分布式配電綜合顯示控制系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 為了提高特種戰(zhàn)車配電控制系統(tǒng)智能化控制能力和故障診斷能力，同時滿足實時性的要求，設(shè)計一套基于STM32單片機(jī)的嵌入式配電顯示控制系統(tǒng)。該顯示系統(tǒng)以STM32F217芯片為核心，通過合理的模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了分布式多節(jié)點配電設(shè)備的控制和實時監(jiān)控功能。通過測試證明，所設(shè)計系統(tǒng)具有操作簡單、易擴(kuò)展、實時性強(qiáng)等特點，能夠滿足特種車輛配電系統(tǒng)的使用要求。

關(guān)鍵詞： 分布式配電； 顯示控制系統(tǒng)； STM32； 特種戰(zhàn)車； 配電系統(tǒng)； 控制器局域網(wǎng)

中圖分類號： TN850.3?34； TP319" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）10?0064?05

Design of distributed distribution integrated display control system

Abstract： In order to improve the intelligent control and fault diagnosis capabilities of the special combat vehicle power distribution control system， while meeting the requirements of real?time performance， an embedded power distribution display control system based on STM32 microcontroller is designed. The display system is based on the STM32F217 chip and can realize the control and real?time monitoring functions of distributed multi node power distribution equipment by means of reasonable modular design. The testing results show that the system has the designed characteristics of simple operation， easy expansion， and strong real?time performance， which can meet the usage requirements of special vehicle power distribution systems.

Keywords： distributed distribution; display control system; STM32; special forces vehicles; distribution system; controller area network

配電設(shè)備作為特種戰(zhàn)車重要的組成部分[1]，其為整車發(fā)射單元、探測單元、導(dǎo)航單元等用電設(shè)備提供電力支持。根據(jù)供電對象需求的不同，配電設(shè)備一般分為：高壓交流設(shè)備、高壓直流設(shè)備和低壓直流設(shè)備等。這些設(shè)備作為整車的主要電力輸出設(shè)備，提供電力的同時還要進(jìn)行供配電數(shù)據(jù)信息采集、狀態(tài)信息監(jiān)控、配電運行管理[2?4]；同時還具有過壓、欠壓、缺相、漏電流等保護(hù)功能，實現(xiàn)各種用電設(shè)備安全保障措施[5]。在戰(zhàn)場上，為了防止敵軍破壞，這些配電設(shè)備往往分散地分布于車身的不同位置，這樣雖然提高了安全性，但帶來了操作上的不便。在瞬息萬變的戰(zhàn)場上，時機(jī)的把握是非常重要的?；诖耍疚脑O(shè)計了一個配電顯示控制終端，統(tǒng)一集中管理這些配電設(shè)備，降低操作的復(fù)雜性。整個系統(tǒng)以配電顯示控制終端為中心，通過控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network， CAN）與各個配電設(shè)備相連，并配備交互式顯示界面，實時顯示各個配電設(shè)備的狀態(tài)，實現(xiàn)了系統(tǒng)電氣控制的數(shù)字化和智能化。

1" 系統(tǒng)整體方案

配電顯示控制系統(tǒng)主要由CAN總線通信、報文解析功能模塊、控制指令下發(fā)功能模塊、按鍵檢測功能模塊、參數(shù)設(shè)置功能模塊、故障記錄功能模塊、顯示控制功能模塊等組成。顯示控制系統(tǒng)由STM32F217及其外圍電路組成，是整車配電系統(tǒng)的核心，主要完成配電設(shè)備運行狀態(tài)報文和應(yīng)答報文的解析、顯示界面內(nèi)容的刷新和響應(yīng)外部按鍵操作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

配電設(shè)備主控通過CAN總線與顯示控制系統(tǒng)和其他主控進(jìn)行互連通信[6]。上電初始化后，配電設(shè)備主控負(fù)責(zé)將各個執(zhí)行模塊反饋回來的電壓值、電流值、接通情況以及故障信息打包成運行狀態(tài)報文轉(zhuǎn)發(fā)至顯示控制系統(tǒng)，并接收來自顯示控制系統(tǒng)的控制報文，用以控制各個通道的接通和關(guān)斷。顯示控制系統(tǒng)同時作為參數(shù)設(shè)置和讀取的終端，能夠下發(fā)讀取參數(shù)報文和參數(shù)設(shè)置報文，配電設(shè)備在收到顯示控制系統(tǒng)的報文后進(jìn)行解析，并根據(jù)報文的類型進(jìn)行應(yīng)答，同時使用內(nèi)部CAN與執(zhí)行模塊進(jìn)行通信。CAN通信結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

