船載中小型信息監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭顏萍，王東明，張志偉

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，各類船舶亟需配備更多質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的中小型信息監(jiān)控終端，用于監(jiān)控氣象狀況、獲取導(dǎo)航信息以便保證航行安全。以ARM、MIPS等領(lǐng)銜的32位處理器在信息監(jiān)控終端應(yīng)用中，顯示出極大優(yōu)勢(shì)，但是一般以32位處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)往往需要配置外部FLASH和SDRAM，這樣就使得開發(fā)和維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的成本較高，本設(shè)計(jì)采用高性能低功耗的AVR單片機(jī)和LCD液晶模塊來(lái)設(shè)計(jì)信息監(jiān)控終端，具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、顯示清晰、人機(jī)界面良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足船舶對(duì)中小型信息監(jiān)控終端的需求。

1 總體設(shè)計(jì)

信息監(jiān)控終端主要由顯示控制板、鍵盤、通信接口和液晶顯示模塊構(gòu)成，具有數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示、人機(jī)交互和屏幕亮度調(diào)整等功能，其組成如圖1所示。

工作過(guò)程為：系統(tǒng)初始化以后，信息監(jiān)控終端按照設(shè)定的工作模式從通信接口接收數(shù)據(jù)，然后通過(guò)LCD控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD液晶顯示屏，通過(guò)鍵盤和顯示屏實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的操作指令。

圖1 信息監(jiān)控終端組成框圖Fig.1 Block diagram of information monitoring terminal

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 液晶顯示模塊與單片機(jī)

液晶顯示模塊選擇EW32F00BCW，它是一款5英寸320×240點(diǎn)陣的液晶顯示器，性能堪比日本原裝的DMF50081，價(jià)格卻便宜很多。該器件采用CCFL背光顯示，顯示方式為全透反顯，顯示顏色為藍(lán)底白字，外型尺寸為139.0 W×102.5 H×13.2 Dmm。

微控制器采用ATMEL公司AVR增強(qiáng)型單片機(jī)AT90 CAN128。其主要性能是：采用CMOS技術(shù)和RISC架構(gòu)；片內(nèi)集成128 kB的FLASH程序存儲(chǔ)器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；具有JTAG接口；集成了8位和16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、SPI同步串口、UART異步串口、獨(dú)立的CAN控制器；并且在軟件上有效支持匯編語(yǔ)言及C高級(jí)語(yǔ)言[1]。

2.2 顯示控制電路

RA8835是一款成本低、通用性強(qiáng)的LCD控制器。它完全涵蓋SED1335現(xiàn)有的功能，并加強(qiáng)了穩(wěn)定性，且擁有制程較新及耗電較低的優(yōu)勢(shì)。RA8835的指令功能豐富，采用4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，可支持文字和圖形的混合顯示，并可將文字和圖形的3層重疊顯示、水平及垂直卷動(dòng)等動(dòng)態(tài)效果呈現(xiàn)于液晶屏上。圖2是顯示控制電路原理圖，AVR單片機(jī)通過(guò)控制線和數(shù)據(jù)線與RA8835直接相連，控制顯示內(nèi)容和顯示方式。為了儲(chǔ)存顯示內(nèi)容并進(jìn)行顯示，RA8835需外接一至兩片外部顯示緩存62256。鍵盤采用2×4矩陣式接口，兩根行線同時(shí)連接中斷，有上下左右4個(gè)方向鍵，以及確認(rèn)、返回、菜單、翻頁(yè)4個(gè)功能鍵組成。

圖2 顯示控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of display and control unit

2.3 通信單元電路

由于不同船舶設(shè)備廠商提供了不同功能的產(chǎn)品和子系統(tǒng)，采用了不同的通信接口，信息監(jiān)控終端需要配置多種通信接口才能與其進(jìn)行通信，因此設(shè)計(jì)了常用的3種：RS232接口、RS422接口、CAN接口，電路組成如圖3所示。

圖3 通信單元電路電路組成框圖Fig.3 Block diagram of communication unit

AT90CAN128具有兩路串行USART接口，輸出TTL電平，其中一路經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平，另外一路經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1482轉(zhuǎn)換為RS422電平。在AT90CAN128的USART與電平轉(zhuǎn)換芯片之間增加光電隔離，使輸入端與輸出端在電氣上完全隔離，互不干擾。AT90CAN128內(nèi)置CAN控制器，只需將控制器的發(fā)送端和接收端連接到CAN總線收發(fā)器即可構(gòu)成CAN總線收發(fā)電路。CTM1050是一款帶隔離的高速 CAN收發(fā)器芯片，該芯片將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能及ESD保護(hù)作用。一般RS232通信都是與上位機(jī)直接相連，距離較短，因此在RS232電平上用穩(wěn)壓管進(jìn)行簡(jiǎn)單保護(hù)。采用RS485和CAN通信時(shí)，一般距離較長(zhǎng)，且多在艙室之外，雷電可能會(huì)造成總線損壞，所以除了設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換，還必須加上隔離保護(hù)電路。

