108T电动轮自卸车手持调试器的设计

2017-11-07罗书涛郭小定陈晓可赵洁

科技创新与应用 2017年30期

罗书涛+郭小定+陈晓可+赵洁

摘要：文章采用低功耗单片机为核心设计了矿用自卸车的油门控制的手持调试器系统，手持调试器通过自定义通信协议与油门控制器之间互相通信。通过手持调试器可以监测油门控制器的相关参数，并且通过手持调试器可以修改部分参数，极大地方便了产品出厂前的调试和售后维修。

关键词：低功耗；监控；通信；自定义协议；仿真

中图分类号：TD82 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0127-03

随着经济社会的快速发展，世界各国对矿石的需求量飞速增长，促使各国矿山开采规模的也在不断扩大，其中露天矿的开采规模显得尤为突出。在年开采量达千万吨级别的大型露天开采矿用设备中，矿用电动轮自卸车已达到接近70%的市场份额，承担着世界上40%的煤、90%的铁矿的开采运输量。据统计，2010年国内大型矿用电动轮自卸车新增使用量约1200台。国家有关部门统计及预测表明，到2020年，需求量将达到2500台。就目前的分析来看，市场前景非常好，因此，矿用电动轮自卸车被国家和政府视为一个重要产业，近年来已列入國家重大科技计划项目和重大技术装备自主创新指导目录。矿用自卸车由于其运行工况复杂和工作环境的恶劣，在出厂之前要进行大量的调试并且在维修的时候由于其体积庞大不便于返厂。针对其特殊情况，本文设计了油门控制器的手持调试器系统，由手持调试器系统与与油门控制器系统通讯，获取油门控制器实时数据（目标位置、反馈位置、踏板、位置、实时转速、低怠保存值、高怠保存值、最高保存值、故障代码等）并进行液晶显示，通过手持控制器可修改油门控制器参数（低怠、高怠、最高设置值）。此手持调试器体积小巧，便于携带，功耗低，成本小，极大地方便了矿用自卸车调试工作。

1 系统结构

系统以C8051F930单片机为核心进行数据处理，利用RS232与油门控制器进行通信，液晶和键盘来实现人机的交互，通过USB接口来保存历史数据，实现数据库的建立。其系统结构框图如图1所示。

1.1 系统核心电路

C8051F930是Silicon Labs公司开发的完全集成的低功耗混合信号片上系统MCU。它具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能够独立工作的片上系统；4KB的RAM和64KB的FLASH，FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对全部外部设备具有极强的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗；器件内部包含一个DC-DC转换器，允许由一节电池供电，供电电压可低至0.9V。DC-DC转换器是一个开关升压型转换器，其输入电压范围为0.9V～1.8V，输出电压可编程，范围为1.8V～3.3V。缺省状态下的输出电压为1.9V。输入电压必须至少低于输出电压0.2V。DC-DC转换器可以为系统提供最高65mW的稳压电源，该稳压电源可以为系统中的其他器件供电。一般来说，传感器或其他模拟信号需要一个比单节电池所能提供的电压更高的电源电压，因此这一功能为与这类模拟信号接口提供了很大的方便；同时它还支持5种电源模式：正常、空闲、停机、挂起和休眠。电源管理单元（PMU0）允许进入可用的电源方式和某种方式唤醒；器件有一个可编程精准内部振荡器、一个外部振荡器驱动电路、一个低功耗内部振荡器和smaRTClock实时时钟振荡器。可以通过OSCICN和OSCICL寄存器来使能/禁止内部振荡器和调节其输出频率。外部振荡器可以通过OSCXCN寄存器配置。低功耗内部振荡器在被选择为时钟源和解除选择时自动使能和禁止。系统主芯片接口电路如图2所示。

1.2 通信电路

主控芯片与油门控制器采用RS232串口进行通信，RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。通常RS-232接口以9个引脚，这里我们采用全双工通信，一个发送，一个接收总共只需用到2，3两个引脚。由于单片机是TTL电平与RS232电平不一样，所以在此我们采用MAX3232芯片来进行电平转换。MAX232工作电压3V-5.5V，它具有ESD保护功能、支持流控制、没有延时且可以自动收发转换和BAUD率自适应特点，即插即用稳定可靠。通信电路如图3所示。

1.3 液晶显示电路

显示模块采用育松电子的QC12864B液晶显示屏来实现数字信号的直观显示。此液晶可显示汉字及图形，内置字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。DB0-DB7可以传输数据和接收单片机发送的指令。单片机P0端口接到液晶的使能端口使及一些控制信号，其中E为使能信号（高电平有效）当显示器使能时，其他引脚的信号才能正常工作。RW为读写控制信号端（引脚为高电平时，读控制信号，只读数据；引脚为低电平时，写控制信号，既可以写数据也可以写指令）。RS为数据命令选择端（引脚为高电平时，写入数据；引脚为低电平时，写入指令）。电源输入端接滑动变阻器到亮度调节端口，可以调节屏幕的背光亮度。液晶接口电路如图4所示。