為了減輕總線的負(fù)載，同時提高系統(tǒng)的實時性，將報文分為周期性報文和非周期性報文。報文的類型和功能如表1所示。非周期性報文按需求進(jìn)行下發(fā)，周期性報文則按照固定的周期進(jìn)行發(fā)送。顯示控制系統(tǒng)收到配電設(shè)備主控的周期性運行狀態(tài)報文后，根據(jù)報文ID進(jìn)行分類并數(shù)據(jù)解析，并將解析的結(jié)果顯示在顯示模塊上。在檢測到配電設(shè)備出現(xiàn)故障后，故障告警模塊會通過蜂鳴器進(jìn)一步提醒用戶及時處理故障信息。按鍵模塊主要用于顯示模塊的頁面切換和開關(guān)。測溫模塊用于采集顯示控制系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度。

2" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)主程序

顯示控制系統(tǒng)主程序在上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，并在自檢和歷史數(shù)據(jù)加載后進(jìn)入主循環(huán)。初始化包括系統(tǒng)時鐘、外部I/O（輸入/輸出）、串口、定時器、CAN通信、內(nèi)部變量等。在主循環(huán)中，主程序循環(huán)調(diào)用其他模塊，包括按鍵開關(guān)的檢測、數(shù)據(jù)報文的解析、溫度采集、顯示器內(nèi)容刷新、系統(tǒng)運行狀態(tài)刷新等。主程序流程如圖3所示。

按鍵掃描主要是掃描“上”“下”“左“右”“確認(rèn)”以及“返回”按鍵是否被長按和短按，根據(jù)各個按鍵的狀態(tài)進(jìn)行顯示內(nèi)容更新和頁面的切換。

CAN報文解析是用于解析來自配電設(shè)備主控的運行報文和應(yīng)答報文，并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，更新顯示頁面的內(nèi)容。故障記錄是根據(jù)數(shù)據(jù)解析的結(jié)果，檢測是否上報了故障信息，如果發(fā)生了故障，則將故障寫入內(nèi)存中防止掉電數(shù)據(jù)擦除，并更新故障頁面的內(nèi)容，同時通過故障告警模塊通知用戶。

2.2" 交互設(shè)計

交互指定的是該顯示系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶的操作，在程序設(shè)計過程中采用有限狀態(tài)機(jī)[7?8]模式進(jìn)行開發(fā)。由于系統(tǒng)處于不同的頁面下，所定義的按鍵操作是不一樣的，因此將當(dāng)前系統(tǒng)所處頁面作為系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)此狀態(tài)響應(yīng)對應(yīng)的按鍵操作。系統(tǒng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)體定義如下：

以結(jié)構(gòu)體數(shù)組的形式列出所有的狀態(tài)與其對應(yīng)的操作，交互程序設(shè)計流程如圖4所示。該流程圖只包含了按鍵“上”“下”和“翻頁”時操作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到按鍵按下時，首先查詢當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，即所處的頁面，根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行該狀態(tài)對應(yīng)的函數(shù)，通過統(tǒng)一的程序接口能夠方便程序的擴(kuò)展和復(fù)用。而系統(tǒng)的狀態(tài)切換根據(jù)按鍵“翻頁”“確認(rèn)”以及“返回”進(jìn)行更新。其中，“翻頁”和“返回”只要一按下，系統(tǒng)的狀態(tài)就會發(fā)生改變；而“確認(rèn)”鍵只有需要進(jìn)入子界面時才會發(fā)生改變，作為軟開關(guān)功能時系統(tǒng)不發(fā)生狀態(tài)的改變。

2.3" 數(shù)據(jù)接收與解析

配電設(shè)備以節(jié)點的形式掛載在CAN總線上[9?10]，為了方便快速地對每個節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，為每個節(jié)點設(shè)置節(jié)點ID，且保證節(jié)點的ID是獨一無二的。同時根據(jù)報文的功能設(shè)置功能碼，通過節(jié)點的ID和報文的功能碼合成CAN通信的數(shù)據(jù)幀的擴(kuò)展ID。ID各位的內(nèi)容和數(shù)據(jù)段的定義如圖5所示。

對于單個配電設(shè)備而言，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大于CAN通信的所規(guī)定的8個字節(jié)，因此需要將數(shù)據(jù)拆分成多個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)段的第一個字節(jié)的高4位用來標(biāo)識當(dāng)前幀，后4位用來標(biāo)識所要發(fā)送的總幀數(shù)。在發(fā)送過程中，更新當(dāng)前幀的標(biāo)識。為了進(jìn)一步保證接收端收到數(shù)據(jù)的正確性，在最后一幀數(shù)據(jù)段的最后一個字節(jié)加上校驗碼。配電顯示控制系統(tǒng)在接收配電設(shè)備主控上報的報文后，首先根據(jù)ID判斷配電設(shè)備的歸屬；接著根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)將數(shù)據(jù)拷貝至對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，只有接收到了完整的報文并通過校驗后，才會進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。完整的報文要求當(dāng)前幀等于總幀。如果在固定時間內(nèi)未收到配電設(shè)備主控模塊的報文，則判定配電設(shè)備掉線。程序設(shè)計流程如圖6所示。

