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汽车电子式组合仪表的研制.doc
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1、汽车电子式组合仪表的研制摘要汽车仪表盘集中了全车的仪表,它好象一扇窗,是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面。随着现代汽车工业和电子技术的发展,汽车中各种系统和机构日趋复杂,汽车行驶和各部分工作状况的信息量显著增加。同时,出于对汽车环保、安全性、经济性、智能化要求的提高,汽车驾驶员需要更多、更迅速地了解汽车运行的各种信息,使得汽车电子仪表向信息显示中心发展,它是驾驶员信息系统重要的组成部分。仪表显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需,也成为舒适生活的一部分,而参数传达的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。汽车电子仪表代替传统机械或电气机械式模拟仪表已成为发展的趋向。不同汽车仪表盘的仪
2、表不尽相同,但是一般汽车的常规仪表有车速表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。随着汽车工业的不断发展,作为汽车电子的重要部分的仪表盘也日新月异。从古老的机械式仪表盘到现在最新的全电子式仪表盘,技术在不断发展,仪表盘在稳定性提高的同时也提升了其观赏性。液晶屏的大量使用使得仪表盘所展示的车辆信息绝不是机械式仪表可以比拟的,丰富的信息提高了驾驶舒适性的同时也增加了驾驶安全。关键词:汽车仪表;单片机;数据采集Development of Automotive Electronic Combination MeterABSTRACTCar dashboard on the car, it i
3、s like a window, and car driver interface and the important information communication interface. Along with the development of modern automobile industry and the development of electronic technology, auto of systems and institutions is complicated, vehicle parts and working conditions of information
4、 increased significantly. At the same time, for safety, environmental protection, automobile, intelligent, car driver needs more and more cars run quickly understand all kinds of information, automobile electronic instrument to display information center, it is a pilot information system is an impor
5、tant part. The intuitive and beautiful instrument shows that not only, also be the necessary abraao, part of a comfortable life and convey accurate and reliability parameters is directly related to the vehicles safety. Automobile electronic instrument instead of conventional mechanical simulation of
6、 mechanical or electrical meter has become the development trend.Different car dashboard appearance, but the same routine instrument have speed, speed, temperature, pressure, oil, fuel oil, charging table, etc. With the continuous development of auto industry, automobile electronics as an important
7、part of the panel also with each passing day. From the ancient to the latest panel mechanized panel, the electronic technology in the unceasing development, improve the stability in the dashboard raised its appreciation. The wide use of LCD panel shows that the vehicle information is no mechanical i
