混合動(dòng)力公交車儀表系統(tǒng)的開發(fā)

吳 森，張恒平，毛雅風(fēng)

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

汽車儀表是汽車與駕駛員進(jìn)行信息交流的窗口，是汽車信息的中心，它集中、直觀、實(shí)時(shí)地反映汽車在行駛過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油量以及各種危險(xiǎn)報(bào)警［1］。在混合動(dòng)力公交車中，增加了整車控制器、動(dòng)力電池組和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等特殊而關(guān)鍵的零部件，這些部件的運(yùn)行和狀態(tài)參數(shù)對(duì)整車性能及行車安全起著重要作用［2］。因此，開發(fā)一套既可以顯示整車運(yùn)行狀態(tài)信息，又可以顯示動(dòng)力電池組電池荷電狀態(tài)SOC(state of charge)等混合動(dòng)力部件的特有信息的儀表系統(tǒng)尤為必要。筆者設(shè)計(jì)了一款基于控制器局域網(wǎng)CAN(controller area network)總線和液晶顯示系統(tǒng)的混合動(dòng)力城市公交車儀表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述

根據(jù)整車系統(tǒng)的要求，儀表功能設(shè)計(jì)上不僅需要顯示傳統(tǒng)車輛的一些信息，而且也需要顯示混合動(dòng)力零部件特有的信息;不僅需要顯示CAN總線的信息，而且也需要顯示各線束和開關(guān)得到的信息;不僅需要顯示參數(shù)值，而且也需要顯示混合動(dòng)力的能量流動(dòng)狀態(tài)，因此根據(jù)實(shí)際需要和技術(shù)的發(fā)展，將系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖1所示的結(jié)構(gòu)圖。從圖1可清楚看出該儀表系統(tǒng)采集的輸入信號(hào)包括整車CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、開關(guān)信號(hào)以及各種傳感器信號(hào)，系統(tǒng)將采集的信號(hào)濾波整形處理后，進(jìn)行輸出顯示，主要的顯示途徑有傳統(tǒng)指針儀表、LED(發(fā)光二極管)報(bào)警指示燈和液晶信息顯示屏。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在整個(gè)表的設(shè)計(jì)上，為了符合駕駛員習(xí)慣，車速表、轉(zhuǎn)速表、油量表和水溫表均使用常規(guī)的指針式儀表，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀表指針指示出來(lái)，報(bào)警窗口采用LED燈顯示，儀表中心為液晶顯示系統(tǒng)，顯示整車的運(yùn)行狀態(tài)及動(dòng)力電池組的相關(guān)信息，并通過(guò)按鈕進(jìn)行切換和校正，實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力客車內(nèi)部復(fù)雜參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和能量流的動(dòng)態(tài)指示，可進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和讀取。其中多功能信息顯示屏采用真彩液晶顯示屏，并設(shè)計(jì)顯示三屏畫面。第一屏主要以圖形界面形式顯示氣壓狀況、里程數(shù)、電池電量及能量流的信息等，稱為主顯示屏;第二屏為狀態(tài)信息顯示屏，主要顯示混合動(dòng)力客車狀態(tài)信息等;第三屏為故障信息顯示屏，主要顯示通過(guò)CAN總線讀取到的整車故障信息，組合儀表外觀如圖2所示。

圖2 組合儀表外觀圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該組合儀表硬件由單片機(jī)處理器、信號(hào)處理電路、電源模塊、真彩液晶顯示屏、報(bào)警指示燈、CAN通信模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊和其他外圍電路組成，儀表系統(tǒng)采集來(lái)自汽車傳感器、各開關(guān)以及整車CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，其中有些信號(hào)為脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整形處理后送入到單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算;有些傳感器信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置處理后，送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，并完成測(cè)量和處理，在指針儀表上進(jìn)行指示;通過(guò)CAN接口接收其他CAN節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，并將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理后顯示在液晶信息顯示屏上。

