輕客數(shù)字顯示組合儀表設計

王 烈

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006）

汽車組合儀表裝置用于顯示車輛的動態(tài)信息和監(jiān)控信息，是車輛與駕駛人員重要的信息顯示載體和人機界面。隨著電子技術的飛速發(fā)展，駕乘人員對車輛信息需求不斷提高，客車組合儀表向著網(wǎng)絡化、數(shù)字化、通用化和低成本方向發(fā)展[1]。本文結合金旅某型輕客車型技術升級項目，闡述輕客數(shù)字顯示組合儀表的開發(fā)過程與設計方法。

1 組合儀表整體設計

某型輕客原配置指針式數(shù)字組合儀表，僅能對車輛模擬信號進行采集和指示。由于車型技術升級，要求開發(fā)采用數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)募冸妱榆囆蛢x表，同時產(chǎn)品也要兼顧傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的功能升級要求?？紤]到純電動車型音響選配TFT-LCD顯示裝置，已集成電驅動系統(tǒng)、電池組以及音響導航等信息的顯示功能，為控制車輛成本，組合儀表采用LCD數(shù)字與LED字段組合的顯示方式。產(chǎn)品顯示對比度高、色彩豐富、時尚大方、指示明晰。通過采用小規(guī)格的段式TN-LCD和SMD-LED部件[2]，降低了產(chǎn)品的模具投入和制造成本。

1.1 結構設計

1）造型設計。根據(jù)儀表臺布置空間確定產(chǎn)品的邊界條件和固定結構，為了便于儀表信息在主視區(qū)內識別，采用黑色表盤與屏幕，轉速和車速表中置布局，按照儀表臺圓潤的造型風格，電流表/水溫表和電壓表/燃油表設計為對稱的飛翼造型，指示燈呈環(huán)繞布置[3]。組合儀表工作效果見圖1。

2）結構設計和材料選用。組合儀表要求具有耐沖擊、阻燃和耐溫等性能，所以產(chǎn)品設計為面罩、上下殼、導光板、電路板和刻度盤六部分組成。通過卡扣與螺釘裝配為一體，結構簡單可靠，組合儀表分解爆炸圖見圖2。在材料選用方面，面罩采用高透光率的PMMA材質，上下殼與導光板均采用耐高溫的增強型ABS材質，刻度盤采用耐沖擊的PC材質。

1.2 顯示方案

1）車速表。原車型采用霍爾式里程表傳感器提供車速信號，所以組合儀表需要設計信號整形電路，以避免輸入信號失真。組合儀表主控制器（MCU）根據(jù)信號脈沖的頻率變化計算對應車速；對于純電動車型，整車控制器（VCU）根據(jù)電機轉速、后橋減速比和輪胎滾動半徑計算車速，并由VCU1向儀表發(fā)送CAN報文。車速數(shù)據(jù)格式定義為2字節(jié)，比例因子（1/256km/h）/bit，數(shù)據(jù)范圍0～51200（0～200km/h），偏移量 0 bit。

組合儀表中的車速表設計為數(shù)字指示方式。為了便于駕駛員識別，選用規(guī)格55×25mm的LCD顯示屏，可顯示三位數(shù)字，車速最小分辨率為1km/h，顯示刷新時間為1s，車輛最大顯示值設定為180km/h。

2）里程表。MCU通過車速信號的積分計算，求出車輛里程數(shù)據(jù)。累計里程表和小計里程表同樣設計為數(shù)字指示方式，布置在轉速表底部，選用規(guī)格70×15mm的LCD顯示屏，可同時顯示6位累計里程和4位小計里程數(shù)值，其中小計里程分辨率為0.1km，通過表盤上的按鍵進行小計里程切換和清零。根據(jù)國標要求，動力蓄電池的剩余工作容量，可以使用數(shù)字式顯示器，在駕駛員需要時隨時給出指示[4]。所以對于純電動車型組合儀表，小計里程顯示部分增加了荷電狀態(tài)指示功能，可通過按鍵進行SOC、單位里程A、單位里程B的顯示切換。

電池SOC數(shù)據(jù)由BMS1向儀表發(fā)送CAN報文，SOC數(shù)據(jù)格式定義為1字節(jié)，比例因子0.4%/bit，數(shù)據(jù)范圍 0～250（0～100%），偏移量 0 bit。

3）轉速表。原車型轉速信號由發(fā)動機控制單元（ECM）提供，即發(fā)動機轉動一周輸出2個脈沖方波，MCU同樣是根據(jù)信號脈沖的頻率變化計算發(fā)動機轉速；對于純電動車型，轉速表指示電機的實際轉速，由電機控制器IPU2向儀表發(fā)送CAN報文，轉速數(shù)據(jù)格式定義為2字節(jié)，比例因子1 r/min/bit，數(shù)據(jù)范圍0～24000（-12000～12000 r/min），偏移量 12000 bit。

