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一 引言 混合動力汽車通常是指同時由燃油發動機和電動機兩種動力源驅動的汽車。汽車利用燃油機和電力兩種動力系統通過串聯、并聯或混聯的形式進行組合工作。這兩種動力源在汽車不同的行駛狀態下可分別工作，或同時工作，運用最優的控制方法達到最少的燃油消耗和尾氣排放，實現省油和環保的目的。混合動力汽車由于具有兩套動力系統CONTROL ENGINEERING China版權所有，在控制難度提高的同時，也對數據傳輸及顯示的實時性和可靠性提出更高的要求，如果能將不同動力系統的實時工作狀態及時地反映給駕駛員，為駕駛員提供更為全面的行車咨詢，對混合動力汽車而言CONTROL ENGINEERING China版權所有，顯得尤為重要。目前，我國普遍生產使用的是燃油汽車，相應地，我國目前普遍采用的步進電機式數字儀表也是針對燃油發動機相關參數而設計。如果在已有的步進電機式儀表面板中設計更加復雜的圖象來顯示混合動力汽車相關參數，特別是反映動力源工作狀態的參數，將很難保證顯示系統的清晰性、實時性和穩定性。針對這種現狀，我們設計了一款以彩色液晶顯示器為終端的基于TI公司TMS320F2812 DSP的混合動力汽車綜合顯示儀。 該顯示儀從CAN總線獲取所需數據，由TMS320F2812 DSP處理數據并通過MAX232送往彩色液晶，通過軟件編程實現現場數據與"預置畫面"相結合的動態顯示，并可隨時根據需要，由軟件實現顯示界面的擴充。這一系列任務在硬件支持的情況下全部由軟件編程實現。 1. CAN總線技術 目前存在多種汽車網絡協議，控制局域網絡(Control Area Network, CAN)屬于現場總線范疇，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優先級的CSMA／CD協議對總線進行仲裁。因此，CAN總線允許多站點同時發送，這樣，既保證了信息處理的實時性CONTROL ENGINEERING China版權所有，又使得CAN總線網絡可以構成多主結構的系統，保證了系統的可靠性。另外，CAN采用短幀結構，且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施，保證了數據的實時性、低傳輸出錯率。 目前，汽車上主要有2條CAN 總線，即低速(L)與高速(H)CAN總線CONTROL ENGINEERING China版權所有，低速線路工作在125kb/s以內，主要控制車身及舒適系統(中央門鎖、車窗、天窗、收音機、座椅、安全氣囊等)；高速線路工作在125kb/s以上，主要控制動力系統(發動機、自動變速器、制動系統以及防側滑系統、綜合顯示儀等)，隨著汽車技術的發展，總線的數量會越來越多，功能越來越強大。在汽車內部采用基于總線的網絡結構，可達到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體可靠性的目的。在國外控制工程網版權所有，尤其是歐洲，CAN網絡已被廣泛應用在汽車上，如奔馳、寶馬、寶時捷等車。 2. TMS320F2812 DSP芯片 TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數字信號處理器，是面向電機控制、工業自動化的第一款帶片內Flash、工作頻率達到150MHz的32位DSP。它采用經典哈佛總線結構，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉換數據，這種多總線結構使得它可以在一個周期內并行完成取指令、讀數據和寫數據，同時它采用了指令流水線技術，保證信號處理的快速性和實時性。 二 混合動力汽車綜合顯示儀的設計 1. 設計思想 本設計利用車輛網絡的優勢，從CAN總線上采集混合動力汽車綜合顯示儀所需要的數據，如車速、轉速、檔位、電池荷電狀態(SOC)、動力系統工作狀態等，經DSP處理后進行各種實時控制和顯示。區別于傳統的儀表面板，本設計采用彩色液晶顯示器作為顯示終端動態顯示所采集并用軟件處理過的數據，可隨時根據需要，由軟件實現顯示界面的修改和擴充。使用CAN總線方式使得整體系統工作更加及時、準確，提高了安全性、可靠性，更具有智能化和人性化。TMS320F2812芯片則保證了信號處理的快速性、實時性以及通信設計的方便。 2. 顯示儀的硬件設計 該顯示儀的硬件結構如圖1所示，主要包括：電源復位電路、CAN通信接口電路、SCI通信與電平隔離轉換電路、液晶接口電路等。F2812不斷地從CAN總線上獲取數據、對數據進行識別、計算處理后，由SCI經過MAX232送往YD711彩色智能液晶顯示器，與"預置畫面"組合顯示。 a. 電源復位電路 TMS320F2812芯片需要給CPU、Flash、ADC及I/Os提供雙電源(1.8V和3.3V)，在上電期間，應該為所有模塊賦予正確的復位狀態，器件的上電/掉電需要滿足一定的時序要求。