摘  要： 介紹了一種以SH7264微處理器為核心、μC/OS為操作系統的工程機械智能圖形儀表板的設計與實現方法。采用VDC分層圖像顯示，提高啟動速度、改善顯示質量。在軟件設計中采用重構技術，加快了工程機械儀表板的開發速度及效率，節約了社會資源。
關鍵詞： 工程機械；儀表板；CAN總線；VDC；μC/OS

　儀表板是各類工程機械必不可少的裝置，它用于顯示工程機械各個系統工作狀況，是工程機械與作業員進行信息交流的界面，作業員通過儀表隨時掌握工程機械各個部件的工作狀態。現代工程機械越來越復雜，所需的各類儀表也越來越多，傳統的工程機械儀表存在占用面積大、分布散亂、顯示內容固定單一、顯示信息量小等缺點，不具有可配置性，而且惡劣的工作環境常常導致儀表顯示的信息不準確或失靈；其次，主要由作業員根據目視得到的外界信息對工程機械進行操作。隨著各種工程機械不斷向大型化、復雜化方向發展，傳統的目視觀察己經越來越多地暴露出其局限性：如視角存在盲區、遠處作業面無法看清等。傳統儀表板的這些局限性很可能導致作業員的操作不及時甚至失誤，不僅降低了生產效率，還帶來較大的安全隱患[1]。
    傳統儀表已遠遠不能滿足現代工程機械高速發展的要求。為此設計一款既能夠以圖形、文字甚至動畫的方式來實時顯示工程機械的各種狀態信息，又能完成工程機械的視頻采集、解壓縮、終端顯示的多功能的智能圖形儀表信息系統顯得非常有必要，這也是今后工程機械儀表板發展的一個必然趨勢。
    儀表板做為工程機械的核心技術之一，具有重要的地位。目前，我國在工程機械圖形儀表技術方面與德、美、日等國有較大差距，基本上只能由國外提供高端儀表，導致資金外流。因此，開展智能圖形儀表技術方面的研究，能擺脫對國外的技術依賴，對增強我國工程機械廠家的核心競爭力、促進產業升級具有重要意義。
1 工程機械智能圖形儀表信息系統的總體設計
    隨著工程機械的發展，各種機構日趨復雜，其附屬裝置也越來越多，儀表板作為工程機械的信息中心，必須為操作人員提供挖掘機各部分的狀態信息，使駕駛員能夠及時了解挖掘機當前的狀態。工程機械儀表板上主要顯示的信息有油溫、水溫、油壓、GPS、視頻、故障診斷及各種指示燈和報警信號，因此整個系統設計可分為電源模塊、主控制器模塊、CAN總線模塊、故障診斷模塊、GPS模塊、視頻解碼模塊、鍵盤及TFF-LCD顯示模塊，系統構架如圖1所示。

2 硬件設計
    工程機械智能圖形儀表板主要負責顯示、監控工程機械運行時的狀態及從CAN總線接收到的各種主要參數。根據功能劃分，該系統的硬件電路主要包括電源模塊、CPU模塊、存儲器模塊、視頻處理模塊、LCD驅動模塊、模擬信號處理模塊、外部接口模塊（包括CAN和UART、GPS及故障診斷信息都通過該模塊來獲取）和鍵盤掃描模塊等，其硬件結構框圖如圖2所示。

