1 硬件架構(gòu)

以STM32F103為主控芯片，主要包含了5個(gè)外圍電路模塊：實(shí)時(shí)時(shí)鐘、模數(shù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸和界面顯示。模數(shù)處理是A/D模塊加預(yù)處理電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用一片2  MB SPI Flash，數(shù)據(jù)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(shè)備的硬件架構(gòu)圖。

系統(tǒng)采用的

是ST公司推出的基于Cortex—M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列。本系統(tǒng)選用的STM32F103ZET6屬于該系列的高容量芯片，片內(nèi)Flash容量為512  KB，片內(nèi)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(shù)據(jù)寬度。系統(tǒng)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(qū)動(dòng)模塊是SSD1963，采用了16位(5位紅色、6位綠色、5位藍(lán)色)64K接口模式，由FSMC數(shù)據(jù)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(diǎn)位置信息。圖2是LCD接口電路。

CAN總線協(xié)議的高可靠性使其在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。STM32F103的CAN總線單元支持協(xié)議2.0A和2.0B;選用的CAN收發(fā)器是TJA1050，在CAN協(xié)議控制器和物理總線之間起到接口作用，設(shè)計(jì)120  Ω的終端匹配電阻以適應(yīng)不同的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。CAN模塊的接口電路如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步在于清晰地劃分任務(wù)，設(shè)定優(yōu)先級(jí)，根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行情況調(diào)度系統(tǒng)資源。如圖4所示，μC/OS是系統(tǒng)的總調(diào)度，之上有6個(gè)主要的任務(wù)，它們分別對(duì)應(yīng)硬件架構(gòu)中的模塊，運(yùn)行整個(gè)程序。

每個(gè)任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)和啟動(dòng)方式，有周期性啟動(dòng)、信號(hào)量驅(qū)動(dòng)兩種方式。顯示功能由μCGUI驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)AT32文件由FatFs管理。任務(wù)劃分及資源如表1所列。

劃分任務(wù)之后，先實(shí)現(xiàn)板級(jí)支持包，再對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后繪制整個(gè)μCGUI的界面。

2.2 板級(jí)支持包

板級(jí)支持包是指在單板上實(shí)現(xiàn)全部基礎(chǔ)功能，例如時(shí)鐘管理、掉電備份、串口、CAN總線通信、A/D采樣以及顯示任務(wù)的fsmc接口、驅(qū)動(dòng)優(yōu)盤的SPI接口等。利用ST公司提供的標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)函數(shù)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行初始化，配置模塊參數(shù)，在使用時(shí)根據(jù)需要調(diào)用函數(shù)或在中斷進(jìn)行，完成后封裝成一個(gè)Lib庫(kù)文件使用。

在系統(tǒng)中斷里設(shè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷;④USB有兩個(gè)中斷，用于USB端口的收發(fā)設(shè)置。板級(jí)支持包的函數(shù)如圖5所示。

全系統(tǒng)的參數(shù)如下：A/D總線模塊采樣率為1 kHz，最高為5 kHz，通道數(shù)8個(gè)，可以拓展到16通道。串口速率為115  200，數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)校驗(yàn)。CAN用CAN-1口，設(shè)置為500 kbps、250 kbps、100kbps、50 kbps的4檔速率，擴(kuò)展ID形式。

初始化單板需進(jìn)行時(shí)鐘校正，存儲(chǔ)正確的時(shí)間。單板掉電之后用電池工作，存入備份寄存器，上電再取時(shí)間參數(shù)(即秒的數(shù)量)，換算成對(duì)應(yīng)的日期和時(shí)間。顯示模塊采用FSMC并行接口控制，實(shí)現(xiàn)在屏幕上畫出單個(gè)點(diǎn)、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(xié)議

本設(shè)計(jì)采用CAN總線協(xié)議，用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在具體的指令驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)從握手到傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程。圖6是CAN總線通信的狀態(tài)機(jī)。

