基于大學(xué)生方程式賽車虛擬儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

姜帥琦

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

全國(guó)大學(xué)生方程式賽車是基于大學(xué)生自己設(shè)計(jì)并制造方程式賽車來(lái)進(jìn)行比賽， 而方程式賽車的儀表盤是方程式賽車的核心部件，也是賽車手了解賽車狀況的一個(gè)窗口。利用虛擬儀器技術(shù)模擬賽車儀表盤，設(shè)計(jì)綜合數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、儀器面板等多項(xiàng)內(nèi)容的虛擬賽車儀表盤。 利用單片機(jī)自身產(chǎn)生轉(zhuǎn)速、耗油、速度等模擬和數(shù)字信號(hào)源，然后再進(jìn)行模擬和數(shù)字信號(hào)的采集和分析，通過(guò)建立轉(zhuǎn)換函數(shù)模型在虛擬儀表盤上顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、賽車車速、油耗、溫度及轉(zhuǎn)向燈等信息[1]。利用虛擬儀器技術(shù)模擬賽車儀表盤，不僅可以完成先進(jìn)賽車儀表盤的功能，而且免去賽車機(jī)械及電子器件，降低成本,提高可研性，在計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、賽車電子技術(shù)等課程的教學(xué)及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。 本次試驗(yàn)就大學(xué)生方程式賽車進(jìn)行虛擬儀表改造，內(nèi)容包括賽車本次試驗(yàn)使組員對(duì)車載儀數(shù)據(jù)采集，電路板的設(shè)計(jì)，源代碼的編寫，基于labview 的儀表設(shè)計(jì)及其串口通信功能的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本次創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)， 組員們初步了解如何使用labview 制作虛擬儀表以及電路板的設(shè)計(jì)，加深了對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，編寫程序的能力也有了很大的提高，也更了解了團(tuán)隊(duì)合作的重要的技巧。

1 賽車儀表盤的總體設(shè)計(jì)

1.1 賽車儀表及其顯示裝置的作用和組成

在駕駛員前方臺(tái)板上都裝有儀表報(bào)警燈及電子顯示裝置，用來(lái)指示賽車運(yùn)行以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況，以便駕駛員隨時(shí)了解和掌握賽車各系統(tǒng)、各部件的工作狀態(tài)，保證賽車可靠而安全地行駛。

賽車上較常用的一般有3 種儀表和3 種相應(yīng)的傳感器，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度表、賽車時(shí)速表。

儀表板總成分垂直安裝式和傾斜安裝式兩類，二者又各有組合式和分裝式兩種。 分裝式儀表板總成，它是由薄鋼板先沖壓成一塊儀表板，然后將每只單個(gè)儀表用夾板及螺栓固裝在儀表板上。

1.2 賽車儀表的使用條件

1.2.1 溫度

賽車是被廣泛使用的交通運(yùn)輸工具，要在各種環(huán)境溫度下都能正常運(yùn)行，因此要求汽車儀表在-40~+55℃范圍內(nèi)都能正常工作。溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)冷卻液（水箱）溫度。

1.2.2 濕度

由于賽車儀表工作的環(huán)境條件所限， 因此它還將受到濕度的影響。 潮濕的空氣將使儀表零件（特別是黑色金屬零件）表面生銹，電氣絕緣件的絕緣性能降低甚至漏電。 還由于潮濕空氣的變冷，使毛細(xì)管內(nèi)的水分凝聚，引起指示誤差以致堵塞。因此，金屬零件尤其是黑色金屬零件要進(jìn)行表面處理，如電鍍、化學(xué)處理、噴漆等工藝。 要求儀表應(yīng)能在相對(duì)濕度為90%的環(huán)境下工作，并通過(guò)耐潮試驗(yàn)及絕緣介電強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2.3 振動(dòng)

賽車行駛引起的車身振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)引起的賽車各部件振動(dòng)，都會(huì)影響儀表指示的準(zhǔn)確性，縮短儀表的使用壽命，因此必須在儀表板外面加放橡皮減震墊圈等，以保證儀表零件的足夠強(qiáng)度和緊固件的牢固性。

