一種新型嵌入式輪參測量儀設(shè)計

蘇磊，張登福

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院航空電子工程系，陜西西安710038)

安全是一個永恒的話題，在交通運輸領(lǐng)域尤其如此。在鐵路運輸中，火車車輪的磨損是影響其安全運行的一個重要因素。對車輪外形的測量，已經(jīng)從早期的人工模擬式進(jìn)入到如今的電子數(shù)字式，然而現(xiàn)有的測量儀仍然有體積、功耗以及精度等方面的不足。針對這些不足，本文提出并設(shè)計了一種以ARM芯片LPC2214為核心的新型測量儀。

1 總體設(shè)計

1.1 性能要求

本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一款手持式的火車車輪參數(shù)測量儀，用來檢測車輪的磨損程度，確定車輪的工作狀況，保證車輛的正常和安全運行。設(shè)計的基本原理是使用激光傳感器測量車輪相應(yīng)的參數(shù)，將其傳給測量儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示等。根據(jù)設(shè)計要求，需要測量的車型包括貨車、客車和動車3種，車輪型號有20種，并有以下具體的要求:

(1)在存儲和顯示測量數(shù)據(jù)時提供時間、地點編號、測量員編號等相關(guān)信息；

(2)測量范圍10 mm～100 mm，精度0.01 mm，并存儲一定數(shù)量的測量數(shù)據(jù)；

(3)良好的人機(jī)交互界面；(4)體積小，重量輕，低功耗。

1.2 電路總體設(shè)計

根據(jù)性能指標(biāo)，本設(shè)計采用NXP公司的ARM芯片LPC2214作為核心處理器件，外圍器件包括實時時鐘PCF8563、FLASH存儲器SST25VF016B、RS232/485串口驅(qū)動芯片和電源芯片，以及液晶屏和小鍵盤等，如圖1所示。

LPC2214是一款性能優(yōu)異的微處理器，其基于一種支持實時仿真和跟蹤的32 bit ARM7TDMI-STMCPU，帶有256 KB片內(nèi)FLASH存儲器、2個UART串口、SPI接口、外部存儲器接口等，具有高達(dá)60 MHz的操作頻率，完全滿足設(shè)計需要[1，4]。

本系統(tǒng)有5個外部傳感器，其中3個位移傳感器、2個激光傳感器，具體參數(shù)的獲取由這5個傳感器實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)測量中，根據(jù)車型不同，可以簡要歸結(jié)為如下測量方式:(1)動車型的測量，獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4和激光傳感器5值；(2)普通客車和貨車的測量，先獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4值，再用繼電器閉合電磁線圈，延時2 s，讀取激光傳感器4值。

2 各部分軟硬件設(shè)計

2.1 實時時鐘設(shè)計

實時時鐘的任務(wù)流程圖如圖2所示。

由于在保存測量數(shù)據(jù)時，需要同時保存測量時的時間，這樣便于日后檢查統(tǒng)計，而LPC2214內(nèi)部自帶的實時時鐘是掉電易失的，故在設(shè)計中采用實時時鐘芯片PCF8563設(shè)計了外部時鐘電路。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，具有16個8 bit寄存器，采用I2C接口，通過SDA和SCL 2條線與LPC2214相連，使用非常簡便。在其電源端接了一個1 F的電容(也可改用紐扣電池)，在測量儀斷電時為PCF8563提供電壓，從而實現(xiàn)實時計時功能。

另外，其第10～12個寄存器(09H～0BH)為分鐘、小時和日報警寄存器，此處不用報警功能，而將其改為存儲測量次數(shù)，節(jié)省了外部存儲空間，也保證了數(shù)據(jù)的安全性。需要存儲的測量次數(shù)為16 bit，考慮到3個報警寄存器并非所有位數(shù)都是有效的，實際分配為09H取8 bit，0AH和0BH取后4 bit，這樣正好16 bit，滿足測量數(shù)據(jù)的存儲范圍。

2.2 外部存儲器設(shè)計

本測量儀是一種手持式設(shè)備，對體積要求比較嚴(yán)格。為減小電路板面積和簡化布線，外部存儲器采用只有8個管腳的小封裝SST25VF016B。SST25VF016B是一款16 Mbit(000000H～1FFFFFH，2 MB)SPI接口串行FLASH，其采用的CMOS SuperFlash工藝保證更低的功耗，并具有4 KB、32 KB、64 KB以及Chip-Erase等4種靈活的擦除方式。SST25VF016B的連接如圖3所示。

SST25VF016B的操作包括擦除和讀寫等，由于對速度的要求不嚴(yán)格，所以在設(shè)計中采用GPIO口模擬SPI接口。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的2個子程序如下:

