基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的漢顯數(shù)字 汽車衡儀表設計

1、基于ARM嵌入式系統(tǒng)的漢顯數(shù)字汽 車 衡 儀 表 設 計上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司 曾張元【摘 要】 介紹一款采用ARM嵌入式系統(tǒng)設計的漢顯數(shù)字汽車衡儀表XK3190-DS2，結合ARM嵌入式設計要領分析該儀表的設計方案及功能特色?！娟P鍵詞】 ARM C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng) 漢顯儀表 拼音輸入通常情況下，汽車衡應用現(xiàn)場環(huán)境惡劣，外界電磁干擾復雜多變，模擬傳感器電信號長線傳輸易受干擾，儀表長時間運行也可能會因突發(fā)干擾的影響而出現(xiàn)異常。數(shù)字儀表與數(shù)字模塊之間長線傳輸數(shù)字信號，而數(shù)字信號抗干擾性較強，一定程度上提高了儀表抗干擾能力。由于數(shù)字模塊與傳感器之間模擬電信號傳輸距離很近，可有效降低傳輸噪

2、聲，提高計量精度。同時，數(shù)字通信協(xié)議的隱密性和數(shù)據傳輸嚴格的時序要求大大提高了技術壁壘，降低了作弊的可能性。這些優(yōu)勢使得數(shù)字化汽車衡儀表有著很好的發(fā)展前景。國內普通汽車衡儀表程序多采用單任務順序運行機制，一旦該任務受干擾運行紊亂，將直接導致儀表各功能的錯誤調用，造成不可預料的后果，目前只能依靠看門狗重啟儀表程序，重新初始化數(shù)據。這對于實時性要求較高的批量數(shù)據處理而言，顯然是不允許的，必須引入嵌入式多任務開發(fā)理念。本文介紹的數(shù)字汽車衡儀表XK3190-DS2以實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)C/OSII為平臺，基于ARM7系列LPC2214高性能處理器，在數(shù)據處理的實時性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及人性化的漢

3、字顯示操作界面上均有出色的表現(xiàn)。儀表外觀如圖1。圖1 數(shù)字汽車衡儀表XK3190-DS2外觀圖一、嵌入式系統(tǒng)及ARM簡介嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它面向用戶、面向產品、面向應用，其功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面可適應于不同應用系統(tǒng)和應用場合的要求。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件最核心的器件。對于中高端儀表而言，為了滿足批量數(shù)據處理與顯示的實時性要求，還必須運用嵌入式操作系統(tǒng)平臺。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，以設計高性能、高

4、性價比、低功耗的RISC處理器、相關技術及軟件而聞名。由于其技術在全球眾多著名半導體、軟件和OEM廠商的迅速推廣與普及，衍生出一類各具特色的低功耗高性價比微處理器，因此，ARM也成為這類處理器和技術的代名詞。由于ARM強大的運算能力、不斷豐富的外設資源、良好的技術支持， 以及逐步下調的價格機制，現(xiàn)今已經成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首選。ARM處理器依據其體系結構和運算能力的不同分為 ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等眾多系列。XK3190-DS2采用飛利浦高性能低功耗LPC2214微處理器，其結構框圖如圖2。它是一款支持實時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S 處理器，采用三級流水線技術

5、，鎖頻與倍頻技術，其最高工作頻率高達60MHz，運算能力是普通51系列單片機的5倍以上。LPC2214外設接口豐富，如圖2所示，圖2 LPC2214處理器體系結構圖它包攬了儀表開發(fā)常用的功能接口和專利技術I2C硬件接口，為硬件功能的擴展提供了較大的空間。它內嵌256K字節(jié)Flash程序存儲器，16K字節(jié)靜態(tài)RAM，為靈活的嵌入式程序設計提供了可能。它還提供強大的數(shù)據加密功能，其程序燒錄方式靈活，既可通過JTAG 接口進行在線編程，也可通過RS232串口進行程序更新與升級，方便針對不同用戶的特殊需求進行程序修改。LPC2214開放外部總線，可提供多達24條地址線和32條數(shù)據線。其矢量中斷控制器可

