基于虚拟仪器的汽车仪表设计.doc

本科学生毕业设计

基于虚拟仪器的汽车仪表设计

院系名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
职 称：

黑 龙 江 工 程 学 院
二〇一二年六月

The Graduation Design for Bachelor's Degree

Automobile instrument design based on virtual instrument

Candidate
Specialty：
Class：
Supervisor：

Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin

黑龙江工程学院本科生毕业设计

摘 要

针对汽车仪表发展的新趋势，本文对国内汽车仪表行业的现状和发展远景进行了概述，针对性的研究了基于LabVIEW技术和单片机技术而建立虚拟汽车仪表系统的构成，并且系统的给出了一种可行性方案，分别从LabVIEW软件实现方法、单片机程序实现方法和软、硬件的通信三方面进行了阐述。本文设计出来的汽车虚拟仪表系统可以实现日期/时间、总里程、当前速度、转速、温度、油箱存油量等信息的显示。

关键词：LabVIEW；单片机；汽车仪表盘；虚拟仪器

Abstract

In view of the new development tendency of automobile instrument, this article summarizes the situation and vista of auto dashboard industry in our country. Have a study on the constitution of virtual automobile instrument information system based on PC machine and the LabVIEW technology and propose a feasibility plan. Respectively elaborate the method of the realization of LabVIEW design, single chip program and the communicate software and hardware. Automobile instrument designed in this article can demonstrate the current time，total miles，speed，oil consumption and temperature and so on．

Key words: LabVIEW ; Single chip ; Car dashboard ; virtual instrument

II

目 录

摘 要 I
Abstract II
第1章 引 言 1
1.1 本课题的目的和意义 1
1.2 汽车仪表的发展现状 2
1.3 本课题的主要内容 3
第2章 功能分析 4
2.1 汽车仪表盘系统功能分析 4
2.2 车辆虚拟仪表系统 4
2.2.1 虚拟仪表系统的优势 4
2.2.2 虚拟仪表系统的实现步骤 5
第3章 总体设计方案 6
3.1 总体设计思路 6
3.1.1 汽车仪表及其显示装置的作用和组成 6
3.1.2 汽车仪表的使用条件 6
3.1.3 界面模块 7
3.2 总体设计框图 8
第4章 系统的硬件设计 9
4.1 传感器简介 9
4.1.1 DS18B20温度传感器 9
4.1.2 CR-6061-1数字油位传感器 9
4.1.3 OHG-01霍尔效应齿轮传感器 10
4.2 数据采集卡 11
4.3 单片机主控模块 11
4.3.1 AT89S52概述 11
4.3.2 AT89S52的主要性能 11
4.3.3 AT89S52的引脚排列及功能 12
4.3.4 AT89S52的最小系统 14
4.3.5 3 位数码管模块介绍 15
4.4 系统原理图 16
4.4.1 MAX232芯片简介 17
4.5 本章小结 18
第5章 系统的软件设 19
5.1 LabVIEW软件简介 19
5.2 LabVIEW串口通信 19
5.2.1 VISA串行通信基本功能模块介绍 20
5.2.2 VISA设计方法 22
5.3 单片机程序设计 23
5.3.1 系统工作流程 23
5.3.2 按键子程序流程图 24
5.3.3 显示子程序流程图 25
5.4 数据采集程序的实现 25
5.5 LabVIEW各功能模块程序 27
5.5.1 功能测试模块 27
5.6 本章小结 32
结束语 33
参考文献 34
致 谢 36
附 录 37

