汽車組合儀表段位顯示優(yōu)化及應(yīng)用

冷德龍，孫連明，蘇朋軍

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

組合儀表作為駕駛員獲取汽車狀態(tài)、外界環(huán)境信息的重要窗口，準(zhǔn)確可靠地為駕駛員提供相關(guān)信息至關(guān)重要。從最初的純機(jī)械機(jī)芯儀表到電氣式儀表，到現(xiàn)在的CAN智能數(shù)字儀表，汽車組合儀表功能更加強(qiáng)大，顯示內(nèi)容更加豐富，線束鏈接更加簡(jiǎn)單可靠［1］。隨著科技發(fā)展，元器件成本降低，全液晶彩色TFT液晶屏儀表的應(yīng)用越來越多，朝著高清、集成、智能的方向發(fā)展。當(dāng)然對(duì)于大多數(shù)車型，特別是載貨汽車，組合儀表主要還是通過MCU控制步進(jìn)電機(jī)、點(diǎn)陣或TFT液晶屏、段位液晶屏、LED指示燈、蜂鳴器或揚(yáng)聲器來實(shí)現(xiàn)，圖1為組合儀表功能原理框圖。

圖1 組合儀表功能原理框圖

組合儀表中段位顯示方式比較常見，一般通過段位液晶屏或一組LED指示燈實(shí)現(xiàn)［2］，當(dāng)然全液晶段位儀表在某些乘用車上也有應(yīng)用，對(duì)于點(diǎn)陣屏或TFT屏，也可以通過類似段位形式顯示，由于其單一段內(nèi)還可以再細(xì)分，此處不討論。與指針表或TFT液晶屏相比，段位指示方式分辨率較低，表現(xiàn)出來為指示參數(shù)值不連續(xù)，常用來定性地指示要求不特別精確的信息，比如剩余燃油的空、滿，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的過低、過高，制動(dòng)氣壓過低、泄壓，機(jī)油壓力過低［3］等。圖2為段位指示功能舉例，圖2a、2b為段位液晶屏實(shí)現(xiàn)方式，圖2c、2d為L(zhǎng)ED指示燈實(shí)現(xiàn)方式。

圖2 段位指示功能舉例

1 段位顯示在應(yīng)用中存在的問題

由于段位顯示方式存在分辨率差的限制，再加上輸入信號(hào)的系統(tǒng)誤差，如果分段設(shè)計(jì)不合理或關(guān)鍵段的點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的參數(shù)值未進(jìn)行系統(tǒng)匹配，極易導(dǎo)致儀表的指示錯(cuò)誤，造成理解偏差，引起用戶抱怨。

按照人們習(xí)慣，認(rèn)為各段的指示值是線性的，而設(shè)計(jì)過程也極易簡(jiǎn)單地線性分配各段的點(diǎn)亮或熄滅點(diǎn)的參數(shù)值，從而出現(xiàn)顯示偏小、某段經(jīng)常閃爍指示、不能指示零位、不能指示滿量程等問題。比如某商用車制動(dòng)氣壓顯示偏?。簩?shí)際氣壓已經(jīng)達(dá)到了0.9 MPa（9 bar）左右，而儀表實(shí)際顯示氣壓只有0.75MPa（7.5 bar），導(dǎo)致儲(chǔ)氣筒APU索賠增加。再比如某商用車燃油表不能指示到滿量程：用戶經(jīng)常加油到跳槍，而燃油表從未指示到滿量程，引起用戶抱怨。

以上均是組合儀表上的段位顯示方案在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題。接下來對(duì)以上出現(xiàn)的問題進(jìn)行具體分析，研究解決措施，優(yōu)化顯示方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證方案的合理性并推廣應(yīng)用。

2 段位顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)

儀表接收傳感器采集的模擬信號(hào)，通過MCU控制段位液晶屏或LED指示燈顯示相關(guān)行車信息，圖3為儀表信號(hào)路由示意圖。對(duì)于氣壓傳感器，輸出的信號(hào)形式為連續(xù)信號(hào)，而對(duì)于燃油傳感器（干簧管式），輸出的信號(hào)是非連續(xù)信號(hào)。接下來針對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，基于制動(dòng)氣壓和燃油量研究?jī)?yōu)化分段顯示方案。

圖3 儀表信號(hào)路由示意圖

2.1 制動(dòng)氣壓的連續(xù)輸入信號(hào)

某商用車制動(dòng)儲(chǔ)氣筒內(nèi)氣壓由傳感器將氣壓（MPa）轉(zhuǎn)換為電壓（V）輸入到儀表的AD采樣接口，儀表根據(jù)氣壓傳感器的輸出特性將制動(dòng)氣壓顯示到段位液晶屏上。其中，該氣壓傳感器的輸出特性關(guān)系式為