1.2.4 其他

賽車儀表的工作環(huán)境還可能遇到其他氣候條件（如暴雨、灰塵的侵蝕，陽(yáng)光輻射，油膩的沾污，霉菌的腐蝕，海洋鹽霧的浸蝕以及冰凍等）的影響，因此儀表零件的6 各種金屬材料，非金屬材料以及各種油類、保護(hù)層等都要根據(jù)不同的氣候條件加以選用。 裝有電子鐘的儀表板總成，要防止賽車電氣設(shè)備產(chǎn)生的高頻振蕩對(duì)電子鐘走時(shí)性能的干擾。

2 界面模塊

圖1

3 虛擬儀表的硬件設(shè)計(jì)

傳感器簡(jiǎn)介：

3.1 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便， 封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

3.2 CR-6061-1 數(shù)字油位傳感器

CR-606 系列電容式油位變送器，是為鐵路機(jī)車、汽車油箱、油罐車、油庫(kù)等油位的精確測(cè)量而量身定做的專門儀表，整機(jī)無(wú)任何可動(dòng)或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價(jià)格比好。 可安裝在各種場(chǎng)合對(duì)汽油、柴油、液壓油等油位進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)控。也適用于各種非導(dǎo)電液體的測(cè)量。

3.3 OHG-01 霍爾效應(yīng)齒輪傳感器

霍爾效應(yīng)齒輪齒傳感器（GTS）是一種重要的自動(dòng)化檢測(cè)元件，尤其是在汽車上的應(yīng)用日益增加，主要實(shí)現(xiàn)位置、速度和方向的檢測(cè)。近年來(lái)， 國(guó)外關(guān)于環(huán)保和安全保障的一些立法已對(duì)GTS 技術(shù)提出了新的更高要求。 為適應(yīng)這些要求，技術(shù)人員正集中精力開(kāi)發(fā)研制GTS 自校準(zhǔn)技術(shù)。

4 虛擬儀表數(shù)據(jù)采集卡

霍爾效應(yīng)齒輪齒傳感器（GTS）是一種重要的自動(dòng)化檢測(cè)元件，尤其是在汽車上的應(yīng)用日益增加，主要實(shí)現(xiàn)位置、速度和方向的檢測(cè)。近年來(lái)， 國(guó)外關(guān)于環(huán)保和安全保障的一些立法已對(duì)GTS 技術(shù)提出了新的更高要求。 為適應(yīng)這些要求，技術(shù)人員正集中精力開(kāi)發(fā)研制GTS 自校準(zhǔn)技術(shù)。

5 單片機(jī)模塊

5.1 單片機(jī)AT89S52 概述

AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位微控制器，內(nèi)部具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。 使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器可在線重新編程，亦適于通用的編程器。 通用的8 位CPU 與在系統(tǒng)可編程Flash 集成在一塊芯片上，從而使AT89S52 功能更加完善，應(yīng)用更加靈活；具有較高的性價(jià)比，使其在嵌入式控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

5.2 AT89S52 的引腳排列及功能

AT89S52 具有 PDIP，PLCC 和 TQFP 三種封裝形式，其中 PDIP 封裝的引腳排列如圖2 所示。

圖2 AT89S52 的封裝引腳圖

5.2.1 P0 口

P0 口是一組8 位漏極開(kāi)路型雙向I/O 口， 即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。

作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL 邏輯門電路，對(duì)端口P0 口寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)， 此組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在FLASH 編程時(shí)P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。

5.2.2 P1 口

P1 口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P1 口的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。 對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口。作輸入口使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 與 AT89S51 不同之處是，P1.0 和 P1.1 還可分別作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 （P1.0/T2） 和觸發(fā)器輸入（P1.1/T2EX）。在flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低8 位地址字節(jié)。P1 口除了作為一般的I/O 口線外，部分引腳還具有第二功能，如表1 所列。

表1 P1 口的第二功能

5.2.3 P2 口

P2 口是一組具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P2 口輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳經(jīng)由內(nèi)部上拉向外輸出電流（IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。 在使用8 位地址（如MOVX@RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。FLASH 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。

5.2.4 P3 口

P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。 對(duì)P3 口寫入1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作為輸入端口使用。若外部負(fù)載將P3 口拉低，則經(jīng)過(guò)內(nèi)部上拉電阻而向外輸出電流（IIL）。P3 口可接收一些用于FLASH 閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外，還具有第二功能，如表2 所列。

表2 P3 口的第二功能

5.2.5 其他

1）電平將使單片機(jī)復(fù)位。 特殊寄存器AUXR（輔助寄存器）(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能無(wú)效。DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。

