摘 要： 提出了利用單芯片實(shí)現(xiàn)面向挖掘機(jī)圖形儀表的新一代車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。采用富士通公司推出的MB86R01作為核心，根據(jù)挖掘機(jī)的要求和特點(diǎn)，主要介紹了挖掘機(jī)儀表的硬件和軟件設(shè)計(jì)。利用μC/OS-II作為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款精度高、靈敏度高、界面友好、工作穩(wěn)定的嵌入式挖掘機(jī)圖形儀表。利用MB89296圖像處理器實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)儀表顯示任務(wù)，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，使圖形顯示更加高效。
關(guān)鍵詞： 圖形儀表；MB86R01；圖像處理器；μC/OS-II；CAN總線
儀表板作為挖掘機(jī)的一個關(guān)鍵部件之一，它集中了全車的儀表，能集中、直觀、迅速地反映挖掘機(jī)在行駛過程中的各種動態(tài)指標(biāo)，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、行駛速度、油溫、水溫、油壓、GPS、視頻、故障診斷及各種指示燈和報(bào)警信號等。挖掘機(jī)駕駛員能夠通過儀表板上顯示的信息，了解挖掘機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，以便及時地對挖掘機(jī)做出相應(yīng)的處理。目前儀表板已經(jīng)由最初的基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表發(fā)展到步進(jìn)電機(jī)式儀表板，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動指針指示車速、轉(zhuǎn)速、油量、水溫等[1]。傳統(tǒng)的挖掘機(jī)表存在占用面積大、分布散亂、顯示內(nèi)容固定單一、顯示信息量小等缺點(diǎn)，不具有可配置性，而且惡劣的工作環(huán)境常常導(dǎo)致儀表顯示的信息不準(zhǔn)確或失靈等[2]。這些傳統(tǒng)儀表板的缺點(diǎn)都在很大程度上影響了駕駛員對挖掘機(jī)的使用。
為克服傳統(tǒng)儀表板的局限性，根據(jù)挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新一代全數(shù)字式挖掘機(jī)圖形儀表板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械儀表來準(zhǔn)確、穩(wěn)定、靈活地顯示挖掘機(jī)所有信息成為一種必要，也是儀表板發(fā)展的一種趨勢。
1 挖掘機(jī)圖形儀表板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
挖掘機(jī)儀表板處理的主要信息有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、水溫、油壓、GPS、視頻、故障診斷以及各種指示燈和報(bào)警信號。本文設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)圖形儀表板的MCU利用CAN總線與控制器ECU等其他各個部件進(jìn)行數(shù)據(jù)間的通信，最終在儀表板上顯示出各個功能模塊的信息。挖掘機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 挖掘機(jī)儀表硬件設(shè)計(jì)
挖掘機(jī)儀表板的硬件框圖如圖2所示，該系統(tǒng)的硬件電路主要包括了以MB86R01為核心的時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG調(diào)試電路、存儲器電路、串口通信電路、視頻輸入電路、LCD顯示電路、按鍵電路和CAN總線收發(fā)電路組成。
該硬件系統(tǒng)的MCU采用的是MB86R01，該芯片是由富士通公司推出的一款單芯片實(shí)現(xiàn)新一代車載終端系統(tǒng)的微處理器。MB86R01整合汽車電子所需的各種功能，如2D/3D繪圖、汽車通信控制系統(tǒng)、程序保護(hù)功能及各種媒體接口；并將這些功能整合在一顆芯片上，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。此產(chǎn)品可對應(yīng)來自汽車導(dǎo)航裝置或數(shù)字儀表板的資料及車載局域網(wǎng)絡(luò)的所有信息，并能同時提供舒適的駕駛環(huán)境以及高品質(zhì)的繪圖顯示。本文的設(shè)計(jì)是將MB86R01應(yīng)用于汽車儀表上的這些特性移植到挖掘機(jī)上來開發(fā)挖掘機(jī)圖形儀表。
MB86R01采用工作主頻達(dá)333 MHz的32 bit ARM926EJ-S內(nèi)核作為控制CPU，片內(nèi)有兩片內(nèi)置的32 KB SRAM，提供了足夠的程序存儲空間。另外，MB86R01中采用富士通的MB89296圖像處理器（GDC）作為2D/3D圖像顯示和視頻捕捉。MB86R01的GDC可以實(shí)現(xiàn)3D繪畫顯示功能，與抗鋸齒功能組合使用能夠繪制光滑漂亮的直線。從幫助安全駕駛的角度出發(fā)，畫面的重疊對于MB86R01實(shí)時地收集各種信息，簡明易懂地傳遞給司機(jī)來說是個非常方便的功能，MB86R01能支持最多6個圖層的重疊，實(shí)現(xiàn)圖像的清晰顯示[3]。這主要是MB86R01利用了專門的圖像處理器，所以在圖像顯示上有其突出的優(yōu)勢。
另外，MB86R01使用視頻紋理映射功能不變形地顯示后部攝像機(jī)等拍攝的圖像，克服了由于視野范圍、廣角鏡頭引起的變形而影響司機(jī)的判斷。新產(chǎn)品不僅可降低成本，并能維持高系統(tǒng)效能。