CAN總線通信指令是英文單詞縮寫用ASCII碼表示的結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和3個(gè)從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指令應(yīng)答方式如圖7所示。初始化時(shí)，主節(jié)點(diǎn)在發(fā)出“TEST”指令后，從節(jié)點(diǎn)回復(fù)“ALOK”，表示從節(jié)點(diǎn)收到指令，工作正常。1號(hào)和2號(hào)從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)測(cè)量溫度、濕度和壓力。主節(jié)點(diǎn)發(fā)送“NEED”指令，從節(jié)點(diǎn)1號(hào)和2號(hào)回復(fù)溫度、濕度數(shù)值給主節(jié)點(diǎn)，格式是對(duì)應(yīng)的“指令+數(shù)據(jù)”。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)ID與指令，判斷數(shù)據(jù)正確性，及時(shí)顯示在屏幕上。

采樣時(shí)，主節(jié)點(diǎn)在指令的驅(qū)動(dòng)下，切換不同狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)備指令，確認(rèn)從節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好之后，再發(fā)出采樣開(kāi)始的“SMPL”命令，從節(jié)點(diǎn)收到指令后，啟動(dòng)采樣，完成后回復(fù)“GOGO”指令。從節(jié)點(diǎn)在采樣結(jié)束后再回復(fù)，是為了減少采樣啟動(dòng)的延時(shí)。主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)指令“DATA”，從節(jié)點(diǎn)先用“LENS”指令告訴主節(jié)點(diǎn)，本次采樣長(zhǎng)度是多少，便于主節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候統(tǒng)計(jì)，是否接收到了數(shù)量正確的數(shù)據(jù)。從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，最后發(fā)送“ENDD”指令，告訴主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)清空，回到初始狀態(tài)。這樣完成了一輪數(shù)據(jù)采樣、發(fā)送過(guò)程。

2.4 μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)

首先，已經(jīng)將板級(jí)支持包編寫完畢，而嵌入式系統(tǒng)首先是單板運(yùn)行，其次是將底層軟件用任務(wù)的方式重新編寫。在單板運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)就是移植的過(guò)程，主要有：

①定義常量的值，聲明數(shù)據(jù)類型、堆棧參數(shù);

②編寫堆棧初始化參數(shù);

③編寫任務(wù)切換的函數(shù)，還有在中斷函數(shù)中提供時(shí)鐘中斷，即給操作系統(tǒng)時(shí)鐘使用。

移植完成之后，進(jìn)行任務(wù)的編寫。分配給7個(gè)任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)、堆棧資源和運(yùn)行方式。其中，App_TaskStart是全部任務(wù)的起始點(diǎn)，優(yōu)先級(jí)最高，由這個(gè)任務(wù)來(lái)建立其他任務(wù)，并且啟動(dòng)統(tǒng)計(jì)任務(wù)。App_TaskCreate建立了其他所有的任務(wù)。AppTaskUSerIF任務(wù)實(shí)現(xiàn)用戶界面，Task_CAN任務(wù)實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文接收，Task_FatFileWR任務(wù)實(shí)現(xiàn)FatFs文件讀寫，AppTaskKbd任務(wù)實(shí)現(xiàn)觸摸驅(qū)動(dòng)，Clock_Update任務(wù)實(shí)現(xiàn)秒更新。

任務(wù)的周期性啟動(dòng)在建立任務(wù)時(shí)確定，例如AppTaskUserIF任務(wù)始終在運(yùn)行，采用WM_Exec函數(shù)做界面更新。AppTaskKbd是10  ms周期讀取觸摸坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)繪制鼠標(biāo)箭頭和觸控功能。

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

CAN_MBOX=OSMboxCreate((void*)0);

//建立CAN接收任務(wù)的消息郵箱

FLAGRECORD=OSFlagCreate(0，err);

//建立記錄文件的開(kāi)關(guān)量

Clock_SEM=OSSemCreate(1);

//建立秒更新中斷的信號(hào)量

在運(yùn)行μC/OS之后，還可以在os_cfg.h函數(shù)中關(guān)閉OS不需要的功能模塊，以達(dá)到裁減系統(tǒng)、節(jié)約內(nèi)存空間的目的。

