信息化背景下工程機械儀表改進技術研究

趙瑞雪

上海云海萬邦數據科技有限公司 上海 200233

1 當前我國工程機械儀表存在的問題

通過對國內外現狀的分析，能夠看出國內工程機械儀器在智能化、信息化方面與國外相比存在較大差距。在中國，工程機械儀表主要采用儀表刻度的機械指示器，這種技術成熟，操作簡單，工作性能穩定可靠。然而機械指針的振動特性比較弱，指針的混合會造成讀數的多義性，也不利于工程機械儀表的完全電子化以及操作人員的可控性。

2 工程機械儀表信息化改進方法

建立工程儀表系統。儀表系統是工程機械不可缺少的組成部分，是工程機械運行過程中發動機、底盤等工作裝置狀態的直觀反映，是操作人員獲取工程機械的狀態信息并進行正確操作的重要依據。由于微機控制方法、現代傳感技術和顯示技術的快速發展與普及，使得儀表技術也同步向更高的水平上發展。儀表的形式從一開始的指針直讀顯示轉變為圖像和數字顯示；從聲音信號發展到智能監控。現在大多數工程機械儀表仍然沿用傳統的步進電機指針，具有功能較為單一，精準度低，能見度差，安裝規模較大，運行維護困難。用戶不易監控，故障后不便于維護。阻礙了我國工程機械現代化的總體水平發展。根據當前市場形勢，結合市場經濟需求，開發一種新型的智能圖形儀表信息系統是非常有必要的。該系統需要集成數據采集、實時監測、故障報警、音頻報警、參數配置和互聯網傳輸功能，可靈活移植和擴充，實現真正的工程機械儀表智能化和信息化。

3 工程機械數字化儀表系統總體設計方法

工程機械的持續創新和不斷發展，促使儀表系統作為信息顯示窗口持續進行發展創新。文章中設計的數字化儀表系統包括儀表板、傳感器、北斗模塊、安裝面板等主要組成部分。主處理器的工作原理是從傳感器獲取傳感器狀態信息，包括通過總線局域網控制器，來自薄膜晶體管中液晶面板模塊的定位信息應在參數信息以文本或圖形形式呈現后進行處理；同時傳輸的物理數據數量應與安裝的響應警報的設備數量進行比較。其實現的應用包括實時監控工程機械的基本狀況、當工程機械發生故障能及時進行報警、識別駕駛員身份、記錄并保存工程機械的運行參數、采用全球衛星定位(GPS)技術和遠程數據傳輸技術進行遠程監控。

根據工程儀表顯示的信息和模塊化設計的理念，工程機械數字儀表主要包含主控制器模塊、CAN總線模塊、TFTLCD觸摸模塊、北斗模塊、故障診斷模塊、電源模塊等模塊。圖1顯示了總體結構。

圖1 工程機械儀表系統總體結構圖

4 工程機械數字化儀表系統硬件設計方法

為了滿足工程機械儀表對可靠性、功能性、經濟性的要求以及工程機械儀表硬件電路的擴展性和環境適應能力，本文硬件電路設計主要包括電源處理電路、按鍵輸入電路、最小系統電路、數據處理電路、串行通信電路、數據存儲電路、LCD顯示電路、CAN通信模塊、LED及蜂鳴器報警電路等。具體的硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

工程機械儀表檢測到的信號相對較復雜，可按類型分為模擬信號、開關信號和脈沖信號。根據參數的類型、測量方式和測量范圍，選擇合適的傳感器。傳感器主要用于將工程機械的實測信號轉換成計算機可以識別的二進制數字信號。儀器系統中選擇了13個測量點，分別配置了傳感器和信號類型，如表1所示。

表1 傳感器選型

硬件系統的核心是控制器。經過對系統規模和控制器的控制能力以及應用場景的綜合考慮，選用LPC2478(NXP)作為工程機械數字化儀表的主控制器。恩智浦公司的LPC2478芯片是一款基于ARM7TDMI－S的32位高性能微控制器，擁有512KB內置高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口，CPU時鐘高達72 MHz，支持實時仿真和監控。此外，芯片還擁有豐富的片上資源和外設接口，集成了1個LCD控制器、兩個通道和多個串行接口，這些接口和特性使得LC2478可以在許多工作場所使用。

顯示器是工程機械儀表的重要裝置，要適應極端環境，能夠長期穩定運行，使用友達G084SN05 V8液晶屏，它是一款采用a－Si TFT－LCD技術的8.4英寸液晶模組產品，含LED驅動器背光驅動，無觸摸，驅屏電壓為直流3.3V，采用LVDS信號接口，能夠直觀顯示不同的性能參數和故障數據。

