行權(quán)。在CAN模塊任務(wù)的設(shè)計(jì)中，需要等待CAN接收中斷事件，才能進(jìn)行后續(xù)任務(wù)實(shí)體代碼的運(yùn)行，即CAN報(bào)文處理函數(shù)，此函數(shù)將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)解碼成數(shù)據(jù)信息用于液晶屏的顯示。由于CAN接收中斷服務(wù)函數(shù)中需要對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)，為了減少系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間，CAN中斷服務(wù)函數(shù)將只進(jìn)行報(bào)文數(shù)據(jù)的緩存而不進(jìn)行處理，并將返回的緩存地址指針發(fā)送給CAN任務(wù)模塊，因此CAN中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送的時(shí)間選擇消息隊(duì)列事件，此事件能在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)攜帶數(shù)據(jù)，其任務(wù)流程如圖5所示。液晶顯示任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)信息的刷新和顯示界面的切換。數(shù)據(jù)信息的刷新設(shè)置成周期性任務(wù)，通過(guò)調(diào)用OSTimeDly()函數(shù)來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)的刷新周期;顯示界面通過(guò)調(diào)用OSMboxAccept()函數(shù)來(lái)判斷是否需要進(jìn)行界面切換，然后調(diào)用顯示界面函數(shù)Display_Interface_Select()對(duì)界面進(jìn)行顯示。液晶屏顯示任務(wù)程序流程如圖6所示。

圖5 CAN模塊任務(wù)流程

圖6 液晶顯示任務(wù)流程

3 液晶顯示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果

對(duì)上述液晶顯示系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，CAN總線波特率為400 Kb/s。單體電池顯示界面如圖7所示，用于顯示各單體電池電壓、溫度、SOC以及溫度傳感器狀態(tài)等信息，并通過(guò)灰白顏色交錯(cuò)的信息以區(qū)別各相鄰單體的數(shù)據(jù)信息。

圖7 單體電池顯示界面

在此顯示界面中，同時(shí)顯示8節(jié)單體電池組成的模塊的各種信息，如模塊SOC、模塊狀態(tài)等以便總體掌握整個(gè)模塊的信息。模塊信息顯示界面是針對(duì)各模塊的信息進(jìn)行顯示，包括模塊電壓、電流、SOC以及模塊狀態(tài)等，顯示效果如圖8所示。

圖8 模塊信息顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

以礦用新能源電機(jī)車液晶顯示系統(tǒng)為研究對(duì)象，將μC/OS-II移植到該液晶顯示系統(tǒng)中，在此基礎(chǔ)上編寫了液晶顯示系統(tǒng)的應(yīng)用程序。對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示:當(dāng)總線的波特率為400 Kb/s時(shí)，該液晶顯示系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成各界面的顯示功能。為使系統(tǒng)更加完善，下一步的工作包括:1)增加觸摸屏功能，這樣可以更加方便的進(jìn)行界面的切換;2)系統(tǒng)低功耗處理，如延時(shí)背光燈自動(dòng)關(guān)閉，警報(bào)時(shí)自動(dòng)喚醒或者可通過(guò)按鍵喚醒等。

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