第1章 引 言

1.1 本课题的目的和意义
汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，也是汽车高尖技术的主要部分,各国一直在努力开发汽车仪表技术，并不断取得新的进展。汽车仪表正逐步向数字化和智能化方向发展，用数字化的虚拟仪表取代我国现阶段普遍采用的电器式或电子式仪表已成为实现车辆自动化的一个重要课题。利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘，设计综合数据采集、信号分析、仪器面板等多项内容的虚拟汽车仪表盘。利用单片机自身产生转速、耗油、速度等模拟和数字信号源，然后再进行模拟和数字信号的采集和分析，通过建立转换函数模型在虚拟仪表盘上显示发动机转速、汽车车速、油耗、温度及转向灯等信息[1]。利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘，不仅可以完成先进汽车仪表盘的功能，而且免去汽车机械及电子器件，降低成本,提高可研性，在计算机测控技术、汽车电子技术等课程的教学及开放实验中具有广泛的实用价值。
我国汽车仪表行业自1 9 5 1 年创业、1956年生产出第一套仪表总成至今，虽然已实现了成套仪表生产和产品开发，却仍然滞后于整车的发展，且与世界发达国家相比，在产品质量、技术装备、科技含量、经济规模、成本价格、产品开发和竞争实力等方面，都存在相当大的差距。而且，在微电子技术飞速发展、现代车用仪表新材料日新月异以及车用仪表精细加工技术日趋成熟的今天，传统汽车仪表的概念受到了新的、越来越强烈的冲击，汽车仪表无论是其内涵还是外延都在悄悄地发生着质的变化，大大拓展了人、车界面系统。同时，伴随汽车工业规模生产和规模经营的形成，以及对环保、安全保障、人机一体化等方面提出的更高要求和世界各国广泛开展智能车辆公路系统（I V H S ）的研究及应用，越来越需要汽车仪表具有集感觉、识别、情况分析、信息库、适应和控制六个方面为一体的智能化系统功能。因此，汽车仪表正不断融入当今各学科、各领域的新技术、新材料成果，向功能多元化、机电一体化、系统工程化、高度集成化方向发展[1，2]。0
随着虚拟技术（VT）在汽车业应用的日益广泛[3]，特别是日臻成熟的智能车辆公
路系统（IVHS）在应用中所必需的车载微机系统，必将促进虚拟仪器（VI ）技术在
汽车仪表中的应用。这不但能改善汽车仪表工业的现状，同时提高了硬件的利用率，从而降低了成本。
虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展产生的一种新型仪器。虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度、测量速度，减少了开关、电缆，系统易扩充、易修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的主流。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的仪器控制面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。在系统集成后，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示，组建自己所需要的仪器。用户不用编写测试程序，即可进行测试、测量，实现了测试的自动化、智能化[4，5]。
1.2 汽车仪表的发展现状
我国汽车仪表也经历了第一代机械式仪表，第二代电气式仪表，第三代模拟电路电子式仪表，现在正在向第四代全数字汽车仪表迈进[2]。然而随着电子控制系统单元(ECU)在汽车上广泛应用，汽车电子化程度越来越高。电控系统的增加虽然提高了汽车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路，必然导致车身布线庞大而且复杂，安装空间短缺。为了提高电控单元信息利用率，要求大量的数据信息能在不同的电子单元间共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，不同功能电子控制系统单元间的数据通信变得越来越重要。因此对电子控制系统单元的设计提出了越来越高的要求，不仅要求通信网络应具有通信速率高、准确、可靠性高，在控制模块上也应具有控制实效性高、空间小等优点[2]。
目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，“散、乱、差”的状况尚未改变，与国外相比有很大的差距，表现在产品技术水平低，造型单调，产品质量可靠性和耐久性差，制造工艺落后，产品检测不完善，数字化程度低等方面[3]。
当今世界由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电子仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态，妥善处理各种情况。现在，汽车的故障诊断、全球导航和定位系统等大量复杂的信息服务系统已开始大量装备到汽车上，汽车电子仪表作为信息显示终端能够完成这些任务。汽车电子仪表显示装置不仅能提供大量复杂的信息服务，而且还有精度高和高可靠性、一表多用、外形设计美观、自由度大、满足小型轻量化要求等特点，因此电子仪表显示装置已成为现代汽车的发展新潮流，具有非常广阔的发展空间。
1.3 本课题的主要内容
本设计为基于虚拟仪器的汽车仪表设计，主要分为四章进行全面阐述。
第一章主要介绍了本设计的课题目的及意义和本设计的主要内容。
第二章主要介绍本设计的功能分析。
第三章主要介绍了本设计的设计要求以及方案论证，并对各个模块的方案论证进行了详细介绍。
第四章详细介绍了本设计的硬件电路设计。其硬件电路的设计包括单片机主控模块设计、按键模块设计、显示模块设计以及电源模块设计等。本章给出了单片机程序流程图、按键子程序流程图、显示子程序流程图，并对每个流程图进行了简单的介绍。
第五章介绍了本设计的软件程序设计。本章给出了LabvIEW界面及串口等进行了比较具体的设计和说明,使得软件设计部分易于理解。