式中：U——?dú)鈮簜鞲衅鬏敵鲭妷?，V；Ui——組合儀表給氣壓傳感器的供電電壓，5 V；P——儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣壓，MPa，誤差±0.03 MPa。

圖4 制動(dòng)氣壓顯示

制動(dòng)氣壓顯示范圍為0～1.2 MPa，根據(jù)顯示效果優(yōu)化情況，在液晶屏上分為8段顯示，分辨率為0.15 MPa，如圖4所示。正常行車時(shí)氣壓為7.9～9.5 MPa，要求儀表檢測(cè)到儲(chǔ)氣筒氣壓低于0.55 MPa時(shí)進(jìn)行報(bào)警，而儲(chǔ)氣筒卸荷時(shí)的氣壓為卸荷壓力，其值為9.1 bar±0.2 bar，即0.91 MPa±0.02 MPa?？紤]到傳感器、儀表以及儲(chǔ)氣筒APU整個(gè)系統(tǒng)誤差的影響，為了保證顯示更加合理，避免出現(xiàn)漏報(bào)警或顯示數(shù)值過小情況，除了考慮各段對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮值和熄滅值應(yīng)該設(shè)置一定回差外，各段的點(diǎn)亮或熄滅應(yīng)該考慮系統(tǒng)參數(shù)的匹配，特別是用戶關(guān)注的第6段（9.0 bar）。如果儀表第6段點(diǎn)亮?xí)r對(duì)應(yīng)的氣壓值是9.0 bar，而實(shí)際APU卸荷氣壓為8.9 bar，就會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)氣壓顯示偏小、不準(zhǔn)的現(xiàn)象。表1是制動(dòng)氣壓段位顯示優(yōu)化后，各段的點(diǎn)亮和熄滅值。

表1 液晶屏中各段點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的氣壓值 ×0.1 MPa

實(shí)車換裝樣件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，將儀表顯示氣壓值同標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)顯示數(shù)值對(duì)比，如表2所示。

表2 液晶屏中各段點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的氣壓值 ×0.1 MPa

通過實(shí)車測(cè)試，發(fā)現(xiàn)儀表氣壓顯示值比實(shí)際氣壓值稍偏小0.013 MPa，偏安全；且關(guān)鍵點(diǎn)（第4段、第6段）可以正常點(diǎn)亮、熄滅。有效避免了儀表顯示氣壓偏小、不足、不準(zhǔn)確的問題現(xiàn)象。

2.2 燃油量的非連續(xù)輸入信號(hào)

對(duì)于非連續(xù)輸入信號(hào)，除了要考慮用戶關(guān)注的信息點(diǎn)、系統(tǒng)誤差外，還需考慮輸入信號(hào)的不連續(xù)性。在整個(gè)量程范圍內(nèi)儀表能夠獲得多少信號(hào)點(diǎn)將影響到分段設(shè)計(jì)，或者根據(jù)顯示效果確定分段數(shù)量，反向設(shè)計(jì)要求傳感器在整個(gè)量程范圍內(nèi)可輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)和各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間隔。

某商用車的燃油傳感器將剩余燃油百分比（%）轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)（Ω）輸入給儀表，儀表根據(jù)燃油傳感器輸出特性在液晶屏上以分段形式顯示剩余燃油百分比。燃油傳感器為干簧管式，輸出特性為一組數(shù)據(jù)，見表3。燃油箱容量為120 L，外形尺寸規(guī)則，燃油傳感器輸出信號(hào)分為16段，并且各段之間燃油高度均等。實(shí)際燃油表滿量程對(duì)應(yīng)的信號(hào)值為8 Ω，實(shí)際燃油傳感器可輸出的信號(hào)最小為8.2 Ω（燃油量與電阻關(guān)系為負(fù)相關(guān)），而且還存在系統(tǒng)誤差，再加上線束有一定的電阻，所以出現(xiàn)了實(shí)車燃油表不能指示到滿量程的問題。

為了保證顯示合理，減少顯示誤差，應(yīng)避免出現(xiàn)油箱無油時(shí)儀表仍然有油量指示或燃油箱加滿油時(shí)燃油不能點(diǎn)亮所有段（即100%）情況出現(xiàn)，避免用戶抱怨?？紤]提高用戶體驗(yàn)，當(dāng)燃油加到滿量程后，在燃油消耗過程中，使得用戶感覺燃油消耗不至于太快，同時(shí)提高用戶滿意度。儀表燃油指示為8段，均勻劃分；當(dāng)剩余燃油量為1段點(diǎn)亮（燃油量為1/8，約為15 L，電阻＞88.5 Ω）時(shí)進(jìn)行燃油過低報(bào)警。根據(jù)燃油信號(hào)分布情況定義儀表上各段點(diǎn)亮、熄滅時(shí)的信號(hào)（電阻）值，見表3。

