精品文檔-下載后可編輯一種新型嵌入式輪參測量儀的解決方案-技術方案火車行駛中的操作穩(wěn)定性與行駛安全性，輪胎的異常磨損以及燃油消耗的增加等均與火車車輪定位參數(shù)有關。火車車輪定位參數(shù)是一組車輪靜態(tài)安裝的幾何角度與尺寸數(shù)值，主要包括車輪主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和車輪前束角。目前，國內外使用的車輪定位儀主要采用接觸式的定位方式，由于其測量原理的局限性，其檢測操作過程十分復雜，無法實現(xiàn)快速檢測，使之難以在火車制造廠和火車檢測線中廣泛使用。針對這些不足，本文提出并設計了一種以ARM芯片LPC2214為的新型測量儀。

1總體設計

1.1性能要求

本設計的任務是設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。設計的基本原理是使用激光傳感器測量車輪相應的參數(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、測量員編號等相關信息；

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

（3）良好的人機交互界面；

（4）體積小，重量輕，低功耗。

1.2電路總體設計

根據(jù)性能指標，本設計采用NXP公司的ARM芯片LPC2214作為處理器件，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32bitARM7TDMI-STMCPU,帶有256KB片內FLASH存儲器、2個UART串口、SPI接口、外部存儲器接口等，具有高達60MHz的操作頻率，完全滿足設計需要[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2s,讀取激光傳感器4值。

2各部分軟硬件設計

2.1實時時鐘設計

實時時鐘的縮寫是RTC（Real_TimeClock）。RTC是集成電路，通常稱為時鐘芯片。RTC通常為8PIN,有SOP8、MSOP8、TSSOP8等多種封裝。其中有6個I/O口的功能是一樣的，分為：晶體接口2PIN、MCU接口2PIN、主電源1PIN、地1PIN.這樣就剩下2個I/O的功能定義被區(qū)分開了。所以會有許多的RTC型號。例如荷電科技的H1208、H8563、H1302、H1307、H1381等等。大家看到后會發(fā)現(xiàn)許多RTC在I/O口的定位上有明顯的區(qū)別，所以PCB設計時需要多注意

實時時鐘的任務流程圖如圖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內部自帶的實時時鐘是掉電易失的，故在設計中采用實時時鐘芯片PCF8563設計了外部時鐘電路。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，具有16個8bit寄存器，采用I2C接口，通過SDA和SCL2條線與LPC2214相連，使用非常簡便。在其電源端接了一個1F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16bit,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8bit,0AH和0BH取后4bit,這樣正好16bit,滿足測量數(shù)據(jù)的存儲范圍。

2.2外部存儲器設計

本測量儀是一種手持式設備，對體積要求比較嚴格。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16Mbit（000000H~1FFFFFH,2MB）SPI接口串行FLASH,其采用的CMOSSuperFlash工藝保證更低的功耗，并具有4KB、32KB、64KB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格，所以在設計中采用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：

/*******************************************

*名稱：Send_Byte（）

*功能：模擬SPI向SST25發(fā)送數(shù)據(jù)，在SCK的

*上升沿發(fā)送1bit的數(shù)據(jù)，共發(fā)送8個

*******************************************/

voidSend_Byte（uint8byte_OUT）

{

uint8i;

for（i=0;i8;i++）

{

IO0CLR=SCK;//SCK=0

if（（byte_OUT0x80）==0x80）//輸出1

{

IO0SET=SI;//SI=1;

}

else

{

IO0CLR=SI;//SI=0

}

byte_OUT=（byte_OUT《1）；//輸出0

IO0SET=SCK;//SCK=1

}

}

/*******************************************

*名稱：Get_Byte（）

*功能：模擬SPI接收數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿接收

*1bit的數(shù)據(jù)，共接收8個

*******************************************/

uint8Get_Byte（void）

{

uint8i;

uint16byte_IN=0;

for（i=0;i8;i++）

{

IO0CLR=SCK;//SCK=0

if（（IO0PIN》5）0x01）//判斷是否輸入1

{

byte_IN++;

}

IO0SET=SCK;//SCK=1

byte_IN=（byte_IN《1）；

}

byte_IN=（byte_IN》1）；

return（byte_IN）；

}

在對外部FLASH存儲空間的分配中，前80KB用來存儲20組設定的參數(shù)，用輪型編號進行索引，每組占4KB;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40B,用存儲在實時時鐘報警寄存器內的測量次數(shù)進行索引，理論可存儲50380組，可滿足長時間使用的需要。另外，在設置和測量的數(shù)據(jù)中，有一部分參數(shù)是小數(shù)，可將其轉化為整數(shù)后存儲，讀取時再轉化為小數(shù)即可。外部存儲器的讀寫流程如圖4所示。

2.3液晶屏驅動設計

液晶顯示器件的基本結構是由兩片玻璃基板制成的薄形盒。這種結構利于用作顯示窗口，而且它可以在有限的面積上容納量的顯示內容，顯示內容的利用率。此外，這種結構不僅可以作得很小，如照相機上所用的顯示窗，而且作的很大，如大屏幕液晶電視及大型液晶廣告牌。

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的軟件來完成制作漢字庫[3].設計成的字庫和ASCII字符約有8KB,存儲在LPC2214的內部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鍵盤掃描程序設計

根據(jù)應用需要，設計中采用4×5矩陣鍵盤，共計20個按鍵。鍵盤掃描程序是整個軟件的程序，通過使用者對鍵盤的操作調用相應的子程序，完成相應的設置和控制.

3軟硬件調試

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

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

測量界面負責顯示經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)信息。在測量前半部分可以設定6個相關的參數(shù)。當檢測到"確認"鍵按下時，系統(tǒng)自動調用子函數(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)做好準備。

當需要對之前測量的數(shù)據(jù)進行查詢時，可以切換到"查詢"界面。"查詢"界面默認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"鍵，通過執(zhí)行子函數(shù)Display_querry（）調出測量數(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個按鍵進行切換。

本文以ARM芯片LPC2214為，設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。在設計中結合實際要求和器件性能，靈活設計了