船載中小型信息監控終端的設計與實現

郭顏萍，王東明，張志偉

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

目前，隨著信息產業的迅猛發展，各類船舶亟需配備更多質優價廉的中小型信息監控終端，用于監控氣象狀況、獲取導航信息以便保證航行安全。以ARM、MIPS等領銜的32位處理器在信息監控終端應用中，顯示出極大優勢，但是一般以32位處理器構建的嵌入式系統往往需要配置外部FLASH和SDRAM，這樣就使得開發和維護整個系統的成本較高，本設計采用高性能低功耗的AVR單片機和LCD液晶模塊來設計信息監控終端，具有價格低廉、性能穩定、顯示清晰、人機界面良好等優點，能夠滿足船舶對中小型信息監控終端的需求。

1 總體設計

信息監控終端主要由顯示控制板、鍵盤、通信接口和液晶顯示模塊構成，具有數據收發、數據顯示、人機交互和屏幕亮度調整等功能，其組成如圖1所示。

工作過程為：系統初始化以后，信息監控終端按照設定的工作模式從通信接口接收數據，然后通過LCD控制器將數據發送到LCD液晶顯示屏，通過鍵盤和顯示屏實時響應用戶的操作指令。

圖1 信息監控終端組成框圖Fig.1 Block diagram of information monitoring terminal

2 硬件設計

2.1 液晶顯示模塊與單片機

液晶顯示模塊選擇EW32F00BCW，它是一款5英寸320×240點陣的液晶顯示器，性能堪比日本原裝的DMF50081，價格卻便宜很多。該器件采用CCFL背光顯示，顯示方式為全透反顯，顯示顏色為藍底白字，外型尺寸為139.0 W×102.5 H×13.2 Dmm。

微控制器采用ATMEL公司AVR增強型單片機AT90 CAN128。其主要性能是：采用CMOS技術和RISC架構；片內集成128 kB的FLASH程序存儲器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM數據存儲器；具有JTAG接口；集成了8位和16位定時器/計數器、A/D轉換器、SPI同步串口、UART異步串口、獨立的CAN控制器；并且在軟件上有效支持匯編語言及C高級語言[1]。

2.2 顯示控制電路

RA8835是一款成本低、通用性強的LCD控制器。它完全涵蓋SED1335現有的功能，并加強了穩定性，且擁有制程較新及耗電較低的優勢。RA8835的指令功能豐富，采用4位數據并行發送，可支持文字和圖形的混合顯示，并可將文字和圖形的3層重疊顯示、水平及垂直卷動等動態效果呈現于液晶屏上。圖2是顯示控制電路原理圖，AVR單片機通過控制線和數據線與RA8835直接相連，控制顯示內容和顯示方式。為了儲存顯示內容并進行顯示，RA8835需外接一至兩片外部顯示緩存62256。鍵盤采用2×4矩陣式接口，兩根行線同時連接中斷，有上下左右4個方向鍵，以及確認、返回、菜單、翻頁4個功能鍵組成。

圖2 顯示控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of display and control unit

2.3 通信單元電路

由于不同船舶設備廠商提供了不同功能的產品和子系統，采用了不同的通信接口，信息監控終端需要配置多種通信接口才能與其進行通信，因此設計了常用的3種：RS232接口、RS422接口、CAN接口，電路組成如圖3所示。

圖3 通信單元電路電路組成框圖Fig.3 Block diagram of communication unit

AT90CAN128具有兩路串行USART接口，輸出TTL電平，其中一路經過電平轉換芯片MAX232轉換為RS232電平，另外一路經過電平轉換芯片MAX1482轉換為RS422電平。在AT90CAN128的USART與電平轉換芯片之間增加光電隔離，使輸入端與輸出端在電氣上完全隔離，互不干擾。AT90CAN128內置CAN控制器，只需將控制器的發送端和接收端連接到CAN總線收發器即可構成CAN總線收發電路。CTM1050是一款帶隔離的高速 CAN收發器芯片，該芯片將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能及ESD保護作用。一般RS232通信都是與上位機直接相連，距離較短，因此在RS232電平上用穩壓管進行簡單保護。采用RS485和CAN通信時，一般距離較長，且多在艙室之外，雷電可能會造成總線損壞，所以除了設計電平轉換，還必須加上隔離保護電路。

