船載中小型信息監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對船舶對中小型信息監(jiān)控終端的需求，提出了一種基于AVR單片機的設(shè)計方案。以AVR單片機為核心，采用LCD控制器RA8835實現(xiàn)對液晶顯示模塊的控制，通過軟硬件的緊密配合，實現(xiàn)信息圖文并茂的實時顯示，以及液晶對比度的調(diào)節(jié)。試驗結(jié)果表明，該終端在高溫高濕、低溫高濕等惡劣環(huán)境條件下，顯示清晰、工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：船舶；信息監(jiān)控終端；AVR單片機；LCD控制器；液晶對比度

    目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，各類船舶亟需配備更多質(zhì)優(yōu)價廉的中小型信息監(jiān)控終端，用于監(jiān)控氣象狀況、獲取導(dǎo)航信息以便保證航行安全。以ARM、MIPS等領(lǐng)銜的32位處理器在信息監(jiān)控終端應(yīng)用中，顯示出極大優(yōu)勢，但是一般以32位處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)往往需要配置外部FLASH和SDRAM，這樣就使得開發(fā)和維護整個系統(tǒng)的成本較高，本設(shè)計采用高性能低功耗的AVR單片機和LCD液晶模塊來設(shè)計信息監(jiān)控終端，具有價格低廉、性能穩(wěn)定、顯示清晰、人機界面良好等優(yōu)點，能夠滿足船舶對中小型信息監(jiān)控終端的需求。

1 總體設(shè)計
    信息監(jiān)控終端主要由顯示控制板、鍵盤、通信接口和液晶顯示模塊構(gòu)成，具有數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示、人機交互和屏幕亮度調(diào)整等功能，其組成如圖1所示。

    工作過程為：系統(tǒng)初始化以后，信息監(jiān)控終端按照設(shè)定的工作模式從通信接口接收數(shù)據(jù)，然后通過LCD控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD液晶顯示屏，通過鍵盤和顯示屏實時響應(yīng)用戶的操作指令。

2 硬件設(shè)計
2．1 液晶顯示模塊與單片機
    液晶顯示模塊選擇EW32F00BCW，它是一款5英寸320×240點陣的液晶顯示器，性能堪比日本原裝的DMF50081，價格卻便宜很多。該器件采用CCFL背光顯示，顯示方式為全透反顯，顯示顏色為藍底白字，外型尺寸為139．0W×102．5H×13．2Dmm。
    微控制器采用ATMEL公司AVR增強型單片機AT90CAN128。其主要性能是：采用CMOS技術(shù)和RISC架構(gòu)；片內(nèi)集成128 kB的FLASH程序存儲器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器：具有JTAG接口；集成了8位和16位定時器／計數(shù)器、A／D轉(zhuǎn)換器、SPI同步串口、UART異步串口、獨立的CAN控制器；并且在軟件上有效支持匯編語言及C高級語言。
2．2 顯示控制電路
    RA8835是一款成本低、通用性強的LCD控制器。它完全涵蓋SED1335現(xiàn)有的功能，并加強了穩(wěn)定性，且擁有制程較新及耗電較低的優(yōu)勢。RA8835的指令功能豐富，采用4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，可支持文字和圖形的混合顯示，并可將文字和圖形的3層重疊顯示、水平及垂直卷動等動態(tài)效果呈現(xiàn)于液晶屏上。圖2是顯示控制電路原理圖，AVR單片機通過控制線和數(shù)據(jù)線與RA8835直接相連，控制顯示內(nèi)容和顯示方式。為了儲存顯示內(nèi)容并進行顯示，RA8835需外接一至兩片外部顯示緩存62256。鍵盤采用2x4矩陣式接口，兩根行線同時連接中斷，有上下左右4個方向鍵，以及確認、返回、菜單、翻頁4個功能鍵組成。

2．3 通信單元電路
    由于不同船舶設(shè)備廠商提供了不同功能的產(chǎn)品和子系統(tǒng)，采用了不同的通信接口，信息監(jiān)控終端需要配置多種通信接口才能與其進行通信，因此設(shè)計了常用的3種：RS232接口、RS422接口、CAN接口，電路組成如圖3所示。