5 工程機械數字化儀表系統嵌入式軟件實現方法

工程機械信息化儀器系統要實時監檢測和管理，顯示各種物理信號，需要功能完善的軟件設計。本文采用基于嵌入式的多任務實時操作系統(RTOS，Real Time Operating System)的編程方法，選擇μC/OSII作為系統軟件開發平臺，μC/OSII是典型的嵌入式實時操作系統，內核小、移植性好，可靠性高，實時性強，同時能更好的進行擴展和升級。

嵌入式系統依附于特定的處理器，需要對處理器的寄存器、堆棧等進行操作，不同的處理器一般有著不同的內核結構和指令系統，因此需要將RTOS進行移植。μC/OS在設計時已經充分考慮了可移植性，完成μC/OSII實時內核的移植，包括以下幾個內容:

1.用#define設置一個常量的值(OS_CPU.H)

2.聲明10個數據類型(OS_CPU.H)

3.用#define聲明三個宏(OS_CPU.H)

4.用C語言編寫六個簡單的函數(OS_CPU_C.C)

5.編寫四個匯編語言函數(OS_CPU_A.ASM)

即μC/OS的移植只需更改3個文件:OS_CPU.H、OS_CPU_C.C及OS_CPU_A.ASM。

根據系統要實現的功能，系統軟件主要劃分為如下部分:

1)底層硬件驅動程序:完成主控制器的CAN通信，實現信息采集及接收顯示等功能模塊，還包含SD卡驅動、觸摸屏驅動等。

2)硬件平臺初始化:開啟系統時鐘，獲取程序，初始化觸摸屏，串口初始化，SD卡初始化，開啟報警功能，端口初始化等。

3)μC/OSII建立任務:μC/OS－II建立任務時，給每個任務分配不同的優先級，DSP RTOS運行就緒狀態的最高優先級任務，并且在程序運行中能夠通過調用函數OSTaskChangePrio()變更任務優先級。按照設計的優先級順序，任務從高到低包括初始化任務、CAN通信任務、系統主任務、數據采集任務、觸摸屏識別任務、數據處理任務、屏幕界面其他按鍵動作任務、觸摸屏顯示任務以及SD卡讀寫任務。

系統軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構圖

全部程序集中在main()函數，完成系統初始化、創建系統任務、建立多任務的調度機制。任務調度由調度器啟動，即main函數中的OSStart()，創建的所有任務將由調度程序調度，根據各自的優先級在睡眠狀態、就緒狀態、運行狀態、掛起狀態、等待狀態和中斷服務狀態之間切換。μC/OS－II始終讓優先級最高的就緒任務處于運行狀態，運行態的任務占用CPU；一旦運行態的任務被剝奪了CPU的使用權，就進入等待狀態，等待狀態任務如果延時期滿或者所等待的事件發生，則進入就緒狀態；等待狀態的任務被刪除了則進入睡眠狀態；運行狀態的任務若正好有中斷程序到來，就進入中斷服務狀態；出現異常后任務進入掛起狀態OSTaskSuspend()，然后必須通過恢復指令OSTask Resume()回到任務就緒狀態。

圖4 任務調度圖

6 儀表板改進問題關鍵

6.1 可靠性改進

工程機械運行環境極差，天氣惡劣，機械振動的幅度大，有較強的電磁干擾。儀表板的設計要采用先進技術，滿足防水、防塵和防腐蝕性要求，儀表防護級別要達到IP56以上。提高系統的抗干擾能力，電路板增加EMI模塊 ，采用合理的布線，在電路板和顯示模塊之間使用LVDS接口，達到減少干擾的目的。

6.2 顯示圖像改進

圖像閃爍的問題，經常出現在圖形儀表設計的動態顯示過程中。原因是在顯示動態圖像時，屏幕會與目標重疊，導致圖像閃爍。采用移植μcGUI的方法避免該問題。μcGUI是一種嵌入式應用程序的圖形支持系統，有著良好的可移植性。它有一個帶有存儲設備的軟件包，應用程序在其中申請存儲設備，所有圖形工作都在存儲設備中完成，并在屏幕上顯示最終結果，從而有效避免圖像閃爍。

7 結論

本文采用恩智浦公司的LPC2478作為主控制器，以μC/OSII操作系統作為軟件平臺，設計了信息化條件下工程機械數字化儀表的改進方案，建立一個工程機械數字化儀表系統。該系統顯示精確、使用簡單、操作方便、擁有可重構可擴充的軟硬件系統、性能可靠運行穩定。該儀表系統能夠有效地控制和控制工程機械的工作，并執行這些功能，確定如何進行故障診斷和定位，有效地提高了對工程機械工作狀態的控制和管理，真正實現工程機械儀表的集成化和數字化。