2.4 供電單元電路

供電單元在船電正常時采用交流220 V供電，并自動實現充電，充滿電后自動斷電；在船電故障時采用鋰電池組供電，供電單元電路組成框圖如圖4所示。外部交流220 V電源通過適配器轉化為14.8 V左右的直流，通過充電線路為鋰電池組進行充電，保護線路用于防止過充、過放、過流和短路，然后經過穩壓模塊輸出兩路直流5 V，供給AVR單片機系統。由于LCD背光顯示需要的特殊電源，因此通過冷陰極背光電源逆變器將直流5 V變換成交流1 300 V供給LCD背光燈管。MAX5437是128級、高電壓的數字電位器，采用簡單的SPI接口代替機械調節，將DC/DC輸出的－24 V電源變換為－10～24 V范圍內可調，從而為液晶顯示模塊提供負電源和對比度調整電壓。

圖4 供電單元電路組成框圖Fig.4 Block diagram of power supply unit

3 軟件設計

系統軟件設計采用AVR Studio+Winavr集成開發平臺。AVR Studio是在Windows操作系統下編寫和調試AVR應用程序的嵌入式開發環境 （IDE），Winavr是免費的AVR開發程序集，AVR Studio配合Winavr能夠支持AVR C/C++程序的編輯、編譯、連接以及生成目標代碼，同時利用Atmel公司設計的實時在片仿真器JTAGICE mkⅡ能夠實現系統的在線硬件仿真調試功能和目標代碼的下載功能[5]。為了方便程序調試和提高可靠性，軟件設計采用自頂向下，逐步求精的結構化、模塊化設計方法。終端主程序流程圖如圖5所示，上電后首先進行系統初始化設置，然后查詢鍵盤狀態，如果有鍵按下立即進行按鍵處理，否則按照設定的工作模式自動進行數據接收、顯示和定時更新。在進行具體程序編寫的時候，還需注意以下幾個方面：

1）進行系統初始化的時候，需要完成對單片機I/O端口、SPI端口、異步串行端口、CAN端口等的初始化，同時還要禁止不使用的單片機功能模塊，如JTAG端口、TWI端口等以降低整機功耗。

2）初始化完成后，還要對MAX5437的滑片位置進行設置。由于其內部沒有EEPROM，所以軟件中利用單片機的EEPROM來記錄滑片的位置信息。考慮到用戶可能將液晶對比度調飛，程序中設計了通過鍵盤操作恢復出廠設置的功能。

3）采用中斷和查詢相結合的方式響應鍵盤。由于鍵盤行線同時連接單片機中斷，程序不必一直查詢鍵盤狀態，只是中斷產生以后才去掃描鍵盤，從而提高了單片機工作效率。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Main programe flow diagram

4 結束語

本文以AT90CAN128為核心，利用其豐富的片上資源，搭接必要的外圍電路，軟件設計與硬件電路緊密結合，提供了一種低成本高可靠性的船載中小型信息監控終端的設計方案。該終端顯示清晰、工作穩定，可操控性強，具有較高的性價比和廣泛的實用性，以及極好的推廣應用價值。

[1]Atmel Corporation.8-bit Microcontroller with 32K/64K/128K Bytes of ISP Flash and CAN Controller AT90CAN32/AT90 CAN64/AT90CAN128[EB/OL].（2008-08）[2011-08].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc7679.pdf.

[2]胡漢才.高檔AVR單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]廣州致遠電子有限公司.CTM1050高速CAN隔離收發器[EB/OL].（2009-07）[2011-08].http://www.embedcontrol.com/products/embed-can-bus/1050/CTM1050_ds.pdf.

[4]方弄玉，趙劍萍.基于ARM LPC2119的水情測報終端設計與實現[J].電子設計工程，2010，18（8）:58-60.FANG Nong-yu，ZHAO Jian-ping.Design and implementation of hydrological forecast output terminal based on ARM LPC-2119[J].Electronic Design Engineering，2010，18（8）:58-60.

[5]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6]王乾發，齊宇嵐，于浩.基于AVR單片機的液晶顯示系統設計[J].長春理工大學學報，2008，31（2）:96-99.WANG Qian-fa，QI Yu-lan，YU Hao.Design of LCD display system based on AVR series singlechip[J].Journal of Changchun University of Science and Technology，2008，31（2）:96-99.