電動(dòng)汽車液晶數(shù)字儀表的設(shè)計(jì)*

陳 新，張桂香，肖奇云

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南人文科技學(xué)院，婁底 417000;3.婁底市大豐和電動(dòng)車輛有限公司，婁底 417000)

前言

目前汽車儀表主要分為以下幾種。

(1)純機(jī)械式 儀表使用電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)指針，其它信息通過(guò)儀表板上的燈點(diǎn)亮顯示。

(2)插接顯示屏 儀表盤(pán)顯示屏仍然使用機(jī)械針，但是提供了一個(gè)或者多個(gè)額外的顯示屏，通常位于量程之間的中心位置。該顯示屏可用于顯示當(dāng)前油料消耗、溫度或類似的信息。

(3)純液晶顯示屏 全面可配置的儀表盤(pán)使用高分辨率的大尺寸顯示屏;沒(méi)有使用機(jī)械式指針，通過(guò)圖形處理呈現(xiàn)出逼真的模擬指針。儀表盤(pán)內(nèi)容完全由軟件定義，可靈活地針對(duì)具體使用情形調(diào)整。

汽車儀表演變過(guò)程中第一步是引入液晶顯示屏來(lái)顯示里程信息和其它簡(jiǎn)單的字母數(shù)字信息。由于嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和液晶顯示屏價(jià)格的下降，這使基于圖形用戶界面的汽車純液晶儀表的解決方案在性能上和價(jià)格上變得現(xiàn)實(shí)。

目前由于電動(dòng)汽車的儀表和傳統(tǒng)儀表顯示內(nèi)容有差異，而且電動(dòng)汽車車型和類別眾多。開(kāi)發(fā)一個(gè)汽車儀表板須重新設(shè)計(jì)硬件和外觀，這將導(dǎo)致汽車廠在汽車儀表上投入大量人力和資金。汽車純液晶儀表盤(pán)總體思路就是以帶有圖形和動(dòng)畫(huà)顯示的方式顯示汽車復(fù)雜的信息，不少電動(dòng)汽車公司對(duì)純液晶儀表設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的興趣和開(kāi)發(fā)意愿。本文中針對(duì)某電動(dòng)車廠的儀表進(jìn)行了改造和設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

純液晶儀表包含傳統(tǒng)儀表的所有功能，以液晶屏作為顯示終端，將所需的大量、復(fù)雜的信息以圖形和文字方式，靈活、準(zhǔn)確地顯示在LCD屏幕上，可以準(zhǔn)確、清晰地顯示速度、轉(zhuǎn)速、里程、左右轉(zhuǎn)向、大燈和報(bào)警等信息。儀表基本的要求是:高實(shí)時(shí)性響應(yīng)、高亮度顯示圖形和指針動(dòng)畫(huà)，能接收來(lái)自CAN總線和傳感器的信號(hào)等。對(duì)于儀表硬件的選擇須考慮如下幾點(diǎn)。

(1)屏幕尺寸 根據(jù)實(shí)際儀表大小，可選擇7～10英寸的高分辨率液晶。

(2)動(dòng)畫(huà)頻率 為實(shí)時(shí)顯示指針的快速移動(dòng)，就必須提供一個(gè)較高的動(dòng)畫(huà)頻率，如速度表和轉(zhuǎn)速表中的量程指針。

(3)處理能力和內(nèi)存大小 由于要運(yùn)行復(fù)雜的圖形系統(tǒng)和處理各種信息，要保證主控芯片有足夠的處理速度;另外為防止刷新屏幕時(shí)抖動(dòng)，須先進(jìn)行運(yùn)算等操作，要有足夠大的內(nèi)存空間進(jìn)行存儲(chǔ)。

整個(gè)系統(tǒng)硬件采用了三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的 S3C2440A，最高運(yùn)行頻率為400MHz，集成專用DMA的LCD控制器，支持最多4K色STN和256K色TFT液晶，可較方便地連接高分辨率液晶。S3C2440A豐富的外設(shè)方便了用戶的硬件設(shè)計(jì)，該儀表包括液晶模塊、大容量NANDFLASH、64M的SDRAM、CAN總線接口、音頻接口、按鍵和EEPROM存儲(chǔ)芯片AT24C08等，如圖1所示。

