基于北斗定位系统的工程机械挖掘机显控终端设计

张 盼 吕雅琴 邓来军

工程机械是为国民经济建设提供技术装备的战略产业，挖掘机等机电装备是国家重点支柱的项目，鉴于工程机械装备作业环境恶劣、复杂，需要对各个工程机械装备的状态参数、作业要求有准确的监测，要实现这些要求就需要在工程机械挖掘机终端的基础之上构建起监控系统。

北斗卫星导航系统BD2是中国从国家安全以及经济社会的发展需要出发，自主研制、独立运行的卫星导航系统，现已经逐步开始对民用市场开放，并且北斗还拥有短报文通信功能，特别适合工程机械这类作业环境恶劣、通信信号不佳的情况，北斗优良的通信功能还能够为抢险救灾的应急通信带来相当巨大的方便。因此，本文就基于上述问题，提出了一种建立在北斗导航定位系统基础上的挖掘机显控终端的设计方案。

1 系统整体方案

1.1 系统功能需求

工程机械显控终端主要应用在挖掘机工程车辆上，可与显控终端进行CAN总线连接，另外也可独立进行信号采集及控制，具备故障报警提示、状态参数显示、数据发送、远程通信等功能，实现与监控中心进行远程监控与控制。

1.2 系统整体架构

本文所设计的挖掘机显控终端主要分为硬件系统以及软件系统。所采用的系统架构如图1所示，其中控制器是硬件系统的核心，软件系统则主要包括嵌入式操作系统、驱动程序以及应用程序。

图1 系统架构

2 硬件设计

挖掘机显控终端硬件设计规划采用单控制板设计形式；其中控制板主要包含：ST意法半导体Cortex-M3 CPU、灰度显示单元、IO输入输出单元、按键单元、电机控制单元、带防护的DC-DC电源单元、FLSAH单元、北斗/GPS双模定位单元、DC-DC单元、通讯连接接口（CAN）等。硬件系统结构如图2所示。

图2 硬件系统结构

其中，控制器采用的是NXP公司所生产的高性能低功耗系列的LPC1788，该微控制器是以ARM Cortex-M3作为内核的，其运行速度达到了120MHz，该控制器集成了LCD处理单元，能够配置睡眠模式以及深度睡眠模式，这可以让显控终端的功耗得到有效控制。定位模块采用的是芯星通的M220模块，该模块对于单系统独立定位以及北斗/GPS双系统联合定位都有着良好的支持，并且其功耗仅有300mW。同时无需外接CPU即可直接输出NMEA数据。

3G网络通信模块采用SIMCOM公司的SIM5218模块，SIM5218是一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模块解决方案，支持下行速率达7.2Mb/s和上行速率为5.76Mb/s的数据传输服务。这对视频和图像等数据量较大的信号传输而言是非常理想的选择。

3 软件设计

软件设计包括嵌入式操作系统、驱动程序、上层协议集和应用程序设计。工程机械智能控制器软件的整体框架如图3所示。

3.1 嵌入式实时操作系统内核

uCOS-II是一个嵌入式实时操作系统内核，具有高度的可移植性，特别适用于微处理器。在LPC1788微处理器上有一整套成熟的移植方案。uCOS-II可以简单地视为一个多任务调度器，不仅实现了多任务的合理调度，还提供了如信号量、邮箱等多种资源，实现任务间通信。

图3 软件系统结构

3.2 嵌入式图形库

emWin是SEGGER公司为NXP公司的微处理器提供的一套芯片内部LCD控制器的高效独立图形库，程序员可以调用其中丰富的接口函数，实现在屏幕上绘制窗口、文本、图片、二维图形以及多种图像处理。

3.3 硬件设备驱动程序

工程机械智能控制器拥有丰富的硬件资源，包括flash控制器、CAN控制器、蓝牙控制器、LCD控制器、PWM控制器等。市面上一些第三方公司已经为其开发了驱动程序。本项目需要对已有的驱动程序进行移植和优化，并且编写缺少的驱动程序，如GSM模块驱动程序。

3.4 上层协议集

针对不同的应用需求，仪表软件需要移植相应的协议集。其主要包括TCP/IP协议集以及车辆CAN数据协议集。其中TCP/IP协议集主要满足工程机械智能控制器接入监控中心，实现数据交互。车辆CAN数据协议集主要用于采集车身工况数据。

3.5 应用程序开发

工程机械智能控制器应用于挖掘机工程车辆上，应用程序的主要需求为：数据采集与状态监视、数据传输、参数设置、系统日志记录与存储。

4 电源设计方案

挖掘机显控终端电源管理模块主要将从蓄电池两端的12V电压降为5V电压，并为系统所有模块供应电能。由于车载电路的严要求和较高的可靠性要求，这里选用了具备内部故障诊断功能的DC/DC转换芯片，MCU通过SPI通信协议可以迅速地对该芯片进行诊断和控制。保护电路方案如图4所示。

Vishay的汽车瞬态电压抑制器（TVS）利用了PAR®专利技术，相比于其他雪崩TVS二极管，其可在更大的温度范围内（可达185℃）表现出极佳的稳定性和功率处理能力。因此，人们可以采用SM8S24A TVS管保护。

5 结语

图4 典型保护电路

本文所设计的工程机械挖掘机显控终端，是集控制、显示、通信、定位功能为一体的高性能产品，通过北斗导航技术可对挖掘机有较高精度的定位，采用GPRS通信技术使挖掘机与远程监控中心进行大容量数据传输，实现远程监控和预警等功能。同时，该显控终端具有自动休眠及自动唤醒功能，可以实现长时间待机。本文只对挖掘机显控终端进行了研究，对于远程监控中心如何对挖掘机进行监控和远程控制，有待在后续研究中进一步探索和完善。

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