摘  要： 介绍了一种以SH7264微处理器为核心、μC/OS为操作系统的工程机械智能图形仪表板的设计与实现方法。采用VDC分层图像显示，提高启动速度、改善显示质量。在软件设计中采用重构技术，加快了工程机械仪表板的开发速度及效率，节约了社会资源。
关键词： 工程机械；仪表板；CAN总线；VDC；μC/OS

　仪表板是各类工程机械必不可少的装置，它用于显示工程机械各个系统工作状况，是工程机械与作业员进行信息交流的界面，作业员通过仪表随时掌握工程机械各个部件的工作状态。现代工程机械越来越复杂，所需的各类仪表也越来越多，传统的工程机械仪表存在占用面积大、分布散乱、显示内容固定单一、显示信息量小等缺点，不具有可配置性，而且恶劣的工作环境常常导致仪表显示的信息不准确或失灵；其次，主要由作业员根据目视得到的外界信息对工程机械进行操作。随着各种工程机械不断向大型化、复杂化方向发展，传统的目视观察己经越来越多地暴露出其局限性：如视角存在盲区、远处作业面无法看清等。传统仪表板的这些局限性很可能导致作业员的操作不及时甚至失误，不仅降低了生产效率，还带来较大的安全隐患[1]。
    传统仪表已远远不能满足现代工程机械高速发展的要求。为此设计一款既能够以图形、文字甚至动画的方式来实时显示工程机械的各种状态信息，又能完成工程机械的视频采集、解压缩、终端显示的多功能的智能图形仪表信息系统显得非常有必要，这也是今后工程机械仪表板发展的一个必然趋势。
    仪表板做为工程机械的核心技术之一，具有重要的地位。目前，我国在工程机械图形仪表技术方面与德、美、日等国有较大差距，基本上只能由国外提供高端仪表，导致资金外流。因此，开展智能图形仪表技术方面的研究，能摆脱对国外的技术依赖，对增强我国工程机械厂家的核心竞争力、促进产业升级具有重要意义。
1 工程机械智能图形仪表信息系统的总体设计
    随着工程机械的发展，各种机构日趋复杂，其附属装置也越来越多，仪表板作为工程机械的信息中心，必须为操作人员提供挖掘机各部分的状态信息，使驾驶员能够及时了解挖掘机当前的状态。工程机械仪表板上主要显示的信息有油温、水温、油压、GPS、视频、故障诊断及各种指示灯和报警信号，因此整个系统设计可分为电源模块、主控制器模块、CAN总线模块、故障诊断模块、GPS模块、视频解码模块、键盘及TFF-LCD显示模块，系统构架如图1所示。

2 硬件设计
    工程机械智能图形仪表板主要负责显示、监控工程机械运行时的状态及从CAN总线接收到的各种主要参数。根据功能划分，该系统的硬件电路主要包括电源模块、CPU模块、存储器模块、视频处理模块、LCD驱动模块、模拟信号处理模块、外部接口模块（包括CAN和UART、GPS及故障诊断信息都通过该模块来获取）和键盘扫描模块等，其硬件结构框图如图2所示。

