車載抬頭顯示器系統(tǒng)研究

武剛 趙光琪 李劍

摘 要：為了解決汽車司機(jī)駕駛時(shí)需要頻繁低頭查看儀表盤(pán)時(shí)容易忽略前方路況信息 從而造成交通事故發(fā)生的問(wèn)題 將早期應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)上的抬頭顯示系統(tǒng)（Head Up Display 以下簡(jiǎn)稱HUD）引用到汽車上 使司機(jī)無(wú)需低頭即可查看車輛運(yùn)行時(shí)的一些重要參數(shù)信息。采用STM32單片機(jī)作為主控 將接收到的數(shù)據(jù)信息顯示在像源上 將像源中的信息透射到反光鏡中 再反射到合成器上 司機(jī)通過(guò)合成器即可觀察到像源上顯示的內(nèi)容。為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的HUD上能顯示準(zhǔn)確的溫度值并且顯示的信息能隨環(huán)境亮度而變化 采用溫度傳感器采集水溫的信息來(lái)模擬溫度傳感器采集汽車水箱的溫度信息;采用光敏傳感器檢測(cè)不同光照強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)像源的亮度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 像源能在不同光照強(qiáng)度下都能實(shí)時(shí)顯示水溫變化的信息 且在合成器上顯示的信息穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：汽車工程;抬頭顯示器;STM32單片機(jī);像源;溫度傳感器;光敏傳感器

中圖分類號(hào)：U463? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-27-07

Abstract： In order to solve the problem that the driver of a car needs to frequently look down at the dashboard when driving， it is easy to ignore the information on the road ahead. And causing the problem of traffic accidents. Head-up display （hereinafter referred to as HUD） is used to refer to a car which is applied to fighter aircraft early. The driver can view some important parameter information while the vehicle is running without looking down. Using STM32 microcontroller as master， the received data information is displayed on the image source. The information in the image source is transmitted into the mirror. Then reflecting on the synthesizer. The driver can observe the content displayed on the source through the synthesizer. In order to verify that the design of the HUD can display accurate temperature values and the displayed information can change with the brightness of the environment. A temperature sensor is used to collect water temperature information to simulate the temperature sensor collecting the temperature information of the automobile water tank， a light sensor is used to detect different light intensities to adjust the brightness of the image source. The experimental results show that the image source can display the information of water temperature change in real time under different light intensities， and the information displayed on the synthesizer is stable and reliable.

Keywords： Automotive engineering; Head up display; STM32 microcontroller; Image source; Temperature Sensor; Photosensitive sensor

CLC NO.： U463? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-27-07

引言

隨著社會(huì)發(fā)展 汽車已走進(jìn)千家萬(wàn)戶 然而過(guò)多的車輛使得交通安全越來(lái)越嚴(yán)重。司機(jī)在駕駛車輛時(shí) 不僅需要時(shí)刻觀察車外的路況信息 還得頻繁低頭查看儀表盤(pán)。有研究表明 司機(jī)將視線從車外轉(zhuǎn)移到儀表盤(pán)上查看信息后又將視線移到車外觀察路況這一操作時(shí)間大約為4～7s 其中消耗在儀表盤(pán)上的時(shí)間約為3～5s 將司機(jī)查看儀表盤(pán)用掉的時(shí)間定義為駕駛盲區(qū)時(shí)間 大約有20%的道路交通事故是由于查看儀表盤(pán)的信息而引起。特別是高速行駛的汽車 3～5s的盲區(qū)時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故發(fā)生[1]。因此 采用抬頭顯示器將車輛運(yùn)行時(shí)的重要信息投射在司機(jī)眼睛前方的風(fēng)擋玻璃上 使司機(jī)無(wú)需低頭就能查看車輛運(yùn)行時(shí)的重要參數(shù)信息是極為重要的。