6、支持最多32個中斷請求并可分配優(yōu)先級，將中斷延時降低到最低限度，有效的滿足了實時性要求。二、C/OSII嵌入式操作系統(tǒng)簡介嵌入式操作系統(tǒng)C/OSII是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設計的公開源代碼的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)內核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，它作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運行的始終。對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據處理系統(tǒng)而言，引入嵌入式操作系統(tǒng)C/OSII無疑將大大改善其性能。C/OSII的特點主要有：公開源代碼、代碼結構清晰明了、注釋詳盡、組織有條理、可移植性好、可裁剪、可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個任務，可實現(xiàn)任務的靈活切換、故障診斷、創(chuàng)建與撤銷。由于各個

7、任務獨立運行，互不干擾，當某個任務由于外界突發(fā)干擾而運行出錯時，系統(tǒng)可以迅速自行診斷該任務，撤銷和重建運行，不會導致其他任務功能的錯誤調用和整體程序的運行紊亂，有效的降低了故障率，提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性能。同時，C/OSII按時間片管理處理器的運行，可在某任務因等待事件觸發(fā)而空閑時，分配其它任務的運行，有效的提高了程序的運行效率，增強了數(shù)據處理的實時性。在XK3190-DS2設計中，通訊、打印、顯示、重量數(shù)據處理等功能均形成獨立的任務，按照各自的時間片協(xié)調運行，運行效率和實時性得到了較好的體現(xiàn)。C/OSII自1992年的第一版（C/OS）以來已經有數(shù)百個成功應用案例，是一個經實踐證明好用且穩(wěn)

8、定可靠的內核。目前國內對C/OSII的研究和應用都比較成熟。三、儀表工作原理由數(shù)字汽車衡儀表、數(shù)字模塊、模擬傳感器、秤臺聯(lián)接組成獨立的稱重系統(tǒng)。目前XK3190-DS2儀表兼容德國HBM、蘇州僅一、上海耀華數(shù)字模塊協(xié)議，也可按照用戶的特殊需求擴展專用協(xié)議。工作時，安裝在秤臺下的模擬傳感器將重量轉化為電壓或電流信號，數(shù)字模塊對該信號進行采樣、濾波，并通過高性能A/D轉換器變?yōu)閿?shù)字信號，微處理器根據儀表通訊指令將該數(shù)字信號進一步處理后依照相關的通訊協(xié)議將數(shù)據傳送給儀表。儀表定時接受多達16個數(shù)字模塊傳來的數(shù)據，經數(shù)字濾波、累加處理和四角修正，計算出最終的重量數(shù)據并顯示出來，并可根據用戶對儀表的操作

9、進行重量數(shù)據的毛重凈重處理、記錄存儲、查詢、刪除、累計、打印、上位機通訊以及外接大屏幕顯示。四、系統(tǒng)硬件結構儀表的結構示意如圖3，高性能ARM處理器LPC2214和128K字節(jié)靜態(tài)RAM，32K字節(jié)E2PROM組成最小系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據的運算，存儲與掉電保護等核心功能。其他外圍部件與接口實現(xiàn)儀表功能的擴展。儀表可實現(xiàn)外接打印、外接大屏幕顯示、上位機通訊等功能，并預留多個通用I/O口和SPI口提供用戶特殊功能的擴展，如可擴充420mA電流環(huán)模塊、模擬A/D轉換模塊、繼電器開關量輸出、外接熱敏打印機等。儀表采用開關電源，電壓范圍110V220V,頻率50Hz60Hz,可有效避免因電網電壓不穩(wěn)定、工業(yè)現(xiàn)

10、場復雜環(huán)境對電源線的干擾以及不同國家電網差異帶來的問題；同時由于電源效率高，有效的降低了能耗。儀表還預留24V直流電源接口，方便用戶在特殊場合的運用。儀表主板采用4層板設計，電源線路由自恢復保險絲提供過流保護，在關鍵的對外接口（如通訊口、外接打印口）上提供防雷管和瞬變抑制二極管保護，保證了良好的板級抗干擾性能。儀表采用5V供電的256×64點陣進口VFD顯示模塊或240×64點陣LCD顯示模塊，配備防水不銹鋼機殼，整體設計大氣美觀。圖3 儀表結構示意圖五、軟件界面設計憑借嵌入式系統(tǒng)平臺強大的運算和存儲能力，在確保稱重數(shù)據實時準確處理的基礎上，XK3190-DS2除了繼承上海

