基于MC9S08SL8的電動(dòng)汽車儀表盤信號(hào)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

董 杰，馬建輝，王 崗，劉源楊

（山東省汽車電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南250014）

隨著國家推進(jìn)新能源汽車戰(zhàn)略，不少企業(yè)開始涉足電動(dòng)汽車行業(yè)，由于資金、技術(shù)的限制，很多車廠提留在“購買原車、回廠改裝”的低級(jí)發(fā)展階段，這種模式利用電池、電機(jī)替換發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化，是目前山東省部分車廠生產(chǎn)低速電動(dòng)車的主要方式。在這種方式下，為了降低專用電動(dòng)車儀表開發(fā)的難度和成本，通過分析原車儀表的接口、電路及原理，以修改原車儀表面膜和開發(fā)儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換器的方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的車速表、電流表及電壓表。筆者以S08SL8為核心為山東某車廠開發(fā)了一款電動(dòng)汽車儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器采集并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、輪胎直徑和變速箱減速比計(jì)算實(shí)際車速，輸出與原車儀表相匹配的車速傳感器脈沖；轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)LIN從節(jié)點(diǎn)[1]，通過與電機(jī)控制器的LIN通信獲取電池組電壓及電流，根據(jù)電壓值和原車油量傳感器量程，調(diào)整數(shù)字電位計(jì)阻值模擬油量傳感器信號(hào)，利用原車油量表模擬實(shí)現(xiàn)電壓表；根據(jù)電流值、轉(zhuǎn)速表指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)速脈沖頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，利用原車轉(zhuǎn)速表實(shí)現(xiàn)電流表。本文介紹S08SL8的功能特性和應(yīng)用要點(diǎn)，并剖析儀表盤信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理和軟硬件結(jié)構(gòu)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 MC9S08SL8簡介

MC9S08SL8是一款可擴(kuò)展、入門級(jí)的汽車應(yīng)用8位微控制器，集8位性能和許多專用功能于一身[2]，其芯片資源及特性如下：

1）40 MHz內(nèi)核速率和20 MHz總線速率的HCS08內(nèi)核；

2）GPIO可實(shí)現(xiàn)組合輸出，支持大電流設(shè)備；

3）兩個(gè)8位和兩個(gè)16位定時(shí)器模塊，可提供輸入捕捉、脈沖計(jì)數(shù)、輸出比較、PWM輸出功能；

4）內(nèi)置溫度傳感器的10位ADC；

5）SPI/I2C模塊，及內(nèi)嵌從模式LIN接口控制器的SCI模塊；

6）可選極性引腳中斷，方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)休眠和中斷喚醒。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器由LIN總線接口、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖采集、電流/車速脈沖信號(hào)輸出、數(shù)字電位計(jì)輸出組成，用于電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池組電壓、放電電流的采集及儀表信號(hào)模擬，圖1給出了信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合S08SL8的內(nèi)部資源介紹下轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)。

圖1 儀表盤信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dashboard signal convertor hardware architecture

MC9S08SL8有四路定時(shí)器/PWM通道，采用其中一路輸入捕捉功能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖采集，采用GPIO+定時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)占空比為50%、頻率可調(diào)的方波信號(hào)控制電流脈沖輸出和車速脈沖輸出，采用SCI模塊+LIN物理層芯片實(shí)現(xiàn)與電機(jī)控制器的LIN通信[3]，采用SPI調(diào)整數(shù)字電位計(jì)阻值產(chǎn)生模擬阻值信號(hào)。下面以車速脈沖輸出為例介紹下轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)。

1.3 車速脈沖輸出電路

車速是儀表盤需要顯示的關(guān)鍵信息，儀表盤通過采集12 V方波電平形式的車速傳感器脈沖計(jì)算實(shí)際車速，脈沖頻率與車速值成正比線性關(guān)系[4]。轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)車速脈沖輸出如圖2所示，通過GPIO輸出與車速傳感器脈沖頻率相同的方波信號(hào)，控制三極管的通斷，將TTL電平轉(zhuǎn)換為0～12 V的脈沖信號(hào)輸出。

圖2 車速脈沖輸出電路Fig.2 Speed pulse output circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用循環(huán)體+中斷的軟件結(jié)構(gòu)[5]，主循環(huán)體完成主體功能，中斷服務(wù)程序進(jìn)行底層協(xié)議設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)管理，軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software process

下面以車速脈沖輸出為例介紹下軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.2 車速脈沖輸出軟件設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)不同脈沖數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)采集，需要將SL8的定時(shí)器/PWM模塊的工作時(shí)鐘設(shè)置在較高的頻率上，由于PWM的特性，無法利用定時(shí)器/PWM模塊輸出較低頻率的方波，為了實(shí)現(xiàn)車速表的滿量程輸出，采用GPIO+定時(shí)的方式產(chǎn)生車速脈沖，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

首先根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、輪胎直徑和變速箱減速比計(jì)算車速，根據(jù)車速值與脈沖頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算車速脈沖頻率[6]，然后設(shè)計(jì)一20 kHz的周期定時(shí)中斷，根據(jù)車速脈沖頻率計(jì)算車速控制信號(hào)的切換滴答數(shù)，具體計(jì)算及代碼如下：

電流脈沖輸出的產(chǎn)生原理與車速脈沖輸出類似，在此不再贅述。

3 結(jié)束語

筆者采用MC9S08SL8設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款電動(dòng)汽車儀表盤信號(hào)轉(zhuǎn)換器，從處理器特性、硬件結(jié)構(gòu)、車速脈沖輸出等方面描述了轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)，從軟件流程設(shè)計(jì)，車速脈沖輸出的軟件實(shí)現(xiàn)上描述了轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換器經(jīng)裝車試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，功能可靠，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]李偉，盛翊智.基于CAN/LIN總線的汽車儀表信息系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2006（2）：22－24.LI Wei，SHENG Yu-zhi.Design of automobile instrument information system based on CAN/LIN bus[J].Automation&Instrumentation，2006（2）：22－24.

[2] Freescale semiconductor. MC9S08EL32 MC9S08EL16 MC9S08SL16 MC9S08SL8 Data Sheet[EB/OL].[2008－07].http：//www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08EL32.pdf.

[3]馬建輝，于良杰，王知學(xué).有限狀態(tài)機(jī)在LIN總線開發(fā)中的應(yīng)用[J].世界電子元器件，2007（12）：104－105.MA Jian-hui，YU Liang-jie，WANG Zhi-xue.Application of finite state machine in the LIN bus development[J].Global Electronics China，2007（12）：104－105.

[4]王知學(xué)，馬建輝，車曉波，等.基于MC9S12XS128的汽車BCM的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（3）：190－192.WANG Zhi-xue，MA Jian-hui，CHE Xiao-bo，et al.Design and implementation of vehicle BCMbased on MC9S12XS128[J].Electronic Design Engineering，2011（3）：190－192.

[5]劉源楊，馬建輝，王知學(xué)，等.基于MC9S12HY32的電動(dòng)汽車儀表盤設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（15）：130－132.LIU Yuan-yang，MA Jian-Hui，WANG Zhi-xue，et al.Design of electric car dashboard based on MC9S12HY32[J].Sensor World，2012（15）：32－36.－166－

[6]戴方全，王建.基于μC/OS－Ⅱ的全數(shù)字汽車儀表[J].汽車科技，2007（4）：43－46.DAI Fang-quan，WANG Jian.Study of digital dashboard based onμC/OS－Ⅱ[J].Auto Mobile Science&Technology，2007（4）：43－46.