2．1 主控芯片及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

主控芯片采用16位的單片機(jī)MC9S12HZ256，其集成度高，片內(nèi)資源豐富，功能強(qiáng)大，接口模塊包括SPI、A/D、PWM 等。具有1個(gè)8通道16位定時(shí)器(TIM)，1個(gè)16通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ATD)，1個(gè)6通道脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，2個(gè)CAN控制器模塊(兼容CAN 2．0 A/B)。此外，這款MCU還集成1個(gè)32×4的液晶驅(qū)動(dòng)模塊(LCD)［3］。該單片機(jī)的背景調(diào)試模式(BDM)和CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，使應(yīng)用該款單片機(jī)的總線式汽車數(shù)字儀表的外圍硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)化，開發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單、方便。

儀表系統(tǒng)采用VID6606來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每片VID6606都可同時(shí)驅(qū)動(dòng)4路步進(jìn)電機(jī)，剛好可用來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫表和油量表。在它的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，便可以控制輸出端從而使步進(jìn)電機(jī)的輸出軸以微步的形式轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)微步電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/12(°)，最大角速度可以達(dá)到600(°)/s。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有以下特點(diǎn):簡(jiǎn)單易用，硬件驅(qū)動(dòng)，微步驅(qū)動(dòng)，只需速度和方向控制端便可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，每個(gè)輸入引腳端都有抗干擾措施、工作電壓寬廣和電磁干擾輻射較低的特點(diǎn)。此外該電機(jī)還具有比較高的顯示精度，它的步距角最小可以達(dá)到1/12(°)［4］，圖 3 所示為 VID6606 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

2．2 信號(hào)處理電路

傳感器信號(hào)從車身的各個(gè)不同地方輸入到儀表系統(tǒng)，由于汽車儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，除了物理環(huán)境經(jīng)常變化的影響外，其他的設(shè)備在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，如點(diǎn)火系統(tǒng)、嗽叭和空調(diào)系統(tǒng)等感性負(fù)載所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖電流干擾等。這種反電動(dòng)勢(shì)和放電火花干擾對(duì)儀表系統(tǒng)的沖擊較大，因此對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理非常重要。采用開關(guān)電源穩(wěn)壓器克服蓄電池欠壓、過(guò)壓、浪涌、尖峰電壓和電源電壓波動(dòng)的影響;采用TVS瞬態(tài)抑制二極管抑制電源反壓和瞬時(shí)過(guò)壓;采用低通濾波器濾去高次諧波改善電源波形;采用小電感和大電容濾波盡量減小電路感生電動(dòng)勢(shì)［5－7］，其中信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4 信號(hào)處理電路圖

2．3 多功能信息顯示屏

采用內(nèi)置ARM9處理器、WINCE操作系統(tǒng)的640×480的SHARP液晶顯示屏，該顯示屏采用了32位CPU控制組，內(nèi)置英、漢字庫(kù)、指令集和圖像庫(kù)，可顯示真彩色、256色、16色、4色或單彩色圖像，只需通過(guò)單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的指令，即可在彩色LCD上顯示圖像、參數(shù)和漢字等，使設(shè)計(jì)方便快捷，且支持多功能命令集，實(shí)現(xiàn)畫點(diǎn)，畫圓，畫直線和曲線等功能，具有高精度、高亮度和高可靠性，外形設(shè)計(jì)美觀［8］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主程序、CAN通信子程序、數(shù)據(jù)采集及處理子程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和液晶顯示程序等5個(gè)模塊。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，各模塊的功能說(shuō)明如下:

(1)主程序負(fù)責(zé)通過(guò)調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)各種不同的功能，儀表在上電后首先進(jìn)行初始化，采集各輸入信號(hào)。通過(guò)處理器處理后，在儀表的顯示屏或報(bào)警區(qū)域等相應(yīng)地方進(jìn)行顯示。在程序的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中須使用看門狗，防止電磁干擾情況下程序出現(xiàn)死循環(huán)等故障［9］?；旌蟿?dòng)力公交車對(duì)一些零部件參數(shù)的實(shí)時(shí)性要求比較高，因此相應(yīng)的軟件利用中斷功能來(lái)進(jìn)行處理。

(2)CAN通信子程序主要功能是初始化控制、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并設(shè)置CAN中斷處理、屏蔽碼和驗(yàn)收碼，處理器將接收的報(bào)文進(jìn)行解析，提取需要的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理［10］。