8、nstrument can match, abundant information to improve the driving comfort also increase the driving safety.Key words: automotive meter; MCU; data collect目录1汽车仪表设计概述12汽车电子式仪表硬件设计32.1汽车电子式仪表主控芯片32.2汽车电子式仪表电源输入及检测62.2.1仪表电源的设计62.2.2 IGN检测72.3数字与模拟输入信号处理82.3.1数字类输入信号82.3.2模拟类输入信号92.4汽车电子式仪表通讯的实现112.4.1汽车
9、网络简介112.4.2仪表系统中采用的CAN网络122.5汽车电子式仪表的机械型显示142.6汽车电子式仪表的数字型显示162.6汽车电子式仪表的里程数据存储172.6汽车电子式仪表的声音指示193汽车电子式仪表软件设计203.1 主程序的设计213.1.1 初始化模块213.1.2 主程序模块213.1.3 中断处理模块223.2数据采集及处理模块233.2.1 脉冲采样处理模块233.2.2输入模拟信号处理253.3步进电机驱动程序设计264系统电路板设计284.1电路板设计制作工具284.2系统电路板的设计294.2.1 电路原理图设计294.2.2 PCB设计32总结35参考文献36致
10、谢37附录A 仪表盘实物图381汽车仪表设计概述汽车仪表盘集中了全车的仪表,它好象一扇窗,显示了汽车的工作状况,是人和汽车的交互界面,为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息,是每一辆汽车必不可少的部件。仪表显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需,也成为舒适生活的一部分,而参数传达的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。不同汽车仪表盘的仪表不尽相同,但是一般汽车的常规仪表有车速表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。随着汽车工业的不断发展,作为汽车电子的重要部分的仪表盘也日新月异。从古老的机械式仪表盘到现在最新的全电子式仪表盘,技术在不断发展,仪表盘在稳定性提高的同时也提
11、升了其观赏性。液晶屏的大量使用使得仪表盘所展示的车辆信息绝不是机械式仪表可以比拟的,丰富的信息提高了驾驶舒适性的同时也增加了驾驶安全。现代汽车上,汽车仪表还需要装置稳压器,专门用来稳定仪表电源的电压,抑制波动幅度,以保证汽车仪表的精确性。另外,大部分仪表显示的依据来自传感器,传感装置根据被监测对象的状态变化而改变其电阻值,通过仪表表述出来。现代仪表最突出的特点是功能的模块化,通常要组装一块仪表,只需将几个功能模块在定制PCB的基础上联合起来,就可以得到一个完整的系统。长安等经济型汽车的指针仪表一般为独立的模块,提示/报警功能由PCB上的LED完成。目前的汽车仪表尚以机械式为主,通讯方式以线束为
12、主。这种模式最大的弊病是过于依赖线束,导致系统复杂。对汽车仪表而言,使用电子式仪表板较之传统仪表的优势在于:硬件功能的软件化:随着微电子技术的发展,微处理器的处理速度越来越快。一些实时性要求高,原本由硬件完成的功能,就完全可以通过对微处理器编程来实现。系统集成度大大提高:在大规模集成电路技术迅速发展的今天,集成电路的密度越来越高,体积越来越小,内部结构越来越复杂,功能也越来越强大。随着仪表的部分功能硬件不断地被软件取代,整个系统的集成度也在相应提高。我国的汽车工业起步较晚,目前还落后于发达国家比较远的距离。我国大部分国产汽车的仪表盘还是需要改善,以更大的劲头追赶国外的技术。我国对电子式组合仪表
13、盘还使用得较少的主要因素之一是技术不够成熟,很多车厂宁愿使用老技术但能有更好的稳定性,也节省了开发调试时间,缩短生产周期,提高竞争力。但是如果能采用新型的电子式组合仪表,所生产的汽车档次能提升不少,带液晶显示屏仪表盘的汽车可不是机械仪表盘汽车所能比拟的。所以拥有电子式组合仪表的汽车市场竞争力有更大的提高。汽车仪表盘已经从传统意义的指示功能开始转到更加注重使用感受,目前国际上某些高端车型已经使用了大面积LCD进行全车身信息的展示,甚至出现了背投技术的仪表盘。仪表盘再也不是几个表加上几个指示灯的简单汽车部件,而是一块高新的技术构成电子化控制板,所拥有的功能可是日新月异地发展。目前国内也有很多人在研
14、究开发汽车仪表盘,为我国的汽车工业发展为做艰苦奋斗,全力追赶欧美发达国家的脚步。随着新型技术的进入,我国的开发研究也取得了很大的进步,各种高端仪表盘都已经涌现。本设计是一个基于Freescale单片机的汽车组合仪表板。面向的是目前市场上占主流地位的传统汽车,并引用长安车的仪表为模板,目的主要在于实现一个汽车组合电子仪表板的低端方案。设计概述:本方案的对象主要包括车速、转速、压力、温度、里程、时间以及一些提示/报警灯信号,分别体现在车速表、发动机转速表、油压表、水温表(指针)以及里程表上。其中,里程表定时记录车速信号,在行车时间内做数值积分,得到行驶公里数,作为里程保存在用户Flash中。定时(
15、1s)对里程数据做累加。数据通信使用了发展前景非常好的CAN总线通信,保证的高速通信的同时又有极好的可靠性。本仪表盘采用新型的汽车用步进电机,带有1:180的减速比,能非常准确地指示。同时仪表盘全部采用LED进行照明,可以通过非常低的功率达到非常好的照明效果。2汽车电子式仪表硬件设计硬件是系统功能的基础,只有正确的硬件设计才能实现系统需求。汽车仪表的最基本功能需求是指示作用,通过指针、蜂鸣器、指示灯、液晶显示屏等方式实现。本电子式仪表系统的指示系统由四个指针表、一个蜂鸣器、一块液晶显示屏及若干LED指示灯构成,能实现汽车仪表的基本及部分扩展指示功能。2.1汽车电子式仪表主控芯片新型的电子式仪表
