分布式配電綜合顯示控制系統設計

摘" 要： 為了提高特種戰車配電控制系統智能化控制能力和故障診斷能力，同時滿足實時性的要求，設計一套基于STM32單片機的嵌入式配電顯示控制系統。該顯示系統以STM32F217芯片為核心，通過合理的模塊化設計，實現了分布式多節點配電設備的控制和實時監控功能。通過測試證明，所設計系統具有操作簡單、易擴展、實時性強等特點，能夠滿足特種車輛配電系統的使用要求。

關鍵詞： 分布式配電； 顯示控制系統； STM32； 特種戰車； 配電系統； 控制器局域網

中圖分類號： TN850.3?34； TP319" " " " " " " " " "文獻標識碼： 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

配電設備作為特種戰車重要的組成部分[1]，其為整車發射單元、探測單元、導航單元等用電設備提供電力支持。根據供電對象需求的不同，配電設備一般分為：高壓交流設備、高壓直流設備和低壓直流設備等。這些設備作為整車的主要電力輸出設備，提供電力的同時還要進行供配電數據信息采集、狀態信息監控、配電運行管理[2?4]；同時還具有過壓、欠壓、缺相、漏電流等保護功能，實現各種用電設備安全保障措施[5]。在戰場上，為了防止敵軍破壞，這些配電設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。在瞬息萬變的戰場上，時機的把握是非常重要的?；诖?，本文設計了一個配電顯示控制終端，統一集中管理這些配電設備，降低操作的復雜性。整個系統以配電顯示控制終端為中心，通過控制器局域網（Controller Area Network， CAN）與各個配電設備相連，并配備交互式顯示界面，實時顯示各個配電設備的狀態，實現了系統電氣控制的數字化和智能化。

1" 系統整體方案

配電顯示控制系統主要由CAN總線通信、報文解析功能模塊、控制指令下發功能模塊、按鍵檢測功能模塊、參數設置功能模塊、故障記錄功能模塊、顯示控制功能模塊等組成。顯示控制系統由STM32F217及其外圍電路組成，是整車配電系統的核心，主要完成配電設備運行狀態報文和應答報文的解析、顯示界面內容的刷新和響應外部按鍵操作。系統總體結構如圖1所示。

配電設備主控通過CAN總線與顯示控制系統和其他主控進行互連通信[6]。上電初始化后，配電設備主控負責將各個執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報文轉發至顯示控制系統，并接收來自顯示控制系統的控制報文，用以控制各個通道的接通和關斷。顯示控制系統同時作為參數設置和讀取的終端，能夠下發讀取參數報文和參數設置報文，配電設備在收到顯示控制系統的報文后進行解析，并根據報文的類型進行應答，同時使用內部CAN與執行模塊進行通信。CAN通信結構圖如圖2所示。

為了減輕總線的負載，同時提高系統的實時性，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行下發，周期性報文則按照固定的周期進行發送。顯示控制系統收到配電設備主控的周期性運行狀態報文后，根據報文ID進行分類并數據解析，并將解析的結果顯示在顯示模塊上。在檢測到配電設備出現故障后，故障告警模塊會通過蜂鳴器進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。測溫模塊用于采集顯示控制系統所處環境的溫度。

2" 系統軟件設計

2.1" 系統主程序

顯示控制系統主程序在上電后，首先完成系統的初始化，并在自檢和歷史數據加載后進入主循環。初始化包括系統時鐘、外部I/O（輸入/輸出）、串口、定時器、CAN通信、內部變量等。在主循環中，主程序循環調用其他模塊，包括按鍵開關的檢測、數據報文的解析、溫度采集、顯示器內容刷新、系統運行狀態刷新等。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”以及“返回”按鍵是否被長按和短按，根據各個按鍵的狀態進行顯示內容更新和頁面的切換。

CAN報文解析是用于解析來自配電設備主控的運行報文和應答報文，并存儲到相應的數據結構中，更新顯示頁面的內容。故障記錄是根據數據解析的結果，檢測是否上報了故障信息，如果發生了故障，則將故障寫入內存中防止掉電數據擦除，并更新故障頁面的內容，同時通過故障告警模塊通知用戶。

2.2" 交互設計

交互指定的是該顯示系統可以響應用戶的操作，在程序設計過程中采用有限狀態機[7?8]模式進行開發。由于系統處于不同的頁面下，所定義的按鍵操作是不一樣的，因此將當前系統所處頁面作為系統的狀態，并根據此狀態響應對應的按鍵操作。系統狀態結構體定義如下：

