電動(dòng)汽車全液晶儀表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

代 政，王 成，金 星，

（1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海科技大學(xué) 上海 200031；3.浙江中科領(lǐng)航汽車電子有限公司 浙江 杭州311228）

電動(dòng)汽車全液晶儀表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

代 政1，2，王 成3，金 星1，2，3

（1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海科技大學(xué) 上海 200031；3.浙江中科領(lǐng)航汽車電子有限公司 浙江 杭州311228）

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械儀表在新能源電動(dòng)汽車應(yīng)用上的不足，設(shè)計(jì)了一種全液晶儀表的硬件系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用富士通公司的MB91F522K作為主控芯片采集并處理汽車CAN總線信號(hào)和電平信號(hào)，選取Freescale公司的i.MX6Quad芯片作為圖形顯示處理器，通過LCD顯示電動(dòng)汽車的車速、轉(zhuǎn)速、電機(jī)和電池組狀態(tài)、警示等信息。實(shí)驗(yàn)表明該儀表系統(tǒng)能準(zhǔn)確直觀地顯示電動(dòng)汽車的復(fù)雜運(yùn)行參數(shù)。

電動(dòng)汽車；液晶儀表系統(tǒng)；i.MX6Quad；CAN總線

近年來新能源汽車產(chǎn)業(yè)在國家和企業(yè)的重視下大規(guī)模發(fā)展，其中以電動(dòng)汽車占主導(dǎo)地位。儀表作為駕駛員直觀掌握汽車行駛狀態(tài)的平臺(tái)，是汽車整個(gè)系統(tǒng)中十分重要的部分[1]。電動(dòng)汽車內(nèi)部的電機(jī)控制單元和電池管理系統(tǒng)的參數(shù)復(fù)雜，加上胎壓監(jiān)測，地圖導(dǎo)航，倒車?yán)走_(dá)等汽車電子裝置的使用，傳統(tǒng)儀表因?yàn)楣δ芎唵?，信息量不足，已?jīng)無法滿足顯示需求。為了能準(zhǔn)確顯示電機(jī)參數(shù)、電池組狀態(tài)等電動(dòng)汽車特定信息[2]，發(fā)展顯示更直觀，功能更齊全，精度更高的全液晶電動(dòng)汽車儀表是必然的趨勢，為此設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車全液晶儀表的硬件系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本液晶儀表系統(tǒng)的硬件包含底板和核心板[3]，底板上采用了富士通公司的MB91F522K 32位處理器作為主控MCU，負(fù)責(zé)采集汽車信號(hào)和系統(tǒng)電源管理，核心板上采用了Freescale公司基于ARM?Cortex?-A9架構(gòu)的i.MX6Quad處理器[4]作為CPU，對(duì)儀表界面顯示處理。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。底板部分由MCU最小系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換電路，存儲(chǔ)電路，信號(hào)采集電路，液晶屏顯示，按鍵及蜂鳴器電路等組成。核心板部分主要由CPU最小系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換電路，接口電路，DDR及eMMC電路等組成。電動(dòng)汽車的電機(jī)和電池狀態(tài)、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及故障報(bào)警信息[5]利用CAN總線和信號(hào)采集電路傳輸給MCU，MCU對(duì)CAN報(bào)文和電平信號(hào)解析并處理，然后將處理后的狀態(tài)信息通過UART發(fā)送給CPU，CPU調(diào)用用戶界面應(yīng)用程序中的圖形文字與狀態(tài)信息進(jìn)行屬性綁定，通過LCD實(shí)時(shí)顯示汽車運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2 核心板電路

2.1 i.MX6Quad處理器簡介

i.MX6Quad是基于 ARM?Cortex?-A9架構(gòu)的四核處理器，其內(nèi)核運(yùn)行速率最高1 GHz，片內(nèi)集成有2D、3D圖形加速功能，支持DDR3/LVDDR3等擴(kuò)展，具 有 2 路 CAN、5 路 eCSPI、3 路 I2C、5 路 UART、USB-OTG、PCIE等接口，可同時(shí)支持LVDS、并行接口、HDMI、MIPI 4種顯示接口， 支持 NAND Flash、Nor Flash、eMMC、SD卡等外部存儲(chǔ)器件，具有wifi、藍(lán)牙、GPS、攝像頭等設(shè)備接口[6]。i.MX6Quad的強(qiáng)大性能和豐富的外設(shè)接口完全可以滿足液晶儀表平臺(tái)處理器的要求。