16、相比以前的机械式仪表最大的不同就是采用了至少一块高性能的主控芯片,控制整个仪表盘的大部分模块的工作。飞思卡尔公司(原摩托罗拉公司半导体部)拥有完整的汽车芯片生产线,其中针对汽车仪表盘的芯片有MC9S12H系列及MC9S12XH系列,MC9S12H系列是飞思卡尔公司针对低端市场开发的主控芯片,主要面向中国印度等市场,MC9S12XH系列则针对中高端市场,通过集成的XGATE能非常容易实现大尺寸液晶显示屏的控制。在本设计中将采用MC9S12HY64作为主控芯片,飞思卡尔(Freescale)半导体是日前推出经济高效的16位微控制器系列,专为入门级汽车的电子仪表板而设计。入门级汽车应用是汽车业发展最
17、为迅速的一个细分市场。作为飞思卡尔阵容不断扩大的16位MCU系列的最新成员,新S12HY系列集经济实用的16位性能和最佳片上功能于一身,非常适合于新兴汽车市场中成本敏感型仪表板应用。S12HY MCU提供了最适宜的片上集成度,实现了从新兴市场中仍在使用的机械解决方案向现代机电仪表板的迁移。由于几乎不需要离散组件,该器件的高度片上集成能够帮助降低系统成本。集成的液晶显示器驱动能够为基于LCD的仪表板支持高达160个分段。该器件的片上步进电机控制器最多能驱动4个计量仪,实现速度计、转速计及其他模拟计量仪的精确逐步控制。此外,MCU还有一个控制器区域网(CAN)模块,能够简化引擎与仪表盘之间的数据通
18、信。S12HY MCU的主要特性:带有32 MHz总线的HCS12 CPU内核 片上内存:带有ECC的高达64KB的闪存;带有ECC的4KB数据闪存;4KB SRAM 集成的LCD驱动,可配置最多404(共160分段)带有4个计量仪驱动的步进电机控制器可扩展控制器区域网(MSCAN)模块(支持CAN 2.0A/B)带有内部过滤器的锁相环(PLL)倍频器两个带有I/O通道的定时器模块,能够提供各种16位输入捕捉、输出对比、计数和脉冲累加器功能带有最多8个8位通道的脉宽调制模块(PWM) 高达8通道、10位分辨率模数转换器串行外设接口(SPI)模块串行通信接口(SCI)模块,支持LIN 2.0、2
19、.1和SAE J2602通信 内部集成电路(I2C)模块片上电压调节器(VREG),用于调节输入电源和内部电压64引脚和100引脚LQFP封装LQFP100封装的HY64芯片引脚如图2.1所示:图2.1 MC9S12HY64芯片的LQFP100封装引脚图LQFP64封装的HY64芯片引脚如图2.2所示:图2.2 MC9S12HY64芯片的LQFP100封装引脚图在每对Vss和Vdd引脚间都接入一个104的陶瓷电容做滤波用,采用16M的晶振带22pF的电容,并且并联一个1M的电阻到晶振。这个1M的电阻不是必需的,只有当晶振难于起振时才接入。由于在产品中一般不会使用到复位的功能,所以电路设计中取消
20、了复位电路。使用Altium Designer设计的电路原理图如图2.3所示。图2.3 MC9S12HY64的基本工作电路2.2汽车电子式仪表电源输入及检测2.2.1仪表电源的设计电子式仪表由于采用了集成芯片,对电源的要求也相应地有所提高,因此设计电源模块的工作也是不容忽视的重要环节。根据飞思卡尔芯片的特性,电源纹波是非常关键的因素,虽然飞思卡尔S12系列的芯片工作温度可靠,但是它们对电源的要求相对更高。在本系统中,电源采用线性稳压芯片TLE4275。TLE4275是由INFINION公司生产的单片常复位输出的5V稳压集成电路,其管脚封装如图2.3所示,1号脚为电压输入端、2号脚为上电复位信号
21、输出、3号脚接地、4号脚复位信号延时控制(通过调整该脚外接的对地电容可调整复位信号的延时时间)、5号脚为5V电源输出脚。TLE4275虽然可以直接产生复位信号,但由于驱动能力较弱,所以没有使用。图2.4 TLE4275的TO252封装引脚图厂家推荐的工作电路如图2.5所示图2.5 TLE4275推荐电路图根据仪表盘的特殊工作环境,设计了如图2.6所示的电路,支持BAT电池输入及IGN输入,使用1N4007进行保护,输入部分用了220uF的电容作储能,输出部分使用了0.1的滤波电容。图2.6 在本设计中采用的电源电路2.2.2 IGN检测仪表盘需要检测IGN信号以进行车辆状态的判断,根据不同的状
22、态采取特定的显示措施。由于发动机的转速是不断变化的,所以IGN输入电压也是波动很大的输入,不能仅靠软件进行滤波操作,所以在硬件电路设计中加入了滤波电路。滤波工作电路如图2.7所示,当IGN输入高电平时,1N4007导通,ZD1(5V稳压管)和R8把IGN电压稳压在5.1V,再通过R9对C2进行充电,如果IGN的高电平不是波动则C2充电电压能达到S8050的饱和状态工作值,IGNCheck被拉到低电平,而IGNCheck会接到MC9S12HY64的IRQ引脚,IRQ引脚上的下降沿能将芯片从睡眠状态中唤醒过来。图2.7 IGN检测电路设计2.3数字与模拟输入信号处理数字输入信号包括各种数字型状态信
23、号及脉冲信号,模拟输入信号包括电压电流等信号。车辆信息有很大一部分是通过这两种方式接入仪表盘的,而且他们的信号大多数也需要有调理电路的参与。数字与模拟输入信号不仅要求保持完整性而且需要在调理电路中设计保护电路,以免主控芯片受到干扰冲击造成工作不稳定甚至烧坏芯片。2.3.1数字类输入信号数字类输入信号主要是脉冲信号和开关量信号,由于开关量信号可以直接接至LED进行指示,所以在此不做讨论。图2.8是脉冲输入调理电路之一,在电路中设计了滤波电路以滤除干扰信号。这种方案的缺点之一是采用了5V的电压,消耗的功率较大。图2.8 脉冲输入调理电路一针对功耗问题,可以采用以下方案解决,如图2.9所示。由于直接
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