2.4 供電單元電路

供電單元在船電正常時(shí)采用交流220 V供電，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)充電，充滿電后自動(dòng)斷電；在船電故障時(shí)采用鋰電池組供電，供電單元電路組成框圖如圖4所示。外部交流220 V電源通過(guò)適配器轉(zhuǎn)化為14.8 V左右的直流，通過(guò)充電線路為鋰電池組進(jìn)行充電，保護(hù)線路用于防止過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路，然后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出兩路直流5 V，供給AVR單片機(jī)系統(tǒng)。由于LCD背光顯示需要的特殊電源，因此通過(guò)冷陰極背光電源逆變器將直流5 V變換成交流1 300 V供給LCD背光燈管。MAX5437是128級(jí)、高電壓的數(shù)字電位器，采用簡(jiǎn)單的SPI接口代替機(jī)械調(diào)節(jié)，將DC/DC輸出的－24 V電源變換為－10～24 V范圍內(nèi)可調(diào)，從而為液晶顯示模塊提供負(fù)電源和對(duì)比度調(diào)整電壓。

圖4 供電單元電路組成框圖Fig.4 Block diagram of power supply unit

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用AVR Studio+Winavr集成開發(fā)平臺(tái)。AVR Studio是在Windows操作系統(tǒng)下編寫和調(diào)試AVR應(yīng)用程序的嵌入式開發(fā)環(huán)境 （IDE），Winavr是免費(fèi)的AVR開發(fā)程序集，AVR Studio配合Winavr能夠支持AVR C/C++程序的編輯、編譯、連接以及生成目標(biāo)代碼，同時(shí)利用Atmel公司設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)在片仿真器JTAGICE mkⅡ能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線硬件仿真調(diào)試功能和目標(biāo)代碼的下載功能[5]。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下，逐步求精的結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法。終端主程序流程圖如圖5所示，上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，然后查詢鍵盤狀態(tài)，如果有鍵按下立即進(jìn)行按鍵處理，否則按照設(shè)定的工作模式自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、顯示和定時(shí)更新。在進(jìn)行具體程序編寫的時(shí)候，還需注意以下幾個(gè)方面：

1）進(jìn)行系統(tǒng)初始化的時(shí)候，需要完成對(duì)單片機(jī)I/O端口、SPI端口、異步串行端口、CAN端口等的初始化，同時(shí)還要禁止不使用的單片機(jī)功能模塊，如JTAG端口、TWI端口等以降低整機(jī)功耗。

2）初始化完成后，還要對(duì)MAX5437的滑片位置進(jìn)行設(shè)置。由于其內(nèi)部沒有EEPROM，所以軟件中利用單片機(jī)的EEPROM來(lái)記錄滑片的位置信息。考慮到用戶可能將液晶對(duì)比度調(diào)飛，程序中設(shè)計(jì)了通過(guò)鍵盤操作恢復(fù)出廠設(shè)置的功能。

3）采用中斷和查詢相結(jié)合的方式響應(yīng)鍵盤。由于鍵盤行線同時(shí)連接單片機(jī)中斷，程序不必一直查詢鍵盤狀態(tài)，只是中斷產(chǎn)生以后才去掃描鍵盤，從而提高了單片機(jī)工作效率。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Main programe flow diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以AT90CAN128為核心，利用其豐富的片上資源，搭接必要的外圍電路，軟件設(shè)計(jì)與硬件電路緊密結(jié)合，提供了一種低成本高可靠性的船載中小型信息監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案。該終端顯示清晰、工作穩(wěn)定，可操控性強(qiáng)，具有較高的性價(jià)比和廣泛的實(shí)用性，以及極好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]Atmel Corporation.8-bit Microcontroller with 32K/64K/128K Bytes of ISP Flash and CAN Controller AT90CAN32/AT90 CAN64/AT90CAN128[EB/OL].（2008-08）[2011-08].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc7679.pdf.

[2]胡漢才.高檔AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.CTM1050高速CAN隔離收發(fā)器[EB/OL].（2009-07）[2011-08].http://www.embedcontrol.com/products/embed-can-bus/1050/CTM1050_ds.pdf.

[4]方弄玉，趙劍萍.基于ARM LPC2119的水情測(cè)報(bào)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（8）:58-60.FANG Nong-yu，ZHAO Jian-ping.Design and implementation of hydrological forecast output terminal based on ARM LPC-2119[J].Electronic Design Engineering，2010，18（8）:58-60.

[5]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6]王乾發(fā)，齊宇嵐，于浩.基于AVR單片機(jī)的液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（2）:96-99.WANG Qian-fa，QI Yu-lan，YU Hao.Design of LCD display system based on AVR series singlechip[J].Journal of Changchun University of Science and Technology，2008，31（2）:96-99.