基于嵌入式的智能化汽車組合儀表設(shè)計(jì)

楊興山，汪激，劉寅

0 引言

汽車儀表是汽車的重要組成部分。汽車儀表的作用是幫助駕駛員隨時(shí)掌握汽車主要部分的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障和不安全因素，以保證良好的行駛狀態(tài)。在汽車駕駛室的儀表板上裝有各種指示儀表及各種報(bào)警裝置（1）。

目前，汽車儀表從最初的基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表、基于電測(cè)原理的電氣式儀表發(fā)展到以動(dòng)磁式機(jī)心或動(dòng)圈式機(jī)心為主的模擬電路電子式儀表，到最新的步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字汽車儀表，汽車儀表正向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展（2）。 本文順應(yīng)上述趨勢(shì)， 以NEC公司的uPD78F0433為主控制器，設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式的智能化汽車組合儀表。

1 汽車組合儀表的整體硬件結(jié)構(gòu)

汽車儀表主要有車速、轉(zhuǎn)速、水溫、燃油和里程等 5個(gè)指示，另外還包括一些如低油量、高水溫、安全帶未系等報(bào)警指示燈，報(bào)警指示燈的數(shù)量根據(jù)汽車的檔次來決定，高檔汽車會(huì)有更多的報(bào)警指示燈。本儀表的電氣原理圖如圖(1)所示，在該設(shè)計(jì)中，車速、轉(zhuǎn)速、水溫和油量采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針顯示，總里程和里程小計(jì)采用字段式LCD顯示，并具有重要數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)高水溫和低油量的報(bào)警。

1.1 儀表主芯片uPD78F0433介紹

本儀表選用的是日本NEC公司的uPD78F0433芯片，該芯片是一款8位微控制器，內(nèi)置32K單電源Flash存儲(chǔ)器和1KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有片上調(diào)試功能，內(nèi)置看門狗定時(shí)器，內(nèi)置LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器（可驅(qū)動(dòng)20*8的字段式液晶模塊），2通道UART，6通道10位逐次逼近類型A/D轉(zhuǎn)換器，1通道16位定時(shí)器和6通道8位定時(shí)器，是一款性價(jià)比較高的8位微控制器。

圖1 儀表的電氣原理圖

1.2 儀表的電源模塊電路

儀表電源原理圖如圖(2)。本儀表的工作電源由蓄電池（VBAT）和點(diǎn)火信號(hào)（IGN）提供，其操作電壓在 9V到16V之間，通過電源電路的轉(zhuǎn)換給uPD78F0433提供5V工作電壓。

圖2 儀表電源原理圖

儀表電源模塊選用的是TI公司的TLE4275-Q1，該芯片最大可以驅(qū)動(dòng)450mA，精度是2%，輸入的最大耐壓為42V，芯片前加一個(gè)103電容，可以降低浪涌對(duì)芯片的沖擊。同時(shí)，該芯片還有一個(gè)復(fù)位端口，當(dāng)輸入的電壓小于 5V，復(fù)位端口將發(fā)出一個(gè)信號(hào)給儀表主控芯片。在芯片的輸入端口有一個(gè)470uF的電容，根據(jù)規(guī)范可知，當(dāng)電源掉電后，約為10ms的延時(shí)時(shí)間，使得EEPROM擁有充分時(shí)間可以本分儀表的相關(guān)信息[3]。

當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)滅時(shí)，由蓄電池給儀表供電，此時(shí)儀表的主芯片進(jìn)入低功耗模式（HALT模式），LCD不顯示，四個(gè)步進(jìn)電機(jī)指示回零。

1.3 儀表的車速和轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊電路

進(jìn)入儀表的車速信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)是不同頻率的脈沖信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），通過檢測(cè)脈沖信號(hào)的頻率來確定汽車的車速和轉(zhuǎn)速。車速和轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路如圖(3)所示。

圖中 SPEED是車速信號(hào)，TAC是轉(zhuǎn)速信號(hào)，SPEED_TEST是經(jīng)過調(diào)理電路后的車速測(cè)試信號(hào)，TAC_TEST是經(jīng)過調(diào)理電路后的轉(zhuǎn)速測(cè)試信號(hào)，IGN是點(diǎn)火信號(hào)。

圖3 車速和轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

1.4 儀表的油量和水溫檢測(cè)模塊電路

進(jìn)入儀表的油量和水溫是不同阻值的電阻信號(hào)(模擬信號(hào))，通過電路檢測(cè)不同的電壓值來確定汽車的油量和水溫。油量和水溫信號(hào)調(diào)理電路如圖(4)所示。

圖4 油量和水溫信號(hào)調(diào)理電路

圖中FUEL是油量電阻信號(hào)，TEMP是水溫電阻信號(hào)，F(xiàn)UEL_TEST是經(jīng)過調(diào)理電路后的油量測(cè)試信號(hào)，TEMP_TEST是經(jīng)過調(diào)理電路后的水溫測(cè)試信號(hào)，IGN是點(diǎn)火信號(hào)。