2.2 核心板電源電路

核心板的電源輸入為4.2V，i.MX6Quad處理器及其外設(shè)的供電電壓由i.MX6系列專用的電源管理芯片MMPF0100將4.2V電源轉(zhuǎn)換得到。MMPF0100內(nèi)部集成了6路降壓型可配置DC-DC模塊SWx，6路LDO模塊VGENx，1路升壓型DC-DC模塊SWBST[7]。該芯片具備I2C總線控制功能，CPU可通過I2C總線動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各個(gè)模塊的輸出電壓，滿足CPU不同運(yùn)行頻率下的內(nèi)核電壓需求，從而降低系統(tǒng)的功耗。MMPF0100對(duì)i.MX6Quad的電源分配如圖2所示。i.MX6Quad的1.375V內(nèi)核電壓由MMPF0100的SW1供給，DDR接口及外設(shè)DDR內(nèi)存的1.5V驅(qū)動(dòng)電壓由 SW3提供，i.MX6Quad內(nèi)部 eMMC、LCD、FLASH、LVDS等接口的3.3V驅(qū)動(dòng)電壓由SW2產(chǎn)生。SWBST升壓產(chǎn)生的5V作為USB接口的供電電源。SW4產(chǎn)生的3.15V電壓作為MMPF0100內(nèi)部2路LDO的輸入電壓，另外4路LDO的輸入由電源4.2V電壓和SW3產(chǎn)生的3.3V電壓提供，6路LDO的不同輸出電壓可為i.MX6Quad其他外設(shè)接口及設(shè)備供電。當(dāng)系統(tǒng)4.2V電源接入后，MMPF0100可根據(jù)i.MX6Quad的上電時(shí)序要求配置相應(yīng)電壓輸出順序，保證CPU能正常啟動(dòng)并工作。

圖2 核心板電源分配圖

2.3 DDR3接口設(shè)計(jì)

i.MX6Quad內(nèi)的DRAM接口可支持16/32/64位的DDR3/LVDDR3擴(kuò)展[8]，內(nèi)存容量最高支持8 Gbits的DDR器件和4 Gbytes的雙通道LPDDR器件。由于全液晶儀表系統(tǒng)中程序的運(yùn)行需要較高的內(nèi)存帶寬，因此本方案中采用4片Micron公司的16位DDR3芯片MT41K256M8級(jí)聯(lián)組成容量為1 Gbytes，數(shù)據(jù)帶寬為64位的內(nèi)存。i.MX6Quad通過片上的SDQ[7:0]8組差分信號(hào)分別與4片DDR3上的LDQS差分線、UDQS差分線連接來控制每片DDR3的16位數(shù)據(jù)線的選通[9]。由于DDR3的信號(hào)線屬于高速信號(hào)，PCB設(shè)計(jì)時(shí)需控制其單端信號(hào)線特征阻抗為50 Ω，差分線特征阻抗為100 Ω[10]。本方案的DDR3 PCB走線采用T形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且采用分組等長走線。將時(shí)鐘線、地址及相關(guān)命令線、控制信號(hào)線分組設(shè)置等長，數(shù)據(jù)位及其選通信號(hào)線按字節(jié)分組設(shè)置等長，其中時(shí)鐘線等長誤差不超過±5 mils，數(shù)據(jù)位和地址線等長誤差不超過±25 mils，控制線等長誤差不超過±50 mils[11]。

2.4 eMMC設(shè)計(jì)

I.MX6Quad有多種BOOT程序啟動(dòng)方式，可通過配置其BOOT MODE引腳電平狀態(tài)，選擇eFuse、SerialDownload、BoardSetting3 種方式啟動(dòng)[12]。而Board Setting方式又可通過BOOTCFG選擇從Nor Fash、NAND Flash、SD卡、eMMC等存儲(chǔ)器件啟動(dòng)。本系統(tǒng)的Bootloader程序選擇從eMMC啟動(dòng)，并且儀表的操作系統(tǒng)和用戶界面應(yīng)用程序也存放在eMMC中。eMMC選用的是Micron公司的MTFC4GMVEA-4M AIT，存儲(chǔ)容量大小為4 GB，支持JEDEC/MMC標(biāo)準(zhǔn)4.41版，讀速度最高支持44 MB/s。eMMC接口數(shù)據(jù)位采用MMC 8位I/Os數(shù)據(jù)模式，其核電壓和I/O引腳電壓均采用3.3V供電。

