董心

(青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520)

電動堆高車安全顯示系統(tǒng)設(shè)計

董心

(青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520)

介紹一種基于STM32平臺的電動堆高車輔助安全系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要包括STM32控制器、CAN通信網(wǎng)絡(luò)以及TFT-LCD顯示屏，STM32控制器通過CAN控制器讀取CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過LCD顯示屏形象顯示出來，供操作員參考。闡述了系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計和顯示屏的圖像合理化顯示等內(nèi)容，實現(xiàn)了影響電動堆高車安全參數(shù)的實時顯示。

電動堆高車；STM32控制器； CAN通信； LCD顯示屏

0 引言

近年來，隨著倉儲物流行業(yè)的快速發(fā)展，搬運(yùn)車和內(nèi)燃機(jī)叉車在搬運(yùn)過程中被廣泛地運(yùn)用，電動堆高車作為新型運(yùn)輸工具也異軍突起。與傳統(tǒng)的搬運(yùn)工具相比，電動堆高車具有操作簡單、易維護(hù)、安全性高、價格低等優(yōu)點；同時，電動堆高車的能量來源是電能，這與以柴油為動力的內(nèi)燃機(jī)叉車相比具有噪聲低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，其能源的消耗對環(huán)境造成的壓力較小。當(dāng)下的中國正在經(jīng)歷著工業(yè)的變革，政府出臺一系列扶持新能源政策，新能源正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，電動堆高車行業(yè)的發(fā)展正順應(yīng)了時代的潮流。

在電動堆高車的實際使用過程中，由于重物形狀的不規(guī)則或者重物被不均勻地裝在箱體中等原因，使得無法確保重物重心落在電動堆高車叉齒的中央。操作員在操作堆高車時無法確定堆高車的質(zhì)心位置和重物質(zhì)量，這對操作員的操作起到了一定的干擾，因此迫切需要一種安全輔助裝置來將影響電動堆高車安全性的相關(guān)參數(shù)顯示給操作員，確保其在合理安全的范圍內(nèi)操作。傳統(tǒng)的車輛顯示儀表電路系統(tǒng)主要通過控制電路的導(dǎo)通與否來點亮或熄滅燈光，燈光的外部有圖形輪廓，通過輪廓的含義，操作員可以知道系統(tǒng)的提示信息。這種傳統(tǒng)的顯示方法的弊端在于：顯示的內(nèi)容可變性差，無法顯示一些變化細(xì)微的內(nèi)容，同時如果顯示內(nèi)容過多，對應(yīng)的電路系統(tǒng)所占空間過多。 這種傳統(tǒng)的顯示方式集成化程度不夠好，為克服這種缺點，此系統(tǒng)采用LCD顯示屏對信息進(jìn)行顯示，顯示內(nèi)容豐富，空間利用率高。

1 系統(tǒng)總體框架

電動堆高車輔助安全信息系統(tǒng)的整體架構(gòu)包括STM32處理器、CAN 通信網(wǎng)絡(luò)、TFT-LCD顯示器三部分。STM32處理器通過CAN控制器來讀取通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)， STM32處理器通過其內(nèi)部算法將讀取的數(shù)據(jù)運(yùn)算成用戶容易理解和需要的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

CAN是一種多主方式的串行通信總線，傳輸速率高，抗干擾性強(qiáng)，能夠檢測產(chǎn)品的任何錯誤。同時CAN通信具有優(yōu)先權(quán)和仲裁的功能，多個控制模塊搭載到CAN總線上就可以實現(xiàn)通信信息的處理，其可靠性和實時性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的通信技術(shù)[1-2]。實現(xiàn)CAN通信的芯片有很多種類型，文中實現(xiàn)CAN通信主要是依托STM32F103RB的CAN控制器[3-4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主控芯片

電動堆高車輔助安全信息系統(tǒng)主控芯片選取意法半導(dǎo)體的STM32F103RB芯片，其內(nèi)核是基于ARM32位的Cortex-M3，最高工作頻率是72 MHz、芯片F(xiàn)lash容量為128 kB。芯片有7個定時器、2個ADC和9個通信接口。STM32系列芯片具有價格低、功耗小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動和汽車儀表顯示等領(lǐng)域。同時該款芯片有已經(jīng)開發(fā)好的庫函數(shù)，庫函數(shù)的穩(wěn)定性非常高，這使得開發(fā)者可以從復(fù)雜的寄存器中解脫出來，不必花費(fèi)大量的時間去搞明白寄存器的使用，只需要調(diào)用已經(jīng)開發(fā)好的庫函數(shù)就可以實現(xiàn)功能，這大大降低了開發(fā)的時間成本，縮短了開發(fā)的周期。此系統(tǒng)的主控芯片的引腳電路如圖2所示。

