基于北斗定位系統的工程機械挖掘機顯控終端設計

張 盼 呂雅琴 鄧來軍

工程機械是為國民經濟建設提供技術裝備的戰略產業，挖掘機等機電裝備是國家重點支柱的項目，鑒于工程機械裝備作業環境惡劣、復雜，需要對各個工程機械裝備的狀態參數、作業要求有準確的監測，要實現這些要求就需要在工程機械挖掘機終端的基礎之上構建起監控系統。

北斗衛星導航系統BD2是中國從國家安全以及經濟社會的發展需要出發，自主研制、獨立運行的衛星導航系統，現已經逐步開始對民用市場開放，并且北斗還擁有短報文通信功能，特別適合工程機械這類作業環境惡劣、通信信號不佳的情況，北斗優良的通信功能還能夠為搶險救災的應急通信帶來相當巨大的方便。因此，本文就基于上述問題，提出了一種建立在北斗導航定位系統基礎上的挖掘機顯控終端的設計方案。

1 系統整體方案

1.1 系統功能需求

工程機械顯控終端主要應用在挖掘機工程車輛上，可與顯控終端進行CAN總線連接，另外也可獨立進行信號采集及控制，具備故障報警提示、狀態參數顯示、數據發送、遠程通信等功能，實現與監控中心進行遠程監控與控制。

1.2 系統整體架構

本文所設計的挖掘機顯控終端主要分為硬件系統以及軟件系統。所采用的系統架構如圖1所示，其中控制器是硬件系統的核心，軟件系統則主要包括嵌入式操作系統、驅動程序以及應用程序。

圖1 系統架構

2 硬件設計

挖掘機顯控終端硬件設計規劃采用單控制板設計形式；其中控制板主要包含：ST意法半導體Cortex-M3 CPU、灰度顯示單元、IO輸入輸出單元、按鍵單元、電機控制單元、帶防護的DC-DC電源單元、FLSAH單元、北斗/GPS雙模定位單元、DC-DC單元、通訊連接接口（CAN）等。硬件系統結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構

其中，控制器采用的是NXP公司所生產的高性能低功耗系列的LPC1788，該微控制器是以ARM Cortex-M3作為內核的，其運行速度達到了120MHz，該控制器集成了LCD處理單元，能夠配置睡眠模式以及深度睡眠模式，這可以讓顯控終端的功耗得到有效控制。定位模塊采用的是芯星通的M220模塊，該模塊對于單系統獨立定位以及北斗/GPS雙系統聯合定位都有著良好的支持，并且其功耗僅有300mW。同時無需外接CPU即可直接輸出NMEA數據。

3G網絡通信模塊采用SIMCOM公司的SIM5218模塊，SIM5218是一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模塊解決方案，支持下行速率達7.2Mb/s和上行速率為5.76Mb/s的數據傳輸服務。這對視頻和圖像等數據量較大的信號傳輸而言是非常理想的選擇。

3 軟件設計

軟件設計包括嵌入式操作系統、驅動程序、上層協議集和應用程序設計。工程機械智能控制器軟件的整體框架如圖3所示。

3.1 嵌入式實時操作系統內核

uCOS-II是一個嵌入式實時操作系統內核，具有高度的可移植性，特別適用于微處理器。在LPC1788微處理器上有一整套成熟的移植方案。uCOS-II可以簡單地視為一個多任務調度器，不僅實現了多任務的合理調度，還提供了如信號量、郵箱等多種資源，實現任務間通信。

圖3 軟件系統結構

3.2 嵌入式圖形庫

emWin是SEGGER公司為NXP公司的微處理器提供的一套芯片內部LCD控制器的高效獨立圖形庫，程序員可以調用其中豐富的接口函數，實現在屏幕上繪制窗口、文本、圖片、二維圖形以及多種圖像處理。

3.3 硬件設備驅動程序

工程機械智能控制器擁有豐富的硬件資源，包括flash控制器、CAN控制器、藍牙控制器、LCD控制器、PWM控制器等。市面上一些第三方公司已經為其開發了驅動程序。本項目需要對已有的驅動程序進行移植和優化，并且編寫缺少的驅動程序，如GSM模塊驅動程序。

3.4 上層協議集

針對不同的應用需求，儀表軟件需要移植相應的協議集。其主要包括TCP/IP協議集以及車輛CAN數據協議集。其中TCP/IP協議集主要滿足工程機械智能控制器接入監控中心，實現數據交互。車輛CAN數據協議集主要用于采集車身工況數據。

3.5 應用程序開發

工程機械智能控制器應用于挖掘機工程車輛上，應用程序的主要需求為：數據采集與狀態監視、數據傳輸、參數設置、系統日志記錄與存儲。

4 電源設計方案

挖掘機顯控終端電源管理模塊主要將從蓄電池兩端的12V電壓降為5V電壓，并為系統所有模塊供應電能。由于車載電路的嚴要求和較高的可靠性要求，這里選用了具備內部故障診斷功能的DC/DC轉換芯片，MCU通過SPI通信協議可以迅速地對該芯片進行診斷和控制。保護電路方案如圖4所示。

Vishay的汽車瞬態電壓抑制器（TVS）利用了PAR?專利技術，相比于其他雪崩TVS二極管，其可在更大的溫度范圍內（可達185℃）表現出極佳的穩定性和功率處理能力。因此，人們可以采用SM8S24A TVS管保護。

5 結語

圖4 典型保護電路

本文所設計的工程機械挖掘機顯控終端，是集控制、顯示、通信、定位功能為一體的高性能產品，通過北斗導航技術可對挖掘機有較高精度的定位，采用GPRS通信技術使挖掘機與遠程監控中心進行大容量數據傳輸，實現遠程監控和預警等功能。同時，該顯控終端具有自動休眠及自動喚醒功能，可以實現長時間待機。本文只對挖掘機顯控終端進行了研究，對于遠程監控中心如何對挖掘機進行監控和遠程控制，有待在后續研究中進一步探索和完善。

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