2016年 Intersil公司提出了采用激光掃描MEMS來(lái)作為HUD的投影系統(tǒng) 相比于LCD HUD和DLP HUD來(lái)說(shuō) 該系統(tǒng)具有更高的電導(dǎo)率 并且降低了整體光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜性和尺寸[2]。到2017年 德州儀器又發(fā)布了新一代的DLP HUD技術(shù) 采用全新的DLP3030-Q1芯片組來(lái)開(kāi)發(fā) 可將圖像投射到7.5米或更遠(yuǎn)的位置[3]。2017年大陸集團(tuán)提出的DMD抬頭顯示器 將傳統(tǒng)的前風(fēng)擋玻璃替換為大猩猩玻璃生產(chǎn)的前擋風(fēng)玻璃 該系統(tǒng)可以得到可視范圍更大的虛像 無(wú)需采用楔形結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行修正 有效的防止重影出現(xiàn)。我們國(guó)家研究抬頭顯示器系統(tǒng)的時(shí)間相對(duì)比較晚 缺乏相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗(yàn) 普及率也比較低。華陽(yáng)集團(tuán)采用OLED顯示屏研發(fā)出的一款便攜式HUD[4] 和普通液晶屏顯示圖像一樣 不具備遠(yuǎn)視的效果。

1 HUD的工作原理

抬頭顯示系統(tǒng)（Head Up Display）最早是出現(xiàn)在第一次世界大戰(zhàn)期間美國(guó)的戰(zhàn)斗機(jī)上作為瞄準(zhǔn)器[5]用的 后來(lái)人們將它引用到汽車上輔助駕駛。它主要是利用了光學(xué)反射的原理 將汽車的一些重要的參數(shù)信息（如速度、油箱油量、導(dǎo)航信息、胎壓信息等）投射在汽車前擋風(fēng)玻璃或外加的合成器上 由前擋風(fēng)玻璃或合成器將這些信息反射到司機(jī)眼中 司機(jī)透過(guò)前擋風(fēng)玻璃或合成器看到漂浮在汽車引擎蓋上方的虛像 司機(jī)無(wú)需低頭即可查看汽車運(yùn)行時(shí)的一些重要的參數(shù)信息。

2 HUD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)介紹

采用了基于STM32的車載抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。如圖1為系統(tǒng)整體構(gòu)架框圖。該系統(tǒng)主要分為電源電路、數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理及像源控制模塊、像源模塊、光學(xué)投影模塊 其中由電源電路為整個(gè)系統(tǒng)供電 采用溫度傳感器去檢測(cè)汽車水箱的溫度信息 采用液晶屏來(lái)顯示溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值 采用光敏傳感器來(lái)檢測(cè)光照強(qiáng)度信息 并通過(guò)檢測(cè)到光照強(qiáng)度值來(lái)調(diào)節(jié)背光源的亮度 進(jìn)而調(diào)節(jié)液晶屏顯示圖像的亮度 使液晶屏上顯示清晰的圖像。采用準(zhǔn)直透鏡對(duì)背光源發(fā)射出來(lái)的光源進(jìn)行準(zhǔn)直 使得投射到液晶屏上的光更加均勻 采用反射鏡來(lái)接收液晶屏上的圖像信息 并將該圖像反射到合成器中后再反射到司機(jī)眼中 司機(jī)透過(guò)合成器即可查看到液晶屏上顯示的內(nèi)容信息。

2.2 方案選取

目前 投影顯示技術(shù)主要分為反射式和透射式兩種投射類型 其中：反射式投射為：硅基液晶LCOS和數(shù)碼光路處理器DLP兩種 透射式投射方式有為：液晶顯示器LCD。

其中：硅基液晶（LCOS）[6]是一項(xiàng)相對(duì)新穎的顯示技術(shù) 將液晶硅涂抹在CMOS集成電路芯片上作為L(zhǎng)CD的基片。在磨平的CMOS集成電路芯片上鍍鋁后成為反射鏡 接著將CMOS基板與電極上的玻璃基板相貼合 再注入液晶封裝而成。但是生產(chǎn)工藝阻礙了硅基液晶LCOS的發(fā)展 復(fù)雜的工藝導(dǎo)致LCOS良品率較低 這個(gè)缺陷使得它的優(yōu)勢(shì)未能得到很好的發(fā)揮。