圖2 STM32F103RB引腳及其功能

2.2 CAN控制器

STM32F103RB芯片有兩路CAN通信接口：CAN_TX和CAN_RX，對應(yīng)的引腳分別為PA_12和PA_11，兩個引腳接到外界TJA1050收發(fā)芯片上，然后通過接線端子同外部的CAN總線連接。其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

2.3 顯示器TFT-LCD

TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器，液晶顯示屏上的每一個像素都設(shè)置有一個薄膜晶體管(TFT)，可以有效地克服非選通時的串?dāng)_，使液晶視屏上的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像的質(zhì)量。此系統(tǒng)采用9.33 cm(2.8寸)的ALIENTEK TFT-LCD模塊，顯示分辨率為320像素×240像素，接口為16位的80并口，自帶觸摸屏，實物如圖4所示。

TFT-LCD的接口采用2×17的公排針與外部鏈接，接口及其定義如圖5所示，CS接口為TFT片選信號，WR接口向TFT-LCD寫入數(shù)據(jù)，RD接口從TFT-LCD讀取數(shù)據(jù)，D[15：0]為16位的雙向數(shù)據(jù)線，RST是復(fù)位端。引腳連接為：BL_VDD對應(yīng)PC10引腳，LCD_CS對應(yīng)PC9引腳，LCD_RS對應(yīng)PC8引腳，LCD_WR對應(yīng)PC7引腳，LCD_RD對應(yīng)PC6引腳；LCD_D[0：15]對應(yīng)PB[15：0]。

圖4 TFT-LCD

圖5 TFT-LCD接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)開發(fā)軟件

系統(tǒng)的開發(fā)軟件選用了Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，該軟件支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。該款軟件學(xué)習(xí)方便且功能豐富，能夠滿足開發(fā)需求，在高校和企業(yè)中應(yīng)用廣泛。開發(fā)過程中作者使用C語言進(jìn)行編程，通過開發(fā)環(huán)境配置STM32固件庫函數(shù)，在開發(fā)過程中可以方便地調(diào)用庫函數(shù)，從而使得開發(fā)過程變得簡便高效。

3.2 系統(tǒng)的架構(gòu)

在系統(tǒng)軟件架構(gòu)方面進(jìn)行了合理化的設(shè)計，將各個功能模塊的代碼進(jìn)行分離，方便以后的修改和維護(hù)，這為之后的實驗和調(diào)試工作節(jié)約了時間。系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為上層、中間層、下層共3層。軟件架構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 軟件架構(gòu)

下層主要的功能是完成硬件電路的基本配置，實現(xiàn)基本的通信、顯示、文字和運(yùn)算功能，下層文件包括庫函數(shù)文件、通信模塊文件、顯示屏文件、文字顯示模塊、運(yùn)算模塊。庫函數(shù)文件為官方提供的文件，通信模塊文件實現(xiàn)CAN通信的接口配置、時序關(guān)系以及信息的接受，此系統(tǒng)為顯示系統(tǒng)，只需實現(xiàn)信息的接受即可，不需要發(fā)送信息。顯示屏文件實現(xiàn)對硬件接口的定義、時序關(guān)系以及信息的寫入。文字顯示模塊主要實現(xiàn)對文字的編碼以及文字的發(fā)送。運(yùn)算模塊主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算。

中間層文件為圖形化文件，通過通信模塊采集到需要的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代入到運(yùn)算模塊進(jìn)行運(yùn)算，得到的結(jié)果再代入到顯示屏模塊和文字顯示模塊上，如果函數(shù)被調(diào)用就會在顯示屏上顯示相應(yīng)的圖形和文字。