第2章 功能分析

2.1 汽车仪表盘系统功能分析
汽车仪表是用以监测汽车各系统工作状况的装置，如当前车速、里程显示、油量消耗、油耗警告等。驾驶员能通过汽车仪表随时掌握汽车各部件的工作状态，为正确使用和维修发动机提供依据和指南。汽车仪表盘主要有以下几大功能：
1. 车速表
车速表是用来指示汽车车速的装置。其单位是公里／小时(表面上标km／h)。表上的刻度线表示速度，指针指到不同的刻度线表示不同的速度。
2. 里程表
总里程表是记录汽车累计行驶里程数的装置，最小单位为米。
3. 燃油表
用来指示燃油箱内的存油量，其单位是升(L)，表上的刻度线表示存油量，指针指到不同的刻度线表示不同的存油量并在表盘上显示相应的数据。若启动引擎后，指针指向与库存油量相对应的位置，否则指针复零。
4. 转速表
转速表是用来指示发动机转速的装置，转速表单位是r/min，即显示发动机每分钟转多少转。为选择正确的换挡时机提供参考，使发动机保持额定转速，以减少发动机的磨损并减少油耗。
5. 温度表
汽车冷却系统的功能是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷，温度表的作用就是为驾驶员及时的提供冷却液温度指标，反映发动机的工况信息。
6. 左右转向灯
它有前、后、侧转向信号灯之分，一般位于车辆的四角。汽车转弯时，发出明暗交替的闪光信号，以表示汽车向左或向右转向行驶。
7. 时间
用来显示当前时间。
2.2 车辆虚拟仪表系统
2.2.1 虚拟仪表系统的优势
随着汽车需要显示的信息的增加，用传统仪表的显示方法显示,车载的仪表数目将会不断增多,使车辆仪表板显得很拥挤,也会加大驾驶员的操作难度,分散驾驶员的注意力。 用虚拟仪器技术构建的车载虚拟数字式仪表,将这些问题迎刃而解。它将所有的信息显示集合在一个屏幕上,并以分界面的方法显示,这样将使驾驶员查看信息非常便利,取消众多的仪表,也使车内空间变得更加宽敞、舒适和美观[4]。
2.2.2 虚拟仪表系统的实现步骤
在汽车智能数字仪表的开发过程中，数字仪表所需要采集的信息量比较多，各种车型的信息参数又差别较大，这些问题的存在给仪表的实车测试和参数标定带来了困难。为了在开发过程中能够快速有效的测试系统的各项功能，提高系统开发效率，我们设计利用单片机采集产生汽车上的各种参数信息，快速的对设计仪表进行全面的测试，节约时间和成本[4]。对此设计了两个步骤，包括信号采集与处理、仪表盘输出。
1. 信号采集与处理
将单片机实际采集到的数据用不同通道经过A/ D转换进入计算机,作为实验的源参量,并计算得汽车仪表盘上显示的相关参数[5]
2. 仪表盘输出
将计算后的转速、速度、油耗、温度、里程等参数通过虚拟仪表盘输出。