2.5 μC/GUI顯示界面

需要先移植，再設(shè)計(jì)界面。移植過(guò)程可以參考其他文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)界面分成兩步：第一步是寫軟件框架，第二步是設(shè)計(jì)具體界面。每一個(gè)對(duì)話框都是用創(chuàng)建函數(shù)建立，創(chuàng)建函數(shù)會(huì)調(diào)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(duì)話框還指定了相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，通過(guò)回調(diào)函數(shù)操作對(duì)話框的行為，完成初始化、繪制、按鈕響應(yīng)等。代碼如下：

值得注意的是，建立對(duì)話框有兩種函數(shù)，即阻塞型和非阻塞型。采用非阻塞型的對(duì)話框才能在多對(duì)話框的操作中實(shí)現(xiàn)同步更新。不然，當(dāng)前對(duì)話框使能就會(huì)阻塞顯示其他對(duì)話框。

GUI_CreateDialogBox(); //非阻塞型

GUI_ExecDialogBox(); //阻塞型

界面設(shè)計(jì)的細(xì)化繪制工作集中在：①初始化時(shí)，控件資源決定了界面的布置和美觀;②在回調(diào)函數(shù)中，按鈕響應(yīng)函數(shù)決定了對(duì)話框完成任務(wù)的流程。圖8所示是主節(jié)點(diǎn)運(yùn)行界面的主對(duì)話框。

2.6 適配從節(jié)點(diǎn)

按照主節(jié)點(diǎn)的界面和狀態(tài)機(jī)，修改程序以適配從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)需求。目前設(shè)計(jì)了3種從節(jié)點(diǎn)：一是采集溫度和濕度;二是采集壓力;三是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集及傳輸。從節(jié)點(diǎn)的程序結(jié)構(gòu)和主節(jié)點(diǎn)是一致的，需要修改的地方有：

①CAN總線通信協(xié)議采用的是從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答指令和狀態(tài)機(jī);

②顯示界面的資源與布置需修改。對(duì)不需要的任務(wù)做屏蔽，節(jié)省資源和空間。

圖9所示為第三個(gè)從節(jié)點(diǎn)的界面。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)總線方式將一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和三個(gè)從節(jié)點(diǎn)連接。主節(jié)點(diǎn)選擇500  kbps的波特率，收到從節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的狀態(tài)確認(rèn)良好的消息，主節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)顯示塊從黃色變成綠色。從節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2選擇數(shù)據(jù)發(fā)送間隔，按下傳輸按鈕，將溫度、濕度及壓力數(shù)值傳送給主節(jié)點(diǎn)顯示。

采樣測(cè)試中，在需要采集的時(shí)刻單擊主節(jié)點(diǎn)按鈕，從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始采樣，進(jìn)度條運(yùn)行。點(diǎn)擊“Transfer”按鈕后，從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)的傳輸進(jìn)度條走動(dòng)一致，完成傳輸后又恢復(fù)

了初值。說(shuō)明正常完成數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)倪^(guò)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)被完整接收。

接收完數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB線連接電腦，就顯示為一個(gè)U盤，其中txt文件是接收的采樣數(shù)據(jù)，文件名為記錄的實(shí)時(shí)日期和時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于總線的嵌入式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)具有主、從節(jié)點(diǎn)的分層次結(jié)構(gòu)。總線結(jié)構(gòu)可靠性高，使用數(shù)量多。從節(jié)點(diǎn)多種模式能夠適應(yīng)豐富的設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)控，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的界面具有交互性。嵌入式系統(tǒng)提供了很好的平臺(tái)，便于拓展任務(wù)，本監(jiān)控平臺(tái)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)室中關(guān)鍵設(shè)備的信息需要及時(shí)采集、反饋到主控室中，又因?yàn)樵O(shè)備類型多，促使設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，總線通信的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。同時(shí)，平臺(tái)的用戶界面需具有二次開(kāi)發(fā)能力。因此，本文設(shè)計(jì)了一種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

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