1 硬件架構

以STM32F103為主控芯片，主要包含了5個外圍電路模塊：實時時鐘、模數處理、數據存儲、數據傳輸和界面顯示。模數處理是A/D模塊加預處理電路，數據存儲采用一片2  MB SPI Flash，數據傳輸采用CAN接口和RS232接口，顯示屏是4.3寸。如圖1所示，為設備的硬件架構圖。

系統采用的

是ST公司推出的基于Cortex—M3內核的32位ARM芯片系列。本系統選用的STM32F103ZET6屬于該系列的高容量芯片，片內Flash容量為512  KB，片內SRAM容量為64  KB，主頻為72MHz。具備完整的FSMC總線、26位地址線和16位數據寬度。系統的顯示屏為翰彩4.3寸TFT液晶屏，分辨率為640×480，貼一塊電阻式觸摸屏。顯示屏驅動模塊是SSD1963，采用了16位(5位紅色、6位綠色、5位藍色)64K接口模式，由FSMC數據接口連接控制。觸摸屏芯片為ADS7843，它輸入觸摸屏四路電壓，用SPI通信輸出觸摸點位置信息。圖2是LCD接口電路。

CAN總線協議的高可靠性使其在工業上得到廣泛應用。STM32F103的CAN總線單元支持協議2.0A和2.0B;選用的CAN收發器是TJA1050，在CAN協議控制器和物理總線之間起到接口作用，設計120  Ω的終端匹配電阻以適應不同的CAN總線網絡。CAN模塊的接口電路如圖3所示。

2 軟件設計

2.1 整體架構

嵌入式系統設計的第一步在于清晰地劃分任務，設定優先級，根據任務的執行情況調度系統資源。如圖4所示，μC/OS是系統的總調度，之上有6個主要的任務，它們分別對應硬件架構中的模塊，運行整個程序。

每個任務分配不同的優先級和啟動方式，有周期性啟動、信號量驅動兩種方式。顯示功能由μCGUI驅動，FAT32文件由FatFs管理。任務劃分及資源如表1所列。

劃分任務之后，先實現板級支持包，再對通信協議進行設計，然后繪制整個μCGUI的界面。

2.2 板級支持包

板級支持包是指在單板上實現全部基礎功能，例如時鐘管理、掉電備份、串口、CAN總線通信、A/D采樣以及顯示任務的fsmc接口、驅動優盤的SPI接口等。利用ST公司提供的標準化庫函數，調用庫函數進行初始化，配置模塊參數，在使用時根據需要調用函數或在中斷進行，完成后封裝成一個Lib庫文件使用。

在系統中斷里設置：①CAN中斷，用于快速反映CAN口信息;②USART接收中斷，用于接收串口信息;③RTC中斷，用于實時時鐘中斷;④USB有兩個中斷，用于USB端口的收發設置。板級支持包的函數如圖5所示。

全系統的參數如下：A/D總線模塊采樣率為1 kHz，最高為5 kHz，通道數8個，可以拓展到16通道。串口速率為115  200，數據位為8位，無校驗。CAN用CAN-1口，設置為500 kbps、250 kbps、100kbps、50 kbps的4檔速率，擴展ID形式。

初始化單板需進行時鐘校正，存儲正確的時間。單板掉電之后用電池工作，存入備份寄存器，上電再取時間參數(即秒的數量)，換算成對應的日期和時間。顯示模塊采用FSMC并行接口控制，實現在屏幕上畫出單個點、單條直線等基本繪圖功能，就能提供接口給μC總線GUI使用。

2.3 CAN總線通信協議

本設計采用CAN總線協議，用狀態機進行狀態轉換，在具體的指令驅動下實現從握手到傳輸數據的過程。圖6是CAN總線通信的狀態機。

CAN總線通信指令是英文單詞縮寫用ASCII碼表示的結果。在本設計中，有一個主節點和3個從節點。主節點和從節點對應的指令應答方式如圖7所示。初始化時，主節點在發出“TEST”指令后，從節點回復“ALOK”，表示從節點收到指令，工作正常。1號和2號從節點負責測量溫度、濕度和壓力。主節點發送“NEED”指令，從節點1號和2號回復溫度、濕度數值給主節點，格式是對應的“指令+數據”。主節點根據ID與指令，判斷數據正確性，及時顯示在屏幕上。

采樣時，主節點在指令的驅動下，切換不同狀態。主節點發送預備指令，確認從節點準備好之后，再發出采樣開始的“SMPL”命令，從節點收到指令后，啟動采樣，完成后回復“GOGO”指令。從節點在采樣結束后再回復，是為了減少采樣啟動的延時。主節點進入接收數據的狀態，發送傳輸數據指令“DATA”，從節點先用“LENS”指令告訴主節點，本次采樣長度是多少，便于主節點在接收數據的時候統計，是否接收到了數量正確的數據。從節點開始發送數據，最后發送“ENDD”指令，告訴主節點數據傳送結束。主節點的數據標識清空，回到初始狀態。這樣完成了一輪數據采樣、發送過程。