1.5 儀表的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

本儀表采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片STI6606驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如圖(5)。該芯片是一款專為驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計(jì)的CMOS集成電路，每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路把脈沖列轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流等級(jí)序列送到電機(jī)的線圈。序列用來產(chǎn)生電機(jī)微步運(yùn)動(dòng)[4]。

在驅(qū)動(dòng)芯片的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，輸出端可以控制步進(jìn)電機(jī)的輸出軸以微步轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/12°，最大角速度可達(dá)600°/s。

該芯片適用于相位差為60°的兩相永磁儀表步進(jìn)電機(jī)，如偉力公司的VID29系列儀表電機(jī)等。

本儀表有車速、轉(zhuǎn)速、水溫和油量四個(gè)指示是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針顯示，所以只需要一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片STI6606即可。

圖5 步進(jìn)電機(jī)連接方式

1.6 儀表的數(shù)據(jù)保存模塊電路

儀表中有一些數(shù)據(jù)是非常重要的，如一些軟件濾波參數(shù)，車速、轉(zhuǎn)速、溫度和燃油的標(biāo)定值，以及累計(jì)里程的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是不能丟失的，所以需要將他們存儲(chǔ)在EEPROM中，以防掉電后丟失。

EEPROM是指電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器，是一種掉電數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片，其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程。本儀表選用的EEPROM是ATMEL公司的24C04芯片，可以存儲(chǔ)512個(gè)8位字節(jié)共4K的數(shù)據(jù)。EEPROM和單片機(jī)之間的具體接線方式如圖(6)所示，EEPROM的時(shí)鐘信號(hào)SCL0和數(shù)據(jù)信號(hào)SDA0與uPD78F0433的I/O口相連，通過單片機(jī)的I/O口來模擬IIC總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，達(dá)到讀寫EEPROM的目的。

圖6 保存數(shù)據(jù)電路原理圖

1.7 儀表的液晶驅(qū)動(dòng)模塊

本儀表中的主芯片uPD78F0433內(nèi)置LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器有如下特點(diǎn)：（1）LCD驅(qū)動(dòng)器的參考電壓發(fā)生器可轉(zhuǎn)換外部電阻分壓和內(nèi)部電阻分壓。（2）基于自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器顯示數(shù)據(jù)，自動(dòng)輸出segment和common信號(hào)。（3）有6種不同的顯示模式。（4）每種顯示模式都有6中不同的幀頻率5。

2 汽車儀表的軟件設(shè)計(jì)

本儀表的軟件采用C語言，多文件模塊化編程方式。模塊之間通過參數(shù)傳遞信息。如圖(7)是汽車組合儀表的整體軟件流程圖。系統(tǒng)初始化之后儀表判斷是否熱啟動(dòng)，如果是熱啟動(dòng)，則判斷點(diǎn)火開關(guān)是否打開，點(diǎn)火打開后儀表進(jìn)入正常工作狀態(tài)，會(huì)進(jìn)行寫EEPROM、AD轉(zhuǎn)換、車速計(jì)算、轉(zhuǎn)速計(jì)算、溫度計(jì)算、燃油量計(jì)算和報(bào)警條件等標(biāo)志位的判斷，從而進(jìn)入相應(yīng)的子程序，完成相應(yīng)的功能模塊。

本儀表具有待機(jī)功能，如果儀表不工作，儀表主芯片將進(jìn)入低功耗模式（HALT模式），在HALT模式中，主芯片的操作時(shí)鐘停止，可以減少系統(tǒng)的工作電流，從而節(jié)省對(duì)蓄電池的消耗。當(dāng)外界有中斷服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，主芯片可以立即重啟操作，達(dá)到正常工作的狀態(tài)。

圖7 汽車組合儀表軟件流程圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種性價(jià)比較高的步進(jìn)電機(jī)式汽車組合儀表設(shè)計(jì)方案，用字段式LCD顯示里程，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針顯示車速、轉(zhuǎn)速、水溫和燃油量，具有低油量和高水溫報(bào)警，對(duì)重要數(shù)據(jù)具有掉電保護(hù)功能。經(jīng)過測(cè)試，本儀表達(dá)到了國(guó)家要求的顯示和指示精度要求。

[1] 李延亮,高秀華,成凱.汽車電子技術(shù)[M] .北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

[2] 蔣志雄,黃河.基于H8/3802的步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表的開發(fā)[J] .微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006(1).

[3] 周木金.基于MC9S12HZ256的汽車組合儀表設(shè)計(jì)[J] .自動(dòng)化與儀表,2009(3).

[4] 張俊.匠人手記—一個(gè)單片機(jī)工作者的實(shí)踐與思考[M] .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[5] 佟國(guó)香.基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M] .北京:經(jīng)濟(jì)管理出版社,2007.