一種帶中控互聯(lián)功能的7 寸TFT 屏組合儀表設計

魏鹿義

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心， 廣西 柳州 545007）

汽車組合儀表是汽車最重要的功能部件之一，是駕駛員和汽車進行信息交流最重要的人車交互窗口和界面。為駕駛員提供所需的汽車實時運行狀態(tài)信息，把所有整車運行的狀態(tài)信息都顯示在上面，是每輛汽車必不可少的重要部件。隨著汽車電子電器技術的發(fā)展，以及汽車液晶顯示屏的快速應用，汽車儀表已逐步由機械式步入電子化和液晶數(shù)字化時代。

1 汽車儀表的技術發(fā)展

汽車組合儀表的發(fā)展，緊隨汽車行業(yè)和汽車電子發(fā)展趨勢和用戶需求，由第1代傳統(tǒng)機械式組合儀表到第2代采用步進電機驅(qū)動的全電子式組合儀表再到第3代液晶屏數(shù)字化組合儀表。帶里程表軟軸的動圈式機械組合儀表由于結(jié)構(gòu)復雜、抗振性能差、過載能力差、指針易抖動、性能不穩(wěn)定、故障高等原因，現(xiàn)在只有極少數(shù)汽車上還在使用，屬于技術淘汰型。而電磁式組合儀表因還是采用十字線圈結(jié)構(gòu)的儀表機芯，其存在一致性、通用性差的缺點，且性能不穩(wěn)定，故障率比較高，隨著整車上電子零件的增多，整車零件的電子化，使其很多功能都無法實現(xiàn)，這種型式的儀表也越來越少。近年來，隨著汽車電子技術的快速發(fā)展，汽車組合儀表上顯示的信息不斷增加，傳統(tǒng)的機械式汽車組合儀表越來越無法滿足使用的需求，特別是隨著汽車電子、彩色TFT液晶屏技術發(fā)展和CAN總線通信技術在汽車中的廣泛應用，出現(xiàn)了適合汽車儀表用的彩色TFT屏幕，從而使得以彩色TFT屏幕的組合儀表成為現(xiàn)今汽車儀表發(fā)展的主流。

2 組合儀表功能設計

2.1 組合儀表系統(tǒng)架構(gòu)設計

本設計儀表主要由一個7英寸彩屏、2個步進電機（車速表和轉(zhuǎn)速表）、2個指針、2個段碼屏（燃油表和水溫表）、LED報警燈、一個揚聲器等構(gòu)成。組合儀表系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 組合儀表的系統(tǒng)框圖

2.2 7寸彩色TFT屏幕參數(shù)

液晶屏采用比例15:9的車規(guī)級7寸全彩IPS TFT屏，其工作溫度范圍-30～85℃，對比度高、色彩鮮艷、亮度范圍寬，其屏幕詳細參數(shù)見表1。

表1 7寸全彩TFT屏幕參數(shù)

2.3 組合儀表硬件平臺設計

1） 主控MCU。組合儀表主控制器MCU采用英飛凌32位S6J328處理器和容量為32MB的外部Flash，存儲開機動畫和圖片。該方案支持800×480的分辨率，可以實現(xiàn)2D動畫效果，具備LVDS、CVBS視頻輸入功能，CAN總線互聯(lián)通信和刷新功能，S6J328處理器具體參數(shù)如下：①32-bit Arm Cortex-R5F core up to 240 MHz；②2112kB Program Flash/112kB Work Flash；③128kB TC-RAM/2048KB VRAM；④Stepper motor controller（SMC）：Six units；⑤PCM to PWM output unit；⑥Stereo audio DAC；⑦CAN-FD：up to fourchannels； ⑧12 channels： UART/CSIO/LIN/I2C； ⑨Video capture（RGB/BT.656）；⑩GPIO port：Up to 120；11○12-bit A/D converter：Up to 50 channels；12○2*RGB888 output。

2） 存儲器。組合儀表存儲器應滿足以下要求：①外部Flash容量為512MB；②使用MCU的D-Flash存儲特殊調(diào)節(jié)參數(shù)配置。

3） 步進電機。車速表和轉(zhuǎn)數(shù)表兩個表頭指示采用步進電機方案，電機使用VID-29，性能參數(shù)見表2。

表2 步進電機性能參數(shù)