1.1 液晶接口電路

液晶模塊采用了群創(chuàng)公司生產(chǎn)的7英寸AT070TN83 V.1液晶，分辨率為800×480，采用40腳數(shù)字接口。S3C2440A集成的LCD控制器有1個(gè)支持從系統(tǒng)存儲(chǔ)器的視頻緩沖器接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的專用DMA，可在屏幕上顯示視頻數(shù)據(jù)而無(wú)須CPU的介入。LCD控制器包括用于傳輸圖像的數(shù)據(jù)端口VD［23:0］和必要的控制信號(hào)，如 VFRAME、VLINE、VCLK、VM等。LCD控制器和AT070TN83 V.1液晶模塊的電路示意圖如圖2所示。除了上述控制線外，LCD中的MODE管腳定義液晶控制模式，L/R和U/D則定義液晶的掃描模式，S3C2440A通過(guò)I/O口提供一個(gè)200Hz頻率的方波給管腳，利用占空比調(diào)節(jié) LCD 亮度［1］。

1.2 CAN總線電路

CAN總線部分電路原理圖如圖3所示。S3C2440A本身不帶 CAN控制器，須通過(guò)外部的CAN控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。MCP2510是一種帶有SPI接口的CAN控制器，它支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.0 A/B，能發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的信息幀，同時(shí)具有接收濾波和信息管理的功能。S3C2440A通過(guò)SPI接口與MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5Mb/s。SN65HVD230是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3V CAN總線收發(fā)器，該收發(fā)器具備差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)1Mb/s。廣泛用于汽車和工業(yè)自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖形用戶界面是軟件和最終用戶的接口，在很大程度上決定著軟件的成敗和顯示效果。目前嵌入式圖形用戶界面開(kāi)發(fā)工具主要包括:(1)諾基亞公司的產(chǎn)品Qt，是完全面向?qū)ο蟮目缙脚_(tái)圖形用戶界面開(kāi)發(fā)工具，是Linux系統(tǒng)中最流行的開(kāi)發(fā)工具之一，也是在 Unix上自由軟件開(kāi)發(fā)的主流［2］;(2)MiniGUI是一個(gè)高效、可靠、可定制和小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，具有跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的可移植性［3］;(3)μC/GUI是 Micrium 公司開(kāi)發(fā)的通用的嵌入式圖形用戶界面軟件，該界面軟件被設(shè)計(jì)用于為任何使用1個(gè)圖形LCD的應(yīng)用提供一個(gè)有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。μC/GUI適用于使用任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虛擬顯示，具有源代碼開(kāi)放和模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

汽車儀表涉及多個(gè)任務(wù)，如圖形顯示與刷新和CAN總線的通信與語(yǔ)音提示等，圖形界面設(shè)計(jì)也須用到消息和多任務(wù)支持，設(shè)計(jì)中使用了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)+μC/GUI圖形用戶界面的組合，系統(tǒng)軟件的整體架構(gòu)如圖4所示。

2.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅱ的代碼被分為處理無(wú)關(guān)的代碼、與應(yīng)用相關(guān)的代碼和與處理器相關(guān)的代碼3個(gè)部分。系統(tǒng)移植時(shí)只要考慮與處理器相關(guān)的代碼。與處理器相關(guān)的代碼由OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S 3個(gè)文件組成。OS_CPU.H中包括數(shù)據(jù)類型的定義和實(shí)現(xiàn)宏S_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。OS_CPU_C.C中最主要的是實(shí)現(xiàn)任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)的一些鉤子函數(shù)也在文件中實(shí)現(xiàn)。OS_CPU_A.S包括處理器部分匯編函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其中包括:OSStartHighRdy()來(lái)使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行;OSCtxSw()任務(wù)級(jí)上下文切換函數(shù);OSIntCtxSw()中斷任務(wù)退出函數(shù);OSTickISR()時(shí)鐘中斷處理函數(shù)［4］。

由于μC/OS-Ⅱ是一個(gè)占先式的內(nèi)核，采用基于優(yōu)先級(jí)的搶先式調(diào)度算法，有效地保證了實(shí)時(shí)性的要求。根據(jù)需要，系統(tǒng)的主要任務(wù)為:(1)J1939協(xié)議通信;(2)圖形顯示與刷新;(3)RTC時(shí)間讀取;(4)語(yǔ)音播放和按鍵讀取;(5)將里程寫(xiě)入EEPROM。每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧和CPU寄存器，并且被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。這些任務(wù)優(yōu)先級(jí)由低到高，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的處理器資源。μC/OS-Ⅱ有任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)兩種任務(wù)調(diào)度方式，其中J1939協(xié)議通信采用了中斷級(jí)任務(wù)調(diào)度，其它采用任務(wù)級(jí)任務(wù)調(diào)度，這樣保證了J1939協(xié)議通信的實(shí)時(shí)性和避免其它任務(wù)的干擾。