2.4" 數(shù)據(jù)下發(fā)

數(shù)據(jù)下發(fā)模塊主要用于發(fā)送控制報文和設(shè)置報文。其中，控制報文由配電顯示控制系統(tǒng)以固定的周期通過CAN總線發(fā)送至配電設(shè)備主控，用以控制配電設(shè)備輸出通道的接通和關(guān)斷，報文的內(nèi)容需要根據(jù)用戶的操作進(jìn)行更新。

如圖7所示，將數(shù)據(jù)段的每兩位映射成所要控制通道的狀態(tài)，其中“11”表示接通該通道，“00”表示關(guān)閉該通道。在顯示控制系統(tǒng)檢測到用戶更改通道的狀態(tài)時，立即檢測通道的狀態(tài)，當(dāng)該通道為可控的時候，修改報文對應(yīng)位的數(shù)值。接通時的流程如圖8所示。

關(guān)斷相對接通在程序的設(shè)計上要相對復(fù)雜一些，為了避免快速頻繁接通和關(guān)斷設(shè)備導(dǎo)致設(shè)備故障，針對高壓配電設(shè)備加入了延時保護(hù)功能，關(guān)斷時的程序流程如圖9所示。

設(shè)置報文是非周期性的，用以規(guī)定通道的工作條件，提供告警和故障的依據(jù)，只在用戶修改完參數(shù)進(jìn)行保存時才會下發(fā)至配電設(shè)備主控。在發(fā)送完成后，開始累計時間，在規(guī)定時間內(nèi)未收到配電設(shè)備的應(yīng)答報文則會提示保存失敗，提示用戶重新下發(fā)。所有參數(shù)也會保存至內(nèi)存，防止掉電數(shù)據(jù)擦除。

2.5" 溫度采集

溫度采集采用DS18B20溫度傳感器，該傳感器通過單總線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與接收，且有較為嚴(yán)格的通信時序要求[11?12]。而顯示控制系統(tǒng)主程序隨時都會面臨著被CAN通信接收中斷、定時器中斷打斷轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷函數(shù)的可能，無法嚴(yán)格保證通信時序，從而導(dǎo)致接收到錯誤的數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合實際工作溫度緩變的特性，提出以下判別式用以更新系統(tǒng)溫度值：

式中：sysTemp代表當(dāng)前系統(tǒng)的溫度值；lastSysTemp代表上一次系統(tǒng)溫度；cntTemp代表當(dāng)前采集溫度；lastTemp代表上一次采集溫度。根據(jù)判別式，只有當(dāng)相鄰兩次采集的溫度差值小于設(shè)定閾值時才會更新系統(tǒng)的溫度值，否則溫度保持不變。

在實際應(yīng)用過程中，通常還需要增加連續(xù)判斷相鄰采集溫度差值低于閾值的條件，即連續(xù)多次低于閾值才更新系統(tǒng)溫度，程序設(shè)計如圖10所示。

3" 系統(tǒng)應(yīng)用

采用本文設(shè)計的配電顯示控制系統(tǒng)同時與多個配電設(shè)備相連進(jìn)行測試，系統(tǒng)的一些運行參數(shù)如表2所示。為了進(jìn)一步分析CAN總線的通信情況，將CAN分析儀接入總線，測得總線利用率如圖11所示，當(dāng)前總線的利用率不足10%，并且沒有出現(xiàn)錯誤幀和漏幀的情況。

在顯示方面，由于本方案采用的是串口顯示屏，界面背景和內(nèi)容的顯示是獨立的，顯示器本身會將導(dǎo)入的頁面進(jìn)行顯示，配電顯示控制系統(tǒng)只需要負(fù)責(zé)將內(nèi)容通過串口寫入對應(yīng)的地址空間即可，通過測試50 ms刷新內(nèi)容并不會出現(xiàn)卡頓和延遲的現(xiàn)象。

4" 結(jié)" 語

本文設(shè)計一套基于STM32F217的配電顯示控制系統(tǒng)，采用CAN總線與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信，并定義一套通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸與解析的正確性。設(shè)計的交互頁面能夠?qū)崟r監(jiān)控各節(jié)點配電設(shè)備及其各通道的狀態(tài)，并進(jìn)行故障提示與記錄；結(jié)合按鍵的使用，還能方便控制節(jié)點設(shè)備通道的接通和關(guān)斷，降低操作難度。經(jīng)過實驗論證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足實際需求。

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