4） 電源供應。供應儀表TFT背光電源應從蓄電池取電，儀表在僅有KL15電源時需在工作電壓范圍內(nèi)正常工作。儀表背光分為表盤背光（含段碼屏背光）、LCD背光、指針背光，各背光之間獨立控制，并由軟件PWM進行調(diào)節(jié)。

5） 段碼屏。組合儀表所使用的段碼屏應滿足以下要求：①Display type：gdv（va），transmissive，negative；②Viewing direction：12:00；③Operating temperature：-30～+85℃；④Contrast ratio：not lower than 800:1 at 20℃。

6） 連接器設計。為做好零件平臺化設計并增強其通用性和擴展性，組合儀表的儀表連接器采用32引角的通用連接器，并對32引角進行統(tǒng)一功能定義。通過這種標準化的設計，達到增強零件通用性和擴展功能等方面要求。也為后續(xù)新車型開發(fā)降低了零件成本和管理成本，并方便零件售后維修，降低了售后維修成本。32引角的通用連接器見圖2。電子硬件設計系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 32引角的通用連接器

圖3 硬件設計系統(tǒng)框圖

3 組合儀表7寸屏顯示內(nèi)容設計

7寸顯示屏顯示區(qū)域劃分為3個區(qū)域：頂部區(qū)域A、中間區(qū)域B、底部區(qū)域C。頂部區(qū)域A用于顯示5個選項卡信息（行車電腦、設置及報警、娛樂、電話、導航），游標切換時，區(qū)域B中的內(nèi)容也會隨之變化。中間區(qū)域B為功能信息顯示區(qū)域，內(nèi)容根據(jù)選項卡切換而進行改變。頂部區(qū)域C用于顯示車外溫度、擋位信息、總里程表。組合儀表顯示屏顯示區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 組合儀表顯示屏顯示區(qū)域劃分

3.1 儀表行車電腦菜單欄設計

組合儀表TFT屏幕行車電腦顯示內(nèi)容包含設置及報警信息、娛樂信息、電話信息、導航信息5個常規(guī)界面。行車電腦界面設計效果如圖5所示。

圖5 行車電腦界面設計圖

通過短按組合儀表返回鍵，可以切換不同的選項卡，當切換至選項卡5時，再操作組合儀表返回鍵，此時將回到選項卡1。界面之間切換邏輯如下：①處于界面1時，此時可通過操作上一頁按鍵和下一頁按鍵實現(xiàn)行車電腦信息的切換，組合儀表確認鍵可以對部分行車電腦信息進行清零操作；②處于界面2時，可以進行相關的車輛信息設置；③處于界面3時，可以進行相關的中控系統(tǒng)信息顯示；④處于界面4時，可以進行相關的藍牙電話信息顯示；⑤處于界面5時，可以進行相關的導航信息顯示；⑥按鍵持續(xù)按下時間0.2s≤t＜2s為短按，t≥2s為長按，長按后如果按鍵一直未松開，儀表只執(zhí)行一次長按功能（背光調(diào)節(jié)功能除外），直到按鍵松開。界面之間切換邏輯流程如圖6所示。

圖6 界面之間切換邏輯圖

3.2 儀表界面切換方向盤按鍵設置

此組合儀表通過方向盤儀表按鍵來切換儀表界面和菜單內(nèi)容顯示、設置，設計為上一頁、下一頁、確認和返回4個菜單操作按鍵。儀表檢測到方向盤按鍵模擬量輸出控制菜單操作，儀表需要根據(jù)按鍵的持續(xù)按下時間做長按和短按判斷，按鍵持續(xù)按下時間0.2s≤t＜2s為短按，t≥2s為長按，長按后如果按鍵一直未松開，儀表只執(zhí)行一次長按功能，直到按鍵松開，定義需要短按才能實現(xiàn)對應功能時，長按按鍵儀表不作處理。方向盤上的儀表按鍵如圖7所示。

圖7 方向盤儀表按鍵

4 組合儀表與中控系統(tǒng)互聯(lián)設計

4.1 互聯(lián)架構(gòu)設計

組合儀表與中控系統(tǒng)交互通過速率為500kb/s的高速CAN總線通信。中控系統(tǒng)將電臺、音樂、藍牙、導航等娛樂信息發(fā)送給儀表顯示，使得組合儀表除了可以顯示車輛實時運行速度、車輛故障狀態(tài)、車輛行駛里程等車輛行駛狀態(tài)信息外還可以顯示導航、音樂、電話等信息，增加了儀表和中控一體設計感和科技感，提升了人機交互體驗。組合儀表與中控系統(tǒng)交互系統(tǒng)框架如圖8所示。