第3章 总体设计方案

3.1 总体设计思路
3.1.1 汽车仪表及其显示装置的作用和组成
在驾驶员前方台板上都装有仪表报警灯及电子显示装置，用来指示汽车运行以及发动机运转的状况，以便驾驶员随时了解和掌握汽车各系统、各部件的工作状态，保证汽车可靠而安全地行驶。
汽车上较常用的一般有5种仪表和3种相应的传感器，即电流表、机油压力表、水温表、燃油表及车速里程表，机油压力传感器、水温传感器、油量传感器。
仪表板总成分垂直安装式和倾斜安装式两类，二者又各有组合式和分装式#种。分装式仪表板总成，它是由薄钢板先冲压成一块仪表板，然后将每只单个仪表用夹板及螺栓固装在仪表板上。
3.1.2 汽车仪表的使用条件
1.温度
汽车是被广泛使用的交通运输工具，要在各种环境温度下都能正常运行，因此要求汽车仪表在-40~+55℃范围内都能正常工作。温度传感器用于监测冷却液（水箱）温度。
2.湿度
由于汽车仪表工作的环境条件所限，因此它还将受到湿度的影响。潮湿的空气将使仪表零件（特别是黑色金属零件）表面生锈，电气绝缘件的绝缘性能降低甚至漏电。还由于潮湿空气的变冷，使毛细管内的水分凝聚，引起指示误差以致堵塞。因此，金属零件尤其是黑色金属零件要进行表面处理，如电镀、化学处理、喷漆等工艺。要求仪表应能在相对湿度为90%的环境下工作，并通过耐潮试验及绝缘介电强度试验
3.振动
汽车行驶引起的车身振动，发动机高速运转引起的汽车各部件振动，都会影响仪表指示的准确性，缩短仪表的使用寿命，因此必须在仪表板外面加放橡皮减震垫圈等，以保证仪表零件的足够强度和紧固件的牢固性。
4.其他
汽车仪表的工作环境还可能遇到其他气候条件（如暴雨、灰尘的侵蚀，阳光辐射，油腻的沾污， 霉菌的腐蚀， 海洋盐雾的浸蚀以及冰冻等）的影响，因此仪表零件的各种金属材料，非金属材料以及各种油类、保护层等都要根据不同的气候条件加以选用。装有电子钟的仪表板总成，要防止汽车电气设备产生的高频振荡对电子钟走时性能的干扰。
3.1.3 界面模块
通过该界面实现车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警信号等信息显示。经过初步设想之后，设计出以下三种界面（图3-1、3-2、3-3所示）。

图3-1

图3-2

图3-3
图3-1所示方案界面过于简单，并且各种显示模块过于集中，整体感觉单调，缺少美感。图3-2所示方案布局又过于散乱，排列各种显示模块所需的空间较大，在实践中会大大增加成本。经过综合考虑，只有图3-3所示的方案既兼顾到美观、易读的使用方便性又满足了降低实际生产成本的要求。所以最终决定采用如图4-3所示的界面设计。
3.2 总体设计框图
本设计内容是基于单片机、传感器及数据采集卡构成的汽车仪表采集装置，能实现汽车仪表各个传感器数据的采集。整个系统由传感器，数据采集卡和虚拟仪器PC相连，再由PSI通信反馈回单片机，通过按键开关调节其显示。其总体设计框图如图3-4所示。