2.4 μC/OS嵌入式操作系統

首先，已經將板級支持包編寫完畢，而嵌入式系統首先是單板運行，其次是將底層軟件用任務的方式重新編寫。在單板運行嵌入式系統就是移植的過程，主要有：

①定義常量的值，聲明數據類型、堆棧參數;

②編寫堆棧初始化參數;

③編寫任務切換的函數，還有在中斷函數中提供時鐘中斷，即給操作系統時鐘使用。

移植完成之后，進行任務的編寫。分配給7個任務不同的優先級、堆棧資源和運行方式。其中，App_TaskStart是全部任務的起始點，優先級最高，由這個任務來建立其他任務，并且啟動統計任務。App_TaskCreate建立了其他所有的任務。AppTaskUSerIF任務實現用戶界面，Task_CAN任務實現CAN報文接收，Task_FatFileWR任務實現FatFs文件讀寫，AppTaskKbd任務實現觸摸驅動，Clock_Update任務實現秒更新。

任務的周期性啟動在建立任務時確定，例如AppTaskUserIF任務始終在運行，采用WM_Exec函數做界面更新。AppTaskKbd是10  ms周期讀取觸摸坐標，實現繪制鼠標箭頭和觸控功能。

信號量是在所有任務建立之前建立。CAN_MBOX是采用OSMboxCreate建立的郵箱信號量，能夠傳送CAN接收中斷的消息以啟動CAN任務，FLAGRECORD是OSFlagCreate建立的多值信號量，能置位4位，啟動文件讀寫任務。ClocK_SEM是OSSemCreate建立的二值信號量，專門用于秒更新中斷的信號量。

CAN_MBOX=OSMboxCreate((void*)0);

//建立CAN接收任務的消息郵箱

FLAGRECORD=OSFlagCreate(0，err);

//建立記錄文件的開關量

Clock_SEM=OSSemCreate(1);

//建立秒更新中斷的信號量

在運行μC/OS之后，還可以在os_cfg.h函數中關閉OS不需要的功能模塊，以達到裁減系統、節約內存空間的目的。

2.5 μC/GUI顯示界面

需要先移植，再設計界面。移植過程可以參考其他文獻。設計界面分成兩步：第一步是寫軟件框架，第二步是設計具體界面。每一個對話框都是用創建函數建立，創建函數會調用事先定義的資源，包括控件的形式、位置、大小、初始化值等，對話框還指定了相應的回調函數，通過回調函數操作對話框的行為，完成初始化、繪制、按鈕響應等。代碼如下：

值得注意的是，建立對話框有兩種函數，即阻塞型和非阻塞型。采用非阻塞型的對話框才能在多對話框的操作中實現同步更新。不然，當前對話框使能就會阻塞顯示其他對話框。

GUI_CreateDialogBox(); //非阻塞型

GUI_ExecDialogBox(); //阻塞型

界面設計的細化繪制工作集中在：①初始化時，控件資源決定了界面的布置和美觀;②在回調函數中，按鈕響應函數決定了對話框完成任務的流程。圖8所示是主節點運行界面的主對話框。

2.6 適配從節點

按照主節點的界面和狀態機，修改程序以適配從節點監控設備運行狀態的任務需求。目前設計了3種從節點：一是采集溫度和濕度;二是采集壓力;三是標準數據采集及傳輸。從節點的程序結構和主節點是一致的，需要修改的地方有：

①CAN總線通信協議采用的是從節點的應答指令和狀態機;

②顯示界面的資源與布置需修改。對不需要的任務做屏蔽，節省資源和空間。

圖9所示為第三個從節點的界面。

3 系統應用

通過總線方式將一個主節點和三個從節點連接。主節點選擇500  kbps的波特率，收到從節點發來的狀態確認良好的消息，主節點的當前狀態顯示塊從黃色變成綠色。從節點1和節點2選擇數據發送間隔，按下傳輸按鈕，將溫度、濕度及壓力數值傳送給主節點顯示。

采樣測試中，在需要采集的時刻單擊主節點按鈕，從節點開始采樣，進度條運行。點擊“Transfer”按鈕后，從節點和主節點的傳輸進度條走動一致，完成傳輸后又恢復

了初值。說明正常完成數據采集、傳輸的過程，發送的數據被完整接收。

接收完數據，主節點通過USB線連接電腦，就顯示為一個U盤，其中txt文件是接收的采樣數據，文件名為記錄的實時日期和時間。

結語

本文設計的基于總線的嵌入式設備狀態監控平臺具有主、從節點的分層次結構。總線結構可靠性高，使用數量多。從節點多種模式能夠適應豐富的設備健康狀態監控，且每個節點的界面具有交互性。嵌入式系統提供了很好的平臺，便于拓展任務，本監控平臺具有很強的實用價值。

實驗室中關鍵設備的信息需要及時采集、反饋到主控室中，又因為設備類型多，促使設計者開發主節點、從節點的結構，總線通信的監測平臺。同時，平臺的用戶界面需具有二次開發能力。因此，本文設計了一種設備狀態監測平臺。

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