文獻標識碼： A
安全是一個永恒的話題，在交通運輸領域尤其如此。在鐵路運輸中，火車車輪的磨損是影響其安全運行的一個重要因素。對車輪外形的測量，已經從早期的人工模擬式進入到如今的電子數字式，然而現有的測量儀仍然有體積、功耗以及精度等方面的不足。針對這些不足，本文提出并設計了一種以ARM芯片LPC2214為核心的新型測量儀。
1 總體設計
1.1 性能要求
本設計的任務是設計一款手持式的火車車輪參數測量儀，用來檢測車輪的磨損程度，確定車輪的工作狀況，保證車輛的正常和安全運行。設計的基本原理是使用激光傳感器測量車輪相應的參數，將其傳給測量儀，實現數據的處理、存儲和顯示等。根據設計要求，需要測量的車型包括貨車、客車和動車3種，車輪型號有20種，并有以下具體的要求：
(1)在存儲和顯示測量數據時提供時間、地點編號、測量員編號等相關信息；
(2)測量范圍10 mm~100 mm，精度0.01 mm，并存儲一定數量的測量數據；
(3)良好的人機交互界面；
(4)體積小，重量輕，低功耗。
1.2 電路總體設計
根據性能指標，本設計采用NXP公司的ARM芯片LPC2214作為核心處理器件，外圍器件包括實時時鐘PCF8563、FLASH存儲器SST25VF016B、RS232/485串口驅動芯片和電源芯片，以及液晶屏和小鍵盤等，如圖1所示。
LPC2214是一款性能優異的微處理器，其基于一種支持實時仿真和跟蹤的32 bit ARM7TDMI-STM CPU，帶有256 KB片內FLASH存儲器、2個UART串口、SPI接口、外部存儲器接口等，具有高達60 MHz的操作頻率，完全滿足設計需要[1，4]。
本系統有5個外部傳感器，其中3個位移傳感器、2個激光傳感器，具體參數的獲取由這5個傳感器實現。在數據測量中，根據車型不同，可以簡要歸結為如下測量方式：(1)動車型的測量，獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4和激光傳感器5值；(2)普通客車和貨車的測量，先獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4值，再用繼電器閉合電磁線圈，延時2 s，讀取激光傳感器4值。
2 各部分軟硬件設計
2.1 實時時鐘設計
實時時鐘的任務流程圖如圖2所示。
由于在保存測量數據時，需要同時保存測量時的時間，這樣便于日后檢查統計，而LPC2214內部自帶的實時時鐘是掉電易失的，故在設計中采用實時時鐘芯片PCF8563設計了外部時鐘電路。PCF8563是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，具有16個８ bit寄存器，采用I2C接口，通過SDA和SCL 2條線與LPC2214相連，使用非常簡便。在其電源端接了一個1 F的電容(也可改用紐扣電池)，在測量儀斷電時為PCF8563提供電壓，從而實現實時計時功能。
另外，其第10~12個寄存器（09H~0BH）為分鐘、小時和日報警寄存器，此處不用報警功能，而將其改為存儲測量次數，節省了外部存儲空間，也保證了數據的安全性。需要存儲的測量次數為16 bit，考慮到3個報警寄存器并非所有位數都是有效的，實際分配為09H取8 bit，0AH和0BH取后4 bit，這樣正好16 bit，滿足測量數據的存儲范圍。
2.2 外部存儲器設計
本測量儀是一種手持式設備，對體積要求比較嚴格。為減小電路板面積和簡化布線，外部存儲器采用只有8個管腳的小封裝SST25VF016B。SST25VF016B是一款16 Mbit(000000H~1FFFFFH，2 MB)SPI接口串行FLASH，其采用的CMOS SuperFlash工藝保證更低的功耗，并具有4 KB、32 KB、64 KB以及Chip-Erase等4種靈活的擦除方式。SST25VF016B的連接如圖3所示。
SST25VF016B的操作包括擦除和讀寫等，由于對速度的要求不嚴格，所以在設計中采用GPIO口模擬SPI接口。發送和接收數據的2個子程序如下：
/*******************************************
* 名稱：Send_Byte()
* 功能：模擬SPI向SST25發送數據，在SCK的
* 上升沿發送1 bit的數據，共發送8個
*******************************************/
void Send_Byte(uint8 byte_OUT)
{
uint8 i；
for(i=0；i<8；i++)
{
IO0CLR=SCK； //SCK=0
if((byte_OUT & 0x80)==0x80) //輸出1
{
IO0SET=SI； //SI=1；