2）ALE 為地址鎖存允許信號(hào)， 當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)。在訪問(wèn)單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置 1，可禁止 ALE 操作。 該位置 1 后，ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。 否則，ALE 將被微弱拉高。 此ALE 使能標(biāo)志位的設(shè)置在微控制器執(zhí)行外部程序時(shí)無(wú)效。 PROG 為本引腳的第二功能， 對(duì)FLASH 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。

3） 為程序儲(chǔ)存允許輸出控制端， 是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而將不被激活。

PP：欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。

4）XTAL1： 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

6 硬件系統(tǒng)原理圖

6.1 電源電路

汽車儀表板卡上的工作電壓是 5V， 而汽車蓄電池一般提供 12V電壓,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè) 12V 轉(zhuǎn) 5V 的電源電路。 12V 的汽車電源經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓，最終輸出穩(wěn)定的5V 電路板供電電壓。

圖3 電源電路

6.2 晶振電路

P87C581 的晶振引腳為：XTAL1、XTAL2.本系統(tǒng)選用的是 12MHZ晶振電路。

圖4 晶振電路

6.3 復(fù)位電路

鑒于本系統(tǒng)板卡對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性及電源監(jiān)控可靠性等諸多方面因素，本系統(tǒng)采用了比較通用的復(fù)位電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。

在振蕩器工作時(shí)，將RST 腳保持至少兩個(gè)機(jī)器周期低電平（12 個(gè)振蕩器周期）可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。為了保證上電復(fù)位的可靠，RST 保持低電平的時(shí)間至少為振蕩器啟動(dòng)時(shí)間（通常為幾個(gè)毫秒）再加上兩個(gè)機(jī)器周期。

圖5 復(fù)位電路

6.4 掉電保護(hù)電路

本汽車儀表系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄要求較高，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須及時(shí)保存并顯示。 如果出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料到的突然斷電事件，儀表系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的措施對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)保存，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)掉電保護(hù)電路，一旦電源低于某個(gè)預(yù)設(shè)的電壓值，儀表系統(tǒng)檢測(cè)到后立刻對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。 本系統(tǒng)將掉電保護(hù)電路連至處理器的中斷引腳，通過(guò)采用中斷的方式來(lái)觸發(fā)掉電事件以通知處理器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖6 掉電保護(hù)電路

6.5 串口電路

AT89C52 芯片的串口為TTL 電平，而要連接的外部PC 的串口為RS232 電平，故需要采用一塊芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TTL/RS232 電平轉(zhuǎn)換。 本系統(tǒng)采用常用的MAX232 轉(zhuǎn)換芯片。

MAX232 芯片簡(jiǎn)介

MAX232 芯片是專門為電腦的RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v 單電源供電。 其主要特點(diǎn)如下：

1）符合所有的RS-232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

2）只需要單一+5V 電源供電；

3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V 和-10V 電壓 V+、V-；

4）功耗低，典型供電電流5mA；

5）內(nèi)部集成 2 個(gè)RS-232C 驅(qū)動(dòng)器；

6）高集成度，片外最低只需4 個(gè)電容即可工作。

MAX232 引腳介紹：

第一部分是電荷泵電路。 由 1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構(gòu)成。 功能是產(chǎn)生+12V 和-12V 兩個(gè)電源，提供給RS-232 串口電平的需要。

第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。 由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（R1IN）、12 腳（R1OUT）、11 腳（T1IN）、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。

8 腳（R2IN）、9 腳（R2OUT）、10 腳（T2IN）、7 腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232 數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT 送 到 電 腦 DB9 插 頭 ；DB9 插 頭 的 RS-232 數(shù) 據(jù) 從R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。

第三部分是供電。 15 腳 GND、16 腳 VCC（+5v）。

7 總結(jié)

虛擬儀器是真實(shí)儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)前對(duì)代替真實(shí)儀器進(jìn)行一系列的校核和優(yōu)化工作。虛擬儀器的使用可以大大降低調(diào)教優(yōu)化真實(shí)儀器的成本和時(shí)間，可以提高試驗(yàn)效率。 通過(guò)虛擬儀器對(duì)大學(xué)生方程式賽車進(jìn)行虛擬儀表的設(shè)計(jì)可以加強(qiáng)我們對(duì)虛擬儀器的了解，使我們真正掌握虛擬儀器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的方法。