數(shù)碼光路處理器（DLP）[7-8]是美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的 它的光閥成像器件采用了數(shù)字微反射器 它是一種將DMD數(shù)字微鏡[9]作為成像器件的技術(shù) 使得圖像的灰度等級(jí)得到了很大的提高 消除了圖像噪聲 這個(gè)技術(shù)采用了數(shù)字微反射器后 有效的提高了成像器件的總光效率。因?yàn)閿?shù)碼光路處理器采用的處理方式為分時(shí)段式 所以用它來(lái)播放動(dòng)態(tài)畫(huà)面時(shí) 畫(huà)面質(zhì)量會(huì)有所下降。而且由于DLP的投影分辨率與成像器件的物理屬性的一定的關(guān)聯(lián)性 使得它在高分辨率應(yīng)用場(chǎng)合中很難控制住生產(chǎn)成本。

LCD投影儀[10-11]是在液晶屏背后加背光源 將液晶屏上的內(nèi)容投射出來(lái)的一種儀器 由于活性液晶可以透光 驅(qū)動(dòng)液晶屏中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的液晶分子 使其具有活性 再利用背光源照射在這些具有活性的液晶分子上即可在液晶屏上看到相應(yīng)的圖像。主流的LCD投影機(jī)采用的是三芯片機(jī)器 它具有紅色 綠色和藍(lán)色的獨(dú)立LCD面板?？梢栽讵?dú)立的LCD面板上調(diào)整對(duì)應(yīng)通道的亮度和對(duì)比度 增加投影效果 能夠得到高保真度的色彩。LCD液晶屏具有低工作電壓、小功率、長(zhǎng)壽命、高分辨率、圖像色彩豐富、畫(huà)面層次感好的優(yōu)勢(shì)[12] 因此比較適合作為投影器件。

基于上述分析 本設(shè)計(jì)采用單片式LCD投影技術(shù)將溫度傳感器檢測(cè)到的信息投射到合成器上 選用TFT-LCD[13]作為L(zhǎng)CD的像源 根據(jù)光敏傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度信息來(lái)調(diào)節(jié)背光源的亮度 進(jìn)而調(diào)節(jié)像源圖像的亮度。

3 HUD硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 HUD主控電路設(shè)計(jì)

采用STM32單片機(jī)作為HUD的控制器[14]。對(duì)溫度傳感器和光敏傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后 將溫度信息寫(xiě)入到液晶屏中顯示 并根據(jù)光敏傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度信息來(lái)改變背光源亮度 進(jìn)而改變液晶屏顯示的圖像亮度。

HUD的主控電路主要包括主控芯片、電源電路、啟動(dòng)配置電路、調(diào)試測(cè)試電路、復(fù)位電路、掉電數(shù)據(jù)保存電路。如圖2為HUD的主控電路圖。

（1）主控芯片

主控芯片采用STM32F103RCT6[15] 其優(yōu)點(diǎn)在于STM32 F103RCT6采用了Cortex M3作為內(nèi)核 提供了豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè) 自帶512K字節(jié) FLASH 并外擴(kuò)16M字節(jié)SPIFLASH 滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。工作頻率可以達(dá)到72MHz。擁有3個(gè)12位的ADC、6個(gè)定時(shí)器（通用16位和PWM） I2C接口有2個(gè) SPI接口有3個(gè) I2S接口有2個(gè) SDIO接口有1個(gè) USART接口5個(gè) USB接口1個(gè) CAN接口1個(gè)。

（2）電源電路

本設(shè)計(jì)在HUD主控電路中加入了電源電路 以確保主控芯片不會(huì)被燒壞。STM32F103RCT6采用了3.3V穩(wěn)壓電源供電 故采用電源線性穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在3.3V 該芯片型號(hào)為AMS1117-3.3 是一種正向低壓降穩(wěn)壓器 將輸入的電壓轉(zhuǎn)化為3.3V輸出。它具有4個(gè)數(shù)字電源端口和一個(gè)模擬電源端口 電源輸入、輸出端口分別接上一個(gè)濾波電容 采用LED燈珠提示電源的工作狀態(tài)。同時(shí)還設(shè)有液晶屏指示燈（LED） 用于提示液晶屏的工作狀態(tài) 當(dāng)對(duì)應(yīng)的LED燈亮?xí)r 說(shuō)明液晶屏處于工作狀態(tài)。

