一种新型嵌入式轮参测量仪设计

摘  要： 针对传统测量仪体积大、成本高、精度难以保证等缺点，基于ARM芯片LPC2214设计了一款手持式的轮参测量仪，具有体积小、精度高、功耗低、容量大等优点。设计中结合实际情况和要求，采用灵活有效的设计方法，在充分利用现有资源的基础上，设计了符合要求的实际电路和相关程序，具有很高的经济价值和参考价值。
关键词： 嵌入式系统；轮参测量；液晶显示；LPC2214

    安全是一个永恒的话题，在交通运输领域尤其如此。在铁路运输中，火车车轮的磨损是影响其安全运行的一个重要因素。对车轮外形的测量，已经从早期的人工模拟式进入到如今的电子数字式，然而现有的测量仪仍然有体积、功耗以及精度等方面的不足。针对这些不足，本文提出并设计了一种以ARM芯片LPC2214为核心的新型测量仪。
1 总体设计
1.1 性能要求
    本设计的任务是设计一款手持式的火车车轮参数测量仪，用来检测车轮的磨损程度，确定车轮的工作状况，保证车辆的正常和安全运行。设计的基本原理是使用激光传感器测量车轮相应的参数，将其传给测量仪，实现数据的处理、存储和显示等。根据设计要求，需要测量的车型包括货车、客车和动车3种，车轮型号有20种，并有以下具体的要求：
    (1)在存储和显示测量数据时提供时间、地点编号、测量员编号等相关信息；
    (2)测量范围10 mm~100 mm，精度0.01 mm，并存储一定数量的测量数据；
    (3)良好的人机交互界面；
    (4)体积小，重量轻，低功耗。
1.2 电路总体设计
    根据性能指标，本设计采用NXP公司的ARM芯片LPC2214作为核心处理器件，外围器件包括实时时钟PCF8563、FLASH存储器SST25VF016B、RS232/485串口驱动芯片和电源芯片，以及液晶屏和小键盘等，如图1所示。

    LPC2214是一款性能优异的微处理器，其基于一种支持实时仿真和跟踪的32 bit ARM7TDMI-STM CPU，带有256 KB片内FLASH存储器、2个UART串口、SPI接口、外部存储器接口等，具有高达60 MHz的操作频率，完全满足设计需要[1，4]。
    本系统有5个外部传感器，其中3个位移传感器、2个激光传感器，具体参数的获取由这5个传感器实现。在数据测量中，根据车型不同，可以简要归结为如下测量方式：(1)动车型的测量，获取连在RS485线的3个位移传感器值和激光传感器4和激光传感器5值；(2)普通客车和货车的测量，先获取连在RS485线的3个位移传感器值和激光传感器4值，再用继电器闭合电磁线圈，延时2 s，读取激光传感器4值。
2 各部分软硬件设计
2.1 实时时钟设计
    实时时钟的任务流程图如图2所示。

    由于在保存测量数据时，需要同时保存测量时的时间，这样便于日后检查统计，而LPC2214内部自带的实时时钟是掉电易失的，故在设计中采用实时时钟芯片PCF8563设计了外部时钟电路。PCF8563是低功耗的CMOS 实时时钟/日历芯片，具有16个８ bit寄存器，采用I²C接口，通过SDA和SCL 2条线与LPC2214相连，使用非常简便。在其电源端接了一个1 F的电容(也可改用纽扣电池)，在测量仪断电时为PCF8563提供电压，从而实现实时计时功能。
    另外，其第10~12个寄存器（09H~0BH）为分钟、小时和日报警寄存器，此处不用报警功能，而将其改为存储测量次数，节省了外部存储空间，也保证了数据的安全性。需要存储的测量次数为16 bit，考虑到3个报警寄存器并非所有位数都是有效的，实际分配为09H取8 bit，0AH和0BH取后4 bit，这样正好16 bit，满足测量数据的存储范围。
2.2 外部存储器设计
    本测量仪是一种手持式设备，对体积要求比较严格。为减小电路板面积和简化布线，外部存储器采用只有8个管脚的小封装SST25VF016B。SST25VF016B是一款16 Mbit(000000H~1FFFFFH，2 MB)SPI接口串行FLASH，其采用的CMOS SuperFlash工艺保证更低的功耗，并具有4 KB、32 KB、64 KB以及Chip-Erase等4种灵活的擦除方式。SST25VF016B的连接如图3所示。

    SST25VF016B的操作包括擦除和读写等，由于对速度的要求不严格，所以在设计中采用GPIO口模拟SPI接口。发送和接收数据的2个子程序如下：
/*******************************************
* 名称：Send_Byte()
* 功能：模拟SPI向SST25发送数据，在SCK的
*         上升沿发送1 bit的数据，共发送8个
*******************************************/
void Send_Byte(uint8 byte_OUT)
{
    uint8 i；
    for(i=0；i<8；i++)
    {
        IO0CLR=SCK；                    //SCK=0
        if((byte_OUT & 0x80)==0x80)        //输出1
        {
        IO0SET=SI；                    //SI=1；
        }
        else
        {
        IO0CLR=SI；                    //SI=0
        }
        byte_OUT=(byte_OUT<<1)；        //输出0
        IO0SET=SCK；                    //SCK=1
    }
}