TI的專用電源芯片TPS767D318可通過5V穩壓電源，提供滿足DSP內核所需的1.8V電壓和其外設所需的3.3V電壓。在(PIN4)和(PIN10)之間串聯RC充電電路目的在于使能1路輸入輸出和2路輸入輸出有一定時間的延遲CONTROL ENGINEERING China版權所有，從而使3.3V和1.8V的電壓輸出滿足F2812的上電時序要求，R、C的取值取決于時間常數。1Reset(PIN28)和2Reset(PIN22)內部連接的是"與"門漏級開路驅動器，因此PIN28和PIN22并聯的結果是如果任何一端輸出為低，都將引起F2812復位。采用DC/DC穩壓電源以及嚴格隔離數字地和模擬地的設計，從硬件上保證了系統的抗干擾性。如圖2所示。 b. CAN通信接口電路與數據電平轉換電路 TMS320F2812中集成的CAN總線模塊是增強型CAN(eCAN)模塊，支持CAN技術規范2.0B，最高達1Mb/s速率，并帶光電隔離；在基于TMS320F2812的混合動力汽車綜合顯示系統中，CAN總線接口是在集成的eCAN模塊的基礎上，外擴了TI公司的3.3V CAN總線收發器SN65HVD232。由于YD711型彩色液晶智能顯示器采用標準RS-232C通信方式CONTROL ENGINEERING China版權所有，系統采用MAX232芯片將DSP輸出的典型3.3V電平數據轉換為RS-232C電平。CAN通信接口電路與數據電平轉換電路如圖3所示。 c. YD711液晶接口電路 液晶的移位寄存器RXD(PIN14)通過RS-232C口的TXD(PIN3)與MAX232的T1out(PIN14)連接；液晶的緩沖區寄存器DTR(PIN15)通過RS-232C口的DSR(PIN6)與MAX232的T1in(PIN13)連接，在F2812給YD711發送數據之前，首先應判斷移位寄存器是否為空CONTROL ENGINEERING China版權所有，為空時再檢查DTR信號，若DTR為高電平，表示緩沖區滿，要等到DTR信號變為低電平后再發送數據。即DTR為低電平時發送數據，DTR為高時停止數據發送。接口電路如圖3、4所示。 3. 軟件設計 編程工具采用TI公司的DSP集成開發環境CCStudio V3.1，采用標準C語言作為程序設計語言，其編譯效率和直接用匯編語言已經沒有太大的差距。程序主要涉及到eCAN模塊、PIE模塊和SCI模塊的運用： (1)在對各寄存器進行初始化以后，首先啟動CAN模塊接受數據； (2)判斷數據的類型，例如：判斷是轉速、水溫、還是其他，并將數據分別存放到相應的郵箱中； (3)判斷數據是否正確，采用"差異判別標志"的方法來識別數據屬于本身的正常躍變、還是由于干擾引起的突變，從軟件上保證了系統抗干擾的能力。 例如：當此次所接收的數據與上次接收的數據相比，存在較大差異時，軟件暫時只保留數據而不將其送往液晶顯示，并打開一個"差異判別標志"，并將所保留的數據再與下一幀數據進行比較，直到相鄰幾個數據不存在較大差異時，才認為是正確的數據，這時清除"差異判別標志"并由SCI將數據送往液晶顯示。 PIE模塊用以實現駕駛員按鍵選擇畫面部分的功能。當有按鍵觸發信號產生，主程序跳轉至中斷服務子程序ISR中，判斷選擇的是哪幅畫面并將其顯示，中斷子程序返回至主程序。 4. 顯示界面設計及參數范圍 本設計選用了友利華(河南)高科技開發有限公司的YD711彩色液晶智能顯示器，引入了"預置畫面"的概念：所有的顯示畫面都被分為固定部分和變化部分。對于固定部分，可以預先在微機上進行編制，然后將其作為"預置畫面"送入機內(閃存)中，本系統一共繪制了3幅預置畫面： (1)考慮到有些駕駛員習慣于傳統的儀表版面，設計了指針式的畫面； (2)在動力傳輸示意圖這個畫面里，系統將其中的小箭頭作為變化部分，通過程序對小箭頭進行連續填充，達到動態跑動的效果，從而非常直觀地反映出了混合動力汽車動力系統的工作狀態，如圖5所示； (3)考慮到駕駛員不同習慣的需求，設計了純粹以數值方式顯示的畫面，如圖6所示。系統通過軟件實現與現場實時數據組合顯示，駕駛員可通過按鍵方便地選擇畫面。 根據混合動力汽車的特性，綜合顯示儀所顯參數及其范圍設定為：車速(0～180km/h)、轉速(0～6500r/min)、檔位(停車檔-P、倒車檔-R、空檔-N、前進檔-D、行車檔-S、低速檔-L)、電池荷電狀態(SOC 0～100%)、電流(0～200A)、電壓(額定電壓288V)、水溫(0～120℃)、燃油(0～100L)、里程(0～30000km)，動力系統工作狀態以及動力傳輸示意圖。其中的動力傳輸示意圖能動態直觀地反映發動機和電動機兩套動力系統的當前工作狀態。 三 試驗結果 本綜合顯示儀設計了三幅畫面，如畫面1、2、3所示。駕駛員可通過按鍵方便地切換顯示畫面。試驗表明，該綜合顯示儀能按設計要求正常穩定地顯示汽車運行時的相關參數。當動力源以及動力傳遞方向發生改變時，動力傳輸示意圖里的箭頭運動方向也跟著改變，從而可非常直觀明確地顯示汽車動力系統的工作狀態。 |
