电动堆高车安全显示系统设计

董心

(青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520)

电动堆高车安全显示系统设计

董心

(青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520)

介绍一种基于STM32平台的电动堆高车辅助安全系统。系统硬件部分主要包括STM32控制器、CAN通信网络以及TFT-LCD显示屏，STM32控制器通过CAN控制器读取CAN网络数据，通过LCD显示屏形象显示出来，供操作员参考。阐述了系统软件架构设计和显示屏的图像合理化显示等内容，实现了影响电动堆高车安全参数的实时显示。

电动堆高车；STM32控制器； CAN通信； LCD显示屏

0 引言

近年来，随着仓储物流行业的快速发展，搬运车和内燃机叉车在搬运过程中被广泛地运用，电动堆高车作为新型运输工具也异军突起。与传统的搬运工具相比，电动堆高车具有操作简单、易维护、安全性高、价格低等优点；同时，电动堆高车的能量来源是电能，这与以柴油为动力的内燃机叉车相比具有噪声低、绿色环保等优点，其能源的消耗对环境造成的压力较小。当下的中国正在经历着工业的变革，政府出台一系列扶持新能源政策，新能源正在逐渐代替传统能源，电动堆高车行业的发展正顺应了时代的潮流。

在电动堆高车的实际使用过程中，由于重物形状的不规则或者重物被不均匀地装在箱体中等原因，使得无法确保重物重心落在电动堆高车叉齿的中央。操作员在操作堆高车时无法确定堆高车的质心位置和重物质量，这对操作员的操作起到了一定的干扰，因此迫切需要一种安全辅助装置来将影响电动堆高车安全性的相关参数显示给操作员，确保其在合理安全的范围内操作。传统的车辆显示仪表电路系统主要通过控制电路的导通与否来点亮或熄灭灯光，灯光的外部有图形轮廓，通过轮廓的含义，操作员可以知道系统的提示信息。这种传统的显示方法的弊端在于：显示的内容可变性差，无法显示一些变化细微的内容，同时如果显示内容过多，对应的电路系统所占空间过多。 这种传统的显示方式集成化程度不够好，为克服这种缺点，此系统采用LCD显示屏对信息进行显示，显示内容丰富，空间利用率高。

1 系统总体框架

电动堆高车辅助安全信息系统的整体架构包括STM32处理器、CAN 通信网络、TFT-LCD显示器三部分。STM32处理器通过CAN控制器来读取通信网络中的数据， STM32处理器通过其内部算法将读取的数据运算成用户容易理解和需要的数据，然后再将数据发送到显示器上进行显示。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体框图

CAN是一种多主方式的串行通信总线，传输速率高，抗干扰性强，能够检测产品的任何错误。同时CAN通信具有优先权和仲裁的功能，多个控制模块搭载到CAN总线上就可以实现通信信息的处理，其可靠性和实时性远远高于普通的通信技术[1-2]。实现CAN通信的芯片有很多种类型，文中实现CAN通信主要是依托STM32F103RB的CAN控制器[3-4]。

2 系统硬件设计

2.1 系统主控芯片

电动堆高车辅助安全信息系统主控芯片选取意法半导体的STM32F103RB芯片，其内核是基于ARM32位的Cortex-M3，最高工作频率是72 MHz、芯片Flash容量为128 kB。芯片有7个定时器、2个ADC和9个通信接口。STM32系列芯片具有价格低、功耗小、稳定性高等优点，已经广泛地应用于电机驱动和汽车仪表显示等领域。同时该款芯片有已经开发好的库函数，库函数的稳定性非常高，这使得开发者可以从复杂的寄存器中解脱出来，不必花费大量的时间去搞明白寄存器的使用，只需要调用已经开发好的库函数就可以实现功能，这大大降低了开发的时间成本，缩短了开发的周期。此系统的主控芯片的引脚电路如图2所示。

图2 STM32F103RB引脚及其功能

2.2 CAN控制器

STM32F103RB芯片有两路CAN通信接口：CAN_TX和CAN_RX，对应的引脚分别为PA_12和PA_11，两个引脚接到外界TJA1050收发芯片上，然后通过接线端子同外部的CAN总线连接。其硬件结构设计如图3所示。

2.3 显示器TFT-LCD

TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器，液晶显示屏上的每一个像素都设置有一个薄膜晶体管(TFT)，可以有效地克服非选通时的串扰，使液晶视屏上的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像的质量。此系统采用9.33 cm(2.8寸)的ALIENTEK TFT-LCD模块，显示分辨率为320像素×240像素，接口为16位的80并口，自带触摸屏，实物如图4所示。

TFT-LCD的接口采用2×17的公排针与外部链接，接口及其定义如图5所示，CS接口为TFT片选信号，WR接口向TFT-LCD写入数据，RD接口从TFT-LCD读取数据，D[15：0]为16位的双向数据线，RST是复位端。引脚连接为：BL_VDD对应PC10引脚，LCD_CS对应PC9引脚，LCD_RS对应PC8引脚，LCD_WR对应PC7引脚，LCD_RD对应PC6引脚；LCD_D[0：15]对应PB[15：0]。