轉速表設計為17只LED呈環(huán)形排布，以適應不同動力系統(tǒng)的技術要求，傳統(tǒng)車型轉速表設計指示范圍0～6000 r/min，純電動車型指示范圍0～8000 r/min。為了提高轉速表的指示效果，轉速表LED響應時間設定為0.5 s，選用白色LED。通過刻度盤底部的不同色粉覆層，實現(xiàn)琥珀色正常轉速區(qū)域以及紅色轉速過高區(qū)域的顯示效果。

4）電流表/水溫表。原車型在發(fā)動機上配置負溫度系數(shù)水溫傳感器，通過傳感器阻值變化指示水溫，所以儀表電路需對模擬量信號進行分壓和濾波處理，以滿足MCU中A/D轉換電路對輸入信號的要求；對于純電動車型，該位置設計為電流表，由電池管理系統(tǒng)BMS1向儀表發(fā)送CAN報文，電流數(shù)據(jù)格式定義為2字節(jié)，比例因子 0.1 A/bit，數(shù)據(jù)范圍 0～20000（-1000～1000A），偏移量10000 bit。

水溫表設計為8只LED呈扇形排布，頂部LED為紅色，其余為綠色，以實現(xiàn)水溫過高的報警指示功能，水溫指示范圍為50℃～125℃；電流表按國標要求，在標度盤0位置的兩個方向上都應標示正常電流范圍，所以第4只采用白色LED；在刻度盤上標示為電流零位，其上部為輸出電流，通過4只黃色LED分段指示，下部為制動饋電與外部充電時的輸入電流，通過3只綠色LED指示，電流表指示范圍為-150～300A。

5）電壓表/燃油表。原車型燃油傳感器為可變電阻結構，所以與水溫表控制方式相似，也需對模擬量信號進行分壓和濾波處理，以滿足MCU中A/D轉換電路對輸入信號的要求；對于純電動車型，該位置設計為電壓表，由電池管理系統(tǒng)BMS3向儀表發(fā)送CAN報文，動力電池總電壓數(shù)據(jù)格式定義為2字節(jié)，比例因子0.1V/bit，數(shù)據(jù)范圍 0～10000（0～1000 V），偏移量 0 bit。

電壓表/燃油表與電流表/水溫表在表盤上對稱布置，燃油表設計為8只綠色LED呈扇形排布，底部并排布置1只紅色LED，以實現(xiàn)燃油液位過低的報警功能；電壓表上部布置1只紅色LED，下部布置2只紅色LED，以滿足電壓過高或過低時的報警功能，電壓表正常指示范圍為340～400V。

6）報警/指示燈。組合儀表上的報警/指示燈，一部分為車輛直接接入LED指示燈的開關量信號，如前后霧燈指示燈、左右轉向指示燈、遠光指示燈、車門開關指示燈、安全氣囊指示燈、安全帶指示燈、OBD指示燈、ABS指示燈等；一部分由MCU采集或按照顯示邏輯，控制對應的LED指示燈，如燃油液位過低指示燈、水溫過高指示燈、危險指示燈等；對于純電動車型，MCU還需解析CAN報文中的相應位定義，控制LED進行指示，包括動力蓄電池充電狀態(tài)、動力蓄電池故障、電機及控制器過熱、充電線連接、運行準備就緒（READY）、系統(tǒng)故障、LIMP等指示燈。報警/指示燈的顏色和符號根據(jù)國標要求和技術規(guī)范設計，傳統(tǒng)車型應滿足GB4094-1999標準[5]，電動車型應參照GB/T 4094.2-2005標準[6]。

7）背光照明。儀表的背光照明由多個白色LED組成，用于點亮LCD顯示屏和刻度盤標示。為了配合造型效果，沿刻度盤透光線條下部也排布有LED部件。當點火開關處于ON檔時，背光照明點亮；在開小燈后，背光照明降低亮度，以避免駕駛員眩目不適。

1.3 電路設計

1）電路原理。按照上述功能要求，繪制組合儀表電器原理框圖，見圖3。

2）主控芯片。產(chǎn)品平臺應滿足硬線連接和CAN總線兩種采集傳輸方式，所以首先要設計和分配好MCU資源，方案采用飛思卡爾的MC9S12HY64單片機。該芯片主要特點：基于16位S12的CPU內核，64 k的ROM，4 k字節(jié)的RAM，具有2個16 bit定時器，8通道10 bit A/D轉化模塊，8通道8 bitPWM端口，可實現(xiàn)SCI、SPI、IIC，集成CAN驅動器，支持CAN 2.0A/B，集成LCD驅動器，可直接驅動40×4段顯示等。該芯片是專為汽車領域開發(fā)的儀表主控芯片，具有較高性價比。

