基于STM32和μC/OS2的工程车辆显示终端设计

2014-03-14孙波

电视技术 2014年9期

孙波

(江苏自动化研究所，江苏连云港222061)

工程车辆显示终端是诸如挖掘机、起重机等工程机械车辆上的核心单元之一，可以通过柱状图、虚拟开关、虚拟仪表盘等可视化界面，实现对车辆水温、油位、转速、开关、电磁阀、通信端口等工作状态的实时显示。近年来，随着我国基础设施建设的深入开展，工程车辆的种类与功能不断丰富，对工程车辆显示终端的性能水平、安全可靠性也提出了更高的要求。常见的车辆显示终端往往采用ARM+Linux的软硬件架构［1-2］，性能较强，但价格较高且开发难度大、开发周期长。本文针对工程机械车辆显示终端的安全可靠性、显示实时性等方面的实际需求，提出基于STM32(基于ARM Cortex-M3内核)处理器和μC/OS2操作系统架构的设计思路，以STM32处理器为核心，通过扩展电源管理模块、通信端口适配模块以及显示控制模块等，实现对车辆上所有传感器、通信端口、摄像头视频、设备工作状态等信息实时显示。

1 系统总体结构

工程车辆显示终端的系统总体框图如图1如示，处理器STM32F207为显示终端的核心，通过FSMC(Flexible Static Memory Controller)机制扩展了SRAM和Flash，分别作为处理器运行时的数据缓存与可视化图形元素的存储空间。显示控制芯片采用EPSON公司的S1D13513，并扩展一片专用的SDRAM作为显示缓存。STM32处理器与S1D13513之间通过FSMC机制实现数据通信。摄像头视频输入信号经过ADV7180芯片采样处理后转换为YUV信号并接入S1D13513，由S1D13513负责LCD液晶屏所有显示内容的输出控制。另外，为了适应车辆上电源输入动态范围大、干扰多等特点，电源管理模块利用外部输入的电压，输出多种稳定的工作电平，保证显示终端稳定工作。

图1 显示终端的系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 电源管理模块

显示终端需要12 V，5 V，3.3 V和1.8 V 共4种工作电压，而只能使用来自工程车辆上标称为24 V的蓄电池作为输入电源。由于储电量等因素的不同，蓄电池输出电压并不固定，范围有可能在9～36 V左右缓慢变化。本设计采用Linear公司的LT3980产生12 V与5 V电压。LT3980可以在3.6～58 V输入电压的范围内工作，具有过压闭锁保护，可承受高达80 V的瞬态电压，该器件非常适用于汽车应用中常见的负载突变和冷车启动等情况。3.3 V和1.8 V采用LT1117芯片从5 V电压变换获得。另外，考虑到车辆上其他设备在启动、工作时在电源上产生的干扰脉冲，甚至在现场可能产生人为失误造成的电源正负极反接等情况，在LT3980的前端，需要采取必要的防过压、抗瞬间干扰、防反接的措施。如图2所示，二极管D1可以为蓄电池BAT上的瞬间高压提供一条快速释放通道，并可保证在电源反接时电压无法加至后级电路，电感L1与电容C1可以有效抑制电源的瞬态干扰，防止瞬态干扰影响显示终端的正常工作。

图2 电源管理模块

2.2 STM32F207与S1D13513的连接

本设计采用ST公司的STM32F207ZE作为主处理器，采用S1D13513作为显示控制芯片。S1D13513是EPSON公司推出的一款高性能、低功耗的液晶控制器，带有大容量SDRAM接口，支持片外扩展SDRAM作为显存，支持单屏RGB接口，最高支持1 024×768的分辨率，支持多种流行CPU的直接或间接访问，适合移动通信、手持设备及车辆等领域的应用。处理器通过FSMC机制与S1D13513进行通信，相当于将S1D13513映射为一种片外存储器。本设计中S1D13513采用直接Intel 80模式1。模式选择依赖CNF［8:0］引脚的上电复位时的配置，其中CNF［8:7］决定了芯片的工作时钟源，CNF［6］决定了CNF［5:0］的配置对象，CN［5:0］决定了具体的总线接口配置内容。通过配置CNF［8:0］引脚的复位电平，将引脚上电输入状态设置为0x144，表明使用OSC1作为时钟源、工作方式为直接Intel80模式1。S1D13513采用了哈佛架构，在与处理器连接时，地址与数据分开，其与处理器的接口部分包含16位数据线、21位地址线、片选信号、中断信号及读写控制信号等，可以将STM32的FSMC地址、数据总线、片选信号直接与S1D13513连接，如图3所示。