（3）啟動(dòng)配置電路

在STM32復(fù)位后 需要對(duì)STM32的啟動(dòng)模式進(jìn)行選擇 STM32本身具有BOOT0（B0）和BOOT1（B1）兩個(gè)啟動(dòng)選擇引腳 設(shè)置BOOT0（B0）和BOOT1（B1）的輸出電平來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能 需要采用串口下載程序時(shí) 將BOOT0設(shè)置為1 BOOT1設(shè)置為0 若讓STM32一按復(fù)位時(shí)就開(kāi)始工作 將BOOT0設(shè)置為0 BOOT1隨意設(shè)置。啟動(dòng)模式與BOOT0（B0）和BOOT1（B1）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

（4）調(diào)試測(cè)試電路

STM32支持兩種調(diào)試接口 分別為JTAG調(diào)試接口和SWD調(diào)試接口。其中：標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試接口需要占用5個(gè)IO口 容易導(dǎo)致IO口不夠用的情況 而用SWD調(diào)試接口只需2個(gè)IO口 大大節(jié)約了IO數(shù)量。由于兩種調(diào)試接口達(dá)到的效果一樣 所以選用SWD接口進(jìn)行硬件調(diào)試。

（5）復(fù)位電路

采用復(fù)位電路對(duì)STM32F103RCT6芯片進(jìn)行復(fù)位 通過(guò)一個(gè)電阻和一個(gè)電容組合而成的RC復(fù)位電路 這個(gè)電路可以延時(shí)[16] 當(dāng)不考慮流入RESET端的電流時(shí) 這個(gè)電路是一階RC電路。當(dāng)RESET處于高電平的時(shí)間達(dá)到兩個(gè)機(jī)器周期時(shí) 即可實(shí)現(xiàn)STM32F103RCT6芯片復(fù)位。

（6）掉電數(shù)據(jù)保存電路

為了使系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失 采用掉電數(shù)據(jù)保存器來(lái)保存數(shù)據(jù) 掉電數(shù)據(jù)保存器選型為可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM（型號(hào)為24C02）。將24C02芯片直與STM32的IO連接 即可在系統(tǒng)掉電后將重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。

3.2 像源設(shè)計(jì)

3.2.1 像源選型

綜合考慮 車載抬頭顯示器系統(tǒng)的像源采用SONY公司研發(fā)的1.8寸LCX028AMT液晶屏[17]。其部分參數(shù)如下：

1）屏尺寸：1.8寸;

2）分辨率：1280×1024;

3）顯示比例：4：3;

4）對(duì)比度：250：1;

5）響應(yīng)時(shí)間：33ms;

6）工作溫度：-10℃～+70℃;

7）驅(qū)動(dòng)電壓：5V。

3.2.2 像源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用兩片數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器CXA7004R來(lái)作為L(zhǎng)CX028 AMT的驅(qū)動(dòng)器 接收STM32控制器發(fā)送來(lái)的12位數(shù)字輸入信號(hào) CXA7004R對(duì)這12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為6個(gè)相位的模擬信號(hào)輸出?？梢栽贑XA7004R中產(chǎn)生預(yù)充脈沖波 但是該預(yù)充脈沖波不可以對(duì)液晶屏直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[18] 所以需要在液晶屏和CXA7004R之間加上一個(gè)緩沖器 本設(shè)計(jì)采用LT1206緩沖器作為CXA7004R的緩沖;另外還將CXA7004R產(chǎn)生的VCOM電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶屏。如圖3為像源驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

CXA7004R索尼公司專門(mén)為驅(qū)動(dòng)TFT-LCD面板而開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)IC 它的主要功能有：

1）支持12位輸入;

2）低輸出偏差;

3）具有3線通訊調(diào)整功能;

4）支持點(diǎn)和線反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式;

5）最高支持SXGA信號(hào);

6）VCOM電壓產(chǎn)生電路;

