智能化汽車組合儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院 張興超 王 陸

1.引言

近年來，中國汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展帶動(dòng)汽車電子產(chǎn)業(yè)取得了跨越式的成就。作為汽車的一個(gè)重要組成部分，汽車儀表主要用于幫助駕駛?cè)藛T掌握汽車時(shí)時(shí)工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除不安全因素和故障，以保證汽車能夠安全可靠運(yùn)行。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車組合儀表已從簡單的零部件發(fā)展到了集多種功能于一體的集成部件型式。汽車行業(yè)對其豐富的功能性要求賦予了汽車組合儀表更多的職能。

傳統(tǒng)汽車組合儀表數(shù)字化程度較低，存在采集信息少、顯示內(nèi)容固定且功能單一等缺點(diǎn)，已很難滿足汽車電子裝置信息量增加帶來的新要求。汽車儀表的數(shù)字化、圖形化和智能化，要求汽車動(dòng)力系統(tǒng)、整車控制器等電子裝置應(yīng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地處理車輛的各種狀態(tài)信息，同時(shí)通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，并利用汽車組合儀表進(jìn)行顯示。TFT-LCD（薄膜場效應(yīng)晶體管液晶顯示）具有顯示信息豐富、色彩多樣且靈活多變等優(yōu)點(diǎn)，其在車載領(lǐng)域的應(yīng)用將極大的拓展汽車組合儀表的功能。

通過TFT-LCD和微控制器的結(jié)合使用將促進(jìn)儀表盤成為汽車的多功能信息顯示和控制中心，有利于汽車的美觀和維修檢測。但全液晶顯示儀表也存在價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)雜及高成本和低可靠性等缺點(diǎn)，這也導(dǎo)致了其在普通車型上安裝使用率低的問題。鑒于此，本文提出了一種基于MCU+TFT-LCD的智能化汽車組合儀表的設(shè)計(jì)方案。其中MCU選用NEC公司的UPD78F0433型單片機(jī)用于各類信號的采集處理，TFT-LCD用于車載信息的顯示。通過二者的配合使用，以滿足汽車組合儀表信息化、智能化和圖形化的要求。

2.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能化汽車組合儀表應(yīng)具有多樣性的功能，包括傳統(tǒng)儀表的基本功能、車載信息的采集處理和顯示、車輛故障警示、報(bào)警與提示音的合成以及CAN總線通信等。這就要求該智能組合儀表除了從傳感器直接獲取信息外，還具有CAN總線與車載控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力；能夠根據(jù)車輛采集信息的數(shù)據(jù)類型不同，可將信號量分為模擬量、開關(guān)量和脈沖量等形式[1]。結(jié)合上述要求開發(fā)和設(shè)計(jì)的汽車組合儀表有多種形式，如單片機(jī)、DSP、FPGA、ARM等。綜合考慮，本文采用MCU+TFT-LCD的智能化汽車組合儀表設(shè)計(jì)方案，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3.汽車組合儀表的硬件設(shè)計(jì)

智能化汽車組合儀表的基本顯示功能主要由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、油量、里程和水溫等組成。同時(shí)還包括左右轉(zhuǎn)向信號、遠(yuǎn)近光信號、駐車信號、油量報(bào)警、水溫報(bào)警等各類指示和報(bào)警信號燈。其中，油量、水溫、車速和轉(zhuǎn)速通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針進(jìn)行顯示，而里程利用字段式LCD顯示[2]。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況及其功能和特點(diǎn)，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想對汽車組合儀表進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)；主要包括電源模塊、車速和轉(zhuǎn)速檢測模塊、油量和水溫檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及液晶驅(qū)動(dòng)模塊。其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 汽車組合儀表的硬件結(jié)構(gòu)原理圖

本系統(tǒng)選擇NEC公司的UPD78F0433芯片作為主控芯片，該器件內(nèi)置LCD控制器、液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)器、電源Flash存儲(chǔ)器和看門狗定時(shí)器，具有片上調(diào)試功能和10位A/D轉(zhuǎn)換功能，是一款性價(jià)比較高的8位微控制器。由點(diǎn)火信號和蓄電池提供系統(tǒng)的工作電源，其操作電壓為9-16V；并通過電源電路的轉(zhuǎn)換為主控芯片提供5V的工作電壓。電源模塊的芯片為TLE4275-Q1，其最大耐壓值42V、最大驅(qū)動(dòng)電流450mA、精度達(dá)2%。車速和轉(zhuǎn)速檢測模塊主要是通過檢測兩種脈沖信號的不同頻率形式來確定汽車的車速和轉(zhuǎn)速。而油量和水溫產(chǎn)生的電阻信號具有不同阻值；因此，油量和水溫檢測模塊則可通過檢測不同電壓值來確定汽車的油量和水溫。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用的芯片為STI6606，該芯片內(nèi)置CMOS集成電路、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路微型步進(jìn)電機(jī)，其輸入脈沖對應(yīng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1/12°，最大角速度可達(dá)600°/s。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是用于保存車速、轉(zhuǎn)速、燃油、水溫和里程等數(shù)據(jù)，以防止掉電后數(shù)據(jù)丟失。該組合儀表選用的存儲(chǔ)芯片為24C04芯片，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量最多可達(dá)4K。液晶驅(qū)動(dòng)模塊功能主要依賴于UPD78F0433主控芯片內(nèi)置的液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，該驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)包括：內(nèi)外部電阻分壓、自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)并顯示、顯示模式靈活以及幀頻率多樣等。

圖3 汽車組合儀表的軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖

4.汽車組合儀表的軟件設(shè)計(jì)

智能化汽車組合儀表的軟件結(jié)構(gòu)由主程序和若干子程序組成；其中，主程序用于系統(tǒng)初始化、資源分配以及子程序的調(diào)度管理等；而子程序主要用于實(shí)現(xiàn)各硬件模塊的功能。本系統(tǒng)軟件采用C語言和循環(huán)體+中斷的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，主程序?qū)λ型獠吭O(shè)備和全局變量進(jìn)行初始化；之后進(jìn)入主循環(huán)體程序依次完成系統(tǒng)信號的采樣處理、步進(jìn)電機(jī)的控制計(jì)算、各種報(bào)警信號的檢測與合成、指示燈的輸出控制、TFT-LCD的顯示控制、CAN通信報(bào)文的收發(fā)控制等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖3所示。

該汽車組合儀表同時(shí)還具有待機(jī)功能。當(dāng)不需要儀表工作時(shí)，其主控芯片進(jìn)入低功耗模式，減少工作電流，節(jié)省蓄電池電量消耗；當(dāng)需要儀表工作時(shí)，中斷請求將立即重啟主控芯片，使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

5.結(jié)束語

本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)的角度詳細(xì)介紹了汽車組合儀表的設(shè)計(jì)。提出了一種基于MCU+TFT-LCD且性價(jià)比較高的步進(jìn)電機(jī)式智能化汽車組合儀表的設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)了車速、轉(zhuǎn)速、水溫、燃油量和里程的智能顯示，低油量、高水溫報(bào)警，車載數(shù)據(jù)掉電保護(hù)等功能。達(dá)到了汽車組合儀表智能化、信息化和圖形化的目標(biāo)。系統(tǒng)具有較高的顯示和指示精度，能夠很好的滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

引文

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

②楊興山,汪激,劉寅.基于嵌入式的智能化汽車組合儀表設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用,2010,26(09):20-22+66.

③張生文.汽車組合儀表關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.