基于ARM和LPC2214的新型测量仪

　　目前，国内外使用的车轮定位仪主要采用接触式的定位方式，由于其测量原理的局限性，其检测操作过程十分复杂，无法实现快速检测，使之难以在火车制造厂和火车检测线中广泛使用。针对这些不足，本文提出并设计了一种以ARM芯片LPC2214为核心的新型测量仪。

　　1 总体设计

　　1.1 性能要求

　　本设计的任务是设计一款手持式的火车车轮参数测量仪，用来检测车轮的磨损程度，确定车轮的工作状况，保证车辆的正常和安全运行。设计的基本原理是使用激光传感器测量车轮相应的参数，将其传给测量仪，实现数据的处理、存储和显示等。根据设计要求，需要测量的车型包括货车、客车和动车3种，车轮型号有20种，并有以下具体的要求：

　　(1)在存储和显示测量数据时提供时间、地点编号、测量员编号等相关信息;

　　(2)测量范围10 mm~100 mm,精度0.01 mm,并存储一定数量的测量数据;

　　(3)良好的人机交互界面;

　　(4)体积小，重量轻，低功耗。

　　1.2 电路总体设计

　　根据性能指标，本设计采用NXP公司的ARM芯片LPC2214作为核心处理器件，外围器件包括实时时钟PCF8563、FLASH存储器SST25VF016B、RS232/485串口驱动芯片和电源芯片，以及液晶屏和小键盘等，如图1所示。

　　

 

　　LPC2214是一款性能优异的微处理器，其基于一种支持实时仿真和跟踪的32 bit ARM7TDMI-STM CPU,带有256 KB片内FLASH存储器、2个UART串口、SPI接口、外部存储器接口等，具有高达60 MHz的操作频率，完全满足设计需要[1,4].

　　本系统有5个外部传感器，其中3个位移传感器、2个激光传感器，具体参数的获取由这5个传感器实现。在数据测量中，根据车型不同，可以简要归结为如下测量方式：(1)动车型的测量，获取连在RS485线的3个位移传感器值和激光传感器4和激光传感器5值;(2)普通客车和货车的测量，先获取连在RS485线的3个位移传感器值和激光传感器4值，再用继电器闭合电磁线圈，延时2 s,读取激光传感器4值。

　　2 各部分软硬件设计

　　2.1 实时时钟设计

　　实时时钟的缩写是RTC(Real_Time Clock)。 RTC 是集成电路，通常称为时钟芯片。RTC通常为8PIN,有SOP8、MSOP8、TSSOP8等多种封装。其中有6个I/O口的功能是一样的，分为：晶体接口2PIN、MCU接口2PIN、主电源1PIN、地1PIN.这样就剩下2个I/O的功能定义被区分开了。所以会有许多的RTC型号。例如 荷电科技的H1208、H8563、H1302、H1307、H1381等等。大家看到后会发现许多RTC在I/O口的定位上有明显的区别，所以PCB设计时需要多注意

　　实时时钟的任务流程图如图2所示。

　　

 

　　由于在保存测量数据时，需要同时保存测量时的时间，这样便于日后检查统计，而LPC2214内部自带的实时时钟是掉电易失的，故在设计中采用实时时钟芯片PCF8563设计了外部时钟电路。PCF8563是低功耗的CMOS 实时时钟/日历芯片，具有16个8 bit寄存器，采用I2C接口，通过SDA和SCL 2条线与LPC2214相连，使用非常简便。在其电源端接了一个1 F的电容(也可改用纽扣电池)，在测量仪断电时为PCF8563提供电压，从而实现实时计时功能。

　　另外，其第10~12个寄存器(09H~0BH)为分钟、小时和日报警寄存器，此处不用报警功能，而将其改为存储测量次数，节省了外部存储空间，也保证了数据的安全性。需要存储的测量次数为16 bit,考虑到3个报警寄存器并非所有位数都是有效的，实际分配为09H取8 bit,0AH和0BH取后4 bit,这样正好16 bit,满足测量数据的存储范围。

　　2.2 外部存储器设计

　　本测量仪是一种手持式设备，对体积要求比较严格。为减小电路板面积和简化布线，外部存储器采用只有8个管脚的小封装SST25VF016B.SST25VF016B是一款16 Mbit(000000H~1FFFFFH,2 MB)SPI接口串行FLASH,其采用的CMOS SuperFlash工艺保证更低的功耗，并具有4 KB、32 KB、64 KB以及Chip-Erase等4种灵活的擦除方式。SST25VF016B的连接如图3所示。