船载红外辐射计数器的嵌入式人机交互系统设计

田银磊，李 飞

(1.济源市物联网技术重点实验室，河南 济源 459000；2.济源职业技术学院，河南 济源 459000)

0 引言

海洋表面温度的测定主要有2 种，使用较为广泛的是利用海洋、环境、浮标、船舶辐射仪以及其他海洋测量技术[1–2]。由于利用卫星红外光谱对海洋表面辐射进行了测量，采用常规的浮标或其他船体接触法测得的SST 会发生变化，一般只能获得米量级的温度值，从而证明了采用卫星反演SST 的方法有极大的误差。通过对海洋表面温度的测定，采用红外辐射仪进行海洋表面温度的测定是一种较好的方法。近几年，利用红外辐射计对海洋表面的温度进行测定，其准确度可达0.1 K。

英国南安普敦国家海洋研究中心开发的一种红外辐射仪，它可以在不需要维修的情况下，自行操作和校正。其光谱范围为9.8～11 μm，探测深度在10～20 μm 之间。船用红外线辐射仪可以在不需要维修和操作者干涉的情况下，在自动观察船上持续工作3 个月。因为它的全部红外线线路都是用一个温度相差12K 的参考黑体来进行标定[3–4]。

1 红外辐射计数器嵌入式人机交互设计概述

1.1 设计内容简介

本文的研究目标是改进红外辐射仪的人机互动，增强其数据的安全性。红外辐射仪最大问题是资料不够安全，只要有一部计算机，就可以在不工作的情况下保存2～3 个月的资料。在途中发生故障时，会失去资料。另外，红外辐射仪所获取的原始数据都在电脑显示屏上实时滚动，很难对仪器的工作状况进行实时定位。同时，在采用红外线辐射仪的探测设备中，每一个字符或信号都有超过20 条指令，这会让使用者难以顺利地进行测试。红外辐射仪安装多年，GPS 组件失效，导致红外辐射计长度、宽度、GPS 时间等原始资料丢失，不能直接利用[5]。

1.2 整体功能设计

由于数据的显示和存储功能同时进行，所以在触摸屏的操作中，不需要显示和存储的功能。所以，在整个软件架构的设计中，采用一个周期来轮流执行前面的2 种函数。同时，通过触控键来探测有无触控行为，并按下按键，切换至触控接口。然后，通过主控芯片的实时时钟功能，实现永久的日历功能，并在任意数据的起始位置加入时间信息以进行存储和显示。在设计资料的展示与储存方面，红外辐射仪可将其传送至手提电脑及该系统。所以，首先要进行数据接收机的设计。接收部分采用DMA（DMA）的双重缓存和直接存储器的设计。红外辐射仪经串行接口传输资料给主芯片，然后再将其送入2 个缓冲存储器，用换行符来标识所收到的资料。在侦测到换行符后，时间戳将被加入至资料列的开始。DMA 控制器能够利用内存中的CPU 资源，自动的联接接收和完成其他工作，从而提高工作效率。

一方面，通过串口和DMA 控制器接收到的原始数据，进行存储器备份，并对实时接收的数据进行处理，选取与诊断设备运行状态相关的信息以及海温、时间、经纬度等信息。LCD 显示装置是一种采用LCD显示模块（LCDModule）实现的无源显示装置，其自身不能发光，但其利用液晶的光调制性质，所以只能依靠周围的光线，属于无源显示装置。无源显示模式的一个显著优点是LCD 只需少量的能源即可显示图像信息或文字，因此LCD 具有低工作电压、低功耗等优点，同时LCD 具有无辐射、易于彩色化、体积小、画质高、不闪烁等一系列特性，因此LCD 显示效果优异。该系统采用触摸屏控制，完成红外辐射仪的原始数据和处理后的重要信息转换，拥有一个简单的操作界面，以简化操作程序和操作难度。

2 红外辐射计数器嵌入式人机交互硬件设计

2.1 嵌入式总线内核

嵌入式系统的硬件设计直接关系到后期软件开发的成败，同时也关系到整个系统的稳定。在硬件设计中，首先要明确系统的要求，其次才能根据任务要求进行整体的硬件设计。M3 处理器采用3 条管线，并带有分支预测功能。在总线架构中，主要有ICCode 总线、DCode总线、系统总线以及DMA总线。AHB/APB 桥可以实现AHB 与2 个APB 总线的同步连接。总线结构如图1 所示。

图1 总线结构Fig.1 Bus structure

2.2 接口电路设计

CH376 具有通用的8 位串口、SPI 接口，以及异步串口。由于SPI 接口可以达到2M/24MHz 的传输速率，能满足系统的需求，并且SPI 接口占用IO 插头较少，所以采用S P I 通信技术来完成主控制器和CH376 芯片的联接。串口设备通信接口简称SPI，SPI 接口仅需4 条线路，并且通信协议简单，所以是一种广泛用于晶片级别的通信接口。