图3-4 总体设计框图

第4章 系统的硬件设计

4.1 传感器简介
4.1.1 DS18B20温度传感器
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
技术性能描述
(1) 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2) 测温范围 －55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。
(3) 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
(4) 工作电源: 3~5V/DC
(5) 在使用中不需要任何外围元件
(6) 测量结果以9~12位数字量方式串行传送
(7) 不锈钢保护管直径 Φ6
(8) 适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温
(9) 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选
(10) PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
4.1.2 CR-6061-1数字油位传感器
CR-606系列电容式油位变送器，是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表，整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。可安装在各种场合对汽油、柴油、液压油等油位进行准确的测控。也适用于各种非导电液体的测量。
性能指标：
(1) 检测范围：0.01~1m
(2) 精 度：0.2、0.5级
(3) 承压范围：-0.1MPa~0.1MPa
(4) 探极耐温：-100~150℃
(5) 环境温度：-40~70℃
(6) 储存温度：-55℃～+125℃
(7) 输出信号：4～20mA、0-5V、RS485通讯、RS232通讯
(8) 供电电压：12～28VDC（需经安全栅供电）
(9) 固定方式：螺纹安装M20×1.5、M27×2，M18×1.5、M16×1
法兰安装DN25、DN40、DN50。特殊规格可按要求定制
(10) 探极直径：φ12、φ16、φ25
(11) 接湿材质：316不锈钢、1Gr18Ni19Ti或聚四氟乙烯
(12) 长期稳定性：≤0.2%FS/年，
(13) 温度漂移：≤0.02%FS/℃（在0～70℃范围内）
(14) 温度漂移：≤0.02%FS/℃（在0～70℃范围内）
(15) 防爆等级：本安ExiaⅡC T6 隔爆ExdⅡC T5
(16) 防护等级：IP65
(17) 本安参数：Ui：28VDC，Ii：93mA，Pi：0.65W，Ci：0.042uf， Li：0mH
4.1.3 OHG-01霍尔效应齿轮传感器
霍尔效应齿轮齿传感器（GTS）是一种重要的自动化检测元件，尤其是在汽车上的应用日益增加，主要实现位置、速度和方向的检测。近年来，国外关于环保和安全保障的一些立法已对GTS技术提出了新的更高要求。为适应这些要求，技术人员正集中精力开发研制GTS自校准技术。
1.产品特点
感应类铁金属目标物。
数字电流沉输出 ( 集电极开路 ) 。
比电磁感应传感器有更好的信躁比，优异的低速性能，输出幅度与转速无关。
测量范围的频率响应： 2HZ ～ 20KHZ （与目标物有关）。
抗电磁干扰。
反向电压和浪涌电压保护。
坚固封装，连接器输出端口。
2.典型应用
齿轮箱 RPM 测量
链轮齿速度检测
链输送带的速度和距离检测
曲轴 / 凸轮轴 RPM 及位置测量
脉冲计数
速度计
电参数
供电电压： 4.5 ～ 24V
负载电流： ≤ 40mA
输出电压 ( 输出低电平 ) ： ≤ 0.4V
输出漏电流 ( 输出高电平 ) ： ≤ 10 μ s
开关时间 ( 与外部电路有关 ) 上升 (10 到 90%) 15 μ s
下降 (90 到 10%) 1 μ s
测量频率范围（与目标物有关） 最小值 2HZ
4.2 数据采集卡
数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。
4.3 单片机主控模块
4.3.1 AT89S52概述
AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微控制器，内部具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片内Flash存储器可在线重新编程，亦适于通用的编程器。通用的8位CPU与在系统可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。
4.3.2 AT89S52的主要性能
(1) 与MCS-51单片机产品完全兼容；
(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；
(3) 具有256字节的片内RAM；
(4) 全静态工作模式：0Hz～3MHz；
(5) 具有三级程序锁定位；
(6) 32根可编程I/O口线（P0，P1，P2和P3口）；
(7) 3个16位定时器/计数器T0，T1和T2，一个看门狗定时器；
(8) 8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构；
(9) 1个全双工UART串行通道；
(10) 2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；
(11) 双数据指针TPTR0和TPTR1；
(12) 具有掉电标识符POF；
(13) 工作电源电压：4.0～5.5V。
4.3.3 AT89S52的引脚排列及功能
AT89S52具有PDIP，PLCC和TQFP三种封装形式，其中PDIP封装的引脚排列如图3.7所示。
1. P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0口写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，此组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时P0口接收指令字节，而在程序校验时输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。
2. P1口
P1口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