以結構體數組的形式列出所有的狀態與其對應的操作，交互程序設計流程如圖4所示。該流程圖只包含了按鍵“上”“下”和“翻頁”時操作。當系統檢測到按鍵按下時，首先查詢當前系統的狀態，即所處的頁面，根據不同的狀態執行該狀態對應的函數，通過統一的程序接口能夠方便程序的擴展和復用。而系統的狀態切換根據按鍵“翻頁”“確認”以及“返回”進行更新。其中，“翻頁”和“返回”只要一按下，系統的狀態就會發生改變；而“確認”鍵只有需要進入子界面時才會發生改變，作為軟開關功能時系統不發生狀態的改變。

2.3" 數據接收與解析

配電設備以節點的形式掛載在CAN總線上[9?10]，為了方便快速地對每個節點進行數據解析，為每個節點設置節點ID，且保證節點的ID是獨一無二的。同時根據報文的功能設置功能碼，通過節點的ID和報文的功能碼合成CAN通信的數據幀的擴展ID。ID各位的內容和數據段的定義如圖5所示。

對于單個配電設備而言，其傳輸的數據大于CAN通信的所規定的8個字節，因此需要將數據拆分成多個數據幀進行發送。本系統將數據段的第一個字節的高4位用來標識當前幀，后4位用來標識所要發送的總幀數。在發送過程中，更新當前幀的標識。為了進一步保證接收端收到數據的正確性，在最后一幀數據段的最后一個字節加上校驗碼。配電顯示控制系統在接收配電設備主控上報的報文后，首先根據ID判斷配電設備的歸屬；接著根據數據區的第一個字節將數據拷貝至對應的數據緩沖區，只有接收到了完整的報文并通過校驗后，才會進行數據解析。完整的報文要求當前幀等于總幀。如果在固定時間內未收到配電設備主控模塊的報文，則判定配電設備掉線。程序設計流程如圖6所示。

2.4" 數據下發

數據下發模塊主要用于發送控制報文和設置報文。其中，控制報文由配電顯示控制系統以固定的周期通過CAN總線發送至配電設備主控，用以控制配電設備輸出通道的接通和關斷，報文的內容需要根據用戶的操作進行更新。

如圖7所示，將數據段的每兩位映射成所要控制通道的狀態，其中“11”表示接通該通道，“00”表示關閉該通道。在顯示控制系統檢測到用戶更改通道的狀態時，立即檢測通道的狀態，當該通道為可控的時候，修改報文對應位的數值。接通時的流程如圖8所示。

關斷相對接通在程序的設計上要相對復雜一些，為了避免快速頻繁接通和關斷設備導致設備故障，針對高壓配電設備加入了延時保護功能，關斷時的程序流程如圖9所示。

設置報文是非周期性的，用以規定通道的工作條件，提供告警和故障的依據，只在用戶修改完參數進行保存時才會下發至配電設備主控。在發送完成后，開始累計時間，在規定時間內未收到配電設備的應答報文則會提示保存失敗，提示用戶重新下發。所有參數也會保存至內存，防止掉電數據擦除。

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行數據傳輸與接收，且有較為嚴格的通信時序要求[11?12]。而顯示控制系統主程序隨時都會面臨著被CAN通信接收中斷、定時器中斷打斷轉而去執行中斷函數的可能，無法嚴格保證通信時序，從而導致接收到錯誤的數據。

本文結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溫度值：

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

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

3" 系統應用

采用本文設計的配電顯示控制系統同時與多個配電設備相連進行測試，系統的一些運行參數如表2所示。為了進一步分析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，當前總線的利用率不足10%，并且沒有出現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，界面背景和內容的顯示是獨立的，顯示器本身會將導入的頁面進行顯示，配電顯示控制系統只需要負責將內容通過串口寫入對應的地址空間即可，通過測試50 ms刷新內容并不會出現卡頓和延遲的現象。

4" 結" 語

本文設計一套基于STM32F217的配電顯示控制系統，采用CAN總線與其他配電設備進行通信，并定義一套通信協議來保證數據傳輸與解析的正確性。設計的交互頁面能夠實時監控各節點配電設備及其各通道的狀態，并進行故障提示與記錄；結合按鍵的使用，還能方便控制節點設備通道的接通和關斷，降低操作難度。經過實驗論證，該系統運行穩定可靠，能夠滿足實際需求。

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