3）LED驅動電路。為了滿足純電動和傳統(tǒng)動力兩種車型的指示要求，組合儀表共設計32只LED實現(xiàn)轉速表、電流表/水溫表和電壓表/燃油表的指示功能，所以選用3只HEF4894B對LED進行分組驅動。作為12位串行輸入、帶輸出寄存器的LED驅動芯片，每個端口可驅動20mA負載，具有3～15 V的寬電源電壓和-40℃～125℃工作溫度范圍。

4）CAN通訊電路。主控芯片MC9S12HY64內部集成CAN控制器，可以支持CAN2.0A/B，所以純電動車型選用TJA1050作為CAN控制器與物理總線的接口，芯片提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，具有高達1Mbit/s的傳輸高速率，支持110個連接節(jié)點，符合ISO 11898標準，電磁抗干擾EMI性極高，TxD引腳有防止箝位在顯性總線電平的超時功能，輸出驅動器溫度保護等功能。電路設計芯片處于高速工作模式。

2 軟件設計

該款組合儀表根據(jù)車型系統(tǒng)的不同，需要結合硬件電路進行單獨設計，通過MCU端口輸出控制信號，最終驅動LCD顯示屏、相應的LED和蜂鳴器組件，實現(xiàn)組合儀表的信息顯示和音頻提示功能。

2.1 軟件流程圖

圖4是組合儀表的軟件主流程圖。儀表主程序由點火開關控制，整個系統(tǒng)軟件由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、CAN通訊子程序、LCD顯示子程序、LED顯示子程序等組成。

2.2 顯示邏輯

軟件設計還應考慮產(chǎn)品合理的顯示邏輯，如設計燃油表指示時，應考慮車輛處于顛簸或坡道路況，油量傳感器可能反饋較大的誤差信號。為此，需要在軟件中增加停車阻尼和行車阻尼的控制邏輯，同樣對于水溫表、轉速表、車速表等都有相應的軟件邏輯[7]。

設計軟件根據(jù)輸入信號進行報警有效值判斷，并進行聲光報警。如傳統(tǒng)車型出現(xiàn)車輛超速行駛、水溫過高、冷卻液過低等異常時，點亮相應指示燈，同時蜂鳴器和危險指示燈進行聲光報警，并能夠通過閃爍和聲音的頻率變化對異常系統(tǒng)加以區(qū)分。

3 測試驗證

組合儀表工程樣件由項目組進行造型評定和功能測試，批產(chǎn)狀態(tài)樣件由供應商按照QC/T727-2004的相關標準進行外觀、電源過壓、耐溫度濕度變化、耐久性等性能試驗[8]，最后批產(chǎn)樣件由整車廠裝車進行相應的道路試驗。電動車型組合儀表由于線路不與動力電池直接連接，所以產(chǎn)品在防護等級、絕緣介電強度和耐振性能方面，與上述傳統(tǒng)儀表測試要求相同。主要在電磁兼容性能方面需要與整車一同進行試驗驗證，具體性能應滿足文獻[9-10]的要求。

4 結束語

本文針對硬線連接與CAN總線的兩種數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，提供了通用化、低成本的儀表指示解決方案，產(chǎn)品顯示對比度高、色彩豐富、指示明晰、性能可靠，通過工程認可測試與車型公告試驗，滿足項目制訂的開發(fā)目標，取得實用新型技術專利，目前產(chǎn)品已批量裝車。

[1]王波濤，汪偉，張克軍.車載儀表新技術研究及應用[J].汽車電器，2013，（9）:20-23.

[2]魏春源.汽車安全性與舒適性系統(tǒng)[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[3]王烈，黃長達，任寬.汽車儀表顯示裝置：中國，ZL201320104193.6[P].2013-08-14.

[4]GB/T19836-2005，電動汽車用儀表[S].北京:中國標準出版社，2005.

[5]GB4094-1999，汽車操作鍵、指示器及信號裝置的標志[S].北京:中國標準出版社，1999.

[6]GB/T4094.2-2005，電動汽車操縱件、指示器及信號裝置的標志[S].北京:中國標準出版社，2005.

[7]陳恬.雙環(huán)汽車數(shù)字組合儀表設計[J].汽車電器.2010，（3）:4-7.

[8]QC/T727-2004，汽車、摩托車用儀表[S].

[9]GB/T17619-1998，機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法[S].北京：中國標準出版社，1998.

[10]GB/T18655-2010，車輛、船和內燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法[S].北京：中國標準出版社，2010.