图3.2 AT89S52的封装引脚图
P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。与AT89S51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发器输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口除了作为一般的I/O口线外，部分引脚还具有第二功能，如表3.3所列。

表3.1 P1口的第二功能
管脚
第二功能
P1.0
定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出
P1.1
定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）

3. P2口
P2口是一组具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P2口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚经由内部上拉向外输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
4. P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作为输入端口使用。若外部负载将P3口拉低，则经过内部上拉电阻而向外输出电流（IIL）。P3口可接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，还具有第二功能，如表3.4所列。

表3.2 P3口的第二功能
管脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（计数器0外部计数输入）
P3.5
T1（计数器1外部计数输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）

5. 其它
(1) RST为复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。特殊寄存器AUXR（辅助寄存器）(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
(2) ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。在访问单片机外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置1，可禁止ALE操作。该位置1后，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。此ALE使能标志位的设置在微控制器执行外部程序时无效。PROG为本引脚的第二功能，对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。
(3) PSEN为程序储存允许输出控制端，是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部程序存储器时，PSEN将不被激活。
(4) EA/VPP：EA为内外程序存储器选择控制端。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
(5) XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
4.3.4 AT89S52的最小系统
在引脚18-XTAL2和引脚19-XTAL1两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出脉冲直接进入内部时钟电路，这里选用晶体振荡器的频率为11.0592MHz；引脚为9复位输入端，接上电容，电阻及开关后构成复位电路；引脚20为接地端，引脚40为电源端。AT89S52的最小系统如图3.8所示。

图3.3 AT89S52最小系统
4.3.5 3 位数码管模块介绍

8字高
8字
位数
极性
亮度/
颜色
总
点
数
表面
颜色
胶体
颜色
注
备
0.28英寸/7.00mm
3位
A- 共阴
B- 共阳
高亮/
红
21
黑
乳白

图 3.4 数码管规格

图 3.5 数码管管脚顺序图
4.4 系统原理图
系统原理图大致可分为如下几部分:
1.电源电路
汽车仪表板卡上的工作电压是 5V，而汽车蓄电池一般提供 12V 电压,所以系统设计了一个 12V 转 5V 的电源电路。12V 的汽车电源经过整流、滤波和稳压，最终输出稳定的 5V 电路板供电电压。

3.6 电源电路
2.晶振电路
P87C581 的晶振引脚为：XTAL1、XTAL2.本系统选用的是 12MHZ 晶振电路。

3.7 晶振电路
3.复位电路
鉴于本系统板卡对瞬态响应性能、时钟源的稳定性及电源监控可靠性等诸多方面因素，本系统采用了比较通用的复位电路，提高了系统的可靠性。
在振荡器工作时，将RST脚保持至少两个机器周期低电平（12个振荡器周期）可实现复位。为了保证上电复位的可靠，RST保持低电平的时间至少为振荡器启动时间（通常为几个毫秒）再加上两个机器周期。

3.8 复位电路
4.掉电保护电路
本汽车仪表系统对数据的记录要求较高，实时数据必须及时保存并显示。如果出现无法预料到的突然断电事件，仪表系统应采取相应的措施对数据进行及时保存，这就需要设计一个掉电保护电路，一旦电源低于某个预设的电压值，仪表系统检测到后立刻对当前数据进行保存。本系统将掉电保护电路连至处理器的中断引脚，通过采用中断的方式来触发掉电事件以通知处理器执行相应的动作。