2.2 μC/GUI圖形顯示界面的實(shí)現(xiàn)

μC/GUI是一個(gè)通用的嵌入式圖形軟件，具有模塊化的特點(diǎn)，由于μC/GUI采用分層結(jié)構(gòu)，即具有驅(qū)動(dòng)接口層和應(yīng)用層;而且μC/GUI的代碼全部用C語(yǔ)言編寫(xiě)，因此它可方便地移植到各種CPU下使用。μC/GUI目錄結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 μC/GUI目錄

μC/GUI移植步驟如下。

第一步:S3C2440A內(nèi)置一個(gè)LCD控制器，其實(shí)現(xiàn)須根據(jù)屏幕的參數(shù)對(duì)內(nèi)置的LCD控制器相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，保證時(shí)序、掃描模式和顯示類型等的正確設(shè)置，保證TFT底層驅(qū)動(dòng)程序正確。

第二步:ADS編譯器加入U(xiǎn)CGUI程序包。

第三步:配置 LCDConf.h、GUIConf.h和GUITouchConf.h。LCDConf.h文件中包括分辨率和像素的位數(shù)。GUIConf.h文件中包括操作系統(tǒng)多任務(wù)支持、動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小、窗口控件支持和抗鋸齒等。其中由于采用高分辨率屏幕和動(dòng)畫(huà)顯示等原因，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配必須大于4M以上。

第四步:修改 LCDDriver驅(qū)動(dòng)?？筛鶕?jù)示例LCDWin.c進(jìn)行修改，其中最重要的兩個(gè)函數(shù)為底層驅(qū)動(dòng)設(shè)置像素函數(shù)LCD_SetPixel(x，y，PixelIndex)和獲取像素函數(shù)LCD_GetPixel(x，y)。這兩個(gè)函數(shù)是最基本函數(shù)，其他函數(shù)比如畫(huà)線、點(diǎn)、圓都須調(diào)用該函數(shù)。

第五步:在GUI_X_uCos.c中通過(guò)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中的延時(shí)程序同μC/GUI掛接實(shí)現(xiàn)整合。

在μC/GUI圖形界面移植完成后可直接調(diào)用μC/GUI的API函數(shù)在LCD上顯示各種圖形、文字和特效顯示［5］。

字體和圖片顯示可采用μC/GUI通過(guò)點(diǎn)陣來(lái)顯示字體和圖片，可利用μC-GUI-FontConvert.exe字體轉(zhuǎn)換器和μC-GUI-BitmapConvert.exe位圖轉(zhuǎn)換器，將矢量字體和圖片轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言代碼，用數(shù)組保存字體相關(guān)信息。通過(guò)加入編譯和gui.h中進(jìn)行聲明，即可調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行字體和圖片顯示。儀表顯示中使用了多種字體，包括宋體中文和數(shù)碼管字體，圖片主要包括警告燈等圖片顯示。

指針動(dòng)畫(huà)顯示可采用如圖5所示的動(dòng)畫(huà)顯示制作流程。動(dòng)畫(huà)顯示主要用到視窗管理器，使用時(shí)在一個(gè)視窗內(nèi)(屏幕上的一塊區(qū)域)顯示儀表所有內(nèi)容。該區(qū)域作為一個(gè)繪制或顯示對(duì)象的用戶接口部件，其視窗可以是任意大小，可在屏幕上同時(shí)顯示多個(gè)視窗，甚至能在其它視窗上部分或完全地顯示。視窗管理器提供了一套函數(shù)，使之能很容易地對(duì)許多視窗進(jìn)行創(chuàng)建、移動(dòng)、尺寸調(diào)整和其它操作。

2.3 J1939協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

SAE J1939協(xié)議是美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)SAE發(fā)布的以CAN總線為基礎(chǔ)、以CAN2.0B作為網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信和控制協(xié)議。它是以CAN總線為基礎(chǔ)并涉及了應(yīng)用層的上層協(xié)議，可達(dá)到250Kb/s的通信速率，是目前最有實(shí)用參考價(jià)值的車用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)中應(yīng)用最廣。它對(duì)汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通信方式和報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)等都作了明確的規(guī)定，并對(duì)汽車內(nèi)部各個(gè)具體的ECU通信內(nèi)容作了詳細(xì)說(shuō)明。在本系統(tǒng)中車速和轉(zhuǎn)速等信號(hào)依照J(rèn)1939協(xié)議從CAN總線獲得［6-7］。在《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議》中也定義了電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)的通信協(xié)議［8］，通信采用了標(biāo)準(zhǔn)推薦的125Kb/s的通信速率，幀格式采用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符，具體每個(gè)位分配的相應(yīng)定義符合SAE J1939—21的規(guī)定。