圖8 組合儀表與中控系統(tǒng)交互系統(tǒng)框架圖

4.2 互聯(lián)通信設計

組合儀表與中控系統(tǒng)交互通過CAN總線通信。導航系統(tǒng)發(fā)送交互信息的報文，報文類型為周期型，當中控系統(tǒng)檢測到ACC擋信號時，周期性發(fā)送該報文，中控系統(tǒng)以周期形式將當前互聯(lián)信息發(fā)送給儀表。當中控系統(tǒng)發(fā)送的信息為多幀信號時，需接收到儀表回復的互聯(lián)報文，隨后中控系統(tǒng)的互聯(lián)報文更改周期，當發(fā)送完此次多幀報文，則重新開啟計時器，互聯(lián)報文恢復周期。組合儀表與中控系統(tǒng)互聯(lián)的報文節(jié)點信息如圖9所示。

圖9 組合儀表與中控系統(tǒng)互聯(lián)的報文節(jié)點信息圖

4.3 互聯(lián)交互信息字符編碼設計

交互信息的文字傳輸編碼使用UTF-8編碼，儀表顯示的字符集為GB 18030。導航系統(tǒng)遇到無法讀取的文字時，按“X”發(fā)送，儀表按“X”顯示，儀表接收到無法顯示的字符時，按“X”顯示，具體交互信息的文字傳輸編碼定義見表3。

表3 文字傳輸編碼定義

4.4 互聯(lián)交互顯示策略設計

雙屏互聯(lián)功能包含3個顯示界面：娛樂信息界面、電話信息界面、導航信息界面。3個界面顯示內(nèi)容以CAN發(fā)送為準，儀表各交互信息顯示的刷新周期為100ms。儀表對所有接收的交互信息都不記憶，在接收到新的交互信息后清除當前顯示的交互信息，替換顯示為接收的新交互信息。儀表交互功能的默認狀態(tài)為：娛樂信息界面僅顯示“中控系統(tǒng)連接建立中”；電話信息界面僅顯示“電話未連接”；導航信息界面僅顯示“導航連接建立中”。

4.5 互聯(lián)交互通信策略設計

1） ACC擋到ON擋

當儀表檢測到KL15擋信號后，可以進行互聯(lián)握手，如收到來自中控系統(tǒng)的互聯(lián)報文包含“01 01 01”信息，表明“MODE ON”請求，則回復互聯(lián)報文包含“02 01 01”信息，表明“MODE ON”請求答復。中控系統(tǒng)收到互聯(lián)報文包含“02 01 01”信息的發(fā)送，表明握手完成。

當中控系統(tǒng)接收到互聯(lián)報文包含“02 01 01”信息時，將自身的互聯(lián)標志位Mark_Interaction置1。當連續(xù)3個周期沒有收到互聯(lián)報文包含“02 01 XX”信息，則將Mark_Interaction置0。

當Mark_Interaction=1時，中控系統(tǒng)將當前互聯(lián)事件信息發(fā)送給儀表，當Mark_Interaction=0時，中控系統(tǒng)不能進行互聯(lián)，需以100ms周期發(fā)送互聯(lián)報文包含“01 01 01”，表明“MODE ON”請求，請求再次握手。

2） 互聯(lián)信息回饋

當中控系統(tǒng)Mark_Interaction=1，并發(fā)送互聯(lián)事件后，例如歌曲名FucID=50，中控系統(tǒng)在下一個發(fā)送周期達到時，將該事件信息發(fā)送給儀表，當儀表完整收到該互聯(lián)信息后，回復互聯(lián)報文包含“02 01 FucID”，例如“02 01 50”，表明FucID=50的互聯(lián)信息已完成接收。當中控系統(tǒng)接收到該回饋報文時，表明FucID=50的互聯(lián)信息已發(fā)送成功，可以進行下一個互聯(lián)信息的發(fā)送。

3） 互聯(lián)信息重發(fā)機制

由于CAN通信故障，進行以下機制處理：①沒有收到互聯(lián)報文時，儀表不進行互聯(lián)報文發(fā)送；②如接收到的多幀信息不完整時，儀表回復互聯(lián)報文包含“02 01 00”信息，表明沒有收到完整的互聯(lián)信息。