其中，主控制芯片包含MISO（主接收）引脚、MOSI（从器）引脚和时钟SCK 引脚。另外，在必要时，将主控芯片的PC0 端口设定为浮动输入方式，而PA1 管脚则设定为推挽输出方式。

2.3 显示器接口设计

在进行红外辐射仪输出内容的显示时，采用7 英寸TFT 液晶显示屏+SSD1963 控制器，并利用FSMC 控制器实现对红外辐射仪输出内容的实时显示。7 英寸TFT 液晶显示屏采用AT070TN92 型液晶显示屏。这是一款高分辨率800*480、RGB3*8 行RGB 颜色模式的大显示屏，显示屏大小为154.08 mm×85.92 mm，并且重量150 g。它的特点是清晰度高，对比度高，速度快。

其中的SSD1963 是晶门公司开发的一款具有1245K 缓冲，最高支持864×480 像素的高分辨率液晶显示器。该芯片配有专用的微处理器接口，能够接收各种类型微处理器的图形数据和指令。可以将CONF管脚设定为8080 或6800 型，与主控芯片相连接。在8080 模式下拉高高电平，进行多路复用，分别控制读出和写入。将8080 模式与主控芯片相结合。该芯片还能实现硬件屏幕的转动，并能实现90°，180°和270°的旋转；支持动态背光源调整，即利用PWM（PWM）不同工作比例的脉宽调制（PWM）来动态调整背光亮度。

3 红外辐射计数器嵌入式人机交互软件设计

3.1 软件编写设计

该系统使用KeilMDK 和uVISion4 软件的综合开发平台，全部的功能都以C 语言为基础。虽然汇编语言的目的是为了开发机器语言，但是其运行效率要高得多。在嵌入式系统中，由于其复杂性、可读性差、易移植性差等原因，使得其在后期的维护费用大大提高，目前还没有成为主流的嵌入式系统。相对于单纯的软件开发来说，嵌入式系统的开发既要进行软件模拟、调试，又要进行硬件模拟和调试。这样可以加速系统的研制，提高系统的可靠性。其中，选择ULINK2作为硬件仿真软件，ULINK2 是ARM 的最新硬件仿真软件，适用于KeilMDK。利用KeilMDK 调试器与ULINK2 相结合，开发人员可以将代码下载到具有快速的Flash 编程功能。

3.2 数据储存功能

本文通过CH376 主控芯片实现对U 盘的数据写入，通信方式时序图如图2 所示。USB 系统采用CH376作为主要器件，U 作为从机，通过USB 进行数据通信。本文以SPI 通信的形式对CH376 档案管理芯片进行控制。为了使主控芯片的SPI 与CH376SPI 通信需求相一致，需要对SPI 进行初始化。在SPI 初始化过程中，时钟和管脚的配置与前面提到的串口初始化相似，着重于SPI 通信协定的组态。首先，研制CH376 通信协议。

图2 通信方式时序图Fig.2 Communication mode sequence diagram

3.3 显示器设计

由于本系统使用了SSD1963 外LCD 管理芯片，显示器原理框图如图3 所示。因此，LCD 显示屏主要采用SSD1963 的LCD 管理芯片进行控制，它的主要任务是设计FSMC、SSD1962 通信、SSD1964 的初始化，并编写相应的驱动函数。FSMC 的结构由2 部分组成：一是开启对应FSMC 管脚的外部时钟，并对各管脚的输入和输出方式进行配置。二是对FSMC 运行过程中的内存类型、总线模式以及其他有关的参数进行初始化。在FSMC 设定好之后，只要把资料写进FSMC 的合适的位址，FSMC 就能产生合适的时钟，把资料传送给外接装置。

图3 显示器原理框图Fig.3 Principle block diagram of display

这里判断矩形的几个顶点坐标：

4 系统实现

对该系统进行相应的测试。数据采用串口工具进行调试，实现对红外辐射计数据的传送，将串口调试仪器设定成与红外辐射计数据传送格式一致的数据传送后，通过RS‐232 串口线路与计算机相连，以接收、存储和显示数据。触摸屏操作的主要功能是在科学考察船上进行，将红外线辐射仪的串行接口与本系统相连，并根据不同的指令，向其发出不同的控制指令。系统采用计算机串口调试工具软件，通过计算机仿真红外线辐射仪传输数据，实现了数据备份和LCD 显示。在科学考察船与红外线辐射仪相连时，对触摸屏的功能进行了检测。经过实验证明，该系统具有数据存储、重点数据的显示、数据的切换、触摸屏等功能。

5 结语

本文详细阐述船载红外辐射计数器各模块在软件中的具体实施。其中，包含了双缓存和DMA 两种接收方式的实施流程。在数据存储器模块中，分析了U 盘管理操作芯片CH376 的SPI 通信时序，设计了U盘上的新的文字文件流，以及U 盘上的数据写入过程和程序的实现；在LCD 模块中，简单介绍了LCD 控制器的内部结构图、数据传输方式，并根据所需的主要功能模块，分别编写了初始化功能和图形绘制功能，为LCD 显示软件提供基本的数据显示接口和触控接口。