}
else
{
IO0CLR=SI； //SI=0
}
byte_OUT=(byte_OUT<<1)； //輸出0
IO0SET=SCK； //SCK=1
}
}
/*******************************************
* 名稱：Get_Byte()
* 功能：模擬SPI接收數據，在SCK的下降沿接收
* 1 bit的數據，共接收8個
*******************************************/
uint8 Get_Byte(void)
{
uint8 i；
uint16 byte_IN=0；
for(i=0；i<8；i++)
{
IO0CLR=SCK； //SCK=0
if((IO0PIN>>5)&0x01) //判斷是否輸入1
{
byte_IN++；
}
IO0SET=SCK； //SCK=1
byte_IN=(byte_IN<<1)；
}
byte_IN=(byte_IN>>1)；
return(byte_IN)；
}
在對外部FLASH存儲空間的分配中，前80 KB用來存儲20組設定的參數，用輪型編號進行索引，每組占4 KB；剩下的空間用來存儲測量數據，每組測量數據分配40 B，用存儲在實時時鐘報警寄存器內的測量次數進行索引，理論可存儲50 380組，可滿足長時間使用的需要。另外，在設置和測量的數據中，有一部分參數是小數，可將其轉化為整數后存儲，讀取時再轉化為小數即可。外部存儲器的讀寫流程如圖4所示。
2.3 液晶屏驅動設計
液晶屏型號為P160128，由于其沒有自帶的漢字庫，故根據需要顯示的漢字通過相關的軟件來完成制作漢字庫[3]。設計成的字庫和ASCII字符約有8 KB，存儲在LPC2214的內部FLASH中。此液晶屏為160×128點陣，而每個漢字占用點陣為16×16，故此屏可以顯示8行漢字，每行10個，因此對于某些需要顯示較多參數的地方，可以考慮分多屏顯示。
2.4 鍵盤掃描程序設計
根據應用需要，設計中采用4×5矩陣鍵盤，共計20個按鍵。鍵盤掃描程序是整個軟件的核心程序，通過使用者對鍵盤的操作調用相應的子程序，完成相應的設置和控制[4]。
3 軟硬件調試
本設計中需要顯示設置、測量、查詢3個界面，根據屏幕的大小，設置和查詢分為2屏顯示，測量界面為1屏顯示。
系統開機時默認進入設置界面，設置界面1和界面2可以通過“→”“←”進行切換，其中實時時鐘的設定就是在設置界面2進行的。在設置界面可以對20種輪型進行參數的設置和查看，每組輪型參數的有效長度為40 B，實際分配4 KB，這樣做的原因，就是在對某種輪型參數進行修改時，需要先對修改區域進行擦除，可通過調用擦除4 KB子程序Block_Erase4k()來實現，而不會影響到其他組。
測量界面負責顯示經處理后的數據信息。在測量前半部分可以設定6個相關的參數。當檢測到“確認”鍵按下時，系統自動調用子函數save_test_para()來保存測量數據和實時的日期時間，同時測量次數自動加1，為存儲下一組測量數據做好準備。
當需要對之前測量的數據進行查詢時，可以切換到“查詢”界面。“查詢”界面默認顯示為剛剛保存的一組測量數據，此時可以通過“↓”“↑”2個按鍵對序號進行增減，也可以通過數字鍵輸入要查詢的測量序號，然后按“確認”鍵，通過執行子函數Display_querry()調出測量數據。相對于“測量”界面，“查詢”界面需要額外顯示測量日期和時間，受屏幕限制，同樣將其分為2屏，可以通過“→”“←”2個按鍵進行切換。
本文以ARM芯片LPC2214為核心，設計了一款手持式測量儀，具有較高的測量精度和非常優越的實用價值。在設計中結合實際要求和器件性能，靈活設計了相應的硬件電路和軟件程序，達到了實用目的。作為一款新型的輪參測量儀，本系統最大的意義在于采用合理的器件，以相對很低的成本達到了較高的精度，既可用于測量在線運行列車車輪的磨損，還可以在生產線上對輪型尺寸進行分選，同時，可借鑒該系統的設計思想用于其他對體積、功耗、成本等要求較高的場合。
此外，在開發過程中，考慮到用戶的要求，可采用更高級別標準的器件，以適應各種不同的環境。同時，本系統的操作和顯示方式簡潔，方便用戶使用，可廣泛應用于各種相關的場合。
參考文獻
[1] 周立功．ARM嵌入式系統基礎教程[M]．北京：北京航空 航天大學出版社，2005．
[2] 曹準，周文祥，張學川．基于手機的虛擬儀器技術研究[J]．電子技術應用，2007(9)：91-95．
[3] 張昀超，周明濤，靳世久．液晶顯示模塊測試系統[J]．電子測量技術，2006，29(4)：42-43．
[4] PHILIPS公司．LPC2114/2124/2212/2214 User Manual．2004．