图4 TFT-LCD

图5 TFT-LCD接口电路

3 系统软件设计

3.1 系统开发软件

系统的开发软件选用了Keil MDK集成开发环境，该软件支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。该款软件学习方便且功能丰富，能够满足开发需求，在高校和企业中应用广泛。开发过程中作者使用C语言进行编程，通过开发环境配置STM32固件库函数，在开发过程中可以方便地调用库函数，从而使得开发过程变得简便高效。

3.2 系统的架构

在系统软件架构方面进行了合理化的设计，将各个功能模块的代码进行分离，方便以后的修改和维护，这为之后的实验和调试工作节约了时间。系统的架构主要分为上层、中间层、下层共3层。软件架构示意图如图6所示。

图6 软件架构

下层主要的功能是完成硬件电路的基本配置，实现基本的通信、显示、文字和运算功能，下层文件包括库函数文件、通信模块文件、显示屏文件、文字显示模块、运算模块。库函数文件为官方提供的文件，通信模块文件实现CAN通信的接口配置、时序关系以及信息的接受，此系统为显示系统，只需实现信息的接受即可，不需要发送信息。显示屏文件实现对硬件接口的定义、时序关系以及信息的写入。文字显示模块主要实现对文字的编码以及文字的发送。运算模块主要功能是实现数据的运算。

中间层文件为图形化文件，通过通信模块采集到需要的数据，将数据代入到运算模块进行运算，得到的结果再代入到显示屏模块和文字显示模块上，如果函数被调用就会在显示屏上显示相应的图形和文字。

上层为主函数，主要实现函数的调用和逻辑运算关系，实现图形文字合理化显示。

3.3 系统运行逻辑

系统的实现步骤主要包括CAN通信数据接收、接收数据的运算处理、处理结果的图形化显示，此系统的计算频率为50 MHz，显示屏幕共有240×320个像素，每个像素显示背后都要运行几十行的代码，如果图像在显示逻辑算法上不够优化，就会出现屏幕闪动的现象，这很容易引起操作员视觉上的疲劳，使得使用体验变差。因此要从逻辑上杜绝这种现象发生，只有在图形发生变化的时候将图像改变，改变时尽量最低程度地改变像素个数以缩短显示周期、提高显示效果。在图像显示上对图像进行分类，将图像分为静态图像部分和动态图像部分。静态图像是指在整个显示过程中图像的形状、大小、颜色和位置始终不发生改变的图像，动态图像是指在显示过程中随着参数的变化图像的大小和颜色改变的图像。静态图像可以在初始化函数中就定义完成，动态图像则需要通过一个条件来判断是否需要改变图像。为了避免图像闪动，将动态图像分成若干个子模块，改变时只要将其子模块显示改变即可，这样缩短了单个图像变化的时长，从而有效地避免了图像的闪动。系统运行框图如图7所示。

图7 软件逻辑框图

3.4 系统代码的下载

代码编写运行完成后，通过J-Link仿真器将代码下载到STM32单片机中。J-Link是SEGGER公司推出的JTAG仿真器，支持ARM内核芯片的仿真。与Keil无缝连接，操作方便，下载速率达到1 Mb/s，可以方便开发，是开发ARM实用高效的工具。其实物图如图8所示。

图8 JLink驱动器

4 系统界面设计与调试

界面设计在整个系统中至关重要，一个好的界面可以提高

用户的使用体验，方便读取与操作。在设计理念上尽量使图像简单、清晰、易读。在图像的设计上，突出重点，将主要内容放在醒目易读取的位置，次要内容放在屏幕边缘，同时图像的形状尽量形象易懂，方便认知与读取，图像的形状和摆放位置也尽量按照黄金分割比来放置。按照以上的设计思路，作者将叉齿的位置放在屏幕的中部，举升高度放在叉齿的右侧，电源显示在屏幕的左上角，这种放置将容易变化的堆高车重物和举升高度放在醒目的地方，容易读取。具体的设计效果如图9所示。

图9 界面效果图

5 结束语

对电动堆高车辅助安全系统进行了设计，通过硬件设计和软件设计两部分内容，成功实现了电动堆高车安全参数的形象显示，同时显示界面清晰易读，可以很好地为操作员使用，避免了操作员在操作电动堆高车时仅凭感觉和个人经验的情况发生，这大大提高了操作员在操作过程中的安全性，保护了人身财产全。目前，LCD显示器在堆高车上应用较少，该系统具有广阔的应用前景。

【1】任重.汽车网络综合研究及基于CAN总线的汽车组合仪表的实现[D].杭州：浙江大学，2003.

【2】曲兴.轿车CAN总线仪表综合检测系统的开发[D].长春：吉林大学，2011.

【3】张淑清.嵌入式单片机STM32设计及应用技术[M].北京：国防工业出版社,2015.

【4】张洋，刘军，严汉宇.原子教你玩STM32(库函数版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

【5】白永斌.基于STemWin的STM32开发与实践[M].北京：电子工业出版社2015.

【6】陆孟雄.汽车舒适系统的CAN总线性能分析与仿真[D].南京：南京农业大学，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 ，硕士研究生，专业方向为车辆工程。E-mail：dongxin1017@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.005

U462.3+5

B

1674-1986(2017)01-022-04