3 底板電路

3.1 底板電源電路

儀表的電源輸入為車載電源的12V，由于車上有點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及較多的感性開關(guān)負(fù)載，其電壓值會(huì)受浪涌、電壓跌落、脈沖群等干擾出現(xiàn)波動(dòng)[13]。因此需在電源轉(zhuǎn)換電路前加入抗干擾電路。電源抗干擾電路如圖3所示。車載12V電源有兩路供給，分別是汽車點(diǎn)火后發(fā)電機(jī)的12V電源IG+和汽車蓄電池的常用12V電源Battery。當(dāng)汽車未發(fā)動(dòng)時(shí)由蓄電池Battery供電，啟動(dòng)后由IG+與Battery共同供電。IG+電源首先經(jīng)過防反接的整流管S2M（抗反向電壓達(dá)1 000V），再通過具有抗浪涌和ESD防護(hù)的TVS管 SM8S30A（擊穿電壓 36.8V），經(jīng)過 D5后濾波。電感L2和電容C26構(gòu)成LC低通濾波器，濾除電源中的高頻成分，且C26為470 uF的電解電容，能對(duì)電壓跌落起緩沖作用，去耦合電容C27和C28進(jìn)一步濾波。電源IG+利用電阻R34和R35分壓得到的oACC信號(hào)通知MCU，汽車已點(diǎn)火啟動(dòng)。BAV99用于欠過壓保護(hù)，防止MCU被燒壞。

圖3 電源抗干擾電路

經(jīng)過抗干擾處理后的12V電源降壓得到核心板4.2V電源和底板5V電源。核心板供電電流大，因此4.2V轉(zhuǎn)換選用DC-DC模塊，而底板電流需求相對(duì)核心板要小，5V電源轉(zhuǎn)換采用的LDO模塊，4.2V和5V電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。在4.2V電源轉(zhuǎn)換電路圖中，電源芯片采用BD9781HFP，具有寬輸入電壓范圍：+7～+35V，開關(guān)頻率范圍：50～500 kHz，最大輸出電流為4 A。12V電源通過并聯(lián)去耦電容C34和C35輸入。RT是芯片的開關(guān)頻率配置引腳，此處開關(guān)頻率選取典型的100 kHz，振蕩頻率配置電阻R37設(shè)置為390kΩ。芯片使能引腳EN由MCU的VCC_4V2_EN信號(hào)控制，由此MCU可以控制CPU的電源通斷。FB引腳和INV引腳間接的R45和C36組成的RC電路用于BD9781同步模式的相位補(bǔ)償。二級(jí)管D8、電感L3和電容C33構(gòu)成降壓基本回路。R43和R48是輸出反饋電阻，可以調(diào)節(jié)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓為4.2V時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中公式：V0=1×（1+R43/R48），配置電阻 R43=32kΩ，R48=10kΩ。

在5V電源轉(zhuǎn)換電路圖中，LDO芯片采用的是BD4275，其輸入電壓范圍：-0.3～+45V，輸出電壓：5V，輸出負(fù)載電流最大為500 mA。主要用于MCU及其外設(shè)供電，并且為MCU提供復(fù)位脈沖。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

3.2 信號(hào)采集電路

3.2.1 CAN信號(hào)通訊電路

電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電池管理系統(tǒng)模塊以及其他汽車電子裝置的信號(hào)由CAN總線傳輸，而CAN總線模塊主要由CAN控制器和CAN總線收發(fā)器構(gòu)成[14-15]。MB91F522K內(nèi)部集成了3路CAN控制器，CAN收發(fā)器采用的是NXP公司的高速CAN收發(fā)器芯片TJA1043，該收發(fā)器具備高速（達(dá)1 Mb/s）收發(fā)能力和良好的EMC、ESD防護(hù)性能，并且擁有低功耗管理控制功能。當(dāng)進(jìn)入低功耗熄屏模式時(shí)，汽車儀表可通過有效CAN報(bào)文（主要是車門開的CAN信號(hào)）即可喚醒儀表。CAN總線接口電路如圖5所示，車輛狀態(tài)信息通過CAN總線輸入，經(jīng)過ESD防護(hù)器PESD2CAN，再經(jīng)過共模濾波器ACT45B濾波后進(jìn)入CAN收發(fā)器，最后經(jīng)過MCU的CAN控制器解析CAN報(bào)文后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？缃釉贑AN信號(hào)線上的R89、R90為總線阻抗匹配電阻，減小信號(hào)在線路中的反射[16]，電容C343、C344為總線旁路濾波電容。

圖5 CAN總線接口電路

3.2.2 電平信號(hào)采集電路

電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向、開關(guān)門、前后燈、充電指示等信號(hào)線主要是電平信號(hào)，根據(jù)信號(hào)類型可分為低電平有效和高電平有效。由于汽車電子電器模塊分布在車身各個(gè)部分，易受到干擾，因此需在信號(hào)采集電路中加入濾波電路和ESD防護(hù)。高低有效電平信號(hào)采集電路如圖6所示，兩組信號(hào)輸入端均接有ESD防護(hù)的瞬態(tài)抑制雙齊納二級(jí)管MMBZ15VDLT1。在低電平信號(hào)采集電路中，無信號(hào)輸入時(shí)默認(rèn)為高電平。當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入時(shí)，二級(jí)管D33導(dǎo)通，A點(diǎn)電位被D33鉗位拉低，信號(hào)經(jīng)過RC低通濾波器輸入MCU判斷。其中電阻R229兼?zhèn)湎蘖髯饔?，防止電流過大燒壞MCU管腳。在高電平信號(hào)采集電路中，高電平（12V）信號(hào)輸入時(shí)通過兩個(gè)去耦電容，再經(jīng)過電阻R230和R231分壓得到MCU的邏輯高電平（5V），最后通過RC低通濾波器輸入MCU判斷。