3 挖掘機(jī)儀表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件部分主要由系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成[4]。對于一個嵌入式系統(tǒng)，選取合適的操作系統(tǒng)支持程序的開發(fā)是一個關(guān)鍵，針對不同的設(shè)計(jì)方案選取合適的操作系統(tǒng)能夠達(dá)到最好的設(shè)計(jì)效果。μC/OS-II操作系統(tǒng)的啟動快、研究免費(fèi)、開源等特性符合本設(shè)計(jì)的需要，因而選擇μC/OS-II作為操作系統(tǒng)比較符合挖掘機(jī)圖形儀表的開發(fā)。應(yīng)用層設(shè)計(jì)是在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編寫執(zhí)行各種任務(wù)的程序代碼。
3.1 μC/OS-II系統(tǒng)簡介
μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化[5]。
3.2 μC/OS-II在MB86R01上的移植及配置
μC/OS-II的源代碼除了那些與硬件關(guān)系極為緊密的軟件模塊不得不用匯編語言編寫之外，絕大部分代碼都是用C語言編寫的，所以μC/OS-II的可移植性極強(qiáng)。移植μC/OS-II要編寫3個文件，即OS_CPU.H、OS_CPU.C、OS_CPU_A.S。在OS_CPU.H中完成所需的基本配置和定義；OS_CPU.C源文件主要移植OSTaskStk Init（）、OSTaskCreateHook（）等6個函數(shù)；OS_CPU_A.S主要完成OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）等4個匯編函數(shù)的移植[6]。
3.3 系統(tǒng)任務(wù)及分析
μC/OS-II將各個執(zhí)行的模塊程序作為任務(wù)，μC/OS-II的任務(wù)是一個無限循環(huán)的子程序。通過一定的調(diào)度機(jī)制來將各個任務(wù)有序?qū)崟r地執(zhí)行下去。本文中的挖掘機(jī)圖形儀表系統(tǒng)可以劃分為以下幾個主要任務(wù)：CAN總線收發(fā)與處理任務(wù)、LCD圖形儀表顯示任務(wù)、串口通信任務(wù)、視頻捕捉顯示任務(wù)、EEPROM存儲任務(wù)、鍵盤處理任務(wù)。各個任務(wù)之間可以通過信號量、郵箱和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)任務(wù)的通信處理。
圖3為CAN收發(fā)與處理任務(wù)和LCD圖形儀表顯示任務(wù)的執(zhí)行過程。初始化完成后，主程序發(fā)起CAN收發(fā)與處理任務(wù)和LCD圖形儀表顯示任務(wù)，兩個任務(wù)先后進(jìn)人等待信號量和等待消息隊(duì)列的狀態(tài)。CAN總線中斷產(chǎn)生后，中斷服務(wù)程序釋放信號量，使CAN總線任務(wù)進(jìn)人就緒狀態(tài)，在其獲得CPU使用權(quán)后，對總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列，從而使LCD圖形儀表顯示任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，通過任務(wù)調(diào)度獲得CPU使用權(quán)后，根據(jù)消息隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，計(jì)算指針需要指向的角度和需要顯示的數(shù)值并通過LCD顯示出來。
4 設(shè)計(jì)中需要解決的問題
4.1 存儲器問題
圖像存儲器是GDC系統(tǒng)的重要組件之一，存儲在圖像存儲器中的信息眾多，因此存儲器至關(guān)重要。存儲在圖像存儲器中的各種類型數(shù)據(jù)有：作圖幀；作圖幀的一個子集；顯示幀；3D作圖用到的Z緩沖數(shù)據(jù)；視頻捕捉緩沖器；一個從視頻輸入接口暫存的每個像素16位的區(qū)域；多邊形作圖標(biāo)志緩沖器；在多邊形作圖時需要的每個像素1位信息；顯示列表緩沖器；紋理映射與光標(biāo)圖形等。需要采取合適的存儲器結(jié)構(gòu)解決CPU和GDC對存儲器的使用問題。
4.2 儀表圖形顯示問題
挖掘機(jī)圖形儀表的顯示有以下三種方案實(shí)現(xiàn)：（1）使用MB86R01自帶的繪圖功能進(jìn)行2D/3D的繪圖，MB86R01中的GDC繪圖功能具有抗鋸齒效果。應(yīng)用其繪圖功能可以繪制各種封閉的多邊形。（2）使用嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)μCGUI來繪制圖形與寫文字。它提供非常好的允許處理灰度的顏色管理，還提供一個可擴(kuò)展的2D圖形庫及占用極少RAM的窗口管理體系。（3）使用圖片格式來直接顯示圖形儀表，利用MB86R01特有的6層LCD顯示實(shí)現(xiàn)圖片的疊加。為了使儀表的畫面豐富多彩、界面友好，因此采用圖片疊加的方法并且結(jié)合使用MB86R01自帶的繪圖功能描繪簡單的圖形進(jìn)行圖形儀表的顯示。
4.3 圖片處理問題
對于采用的圖片疊加顯示的方案，需要進(jìn)行前期的圖片處理與修飾使之適合LCD的顯示。最重要的一個問題在于抗鋸齒算法的處理與實(shí)現(xiàn)。而對于利用MB86R01進(jìn)行繪圖則可以在原圖像的邊緣重新利用抗鋸齒線重新繪制邊緣達(dá)到抗鋸齒效果[3]。
本文介紹了一種基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)的挖掘機(jī)圖形儀表的設(shè)計(jì)方案。利用MB86R01作為MCU較以往采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心的儀表，其功能穩(wěn)定性及精度等都有很大拓展。指針反應(yīng)速度快、指示準(zhǔn)確、圖形顯示清晰、功能強(qiáng)大。未來將會有越來越多的信息集成到儀表盤上，儀表盤未來將告別數(shù)字時代進(jìn)入圖像時代。
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