    本系统采用的主控制芯片是瑞萨公司2009年推出的Super H系列的32位SH7264[2]微处理器，该微处理器的特性包括工作速度高达144 MHz的32位超标量SH-2A内核和1 MB内部SRAM。显示图形时，该内部SRAM可用作帧缓冲器。因此，该微处理器可以减少外部元件的数量，缩小电路的设计面积。并且，只要加了电源电压，内部SRAM就能够保持其数据，所以器件具有减少待机功耗的优势。
    内置到SH7264芯片中的VDC3(视频显示控制器3)具有视频输入和RGB输出功能，因此相同的硬件可以用于视频和绘制图形。大容量内部SRAM与VDC3之间还具有专用总线：1个专用视频总线和2个专用图形总线。这种设计结构允许同时传输不同类型的数据。这些总线操作都是独立的，即使在传输视频数据的同时，也可以操作CPU和外设功能总线。片内带1 MB的显示缓存，可以支持QVGA、WQVGA大小的多层显示数据缓存，而无需SDRAM。
3 软件设计
    工程机械智能图形仪表板涉及到CAN总线中断与视频解码、GPS信息采集、实时时钟信息读取、菜单设计、键盘扫描及与ECU进行通信等多任务并行的复杂软件系统。传统的单任务顺序程序结构灵活性差、实时性差、资源利用率低，难以满足多任务并行的实时数据采集系统的需要[3]。本文采用?滋C/OS操作系统，?滋C/OS代码小、可移植性强，移植工作主要是对OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三个文件进行修改[4]。
3.1 任务的划分
    本系统主要包括以下任务：仪表虚拟图形显示模块任务（图形静态显示和指针图形动态旋转等）、基于图像分层叠加的菜单界面设计模块任务，视频显示模块任务、通信模块任务、工况数据处理模块任务、键盘扫描模块任务、E2PROM读写模块任务以及LCD显示模块任务。各任务间通过消息队列和信号量来通信和共享数据。
3.2 任务结构及分析
      主程序在完成各种初始化操作后依次创建各任务，然后通过调用OSStart()函数启动操作系统。在μC/OS-II中，各任务被赋予不同的优先级，拥有各自的任务堆栈，不同任务之间通过消息队列和信号量互相通信和共享数据。任务都采用无限循环结构，各任务通过延时或等待信号量和消息队列来放弃CPU使用权。这样在时钟节拍到来时将产生中断级任务切换，系统转而运行处于就绪状态的高优先级任务，当延时时间到或者信号量和消息到来时，任务将再次运行。系统中主要任务具体功能分析如下。
    CAN总线接收与处理任务：因为工程机械仪表板所显示的信息主要来自与CAN总线相连的ECU主控制器，实时更新主控制器数据对操作员来说尤为重要，因此将该任务作为最高优先级。
    视频解码及显示任务：视频作为工程机械操作的另一个重要辅助设备，很好地克服了视角存在盲区、远处作业面无法看清等问题。摄像头传输来的数据通过ADV7180视频硬件解码器解码，然后再通过I2C总线读到CPU进行处理，然后在TFT-LCD上显示。
    图形显示任务：本仪表板所设计的智能图形仪表，其作图方式不再是通过画点画线等GUI软件程序来实现，而是先在PC机上用画图软件先设计好所需的图片，该图片可根据用户需求任意实现，然后在Matlab下处理，之后写到CPU，将其显示出来。这种图形显示方式的优势在于大大缩减了软件代码，减轻CPU的负担，而且可以显示任意的图形界面。
4 仪表板设计中关键技术问题的解决
    （1） 指针旋转问题
    一般的图形仪表盘设计指针时主要有以下几种方案；(1)直接画线，这种方法显示的指针简单、单调；(2)移植μC/GUI或者QT等软件，这种方法对硬件资源要求比较高；(3)将不同指针状态变化后的每张图片存储起来，这种方式所需要的存储量非常巨大；(4)利用图片旋转方法，即只需要存储一张指针图片，通过坐标变换将指针图片旋转得到其他角度的指针，这种方法会造成图片信息点的丢失，显示效果较差，虽然可通过临近插值法或双线性插值法等来解决图像的瑕疵，但又耗用了大量的CPU资源。
    本文在不占用太多存储空间和不耗用大量的CPU资源的情况下设计了一种指针指示方法，即先用作图软件画出不同角度的指针图片，然后用Matlab找出每个幅图片指针的每个像素的坐标及像素值，将这些数据存储在Flash中，程序调用时可采用查表法。
    （2）抗锯齿问题
    传统的图像处理边缘抗锯齿的方法有超级采样抗锯齿SSAA(Super-Sampling Anti-aliasing)和多重采样抗锯齿MSAA(MultiSampling Anti-Aliasing)。SSAA简单直接，但消耗资源多，MSAA对资源的消耗相对较小，但在画质上不如SSAA。在Photoshop软件中，其边缘羽化功能已经集成了很好的抗锯齿算法，而本文的最大特点是利用图形来设计仪表，所以只需在Photoshop里利用羽化功能对旋转的指针图像进行边缘处理，即可消除指针旋转后的锯齿问题，且不需要消耗仪表硬件系统的资源，减轻软件设计负担。
    （3）VDC3图像分层显示问题
    一般的数字仪表板设计图形时只有一层图形，由于要显示一些动态信息，需经常修改图形缓冲区的内存值，所以常常导致背景图像会有残影和闪烁。如果使用VDC分层显示则可以很好地解决这个问题，背景图片做为底层，需要变换的动态信息等图片或文字则在第二层显示，视频输出结果在第三层显示，如图3所示。

5 工程机械仪表板软件重构技术
    本设计主要是针对液压挖掘机来开发的，而面对种类繁多的工程机械，针对每种工程机械开发对应的仪表板几乎是不可能的，而且也造成了重复开发和社会资源的浪费。因此本文提出针对工程机械仪表板开发的软件重构技术[5-6]，对功能软件进行封装，将各类工程机械的型号种类参数进行打包封装，将这些软件“芯片”集成在存储器里，如要开发新的工程机械仪表板，只需修改仪表软件中的工程机械的型号或种类等参数，无需进行再次软件开发，便可设计出对应型号的工程机械的仪表板，这样可满足工程机械种类繁多、要求五花八门等特点，减少不必要的重复设计，使工程机械仪表朝着规模化、集成化的方向发展。
    本研究开发的智能图形仪表信息系统集成了工程机械工作信息显示、机器工作参数设置、视频监控、故障诊断、GPS显示等功能，基本上可以满足中高档工程机械的仪表显示需求，效果美观大方、人机接口界面友好。
参考文献
[1] 徐殿魁.工程车辆视频处理与图形终端硬件平台的设计与实现[D].南京：南京理工大学,2010.
[2] SH7262 Group, SH7264 Group Hardware Manual Rev.2.00 [EB/OL]. Renesas Technology Corp.[2009-06-18].http://cn.renesas.com/.
[3] 何创新，李彦明，刘成良.工程机械远程状态信息采集方 法研究与应用[J].仪器仪表学报，2009，30（4）：728-732.
[4] LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ（第二版）[M].邵贝贝，等译.北京：北京航空航天大学出版社, 2003.
[5] 陈曾胜，吕国强，洪占勇. 一种基于可重构理论智能仪器设计[J].电子测量技术，2001（4）：1-2.
[6] GARRIDO A. Software refactoring applied to C programming language[D]. MS Thesis. University of Illinoisate Urbana-Champaign, 2000.