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作者：莊汝科 李小偉 張云 李明強 王冬雪 山東省科學院自動化研究所 時間：2009-10 引言 汽車儀表由各種儀表、指示器，特別是駕駛員用警示燈和警報器等組成，為駕駛員提供所需的汽車運行參數信息。按汽車儀表的工作原理不同，可大致分為三代。第一代汽車儀表是機械機心表;第二代汽車儀表稱為電氣式儀表[1];第三代為全數字汽車儀表，它是一種網絡化、智能化的儀表，其功能更加強大，顯示內容更加豐富，線束連接更加簡單。 目前的汽車儀表多為第三代儀表，它可以利用A/D轉換或是數字脈沖直接從傳感器獲得數據，也可以利用CAN總線通過汽車網絡獲得數據;它可以通過步進電機來驅動儀表指針，也可以利用LCD屏直接顯示圖形或文字信息。同時它還有智能處理單元，可以與汽車其他控制單元交互信息。 
總體需求及設計 汽車儀表的功能就是獲取需要的數據并采用合適的方式顯示出來。以前的儀表一般限制在3~4個量的顯示和4~5個警告功能，現在新式儀表則達到有約15個量的顯示和約40個警告監測功能。導致儀表顯示信息量快速增長的主要原因有以下幾方面[2]： ● 汽車上的新功能部件不斷增加，如ABS、安全氣囊、倒車雷達等; ● 對汽車行駛中的狀態要求更加實時的了解，如胎壓、水溫、油耗等; ● 對汽車各部件的工況要求更加細致的掌握，如燈光、車門、車鎖、安全帶等。 不同的信息有不同的獲取方式和顯示方式，目前新式儀表信息獲取方式主要有三種： ● 通過車身總線傳輸; ●通過A/D采樣轉化; ●通過IO狀態變化獲取。 對于顯示方式，主要有五種方式：通過驅動步進電機帶動指針轉動;通過點陣LCD屏顯示圖形或數字信息;通過段式LCD屏或數碼管顯示;通過LED燈的開關顯示;通過蜂鳴器的不同鳴音指示當前狀態。 根據以上要求，本文設計的汽車儀表盤節點由MCU系統、步進電機驅動、LED顯示、LCD顯示、報警功能、記憶功能、按鍵處理、LIN總線通信、高速CAN通信、低速容錯CAN總線通信以及電源供給等幾個方面構成(圖2)。
硬件電路設計 H8Sx/1544是一款完全符合第三代汽車儀表需要的芯片，它具有高速運算能力的32位MCU，帶有兩路CAN通道，能直接驅動步進電機和LCD模塊，性能參數滿足汽車工業級要求[3]。外圍模塊包括步進電機控制PWM定時器，LCD模塊接口，16位定時器脈沖單元(TPU)，DMA控制器(DMAC)，CAN總線控制器、串行接口，A/D轉換器，警示燈和報警器的輸出，LED PWM調光等。這些模塊可以滿足車速、轉速、油量、冷卻水液位的信號采集和顯示，可以很容易地實現外設元件很少的儀表板電路[4]。基于H8Sx/1544的汽車儀表板框圖如圖3所示。
6組步進電機可直接通過H8Sx/1544的PWM引腳驅動，分別用于指示汽車行駛的車速、發動機轉速、冷卻液溫度、燃油箱的油量、機油壓力和發電機電壓。選用具有并行8080接口的點陣式液晶模塊，可直接與MCU相連，用于顯示圖形和其他信息。高速CAN和低速CAN分別與汽車內的兩個CAN網絡相連，必要時可作為網關使用。汽車車速傳感器和發動機轉速傳感器通常采用霍爾器件，為了改善波形，在輸入捕獲定時器管腳外使用了施密特電路進行整形。 軟件設計 為了提高代碼的可重用性、可讀性以及可維護性，軟件編寫的基本思想是在滿足系統功能的前提下，盡可能使應用軟件標準化、模塊化。每一個模塊是一個具有獨立功能的程序，可以單獨設計、調試與管理。 軟件模塊主要有主程序模塊、初始化模塊、數據采集模塊、步進電機驅動模塊、CAN通訊模塊、LIN通訊模塊、SPI通訊模塊、顯示模塊、存儲記憶模塊、報警模塊、中斷模塊等。 報警模塊實現異常情況下控制告警信號輸出，如冷卻液溫度升高近沸點或燃油箱內的燃油量少于某一規定值時，音頻告警會發出不同頻率的告警信號，點亮指示燈。中斷模塊有四種中斷源：按鍵信號、車輪轉速信號、發動機轉速信號及掉電保護信號，分別完成面板功能設置、測速和掉電時的數據保存。數據采集模塊根據輸入參數對相應的模擬信號進行采樣、量化，并對采樣信號進行抗干擾處理。顯示模塊完成LCD的初始化，并顯示各種需要符號和數值。步進電機驅動模塊采用微步方式驅動步進電機，有加速、勻速、減速三種模式，以克服電機在啟動時滯后、停止時過沖的現象。 結語 本文通過對汽車儀表系統基本功能的分析，完成了一款高集成、嵌入式、總線化的汽車組合電子儀表。該儀表能實現步進電機帶動表盤指針實時指示以及LCD的圖形化顯示，實現了功耗低、容錯性強、模塊化程度高的設計要求。該組合電子儀表精度高、線性度好、響應速度快、適應性強、記錄準確、性能穩定，各方面性能均達到了國內領先水平。 參考文獻： [1] 2008年中國汽車儀表行業調研及發展預測報告[R/OL]. 中商情報網. http://www.askci.com [2] 陳朝軍. 基于CAN通訊的汽車組合儀表的數據定義和測試平臺[D]. 上海：上海交通大學. 2007 [3] 瑞薩公司. 瑞薩MCU在汽車儀表和CAN/LIN應用中的解決方案[R/OL]. 世界電子元器件，2007(5) [4] H8SX/1544 Group Hardware Manual[R/OL] [5] H8SX_1544 CAN dashboard Platform user manual[R/OL] |