當中控系統(tǒng)由于本地互聯(lián)事件（FucID=50） 觸發(fā)了互聯(lián)報文的發(fā)送，如沒有收到儀表的互聯(lián)回饋信息，或者儀表互聯(lián)回饋信息中包含的FucID為“00”或與自己發(fā)送的互聯(lián)FucID不相同，則中控系統(tǒng)需在下個互聯(lián)報文周期達到時進行互聯(lián)信息（FucID=50） 的重發(fā)?；ヂ?lián)報文的重發(fā)需遵循中控系統(tǒng)內(nèi)部的互聯(lián)事件優(yōu)先級，如有優(yōu)先級高的事件發(fā)生，則優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級高的新事件；如該重發(fā)事件有更新（例如FucID=50），則將更新的信息發(fā)送出去，舍棄舊的信息。

4） 中控系統(tǒng)開關機處理

當整車處于KL15擋位時，如中控系統(tǒng)的關機按鍵被觸發(fā)，則中控系統(tǒng)退出互聯(lián)，在下個互聯(lián)報文周期達到時，發(fā)送包含“01 01 02”信息，表明“MODE OFF”請求，儀表收到該信息后，回復互聯(lián)報文包含“02 01 02”信息，表明“MODE OFF”回應，同時儀表停止互聯(lián)信息的顯示。

5） 中控系統(tǒng)掉線處理

當整車處于KL15擋位時，如儀表連續(xù)5個周期未收到中控系統(tǒng)的互聯(lián)報文，則退出互聯(lián)，停止互聯(lián)信息的發(fā)送。

6） 儀表掉線處理

如中控系統(tǒng)連續(xù)3次發(fā)送完整的互聯(lián)報文（不包含多幀傳輸報文），都沒有收到儀表的報文回復，則將Mark_ Interaction置0。中控系統(tǒng)需以100ms周期發(fā)送報文包含“01 01 01”，表明“MODE ON”請求握手。

4.6 導航信息顯示設計

導航系統(tǒng)在未使用導航指引時，不會發(fā)送導航信息信號，點火后儀表默認導航狀態(tài)為關閉，儀表導航信息界面按默認狀態(tài)顯示。使用導航系統(tǒng)導航時，導航系統(tǒng)發(fā)送導航指引信息到儀表，儀表在接收到任意下一道路名稱、導航信息后，激活當前導航信息顯示。

導航系統(tǒng)發(fā)送下一指引符號和指引距離給儀表，導航系統(tǒng)需要定義合適的指引距離發(fā)送周期，在較長距離時發(fā)送時間間隔較長，較短距離時發(fā)送時間間隔較短。儀表需要對接收的指引距離進行處理，當指引距離大于等于1000m時，儀表按照km為單位顯示，精確到0.1km，最大顯示999.9km，當接收距離小于1000m時，儀表按照m為單位顯示，精確到1m。中控系統(tǒng)發(fā)送的導航指引符號報文和對應顯示信息設計如表4所示。

表4 中控導航報文顯示信息設計

5 總結(jié)

通過創(chuàng)新性設計，對儀表造型美化設計和功能分布進行優(yōu)化設計，在儀表中增加中控系統(tǒng)互聯(lián)功能，在儀表中顯示藍牙電話、音樂、收音機、導航等功能，使中控系統(tǒng)大部分功能都能在儀表中顯示，方便駕駛員察看和操作。通過儀表增加中控互聯(lián)功能，提升了人機交互體驗和車型的科技感。

通過此項目的設計開發(fā)及應用，建立起一套完整的儀表&導航互聯(lián)液晶屏儀表的設計開發(fā)技術、試驗標準、設計流程等規(guī)范，為互聯(lián)技術平臺化應用奠定良好的基礎。

此帶中控互聯(lián)功能的7寸液晶儀表提升了產(chǎn)品品質(zhì)，提高了客戶使用的安全性和便利性，為公司品牌和產(chǎn)品銷量提升做出了積極貢獻。通過此創(chuàng)新設計方案，提高了產(chǎn)品性能和品質(zhì)，提升了該車在市場上的競爭力，實現(xiàn)產(chǎn)品“低成本、高價值”的設計理念。此儀表與中控系統(tǒng)互聯(lián)功能豐富，人機交互良好，獲得市場一致好評。最終組合儀表顯示效果如圖10所示。

圖10 組合儀表顯示效果圖