3.3 液晶顯示電路

本方案的液晶屏采用的是夏普LQ101K5DZ01型號(hào)的10.1寸車載TFT-LCD，分辨率為1 280*422，信號(hào)輸入為RGB（24 bits）模式。該液晶屏的邏輯電平電壓為3.3V，背光輸入電壓范圍:+7～+18V，背光電流范圍：最大750 mA。本方案設(shè)計(jì)核心板的MMPF0100輸出3.3V電源作為液晶屏邏輯電平，背光電源輸出的+12V驅(qū)動(dòng)液晶屏背光LED，MCU輸出PWM信號(hào)控制液晶屏的BL_PWM引腳，改變背光LED的通斷時(shí)間比，即可調(diào)節(jié)液晶屏的亮度。液晶屏背光驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，采用的是BD00C0AWFP2，最大輸出電流為1 A，實(shí)際輸出電流隨負(fù)載變化。當(dāng)背光電源輸入電壓為12V電源時(shí)，輸出電壓由式（1）確定。

ADJ的典型值為0.75V，R134取值范圍為5～10kΩ，為得到12V背光驅(qū)動(dòng)電壓VLED+，設(shè)置電阻R133=150kΩ，R134=10kΩ。其中CTL為MCU控制的使能引腳。

圖6 高低有效電平信號(hào)采集電路

圖7 液晶屏背光驅(qū)動(dòng)電路

4 硬件測試

本方案設(shè)計(jì)的液晶儀表實(shí)物如圖8所示，上電測試5V和4.2V電源以及MMPF0100輸出電壓正常。下載MCU程序后MB91F522K控制的車身轉(zhuǎn)向燈亮，MCU能正常工作。使用USB下載Bootloader程序到核心板CPU，串口可輸出調(diào)試信息，CPU最小系統(tǒng)能工作。利用Freescale的DDR測試工具DDR_Stress_Tester，在i.MX6Quad運(yùn)行頻率為528MHz時(shí)，設(shè)置DDR3的最低運(yùn)行頻率為528 MHz，通過頻率遞增測試方式，測得最高運(yùn)行頻率可達(dá)672 MHz，且經(jīng)過12小時(shí)的的反復(fù)壓力測試，DDR3均能穩(wěn)定運(yùn)行。移植Linux操作系統(tǒng)和QT用戶界面程序后，利用Kvaser CAN總線分析儀，在PC端使用Kvaser CanKing軟件發(fā)送CAN報(bào)文模擬車身CAN總線信號(hào)，系統(tǒng)能通過LCD顯示CAN報(bào)文中的車輛狀態(tài)信息。

圖8 液晶儀表實(shí)物圖

5 結(jié)束語

新能源汽車采用全液晶儀表系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢，本文介紹了一種便于二次開發(fā)的底板+核心板的液晶儀表硬件設(shè)計(jì)方案，并且分析了其中多個(gè)模塊的電路原理。在該硬件設(shè)計(jì)下，通過修改儀表的用戶界面應(yīng)用程序，即可設(shè)計(jì)不同主題風(fēng)格的電動(dòng)汽車儀表界面，提高了系統(tǒng)的通用性和多樣性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證該液晶儀表系統(tǒng)各模塊電路工作穩(wěn)定，LCD顯示車輛狀態(tài)信息正常，達(dá)到預(yù)期效果。

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Hardware design of full LCD instrument system for electric vehicles

DAI Zheng1，2， WANG Cheng3， JIN Xing1，2，3
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology， Shanghai 200050， China；2.ShanghaiTech University， Shanghai 200031，China；3.Zhejiang Autorock Electronics Co.，Ltd，Hangzhou 311228，China）

Aiming at shortcomings of traditional mechanical instruments in the new energy electric vehicles applications，a hardware system solution of full LCD instrument is designed.The system uses Fujitsu's MB91F522K as the main chip to collect and process vehicle CAN bus signal and level signal，and select Freescale's i.MX6Quad chip as a graphics display processor.Then use LCD to display electric vehicle speed， revolving speed， motor and battery group status， alerts information and so on.Experiments show that the instrument system can accurately visualize complex operating parameters of electric vehicles.

electric vehicle；LCD instrument system；i.MX6Quad；CAN bus

TN919.5

：A

：1674－6236（2017）15-0170-06

2016-07-20稿件編號(hào)：201607146

代 政（1992—），男，湖南常德人，碩士研究生。研究方向：汽車電子。