7）產(chǎn)生預(yù)脈沖波形。

3.3 背光源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的采用LCD作為像源。由于TFT-LCD中的液晶分子是一種處于固態(tài)和液態(tài)之間的一種特殊物質(zhì) 其自身沒(méi)有發(fā)光的能力 所以需要為液晶屏設(shè)置背光源才能顯示圖像。同時(shí)背光源的亮度也會(huì)影響液晶屏顯示圖像的亮度 所以需要對(duì)背光源的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了適應(yīng)司機(jī)眼睛的視覺(jué)感知 調(diào)節(jié)LED的亮度時(shí) 采用線形調(diào)節(jié)方式 使得LED的亮度不會(huì)迅速增強(qiáng)或減弱 有效的避免對(duì)眼睛的傷害。為了達(dá)到這一目的 設(shè)計(jì)了LED亮度調(diào)節(jié)曲線。顯示亮度和亮度等級(jí)之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中：L—顯示亮度;Lmax—最大亮度;Lmin—最小亮度; n—亮度等級(jí);（n=0時(shí) 關(guān)閉背光）。

準(zhǔn)直透鏡將背光源LED的光束準(zhǔn)直擴(kuò)束均勻的照射到液晶屏上 使得液晶屏顯示出來(lái)的圖像更加清晰 對(duì)比度更高。

本設(shè)計(jì)采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)LED燈 通過(guò)STM32F103 RCT6芯片控制GS6200驅(qū)動(dòng)芯片的狀態(tài)來(lái)控制流過(guò)LED的電流 進(jìn)而改變經(jīng)過(guò)LED的電流大小 達(dá)到調(diào)節(jié)LED亮度的效果。采用兩顆LED并聯(lián)后與電阻串聯(lián)的方式形成一個(gè)LED燈組 三個(gè)LED燈組并聯(lián)后形成液晶屏的背光源 當(dāng)某一支路的LED發(fā)生斷路或者短路時(shí) 不會(huì)影響其它支路的LED燈工作。其中 GS6200是一個(gè)PWM降壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC轉(zhuǎn)換器） 它能輸出固定的頻率（52kHz） 可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)2A的負(fù)載 具有高效率、恒定電流、恒定電壓充電的優(yōu)點(diǎn) 其可靠性強(qiáng) 輸入電壓范圍為4.5～40V 輸出電壓可從1.35V調(diào)整到37V 圖4為背光源的電路原理圖。STM32F103RCT6芯片控制GS6200的開(kāi)關(guān)引腳EN 由STM32F103RCT6芯片輸出PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

3.4 HUD電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中用到的電源有5V、12V等不同級(jí)別的電壓源 其中5V電源為主控電路供電 12V電源為抬頭顯示器系統(tǒng)供電 分別采用LM7812、LM7805降壓器將汽車上的24V電壓分兩路降壓為12V和5V電壓 這樣可以防止像源驅(qū)動(dòng)電路、背光源電路和主控電路之間產(chǎn)生干擾 從而影響畫(huà)面。如圖5為HUD的電源電路圖。

3.5 信息采集及數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)有汽車上的信號(hào)主要有交流信號(hào)、直流信號(hào)、脈寬調(diào)制信號(hào)、頻率調(diào)制信號(hào)、串行數(shù)據(jù)信號(hào)等5類;其中汽車的水箱溫度信號(hào)屬于直流信號(hào)。所以將采集到的汽車水箱溫度信號(hào)顯示在抬頭顯示器上 同時(shí)為了驗(yàn)證液晶屏顯示溫度的準(zhǔn)確性 在同一環(huán)境下 通過(guò)溫度傳感器和水溫計(jì)分別同時(shí)伸入裝有不同溫度的水的杯子中進(jìn)行水溫測(cè)量 以此來(lái)驗(yàn)證HUD上顯示的溫度值的準(zhǔn)確性;此外 需要在不同光照條件下都可以看到清晰的圖像 所以需要采集光照強(qiáng)度信息來(lái)改變背光源亮度 從而改變液晶屏顯示信息的亮度。

3.5.1 溫度的獲取

本設(shè)計(jì)采用了DS18B20溫度傳感器來(lái)檢測(cè)水溫 相對(duì)于熱敏電阻來(lái)說(shuō) 它的適用電壓更寬、體積小、可以簡(jiǎn)單的與微處理器接口。DS18B20的檢測(cè)范圍為-55℃至+125℃ 具有±0.5℃的精度。