11、耀華以往汽車衡儀表各項功能設置外，更專注于漢字顯示界面設計和人機交互操作，采用類似手機操作界面的滾動菜單條式風格、數(shù)字/英文/拼音/符號四位一體輸入法，提供了豐富的操作提示和故障診斷，體現(xiàn)了中高檔儀表人性化、智能化、操作簡便化的特點。1多列滾動菜單條式設計儀表擴展了菜單選取的二維化效果，方便用戶進行菜單功能的調用，如圖4。圖4 菜單選擇界面圖中“+”表示方向鍵，反白顯示表示當前選取的菜單條。使用【】、【】方向鍵可實現(xiàn)菜單條的橫向選取，并自動切換全屏菜單顯示內容；使用【】、【】方向鍵可實現(xiàn)菜單條的縱向選取，并自動實現(xiàn)相鄰列菜單條的切換和換屏顯示。同時，橫向選取和縱向選取可交叉進行，方便的遍歷所有

12、的菜單項。2豐富的參數(shù)設置提示儀表本著“可脫離說明書操作”的設計理念，在用戶設置每一個參數(shù)時提供豐富的說明文字，如參數(shù)輸入范圍、輸入內容的說明等，有效的減少誤操作。界面設計如圖5，圖5 參數(shù)設置界面3豐富的記錄查詢與刪除功能汽車衡儀表對稱重記錄的管理要求較高，不僅要求能夠快速存儲，還要求實現(xiàn)記錄的快速查詢和刪除。XK3190-DS2充分發(fā)揮了其大屏幕漢字顯示和嵌入式操作系統(tǒng)管理優(yōu)勢，不僅可以快速貯存最多1000個車牌號和皮重、1000個貨物名稱、1000組稱重記錄，還能方便的按車牌號、按貨物名稱、按日期查詢和刪除稱重記錄以及快速檢索車牌號、貨物名稱和超載記錄。其界面設計如圖6。記錄分類檢查界面

13、 按日期查詢界面稱重記錄顯示界面 記錄分類刪除界面圖6 記錄的查詢與刪除界面4混合輸入法儀表采用數(shù)字/英文/拼音/符號混合輸入法，其操作方式類同于時下手機流行的T9輸入法，只要熟悉手機短信的輸入方式即可迅速上手，更好的迎合了用戶的操作習慣。其中拼音輸入法具有多音字檢索功能，有效的提高了漢字輸入效率。儀表設立獨立的【輸入法】按鍵，可方便的實現(xiàn)輸入法的切換。界面設計如圖7。輸入數(shù)字 輸入大寫字母輸入小寫字母 輸入拼音選擇漢字已輸入漢字 選擇輸入符號圖7 輸入界面 輸入數(shù)字時，直接按對應數(shù)字鍵完成輸入； 輸入大小寫英文字母時，按對應字母鍵切換需要的字母，間隔1秒鐘后可輸入下一個字母； 拼音輸入時，直接按漢字拼音序列對應的字母鍵，儀表智能匹配符合條件的拼音串，按【】、【】鍵選擇正確的拼音串，按【】、【】鍵選擇合適的漢字，按【輸入】鍵完成輸入。 符號輸入時，直接按【】、【】鍵選擇合適的符號，按【輸入】鍵完成輸入。為方便用戶避開輸入法操作,快捷調用已存儲的車號、貨號等信息，儀表專門設置了快捷碼功能，如圖7代碼欄，輸入時直接輸入對應的代碼，儀表自動調用該代碼對應的信息并顯示。代碼一一對應的車號、貨號信息列表可通過外接打印機直接打印出來，方便用戶查看。這也是本儀表的一大