在對外部FLASH存儲空間的分配中，前80 KB用來存儲20組設(shè)定的參數(shù)，用輪型編號進(jìn)行索引，每組占4 KB；剩下的空間用來存儲測量數(shù)據(jù)，每組測量數(shù)據(jù)分配40 B，用存儲在實時時鐘報警寄存器內(nèi)的測量次數(shù)進(jìn)行索引，理論可存儲50 380組，可滿足長時間使用的需要。另外，在設(shè)置和測量的數(shù)據(jù)中，有一部分參數(shù)是小數(shù)，可將其轉(zhuǎn)化為整數(shù)后存儲，讀取時再轉(zhuǎn)化為小數(shù)即可。外部存儲器的讀寫流程如圖4所示。

2.3 液晶屏驅(qū)動設(shè)計

液晶屏型號為P160128，由于其沒有自帶的漢字庫，故根據(jù)需要顯示的漢字通過相關(guān)的軟件來完成制作漢字庫[3]。設(shè)計成的字庫和ASCII字符約有8 KB，存儲在LPC2214的內(nèi)部FLASH中。此液晶屏為160×128點陣，而每個漢字占用點陣為16×16，故此屏可以顯示8行漢字，每行10個，因此對于某些需要顯示較多參數(shù)的地方，可以考慮分多屏顯示。

2.4 鍵盤掃描程序設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用需要，設(shè)計中采用4×5矩陣鍵盤，共計20個按鍵。鍵盤掃描程序是整個軟件的核心程序，通過使用者對鍵盤的操作調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成相應(yīng)的設(shè)置和控制[4]。

3 軟硬件調(diào)試

本設(shè)計中需要顯示設(shè)置、測量、查詢3個界面，根據(jù)屏幕的大小，設(shè)置和查詢分為2屏顯示，測量界面為1屏顯示。

系統(tǒng)開機(jī)時默認(rèn)進(jìn)入設(shè)置界面，設(shè)置界面1和界面2可以通過“→”“←”進(jìn)行切換，其中實時時鐘的設(shè)定就是在設(shè)置界面2進(jìn)行的。在設(shè)置界面可以對20種輪型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和查看，每組輪型參數(shù)的有效長度為40 B，實際分配4 KB，這樣做的原因，就是在對某種輪型參數(shù)進(jìn)行修改時，需要先對修改區(qū)域進(jìn)行擦除，可通過調(diào)用擦除4 KB子程序Block_Erase4k()來實現(xiàn)，而不會影響到其他組。

測量界面負(fù)責(zé)顯示經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)信息。在測量前半部分可以設(shè)定6個相關(guān)的參數(shù)。當(dāng)檢測到“確認(rèn)”鍵按下時，系統(tǒng)自動調(diào)用子函數(shù)save_test_para()來保存測量數(shù)據(jù)和實時的日期時間，同時測量次數(shù)自動加1，為存儲下一組測量數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

當(dāng)需要對之前測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時，可以切換到“查詢”界面。“查詢”界面默認(rèn)顯示為剛剛保存的一組測量數(shù)據(jù)，此時可以通過“↓”“↑”2個按鍵對序號進(jìn)行增減，也可以通過數(shù)字鍵輸入要查詢的測量序號，然后按“確認(rèn)”鍵，通過執(zhí)行子函數(shù)Display_querry()調(diào)出測量數(shù)據(jù)。相對于“測量”界面，“查詢”界面需要額外顯示測量日期和時間，受屏幕限制，同樣將其分為2屏，可以通過“→”“←”2個按鍵進(jìn)行切換。

本文以ARM芯片LPC2214為核心，設(shè)計了一款手持式測量儀，具有較高的測量精度和非常優(yōu)越的實用價值。在設(shè)計中結(jié)合實際要求和器件性能，靈活設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，達(dá)到了實用目的。作為一款新型的輪參測量儀，本系統(tǒng)最大的意義在于采用合理的器件，以相對很低的成本達(dá)到了較高的精度，既可用于測量在線運行列車車輪的磨損，還可以在生產(chǎn)線上對輪型尺寸進(jìn)行分選，同時，可借鑒該系統(tǒng)的設(shè)計思想用于其他對體積、功耗、成本等要求較高的場合。

此外，在開發(fā)過程中，考慮到用戶的要求，可采用更高級別標(biāo)準(zhǔn)的器件，以適應(yīng)各種不同的環(huán)境。同時，本系統(tǒng)的操作和顯示方式簡潔，方便用戶使用，可廣泛應(yīng)用于各種相關(guān)的場合。

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]曹準(zhǔn)，周文祥，張學(xué)川.基于手機(jī)的虛擬儀器技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007(9):91-95.

[3]張昀超，周明濤，靳世久.液晶顯示模塊測試系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2006，29(4):42-43.

[4]PHILIPS公司.LPC2114/2124/2212/2214 User Manual.2004.