如圖6為DS18B20的內(nèi)部框圖。它的配置寄存器可以允許自定義溫度轉(zhuǎn)換為9Bits、10Bits、11Bits、12Bits精度[29]。將DS18B20接入主控芯片時(shí) 需要在其信號(hào)輸出端接一個(gè)上拉電阻 向DS18B20供電時(shí) 電容旁邊的二極管導(dǎo)通 使外部電源VDD變?yōu)閮?nèi)部電源 內(nèi)部電源一方面為電容充電 另一方面為64位ROM存儲(chǔ)器供電 由于電容上方的二極管反向鏈接 所以外部電源不會(huì)通向數(shù)據(jù)線DQ 當(dāng)外部電源斷開(kāi)時(shí) 電容為64位ROM存儲(chǔ)器供電 此外 DS18B20可以不需要外部電源來(lái)提供電源 當(dāng)數(shù)據(jù)線DQ接收到高電平時(shí) 由數(shù)據(jù)線DQ為64位ROM存儲(chǔ)器供電 同時(shí)為電容充電 當(dāng)數(shù)據(jù)線DQ上的信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí) 電容放電來(lái)為64位ROM存儲(chǔ)器供電。

3.6.2 光線采集

采用光敏傳感器來(lái)檢測(cè)光線強(qiáng)度 將采集到的信號(hào)處理后發(fā)送給主控芯片分析處理 主控芯片根據(jù)檢測(cè)到的光照強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)背光源的亮度 從而調(diào)節(jié)液晶屏顯示圖像的亮度 使得司機(jī)在不同光照強(qiáng)度下均能清楚地查看抬頭顯示器上的圖像信息 避免司機(jī)的眼睛受到液晶屏亮度的干擾。

將光敏電阻采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)雙電壓比較器LM393放大、濾波后接入到主控芯片 采用LED燈作為光敏傳感器的指示燈 當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到光照強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)值時(shí) 數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出端（AO ）輸出高電平 當(dāng)外界環(huán)境光照輕度比設(shè)定閥值高的時(shí)候 AO端輸出低電平。AO端與主控芯片直接連接 通過(guò)主控芯片來(lái)檢測(cè)AO端傳來(lái)的電平高低 由此來(lái)判斷光線的強(qiáng)度 通過(guò)D0輸出端直接與主控芯片的ADC引腳相連 可以得出更加準(zhǔn)確的光照強(qiáng)度值 由于本設(shè)計(jì)需要根據(jù)光照強(qiáng)度的具體值來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度 所以將LM393的D0輸出端口接入主控芯片。其中采用過(guò)寬電壓LM393比較器處理光敏傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù) 可以減小輸出信號(hào)的雜波 且波形完整 驅(qū)動(dòng)能力可超過(guò)15mA。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、顯示控制程序設(shè)計(jì)。

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后即開(kāi)始判斷接收標(biāo)志位 若標(biāo)志位無(wú)效 則繼續(xù)判斷接收標(biāo)志位 若標(biāo)志位有效時(shí) 則清除接收標(biāo)志位 啟動(dòng)溫度傳感器和光敏傳感器工作 使溫度傳感器和光敏傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片 主控芯片對(duì)溫度傳感器和光明傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 最后將處理過(guò)的信息顯示在液晶屏上 由于主控芯片需要實(shí)時(shí)接收溫度傳感器的數(shù)據(jù)信息并處理后控制液晶屏顯示相應(yīng)的圖像信息 對(duì)光敏傳感器傳來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后 調(diào)節(jié)GS6200的輸出電流 進(jìn)而調(diào)節(jié)LED的亮度 使得LED的亮度隨光照強(qiáng)度的變化而變化。所以系統(tǒng)主程序應(yīng)該循環(huán)接收并處理溫度傳感器和光敏傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