上層為主函數(shù)，主要實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用和邏輯運(yùn)算關(guān)系，實現(xiàn)圖形文字合理化顯示。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟主要包括CAN通信數(shù)據(jù)接收、接收數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理、處理結(jié)果的圖形化顯示，此系統(tǒng)的計算頻率為50 MHz，顯示屏幕共有240×320個像素，每個像素顯示背后都要運(yùn)行幾十行的代碼，如果圖像在顯示邏輯算法上不夠優(yōu)化，就會出現(xiàn)屏幕閃動的現(xiàn)象，這很容易引起操作員視覺上的疲勞，使得使用體驗變差。因此要從邏輯上杜絕這種現(xiàn)象發(fā)生，只有在圖形發(fā)生變化的時候?qū)D像改變，改變時盡量最低程度地改變像素個數(shù)以縮短顯示周期、提高顯示效果。在圖像顯示上對圖像進(jìn)行分類，將圖像分為靜態(tài)圖像部分和動態(tài)圖像部分。靜態(tài)圖像是指在整個顯示過程中圖像的形狀、大小、顏色和位置始終不發(fā)生改變的圖像，動態(tài)圖像是指在顯示過程中隨著參數(shù)的變化圖像的大小和顏色改變的圖像。靜態(tài)圖像可以在初始化函數(shù)中就定義完成，動態(tài)圖像則需要通過一個條件來判斷是否需要改變圖像。為了避免圖像閃動，將動態(tài)圖像分成若干個子模塊，改變時只要將其子模塊顯示改變即可，這樣縮短了單個圖像變化的時長，從而有效地避免了圖像的閃動。系統(tǒng)運(yùn)行框圖如圖7所示。

圖7 軟件邏輯框圖

3.4 系統(tǒng)代碼的下載

代碼編寫運(yùn)行完成后，通過J-Link仿真器將代碼下載到STM32單片機(jī)中。J-Link是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，支持ARM內(nèi)核芯片的仿真。與Keil無縫連接，操作方便，下載速率達(dá)到1 Mb/s，可以方便開發(fā)，是開發(fā)ARM實用高效的工具。其實物圖如圖8所示。

圖8 JLink驅(qū)動器

4 系統(tǒng)界面設(shè)計與調(diào)試

界面設(shè)計在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要，一個好的界面可以提高

用戶的使用體驗，方便讀取與操作。在設(shè)計理念上盡量使圖像簡單、清晰、易讀。在圖像的設(shè)計上，突出重點，將主要內(nèi)容放在醒目易讀取的位置，次要內(nèi)容放在屏幕邊緣，同時圖像的形狀盡量形象易懂，方便認(rèn)知與讀取，圖像的形狀和擺放位置也盡量按照黃金分割比來放置。按照以上的設(shè)計思路，作者將叉齒的位置放在屏幕的中部，舉升高度放在叉齒的右側(cè)，電源顯示在屏幕的左上角，這種放置將容易變化的堆高車重物和舉升高度放在醒目的地方，容易讀取。具體的設(shè)計效果如圖9所示。

圖9 界面效果圖

5 結(jié)束語

對電動堆高車輔助安全系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分內(nèi)容，成功實現(xiàn)了電動堆高車安全參數(shù)的形象顯示，同時顯示界面清晰易讀，可以很好地為操作員使用，避免了操作員在操作電動堆高車時僅憑感覺和個人經(jīng)驗的情況發(fā)生，這大大提高了操作員在操作過程中的安全性，保護(hù)了人身財產(chǎn)全。目前，LCD顯示器在堆高車上應(yīng)用較少，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

【1】任重.汽車網(wǎng)絡(luò)綜合研究及基于CAN總線的汽車組合儀表的實現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

【2】曲興.轎車CAN總線儀表綜合檢測系統(tǒng)的開發(fā)[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

【3】張淑清.嵌入式單片機(jī)STM32設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2015.

【4】張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32(庫函數(shù)版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

【5】白永斌.基于STemWin的STM32開發(fā)與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社2015.

【6】陸孟雄.汽車舒適系統(tǒng)的CAN總線性能分析與仿真[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

Design of a Security Display System about Electrical Forklift

DONG Xin

(School of Automobile and Traffic,Qingdao University of Technology,Qingdao Shandong 266520，China)

A security system about electrical forklift was designed by using STM32. The hardware included STM32 controller, CAN net and TFT-LCD. Data flow on CAN net could be read by STM32 controller,then they were shown as picture through LCD screen. Operator could read it. Also the software construction and the rational display of the picture on screen were introduced. Real-time display of the security parameters of the electrical forklift can be realized.So the system security is enhanced.

Electrical forklift; STM32 controller; CAN communications; LCD screen

2016-09-17

董心(1990—)， 男 ，碩士研究生，專業(yè)方向為車輛工程。E-mail：dongxin1017@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.005

U462.3+5

B

1674-1986(2017)01-022-04