STM32F207ZE的片外Flash、SRAM扩展电路，以及S1D13513的片外SDRAM扩展电路、摄像头输入电路、LCD液晶屏显示电路等，参考芯片手册中推荐的电路直接连接即可。

图3 STM32F207与S1D13513的连接示意图

2.3 CAN总线接口适配电路

由于STM32芯片内部集成了CAN总线协议控制器，因此只需要在外部为其增加CAN总线收发器，实现TTL电平到CAN总线电平的转换适配［3］。本设计中采用的CAN总线收发器采用了NXP公司的TJA1040T，是一款针对汽车电子行业使用的高性能CAN收发器，其最主要的特点是芯片上有一个SPLIT的平衡电压输出端，用于输出芯片自身的2.5 V电压，用于抑制由于各节点地电平不同而造成的信号共模电压差，或者抑制由于其他没有上电节点造成的反向电流，可以使共模干扰的影响降低到最小，保证正常通信。总线终端节点R1、R2可以分别使用60 Ω的分裂端接电阻，若是总线中间节点使用1.3～2.7 Ω的分裂电阻，C1的典型值可以取47 nF。另外为了防止CAN总线上的瞬间高压的干扰，二极管V1采用NXP公司的PESD1CAN，L1采用EPCOS公司的B82789作为扼流圈，防止瞬态干扰串入，防止CAN总线数据的错误接收(见图4)。

图4 CAN总线接口电路

3 软件设计

显示终端的软件设计全部采用C语言编程，在STM32处理器的基础上移植构建了μC/OS2操作系统，利用UCGUI图形开发环境，完成CAN接收FIFO中数据的接收与解析、按键输入处理、显示控制等功能，并将功能模块划分为子任务中断处理的方式运行，提高了软件运行的实时性。软件运行总流程图如图5所示。

图5 软件运行总流程图

3.1 μC/OS2的移植

μC/OS2是一种源码开放的实时操作系统，此操作系统内核空间小，包括了多种操作系统特性，如任务调度、任务通信、内存管理、中断管理等。μC/OS2总共包括3个部分:核心代码部分，该部分代码与处理器无关;设置代码部分，该部分可以配置时间控制块的数据及消息管理相关的配置;与处理器相关的移植代码部分。针对STM32处理器的μC/OS2移植主要集中在对以下几个文件的修改［4］:

1)os_cpu_c.c，主要是修改 OSTaskStkInit()函数，用来完成初始化任务堆栈结构。

2)os_cpu_a.s，对STM32处理器的寄存器进行操作，包括 OSSrartHighRdy()，OSCtxSw()，OSInitCtxSw()和 OSTickISR()这4个函数。

3)os_cpu.h，定义和STM32处理器相关的数据结构，定义开关中断的方式及指令实现，对堆栈的增长方向进行定义。

4)中断向量表:对启动文件中的中断向量表进行修改，主要将PendSV_Handler和SysTick_Handler替换为STM32处理器匹配的中断向量表。

3.2 CAN总线接口软件的设计

CAN总线接口软件的设计主要包括STM32处理器中CAN总线协议控制器的初始化、CAN总线数据的收发、CAN总线数据的解析等方面。CAN总线初始化主要包括CAN功能的使能、波特率的设置、FIFO的指定等内容。在完成CAN总线的初始化后，即可开始CAN总线数据的收发［5］。由于采用了中断申请的工作方式，在接收到FIFO数据达到阈值后，首先判断数据的有效性，如果数据有效，再对数据进行拆包解析，根据数据不同的标志位，解析出数据代表的含义，如油位、水位、开关量的状态等，再将数据提交给显示控制子任务进行显示处理。

3.3 显示控制软件设计

由于采用了UCGUI的图形化界面开发环境，显示控制软件的设计可以大大简化，但需要实现对S1D13513的控制，LCD液晶屏的显示内容实际由S1D13513完成具体操作。LCD显示屏对于主处理器STM32来说，可以认为是“透明”的。显示控制软件的设计，主要包括S1D13513的初始化及控制两方面。初始化主要包括芯片工作模式配置、摄像头输入配置、显示控件元素库调入等内容。在显示控制方面，软件接收到CAN总线接口子任务发送来的数据后，由STM32解析出需要显示的数据，并将数据传送给各个状态量显示函数，由S1D13513调用相应的元素库来刷新LCD液晶屏上的显示内容。摄像头输入视频的处理，S1D13513直接接收来自ADV7180处理后的YUV信号，由STM32使能S1D13513的该功能，即可实现摄像头视频的同步显示。由于本显示终端没有采用Linux操作系统，无启动等待时间，实现了开机即显示的功能，提高了系统的工作效率。