4.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

先對(duì)DS18B20進(jìn)行系統(tǒng)初始化 接著檢測(cè)DS18B20的輸出端有沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)來(lái) 當(dāng)DS18B20未將數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片時(shí) 則需要繼續(xù)接收DS18B20采集的數(shù)據(jù) 直到DS18B20采集到數(shù)據(jù)后 通過(guò)ROM操作命令將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中 再啟動(dòng)存儲(chǔ)操作命令將溫度信息讀取出來(lái)。由于DS18B20需要實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度 以便于司機(jī)能實(shí)時(shí)查看發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度 確保發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不超過(guò)預(yù)設(shè)值 所以需要循環(huán)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息。如圖8為DS18B20采集溫度信息流程圖。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后開(kāi)始檢測(cè)LM393的DO口是否有輸出 未檢測(cè)到LM393的DO端口有輸出值時(shí) 需要讓光敏電阻不停的檢測(cè) 并將檢測(cè)到的值經(jīng)LM393電路放大濾波后傳輸給主控芯片 主控芯片讀取DO端口輸出的數(shù)據(jù) 并通過(guò)主控芯片對(duì)傳來(lái)的信息進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換 將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度值 根據(jù)光照強(qiáng)度值的大小來(lái)調(diào)節(jié)GS6200的輸出電流 進(jìn)而調(diào)節(jié)LED的亮度 使得液晶屏上顯示的圖像信息能隨著光照強(qiáng)度的變化而變化 達(dá)到司機(jī)眼睛舒適的值。如圖9為光敏傳感器采集溫度信息流程圖。

4.3 顯示控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化 當(dāng)需要液晶屏顯示內(nèi)容信息時(shí) 對(duì)液晶屏的顯示界面進(jìn)行設(shè)計(jì) 使得抬頭顯示器顯示的顯示畫(huà)面整潔 讓司機(jī)能一眼看出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度值 無(wú)需司機(jī)到處尋找發(fā)動(dòng)機(jī)溫度值顯示的位置 液晶屏的顯示界面設(shè)計(jì)好后 將DS18B20采集到的數(shù)據(jù)處理分析后 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值顯示在液晶屏上 因?yàn)橐壕列枰獙?shí)時(shí)顯示溫度值 所以需要循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)是否需要顯示溫度信息 如果不需要液晶屏顯示圖像時(shí) 即可結(jié)束顯示信息。圖10為顯示控制程序設(shè)計(jì)圖。

5 運(yùn)行測(cè)試

5.1 測(cè)試方法

為了驗(yàn)證液晶屏顯示DS18B20檢測(cè)水溫到的溫度值的準(zhǔn)確性 將連接好主控芯片的DS18B20探頭和水溫計(jì)同時(shí)依次伸入裝有不同溫度的水的杯子中 觀察水溫計(jì)上顯示的溫度值 再對(duì)比抬頭顯示器上顯示的溫度值 并記錄同一時(shí)刻水溫計(jì)的讀數(shù)值和抬頭顯示器上顯示的溫度值 對(duì)不同的水溫進(jìn)行3次測(cè)量 并記錄下來(lái)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制 無(wú)法得到水溫的標(biāo)準(zhǔn)值 所以本設(shè)計(jì)擬采取水溫計(jì)檢測(cè)到的水溫為標(biāo)準(zhǔn) 采用水溫計(jì)和DS18B20同時(shí)對(duì)同一水溫進(jìn)行測(cè)量 改變水溫再查看抬頭顯示器上顯示的溫度值和水溫計(jì)檢測(cè)到的溫度值 計(jì)算出DS18B20檢測(cè)到的溫度值是否在精度范圍內(nèi)。表2為水溫計(jì)和抬頭顯示器上顯示的溫度值。

分析比較水溫計(jì)和DS18B20同時(shí)對(duì)同一水溫進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果表明 不同的水溫環(huán)境下 DS18B20檢測(cè)到的溫度值均處于它的精度范圍之內(nèi)。由此表明本設(shè)計(jì)的抬頭顯示器系統(tǒng)顯示DS18B20采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率高 誤檢率比較低 因此符合本設(shè)計(jì)中溫度采集的要求。

5.2 測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試本設(shè)計(jì)顯示溫度信息的準(zhǔn)確性和顯示信息的亮度隨光照強(qiáng)度變化而變化 在液晶屏上顯示“head up display”字樣 在“head up display”下方顯示溫度的數(shù)據(jù)信息 由背光源將液晶屏上顯示的內(nèi)容信息投射到反光鏡上 通過(guò)反光鏡反射到合成器上 由合成器中特殊的材質(zhì)將信息反射到人眼 透過(guò)合成器即可觀察到液晶屏上顯示的內(nèi)容信息。將抬頭顯示器系統(tǒng)放到不同的光照條件下觀察顯示的內(nèi)容信息 抬頭顯示器系統(tǒng)上顯示的圖像信息亮度會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化。測(cè)試結(jié)果表明 本設(shè)計(jì)的抬頭顯示器系統(tǒng)在不同的光照強(qiáng)度下 能夠清晰顯示溫度信息 滿足設(shè)計(jì)要求。圖5-1為抬頭顯示器系統(tǒng)顯示溫度信息的效果圖。

