采用ARM控制器的制動(dòng)性能測(cè)試儀設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)

　　新一代制動(dòng)性能測(cè)試儀的硬件組成如圖5所示：

　　測(cè)試儀的核心控制部件采用ST公司的32位的ARM芯片STM32F107VC，其工作頻率達(dá)到72MHz，存儲(chǔ)器包括256KB Flash存儲(chǔ)器和64KB SRAM，外部設(shè)備包括2個(gè)12位ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、5個(gè)USART、1個(gè)全速USB等^[3]。

　　測(cè)試儀采用SD存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。SD卡支持兩種總線(xiàn)方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線(xiàn)制。而SPI方式采用4線(xiàn)制。SD方式比SPI方式數(shù)據(jù)傳輸速度更快，但由于儀表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是在測(cè)試完成后進(jìn)行，對(duì)存儲(chǔ)速度的要求不高，而且ARM控制芯片上有現(xiàn)成的SPI接口，使用SPI方式控制更為方便，所以我們采用SPI方式的總線(xiàn)。

　　測(cè)試儀的USB接口有兩個(gè)應(yīng)用，一個(gè)應(yīng)用是與GPS模塊通信，此時(shí)儀表的USB接口工作于主機(jī)模式，向GPS模塊提供5V電源。另一個(gè)應(yīng)用是與電腦通信，此時(shí)USB接口工作于設(shè)備模式，電腦會(huì)把SD存儲(chǔ)卡識(shí)別為一個(gè)可移動(dòng)磁盤(pán)，上位機(jī)程序可通過(guò)讀取磁盤(pán)文件的方式訪(fǎng)問(wèn)存放在SD存儲(chǔ)卡中的數(shù)據(jù)。

　　電腦獲取儀表中的測(cè)試數(shù)據(jù)還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式，即使用無(wú)線(xiàn)通信模塊把數(shù)據(jù)上傳到電腦，無(wú)線(xiàn)通信模塊使用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，Zigbee工作在2.4GHz免費(fèi)頻段，具有設(shè)備功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，傳輸距離遠(yuǎn)(1~1000米)，數(shù)據(jù)安全性高等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)通信模塊與ARM控制芯片之間通過(guò)串口連接。

　　測(cè)試儀通過(guò)紅外線(xiàn)接口控制微型熱敏打印機(jī)打印測(cè)量數(shù)據(jù)。ARM控制芯片本身沒(méi)有紅外線(xiàn)驅(qū)動(dòng)接口，所以需要外接紅外編碼/解碼器芯片。紅外編碼/解碼器芯片將串口數(shù)據(jù)信號(hào)按照一定的編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管的信號(hào)，對(duì)于編程者來(lái)說(shuō)可看作直接通過(guò)串口控制打印機(jī)，而不需要了解編碼轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)。

　　測(cè)試儀采用4.3吋，分辨率為272*480的觸摸式液晶屏作為人機(jī)交互界面。界面內(nèi)容、觸摸設(shè)置等都被固化在觸摸屏的Flash ROM中，不占用儀表主控制芯片的內(nèi)存。ARM控制器對(duì)觸摸屏的控制也是通過(guò)串口進(jìn)行的。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　制動(dòng)性能測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)基于μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)，μC/OS是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它的工作原理是把程序分割為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)有自己的優(yōu)先級(jí)，在操作系統(tǒng)的調(diào)度下運(yùn)行。任務(wù)之間的通信通過(guò)信號(hào)量和消息郵箱方式實(shí)現(xiàn)^[4]。

　　根據(jù)儀表的功能，我們把程序劃分為不同的任務(wù)，各任務(wù)間的關(guān)系如圖6所示，其中人機(jī)界面任務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)用戶(hù)指令啟動(dòng)其它各項(xiàng)任務(wù)。

　　現(xiàn)以制動(dòng)性能測(cè)試任務(wù)為例介紹測(cè)量任務(wù)的實(shí)現(xiàn)以及與人機(jī)界面任務(wù)之間的交互通信。圖7是制動(dòng)性能測(cè)試任務(wù)的工作流程圖，在測(cè)量前首先進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)，然后由踏板開(kāi)關(guān)啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程，開(kāi)始采樣加速度傳感器數(shù)據(jù)，在測(cè)量過(guò)程中需要保證采樣時(shí)間間隔的精確和穩(wěn)定，為了達(dá)到這一要求，我們利用定時(shí)器中斷來(lái)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)計(jì)算主要根據(jù)積分近似計(jì)算原理。測(cè)量結(jié)束后通過(guò)文件系統(tǒng)把測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)論存儲(chǔ)到SD卡上。制動(dòng)性能測(cè)試任務(wù)與人機(jī)界面任務(wù)的交互過(guò)程采用消息郵箱方式，如圖8所示，其中OS_Mbox_Brake1、OS_Mbox_Brake2是消息郵箱名稱(chēng)。制動(dòng)性能測(cè)量任務(wù)在校準(zhǔn)過(guò)程完成后設(shè)置OS_Mbox_Brake1的值為字符A。在系統(tǒng)中運(yùn)行的人機(jī)界面任務(wù)不斷地讀取該郵箱，當(dāng)郵箱收到字符A后該任務(wù)控制觸摸屏顯示“準(zhǔn)備”，然后設(shè)置OS_Mbox_Brake2的值為字符B，以通知制動(dòng)性能測(cè)量任務(wù)進(jìn)入測(cè)試準(zhǔn)備狀態(tài)。兩個(gè)任務(wù)之間就是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)同步的。