1.4 键盘电路

采用键盘设置参数，这里我们采用矩阵键盘，由于IO口不够用，利用74H165芯片来进行扩展，它是典型并入串出芯片，用它来读取外界键盘信息再好不过了。键盘电路如图5所示。

1.5 USB接口电路

关于USB接口，一般有如下两种方案，一种是利用集成在微控制器里面的USB控制器如：Intel的8X930AX、CYPRESS的Ez-USB、SIEMENS的C541U以及MOT-OLORA、NationalSemieonduetosr等公司的产品；另一种就是完全的USB接口芯片，只是处理USB通信，如：PHILIPS的PDIUSBD11（IZC接口）、PDIUSBD11 APDIUSBD129（并行口），National Semieonduetoser的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。因为使用带有USB控制器的芯片，必须要开发一套新的系统，成本提高了很多，所以采用USB接口芯片-PDIUSBD11与C805lF930单片机的SMBUS配合来完成。PDIUSBD11兼容USB，SMBUS，自动处理USB协议，高速I，C接口（达1Mbit/S），采用单电源供电，电压为3.3V，IO/引脚能够承受电压为5V，具有总线供电能力，EMI性能很好，时钟频率输出可编程，符合ACPI、OnNOW和USB电源管理要求，片内8kV静电保护。USB电路如图6所示。endprint

2 软件设计

软件编程采用模块化的思想，系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。功能模块包括：初始化程序（包括初始化主控芯片，液晶），自定义通信协议（发送和接收程序），键盘输入程序，USB接口程序。

2.1 主程序设计

单片机在进入主程序后初始化单片机级液晶，然后判断是否接收到油门控制器发送的数据，接收到数据后按照自定义通信协议解析数据包，然后将解析完的数据送到液晶保存显示。如果没有接收到发送的数据，主程序将继续检测。在主程序运行的过程中如有其他中断请求触发，主程序转去执行，按照按键触发的去执行按键中断程序，执行完毕后回到主程序。主程序框图如图7所示。

2.2 初始化程序

系统上电后， C8051F930恢复默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。C8051F930的数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I/O引脚，可利用设置交叉开关控制寄存器，把片内资源配置到具体的端口I/O引脚上。通过这一特性用户可以根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合，增强了应用的机动性。本系统中，主要配置了液晶LCD的数据线接口、控制线接口和RS232串口数据输入/输出，键盘输入，下载线接口等。

2.3 自定义通信协议

此协议为油门马达位置设置时上位机和速度控制器（以下简称控制器）传送字节定义。通讯接口采用RS232，波特率设置为9600bit/s。发送与接收的数据格式如表1、表2所示。

通信中我们通常把数据进行打包传送，把这样的一个数据包称作为一帧数据。和网络通信中的TCPIP协议一样，通常情况下，相对可靠的通信协议往往由以下幾个组成部分组成：帧头、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码、帧尾。数据包往往按字节来发送，即把数据包中的左右字节按照顺序逐个的发送数据而已。当然发送的方法也有不同。在单片机通信系统中，通常先定义一个串口发送单个字节数据函数，然后发送数据时直接调用该函数。这种方法的不足之处是在发送数据过程中，处理器需要一直参与，好处是所要发送的数据可以立刻的出现在通信线路上，可以很快被接收端接收到。还有一种方法是通过中断处理的方式发送的，首先将所有需要发送的数据被送入一个缓冲区，然后通过发送中断将缓冲区中的数据发送出去。这种方法的好处是占用很小的处理器资源，但是可能出现发送数据的延时，即需要发送的数据不可以及时被发送的情况，不过这种时延相当的小。对于51系列单片机，比较倾向于采用直接发送的方式，采用中断发送的方式占用较多的RAM资源，而且对比直接发送来说也没有太多的优点。下位机接收数据通常也有两种方式，一种是等待接收，处理器始终处于查询串口状态，来判断是否接收到数据。另一种是中断接收。这里我们采用中断接收。

2.4 键盘输入程序

键盘输入采用中断，键盘按下后触发单片机中断，中断响应进入中断服务子程序。通过中断程序确定是哪个按键按下，然后执行响应的命令。按键主要包括字符的输入以及相应的数据设置发送。程序流程图如图8所示。

3 仿真结果

实验采用单片机开发板，将keil预先生成的hex文件下载到单片机，单片机接收并显示电脑模拟发送的数据，并可以通过键盘修改发送参数，仿真效果如图9，图10所示。

4 结束语

以C8051F930低功耗单片机为核心，给出了油门控制器手持调试器控制系统的软硬件设计方法，实际系统调试运行的结果表明，手持调试器能准确接收油门传送的数据，并且操作人员可以根据收到的数据作出反馈修改油门控制器参数，达到系统设计的要求。在后续工作中，实现无线通信芯片或者借助蓝牙设备来进行通信。

参考文献：

[1]Silicon Laboratories.C8051F93x-C8051F92x DataSheet.2008.

[2]张刚毅.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.

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