    AT90CAN128具有兩路串行USART接口，輸出TTL電平，其中一路經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平，另外一路經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1482轉(zhuǎn)換為RS422電平。在AT90CAN128的USART與電平轉(zhuǎn)換芯片之間增加光電隔離，使輸入端與輸出端在電氣上完全隔離，互不干擾。AT9 0CAN128內(nèi)置CAN控制器，只需將控制器的發(fā)送端和接收端連接到CAN總線收發(fā)器即可構(gòu)成CAN總線收發(fā)電路。CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2500V的隔離功能及ESD保護作用。一般RS232通信都是與上位機直接相連，距離較短，因此在RS232電平上用穩(wěn)壓管進行簡單保護。采用RS485和CAN通信時，一般距離較長，且多在艙室之外，雷電可能會造成總線損壞，所以除了設(shè)計電平轉(zhuǎn)換，還必須加上隔離保護電路。
2．4 供電單元電路
    供電單元在船電正常時采用交流220 V供電，并自動實現(xiàn)充電，充滿電后自動斷電；在船電故障時采用鋰電池組供電，供電單元電路組成框圖如圖4所示。外部交流220 V電源通過適配器轉(zhuǎn)化為14．8 V左右的直流，通過充電線路為鋰電池組進行充電，保護線路用于防止過充、過放、過流和短路，然后經(jīng)過穩(wěn)壓模塊輸出兩路直流5 V，供給AVR單片機系統(tǒng)。由于LCD背光顯示需要的特殊電源，因此通過冷陰極背光電源逆變器將直流5 V變換成交流1 300V供給LCD背光燈管。MAX5437是128級、高電壓的數(shù)字電位器，采用簡單的SPI接口代替機械調(diào)節(jié)，將DC／DC輸出的-24 V電源變換為-10～24 V范圍內(nèi)可調(diào)，從而為液晶顯示模塊提供負電源和對比度調(diào)整電壓。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計采用AVR Studio+Winavr集成開發(fā)平臺。AVR Studio是在Windows操作系統(tǒng)下編寫和調(diào)試AVR應(yīng)用程序的嵌入式開發(fā)環(huán)境(IDE)，Winavr是免費的AVR開發(fā)程序集，AVR Studio配合Winavr能夠支持AVR C／C++程序的編輯、編譯、連接以及生成目標代碼，同時利用Atmel公司設(shè)計的實時在片仿真器JTAGICE mkⅡ能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線硬件仿真調(diào)試功能和目標代碼的下載功能。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，軟件設(shè)計采用自頂向下，逐步求精的結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計方法。終端主程序流程圖如圖5所示，上電后首先進行系統(tǒng)初始化設(shè)置，然后查詢鍵盤狀態(tài)，如果有鍵按下立即進行按鍵處理，否則按照設(shè)定的工作模式自動進行數(shù)據(jù)接收、顯示和定時更新。在進行具體程序編寫的時候，還需注意以下幾個方面：

    1)進行系統(tǒng)初始化的時候，需要完成對單片機I／O端口、SPI端口、異步串行端口、CAN端口等的初始化，同時還要禁止不使用的單片機功能模塊，如JTAG端口、TWI端口等以降低整機功耗。
    2)初始化完成后，還要對MAX5437的滑片位置進行設(shè)置。
由于其內(nèi)部沒有EEPROM，所以軟件中利用單片機的EEPROM來記錄滑片的位置信息。考慮到用戶可能將液晶對比度調(diào)飛，程序中設(shè)計了通過鍵盤操作恢復(fù)出廠設(shè)置的功能。
    3)采用中斷和查詢相結(jié)合的方式響應(yīng)鍵盤。由于鍵盤行線同時連接單片機中斷，程序不必一直查詢鍵盤狀態(tài)，只是中斷產(chǎn)生以后才去掃描鍵盤，從而提高了單片機工作效率。

4 結(jié)束語
    本文以AT90CAN128為核心，利用其豐富的片上資源，搭接必要的外圍電路，軟件設(shè)計與硬件電路緊密結(jié)合，提供了一種低成本高可靠性的船載中小型信息監(jiān)控終端的設(shè)計方案。該終端顯示清晰、工作穩(wěn)定，可操控性強，具有較高的性價比和廣泛的實用性，以及極好的推廣應(yīng)用價值。