6 總結(jié)

采用STM32單片機(jī)作為主控 為車載抬頭顯示器系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的主控電路、背光源電路、像源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等 通過(guò)DS18B20來(lái)采集水杯中水的溫度 達(dá)到模擬溫度傳感器采集汽車水箱溫度的效果 并將采集到的溫度信息顯示在液晶屏上 將像源中的信息透射到反光鏡中 再反射到合成器上 通過(guò)合成器即可觀察到像源上顯示的溫度信息 通過(guò)溫度傳感器和水溫計(jì)同時(shí)依次伸入裝有不同溫度的水的杯子中進(jìn)行水溫測(cè)量 以此來(lái)驗(yàn)證HUD上顯示的溫度值的準(zhǔn)確性 同時(shí)采用光敏傳感器檢測(cè)不同光照強(qiáng)度來(lái)改變像源的亮度 使司機(jī)在不同的光照環(huán)境下能清晰的查看HUD上顯示的水箱溫度信息。測(cè)試結(jié)果表明 合成器上顯示的信息穩(wěn)定、可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡宇.車載抬頭顯示器系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[2] Jack Yee.激光掃描MEMS投影系統(tǒng)推動(dòng)汽車抬頭顯示系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（11）：24-26.

[3] 德州儀器DLP（R）技術(shù)實(shí)現(xiàn)下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示系統(tǒng)[J].世界電子元器件，2017（11）：47.

[4] 鐘佳德.拒做“低頭黨”華陽(yáng)車載抬頭顯示器H2體驗(yàn)評(píng)測(cè)[J].消費(fèi)電子，2015（07）：56-57.

[5] 儲(chǔ)亞婷.基于汽車安全性的抬頭顯示技術(shù)的應(yīng)用[J].河北農(nóng)機(jī)， 2017（09）：56.

[6] 李任鵬，顏莉華.LCOS投影顯示技術(shù)[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)， 2014，20（06）：194-198.

[7] 陳方，崔小強(qiáng)，李升輝.基于DLP的HUD微型投影顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2017，15（01）：86-89.

[8] Greg Pettitt，John Ferri，Jason Thompson. 47.1：Invited Paper： Practi -cal Application of TI DLP??Technology in the Next Generation Head‐up Display System[J]. SID Symposium Digest of Technical Papers，2015，46（1）.

[9] Wen-Shing Sun，Yen-Chen Chiang，Chih-Hsuan Tsuei. Optical design for the DLP pocket projector using LED light source[J]. Physics Procedia，2011，19.

[10] Paul M. Russo.41.3： Invited Paper：Megatrends Driving Automotive Displays And Associated Mega Issues[J]. SID Symposium Digest of Technical Papers，2015，46（1）.

[11] 郭斌.投影技術(shù)的分析與應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程，2012（04）：106- 107.

[12] 王應(yīng).LCD投影系統(tǒng)光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].經(jīng)貿(mào)實(shí)踐，2018（06）： 334.

[13] 韓建軍，吳孟鳴，湯何銳，等.TFT-LCD基板玻璃的研究與發(fā)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36（12）：4078-4083.

[14] 尤衛(wèi)衛(wèi)，冒建亮，葉樺.基于STM32和CPLD的TFT-LCD顯示控制器設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2015，30（03）：444-450.

[15] 劉博，郭君巖，劉偉，等.基于STM32F103RCT6的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（02）：146-147.

[16] 楊潔，李陽(yáng)軍，黃海深，等.一種具有長(zhǎng)復(fù)位延時(shí)的上電復(fù)位電路的設(shè)計(jì)[J].信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，29（02）：257-260.

[17] Sony Corporation LCX028AMT 4.6cm（1.8Type）Black-and-White LCD Panel datasheet.

[18] 朱禮年，周旭，陳建軍.一款1.8寸超高亮度微顯示器電路設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（19）：114-116.