    本系統采用的主控制芯片是瑞薩公司2009年推出的Super H系列的32位SH7264[2]微處理器，該微處理器的特性包括工作速度高達144 MHz的32位超標量SH-2A內核和1 MB內部SRAM。顯示圖形時，該內部SRAM可用作幀緩沖器。因此，該微處理器可以減少外部元件的數量，縮小電路的設計面積。并且，只要加了電源電壓，內部SRAM就能夠保持其數據，所以器件具有減少待機功耗的優勢。
    內置到SH7264芯片中的VDC3(視頻顯示控制器3)具有視頻輸入和RGB輸出功能，因此相同的硬件可以用于視頻和繪制圖形。大容量內部SRAM與VDC3之間還具有專用總線：1個專用視頻總線和2個專用圖形總線。這種設計結構允許同時傳輸不同類型的數據。這些總線操作都是獨立的，即使在傳輸視頻數據的同時，也可以操作CPU和外設功能總線。片內帶1 MB的顯示緩存，可以支持QVGA、WQVGA大小的多層顯示數據緩存，而無需SDRAM。
3 軟件設計
    工程機械智能圖形儀表板涉及到CAN總線中斷與視頻解碼、GPS信息采集、實時時鐘信息讀取、菜單設計、鍵盤掃描及與ECU進行通信等多任務并行的復雜軟件系統。傳統的單任務順序程序結構靈活性差、實時性差、資源利用率低，難以滿足多任務并行的實時數據采集系統的需要[3]。本文采用?滋C/OS操作系統，?滋C/OS代碼小、可移植性強，移植工作主要是對OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件進行修改[4]。
3.1 任務的劃分
    本系統主要包括以下任務：儀表虛擬圖形顯示模塊任務（圖形靜態顯示和指針圖形動態旋轉等）、基于圖像分層疊加的菜單界面設計模塊任務，視頻顯示模塊任務、通信模塊任務、工況數據處理模塊任務、鍵盤掃描模塊任務、E2PROM讀寫模塊任務以及LCD顯示模塊任務。各任務間通過消息隊列和信號量來通信和共享數據。
3.2 任務結構及分析
      主程序在完成各種初始化操作后依次創建各任務，然后通過調用OSStart()函數啟動操作系統。在μC/OS-II中，各任務被賦予不同的優先級，擁有各自的任務堆棧，不同任務之間通過消息隊列和信號量互相通信和共享數據。任務都采用無限循環結構，各任務通過延時或等待信號量和消息隊列來放棄CPU使用權。這樣在時鐘節拍到來時將產生中斷級任務切換，系統轉而運行處于就緒狀態的高優先級任務，當延時時間到或者信號量和消息到來時，任務將再次運行。系統中主要任務具體功能分析如下。
    CAN總線接收與處理任務：因為工程機械儀表板所顯示的信息主要來自與CAN總線相連的ECU主控制器，實時更新主控制器數據對操作員來說尤為重要，因此將該任務作為最高優先級。
    視頻解碼及顯示任務：視頻作為工程機械操作的另一個重要輔助設備，很好地克服了視角存在盲區、遠處作業面無法看清等問題。攝像頭傳輸來的數據通過ADV7180視頻硬件解碼器解碼，然后再通過I2C總線讀到CPU進行處理，然后在TFT-LCD上顯示。
    圖形顯示任務：本儀表板所設計的智能圖形儀表，其作圖方式不再是通過畫點畫線等GUI軟件程序來實現，而是先在PC機上用畫圖軟件先設計好所需的圖片，該圖片可根據用戶需求任意實現，然后在Matlab下處理，之后寫到CPU，將其顯示出來。這種圖形顯示方式的優勢在于大大縮減了軟件代碼，減輕CPU的負擔，而且可以顯示任意的圖形界面。
4 儀表板設計中關鍵技術問題的解決
    （1） 指針旋轉問題
    一般的圖形儀表盤設計指針時主要有以下幾種方案；(1)直接畫線，這種方法顯示的指針簡單、單調；(2)移植μC/GUI或者QT等軟件，這種方法對硬件資源要求比較高；(3)將不同指針狀態變化后的每張圖片存儲起來，這種方式所需要的存儲量非常巨大；(4)利用圖片旋轉方法，即只需要存儲一張指針圖片，通過坐標變換將指針圖片旋轉得到其他角度的指針，這種方法會造成圖片信息點的丟失，顯示效果較差，雖然可通過臨近插值法或雙線性插值法等來解決圖像的瑕疵，但又耗用了大量的CPU資源。
    本文在不占用太多存儲空間和不耗用大量的CPU資源的情況下設計了一種指針指示方法，即先用作圖軟件畫出不同角度的指針圖片，然后用Matlab找出每個幅圖片指針的每個像素的坐標及像素值，將這些數據存儲在Flash中，程序調用時可采用查表法。
    （2）抗鋸齒問題
    傳統的圖像處理邊緣抗鋸齒的方法有超級采樣抗鋸齒SSAA(Super-Sampling Anti-aliasing)和多重采樣抗鋸齒MSAA(MultiSampling Anti-Aliasing)。SSAA簡單直接，但消耗資源多，MSAA對資源的消耗相對較小，但在畫質上不如SSAA。在Photoshop軟件中，其邊緣羽化功能已經集成了很好的抗鋸齒算法，而本文的最大特點是利用圖形來設計儀表，所以只需在Photoshop里利用羽化功能對旋轉的指針圖像進行邊緣處理，即可消除指針旋轉后的鋸齒問題，且不需要消耗儀表硬件系統的資源，減輕軟件設計負擔。
    （3）VDC3圖像分層顯示問題
    一般的數字儀表板設計圖形時只有一層圖形，由于要顯示一些動態信息，需經常修改圖形緩沖區的內存值，所以常常導致背景圖像會有殘影和閃爍。如果使用VDC分層顯示則可以很好地解決這個問題，背景圖片做為底層，需要變換的動態信息等圖片或文字則在第二層顯示，視頻輸出結果在第三層顯示，如圖3所示。

5 工程機械儀表板軟件重構技術
    本設計主要是針對液壓挖掘機來開發的，而面對種類繁多的工程機械，針對每種工程機械開發對應的儀表板幾乎是不可能的，而且也造成了重復開發和社會資源的浪費。因此本文提出針對工程機械儀表板開發的軟件重構技術[5-6]，對功能軟件進行封裝，將各類工程機械的型號種類參數進行打包封裝，將這些軟件“芯片”集成在存儲器里，如要開發新的工程機械儀表板，只需修改儀表軟件中的工程機械的型號或種類等參數，無需進行再次軟件開發，便可設計出對應型號的工程機械的儀表板，這樣可滿足工程機械種類繁多、要求五花八門等特點，減少不必要的重復設計，使工程機械儀表朝著規模化、集成化的方向發展。
    本研究開發的智能圖形儀表信息系統集成了工程機械工作信息顯示、機器工作參數設置、視頻監控、故障診斷、GPS顯示等功能，基本上可以滿足中高檔工程機械的儀表顯示需求，效果美觀大方、人機接口界面友好。
參考文獻
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[2] SH7262 Group, SH7264 Group Hardware Manual Rev.2.00 [EB/OL]. Renesas Technology Corp.[2009-06-18].http://cn.renesas.com/.
[3] 何創新，李彥明，劉成良.工程機械遠程狀態信息采集方 法研究與應用[J].儀器儀表學報，2009，30（4）：728-732.
[4] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ（第二版）[M].邵貝貝，等譯.北京：北京航空航天大學出版社, 2003.
[5] 陳曾勝，呂國強，洪占勇. 一種基于可重構理論智能儀器設計[J].電子測量技術，2001（4）：1-2.
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