/*******************************************
* 名称：Get_Byte()
* 功能：模拟SPI接收数据，在SCK的下降沿接收
*         1 bit的数据，共接收8个
*******************************************/
uint8  Get_Byte(void)
{
    uint8 i；
    uint16 byte_IN=0；
    for(i=0；i<8；i++)
    {
        IO0CLR=SCK；                    //SCK=0
        if((IO0PIN>>5)&0x01)            //判断是否输入1
        {
        byte_IN++；
        }
        IO0SET=SCK；                    //SCK=1
        byte_IN=(byte_IN<<1)；
    }
    byte_IN=(byte_IN>>1)；
    return(byte_IN)；
}
    在对外部FLASH存储空间的分配中，前80 KB用来存储20组设定的参数，用轮型编号进行索引，每组占4 KB；剩下的空间用来存储测量数据，每组测量数据分配40 B，用存储在实时时钟报警寄存器内的测量次数进行索引，理论可存储50 380组，可满足长时间使用的需要。另外，在设置和测量的数据中，有一部分参数是小数，可将其转化为整数后存储，读取时再转化为小数即可。外部存储器的读写流程如图4所示。

2.3 液晶屏驱动设计
    液晶屏型号为P160128，由于其没有自带的汉字库，故根据需要显示的汉字通过相关的软件来完成制作汉字库[3]。设计成的字库和ASCII字符约有8 KB，存储在LPC2214的内部FLASH中。此液晶屏为160×128点阵，而每个汉字占用点阵为16×16，故此屏可以显示8行汉字，每行10个，因此对于某些需要显示较多参数的地方，可以考虑分多屏显示。
2.4 键盘扫描程序设计
    根据应用需要，设计中采用4×5矩阵键盘，共计20个按键。键盘扫描程序是整个软件的核心程序，通过使用者对键盘的操作调用相应的子程序，完成相应的设置和控制[4]。
3 软硬件调试
    本设计中需要显示设置、测量、查询3个界面，根据屏幕的大小，设置和查询分为2屏显示，测量界面为1屏显示。
    系统开机时默认进入设置界面，设置界面1和界面2可以通过“→”“←”进行切换，其中实时时钟的设定就是在设置界面2进行的。在设置界面可以对20种轮型进行参数的设置和查看，每组轮型参数的有效长度为40 B，实际分配4 KB，这样做的原因，就是在对某种轮型参数进行修改时，需要先对修改区域进行擦除，可通过调用擦除4 KB子程序Block_Erase4k()来实现，而不会影响到其他组。
    测量界面负责显示经处理后的数据信息。在测量前半部分可以设定6个相关的参数。当检测到“确认”键按下时，系统自动调用子函数save_test_para()来保存测量数据和实时的日期时间，同时测量次数自动加1，为存储下一组测量数据做好准备。
    当需要对之前测量的数据进行查询时，可以切换到“查询”界面。“查询”界面默认显示为刚刚保存的一组测量数据，此时可以通过“↓”“↑”2个按键对序号进行增减，也可以通过数字键输入要查询的测量序号，然后按“确认”键，通过执行子函数Display_querry()调出测量数据。相对于“测量”界面，“查询”界面需要额外显示测量日期和时间，受屏幕限制，同样将其分为2屏，可以通过“→”“←”2个按键进行切换。
    本文以ARM芯片LPC2214为核心，设计了一款手持式测量仪，具有较高的测量精度和非常优越的实用价值。在设计中结合实际要求和器件性能，灵活设计了相应的硬件电路和软件程序，达到了实用目的。作为一款新型的轮参测量仪，本系统最大的意义在于采用合理的器件，以相对很低的成本达到了较高的精度，既可用于测量在线运行列车车轮的磨损，还可以在生产线上对轮型尺寸进行分选，同时，可借鉴该系统的设计思想用于其他对体积、功耗、成本等要求较高的场合。
    此外，在开发过程中，考虑到用户的要求，可采用更高级别标准的器件，以适应各种不同的环境。同时，本系统的操作和显示方式简洁，方便用户使用，可广泛应用于各种相关的场合。
参考文献
[1] 周立功．ARM嵌入式系统基础教程[M]．北京：北京航空 航天大学出版社，2005．
[2] 曹准，周文祥，张学川．基于手机的虚拟仪器技术研究[J]．电子技术应用，2007(9)：91-95．
[3] 张昀超，周明涛，靳世久．液晶显示模块测试系统[J]．电子测量技术，2006，29(4)：42-43．
[4] PHILIPS公司．LPC2114/2124/2212/2214 User Manual．2004．