考慮燃油傳感器輸出電阻誤差（0～5%），整車線束電阻值（約0.7Ω），儀表采樣電路誤差（1%）；為確保儀表燃油指示不受影響，對(duì)表3中定義的儀表各燃油段點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的電阻值進(jìn)行調(diào)整，見表4。

表3 燃油傳感器輸出特性及儀表各燃油段點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的電阻值

表4 儀表各燃油段點(diǎn)亮、熄滅對(duì)應(yīng)的電阻值/Ω

考慮以下幾種工況：①停車加油時(shí)燃油量變化較快，行車過程燃油消耗較慢；②停車在坡路上和在平坦路面上的不同；③整車行駛在復(fù)雜路面上，燃油晃動(dòng)等。儀表接收到燃油信號(hào)經(jīng)過濾波后，通過燃油策略處理，避免出現(xiàn)燃油表中各段忽滅忽亮，燃油消耗過程燃油量反而增加的情況出現(xiàn)。

搭建臺(tái)架試驗(yàn)，通過線束連接儀表、燃油傳感器，各燃油段可以正常點(diǎn)亮、熄滅。實(shí)車靜態(tài)驗(yàn)證，加油至跳槍，燃油表快速顯示并指示到滿量程，避免了故障問題的出現(xiàn)，且坡路上燃油表顯示正常。實(shí)車動(dòng)態(tài)測(cè)試，經(jīng)過高環(huán)、高速、壞路、郊區(qū)路試，燃油表指示正常，且未出現(xiàn)燃油表指示段忽滅忽亮情況。

2.3 段位顯示設(shè)計(jì)考慮因素

組合儀表段位顯示方式，無論是在段位液晶屏上顯示，還是通過LED指示燈實(shí)現(xiàn)，由于分段顯示方式存在分辨率低的弊端，表達(dá)的信息不夠詳細(xì)，但是關(guān)鍵信息不可丟失。所以，分段及各段的參數(shù)設(shè)置時(shí)需要考慮以下因素。

1）顯示需求。需要關(guān)注的信息點(diǎn)，特別是涉及到安全的需要傳達(dá)給駕駛員的信息或駕駛員較關(guān)注的信息。對(duì)于制動(dòng)氣壓，制動(dòng)氣壓顯示范圍、正常行車氣壓、泄壓閥壓力、氣壓報(bào)警點(diǎn)等信息要表達(dá)出來。對(duì)于剩余燃油量指示，駕駛員關(guān)注燃油過低報(bào)警點(diǎn)、加油跳槍后燃油表指示到滿量程、大概的剩余燃油量等信息。

2）儀表輸入信號(hào)特性。主要包括傳感器輸出信號(hào)即儀表輸入信號(hào)，信號(hào)是否連續(xù)、可采集到的信號(hào)數(shù)量及間隔，還有系統(tǒng)誤差等。比如制動(dòng)氣壓信號(hào)即為連續(xù)的，燃油信號(hào)是非連續(xù)的，均存在一定誤差，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。

3）儀表成本、結(jié)構(gòu)、效果、驅(qū)動(dòng)芯片的影響。對(duì)于分段指示，需要考慮液晶屏整體顯示效果、驅(qū)動(dòng)芯片管腳數(shù)量、LED數(shù)量、顏色、成本、LED燈筒成型等因素。一般，分段太多，LED燈筒過密不易成型，且隨著LED增加成本也增加，而且受到驅(qū)動(dòng)芯片的影響，隨著分段數(shù)量增加，需要控制各段的芯片管腳數(shù)量增加，直接影響芯片是否可用。

4）其他。為避免因整車運(yùn)行環(huán)境變化或操作過程影響而儀表上出現(xiàn)某一段忽滅忽亮現(xiàn)象，點(diǎn)亮、熄滅參數(shù)應(yīng)不同，通過設(shè)置回差可避免。考慮到提高用戶體驗(yàn)，當(dāng)燃油加到滿量程后，在燃油消耗過程中，使得用戶感覺燃油消耗不至于太快，給用戶一種省油的感覺等。

3 結(jié)論

通過對(duì)段位顯示在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，找到制動(dòng)氣壓和燃油量顯示的問題根源；結(jié)合段位顯示局限性，以及儀表輸入信號(hào)的特性，考慮成本因素、參數(shù)匹配、顯示需求、整體效果，優(yōu)化了氣壓表和燃油表的段位顯示策略，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性?？偨Y(jié)出了具有指導(dǎo)意義的段位顯示設(shè)計(jì)考慮因素，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)或參考。

［1］ 熊英.汽車組合儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連海事大學(xué)，2012.

［2］ 葛紅軍，鄭國(guó)華，張春燕，等.光柱、數(shù)字組合顯示儀表設(shè)計(jì)方法［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2000 （3）：32-33， 38.

［3］ 溫讀夫，王海濤，羅衍領(lǐng)，等.采用LED的工程機(jī)械組合儀表系統(tǒng)［J］.工程機(jī)械，2009（1）：46-48，56.