利用Microchip公司提供的J1939協(xié)議庫(kù)函數(shù)，大大簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程。J1939協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程是:(1)根據(jù) S3C2440A硬件修改 SPI16.C和SPI16.h的底層管腳定義和中斷等實(shí)現(xiàn)SPI驅(qū)動(dòng)，加入庫(kù)函數(shù)并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)配置進(jìn)行修改;(2)利用中斷接收J(rèn)1939協(xié)議數(shù)據(jù);(3)根據(jù)SAE J1939協(xié)議判斷計(jì)算車輛工況和故障代碼等信息［9］。例如儀表地址為0x17，接收到數(shù)據(jù)0C F00400 XX XX XX 4E 20 XX XX XX，根據(jù)協(xié)議報(bào)文為PGN61444和SPN190，源地址:發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位置在4～5B，分辨率:0.125(r/min)/b，0偏移。4～5B為0x4E20，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可計(jì)算為20000×0.125=2500r/min。

3 界面顯示和實(shí)際測(cè)試

液晶儀表模擬真實(shí)儀表的外觀，除了可顯示常規(guī)儀表顯示的所有內(nèi)容外，還可顯示時(shí)間、漢字說(shuō)明等。儀表內(nèi)部可設(shè)置幾套顯示界面，用戶可自己根據(jù)喜好選擇，比常規(guī)汽車儀表更加人性化。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)汽車儀表類別包括指示儀表裝置、警告和指示信號(hào)裝置。其中指示儀表裝置包括動(dòng)力蓄電池指示儀表、荷電狀態(tài)指示器、電壓表、電流表、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)指示儀表和轉(zhuǎn)速表。警告和指示信號(hào)裝置包括過(guò)熱、超速和剩余容量，通過(guò)光學(xué)和(或)聲學(xué)信號(hào)告知駕駛員［10］。

由于電動(dòng)汽車用儀表和傳統(tǒng)汽車儀表顯示內(nèi)容的不同，參考電動(dòng)汽車用儀表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所需的顯示內(nèi)容和ISO標(biāo)準(zhǔn)2575《道路車輛控制裝置、指示器和信息裝置的符號(hào)》中規(guī)定的圖形標(biāo)志，設(shè)計(jì)了適合電動(dòng)汽車使用的LCD儀表界面。儀表顯示示意圖如圖6所示。圖中對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的顯示內(nèi)容都有指針動(dòng)畫(huà)、數(shù)字指示或者提示圖標(biāo)顯示，在儀表的最下一行對(duì)車輛的重要信息可以提供中文提示和說(shuō)明。

在電動(dòng)汽車充電的過(guò)程中，液晶屏幕也可通過(guò)清晰、直觀的進(jìn)度條方式顯示目前充電狀態(tài)和電池目前的容量情況等信息，如圖7所示。

圖8為在某電動(dòng)汽車廠家進(jìn)行實(shí)車測(cè)試時(shí)的汽車儀表實(shí)物圖，測(cè)試時(shí)能夠通過(guò)車輛通信協(xié)議實(shí)時(shí)讀取車輛參數(shù)并在液晶屏幕上準(zhǔn)確顯示，指針動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，反應(yīng)無(wú)遲鈍現(xiàn)象，數(shù)字變化正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車液晶數(shù)字儀表是未來(lái)發(fā)展方向，本文中研究和實(shí)現(xiàn)了新一代的汽車純液晶數(shù)字儀表，硬件采用了以S3C2440A為主控芯片的高分辨率7英寸液晶屏等。軟件使用了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和μC/GUI圖形顯示界面，軟硬件保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和圖形界面的顯示效果，通過(guò)J1939協(xié)議保證汽車儀表可通過(guò)CAN總線讀取車輛實(shí)時(shí)工況。所設(shè)計(jì)的汽車純液晶儀表可滿足實(shí)際的使用和顯示需求，節(jié)約了廠家開(kāi)發(fā)成本，只須適當(dāng)?shù)能浖薷募纯蓾M足不同客戶的個(gè)性化顯示需求。由于μC/GUI圖形顯示界面目前支持的特效較少，還不能達(dá)到非常完美的顯示效果。另外由于液晶長(zhǎng)寬比原因顯得有點(diǎn)擁擠，加大長(zhǎng)寬比可得到更加接近實(shí)際汽車儀表尺寸，并滿足駕駛員習(xí)慣。

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