圖5 主程序流程圖

(3)數(shù)據(jù)采集及處理子程序完成對(duì)車速、油量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等傳感器信號(hào)及開關(guān)信號(hào)的處理，車速和油量等一些信號(hào)屬于頻率信號(hào)，且變化速度較快，因此采用MC9S12HZ256單片機(jī)的輸入捕獲功能來(lái)捕獲脈沖，并計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)。在選擇采樣頻率時(shí)，既不能太快，也不能太慢，太慢則顯示滯后，不能實(shí)時(shí)顯示車輛狀態(tài)信息;太快則導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)跟不上，會(huì)出現(xiàn)儀表指針抖動(dòng)現(xiàn)象。有些傳感器及開關(guān)信號(hào)為模擬量，經(jīng)過(guò)前置處理后，輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入端，取10次采樣的平均值為測(cè)量值［11］。

(4)步進(jìn)電機(jī)能隨著它的輸入信號(hào)而平滑地正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率增大時(shí)，電機(jī)則順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn);反之，則逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn);而當(dāng)信號(hào)頻率恒定不變時(shí)，電機(jī)的狀態(tài)不發(fā)生變化［12］。因此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序利用定時(shí)器的中斷處理程序，并根據(jù)采集到的信號(hào)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能。

(5)液晶顯示子程序負(fù)責(zé)顯示各種參數(shù)信息及圖像界面，采用圖像顯示和分區(qū)顯示的方式顯示車輛行駛過(guò)程中混合動(dòng)力部件的各種信息。將需要顯示的所有信息分為若干個(gè)區(qū):傳感器信息顯示區(qū)、混合動(dòng)力信息顯示區(qū)和行駛狀態(tài)信息顯示區(qū)等，并采用一定的頻率進(jìn)行刷新顯示，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示車輛的狀態(tài)信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

將該混合動(dòng)力公交車儀表系統(tǒng)裝在某款城市公交車上進(jìn)行道路試驗(yàn)，該儀表系統(tǒng)的主顯示界面能以直觀的圖像界面形式實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示混合動(dòng)力汽車氣壓、動(dòng)力電池電壓、檔位情況、總里程數(shù)及單里程數(shù)，并能以動(dòng)畫的形式形象生動(dòng)地顯示能量流流動(dòng)方向，如圖6所示。

儀表系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示屏能夠清楚直觀地顯示混合動(dòng)力零部件的各種狀態(tài)參數(shù)，如SOC值、電池電壓、電流、動(dòng)力電池溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度以及轉(zhuǎn)速等，且SOC值和電池電壓在不同的數(shù)值時(shí)顯示不同的顏色，起到提醒駕駛員的作用，顯示效果如圖7所示。當(dāng)顯示為綠色時(shí)，表示參數(shù)適中，工作狀態(tài)正常;當(dāng)顯示為黃色時(shí)，表示參數(shù)不太合適，但是不影響整車運(yùn)行;當(dāng)顯示為紅色時(shí)，表示參數(shù)過(guò)大或過(guò)小，情況比較緊急，需要立即處理。

故障信息顯示界面能夠準(zhǔn)確地顯示從CAN總線接收的故障代碼。單片機(jī)首先讀取CAN網(wǎng)絡(luò)故障信號(hào)，然后進(jìn)行解碼處理，并送到顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。圖8所示為儀表通過(guò)CAN總線讀取到的3個(gè)故障，解碼以后直觀地顯示故障碼編號(hào)和具體故障信息，并提示駕駛員進(jìn)行相關(guān)處理。

圖6 主信息顯示界面

圖7 狀態(tài)信息顯示界面

圖8 故障信息顯示界面

5 結(jié)論

混合動(dòng)力公交車儀表系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)指針儀表和液晶顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了儀表顯示、電池參數(shù)顯示、故障診斷顯示和車輛行駛參數(shù)記錄與分析等功能，充分利用了MC9S12HZ256以及CAN總線的功能。與傳統(tǒng)公交車的儀表系統(tǒng)相比，較大程度上減少了系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，并采用液晶顯示系統(tǒng)，使得整個(gè)儀表系統(tǒng)色彩鮮艷，界面美觀，兼具整車管理系統(tǒng)、行駛記錄儀和信息媒體顯示播放等功能，具有良好的應(yīng)用前景。

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