3.9 掉电保护电路
5.串口电路
AT89C52芯片的串口为 TTL 电平，而要连接的外部 PC 的串口为 RS232 电平，故需要采用一块芯片来实现 TTL/RS232 电平转换。本系统采用常用的 MAX232 转换芯片。
4.4.1 MAX232芯片简介
MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。其主要特点如下：
1、符合所有的RS-232C技术标准； 　　
2、只需要单一 +5V电源供电； 　　
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-； 　　
4、功耗低，典型供电电流5mA； 　　
5、内部集成2个RS-232C驱动器； 　　
6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。
MAX232的引脚图如图3.2所示：

图3.2 MAX232引脚图
MAX232引脚介绍：
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 　　
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 　　
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 　　
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 　　
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 　　
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。
4.5 本章小结
本章主要完成了基于虚拟仪器的汽车仪表数据采集的设计。本章主要介绍了传感器、数据采集卡、AT89S52单片机的主要性能和功能以及它的应用。并详细介绍出各部分硬件电路的设计。本设计以芯片AT89S52为核心构成了单片机的基本工作电路，单片机读取传感器的数据并通过LED数码管加以显示。

第5章 系统的软件设

5.1 LabVIEW软件简介
本设计采用LabVIEW软件进行开发设计。LabVIEW是美国NI公司的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。它的显著特点是：采用简单易学的图形化编程，提供众多的设备驱动程序和可供用户直接调用且功能强大的函数库和Windows动态链接库函数，实现多线程编程等高级功能。并提供灵活的程序调试手段，既可以设置断点又可以设置探针，在程序运行中观察数据流的变化[6]。
LabvIEW 编写的程序叫虚拟仪器程序，包括软面板设计和流程图设计2部分。软面板代替常规仪器的控制面板，一般由开关、旋钮、表头、显示器和其他部件组成。仪器流程图的设计，是根据仪器功能的要求，利用虚拟仪器开发平台提供的子模板，确定程序的流程图、主要处理算法和所实现的技术方法[5-6]。流程图与每个仪器的前面板对应，用户能够通过前面板，用鼠标或控件操作仪器。
LabVIEW具有功能强大的函数模块库，特别适用于测试和控制系统的开发。结合NI的硬件模块，能够方便的进行采集和分析相关测试数据。考虑到仪表整体功能测试和模块功能测试的需要，整个系统主要包括界面模块和各个功能测试模块[7]。根据信号类型将仪表功能测试分为：车速表测试模块、发动机转速表测试模块、燃油表测试模块、水温表测试模块等主要功能模块。
5.2 LabVIEW串口通信
程序设计主要由两部分组成：上位机程序设计和下位机程序设计，而在编写双方通信程序之前，必须先定义好双方的通信协议，采用相应的数据传输方法，这样才能保证数据的可靠性。
串行通信是一种常用的数据传输方法，虽然它的传输速度慢，但由于它占用的通信线路少、成本低、容易实现等优点，在数据通信方式上仍占有重要地位。目前，串口通信程序的开发，在Windows操作系统下一般用VB、VC、VF Delphi等许多高级语言编写。当用VB、VC、VF，开发串行通信程序时，开发人员不得不面对非常烦琐的API函数编程；用文本语言编串口通信程序较为复杂,花费的时间较长[11]。所以在主机通信程序设计中,我们采用LabVIEW图形化语言作为编程语言,它把高级语言中的函数封装为图形功能模块,图标间的连线表示各个功能模块之间的数据传递[12]。编程方式简单、直观、便于使用。串口通信功能模块包括串口初始化模块、串口读模块以及串口写模块,通过这些模块就可以实现对单片机的控制。
5.2.1 VISA串行通信基本功能模块介绍
VISA的调用流程如图5-1所示。通过对VISA节点的调用,可以方便、快速地实现系统上位机对下位机的实时监控。

打开仪器资源

对仪器进行写操作

对仪器缓存读操作

关闭仪器资源

图5-1 VISA仪器控制简单流程

在LabVIEW功能模板的Function>>InstrumentI/O>>VISA程序库中包含进行串行