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全方位详解——汽车仪表盘是怎样“炼”成的?

作者:angelazhang时间:2015-11-11

现代汽车仪表盘的面膜下有各式各样的指示灯或警报灯,如冷却液液面警报灯、燃油量指示灯、清洗器液面指示灯、充电指示灯、远近光变光指示灯、变速器挡位指示灯、制动防抱死系统(ABS)指示灯、驱动力控制指示灯、安全气囊(SRS)警报灯等。虽然不同汽车的仪表不尽相同,但的常规仪表包括车速里程表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。


目前的汽车仪表多为第三代仪表,可以利用A/D转换或是数字脉冲直接从传感器获得数据,也可以利用CAN总线通过汽车网络获得数据;既可以通过步进电机来驱动仪表指针,还可以利用LCD屏直接显示图形或文字信息。此外汽车仪表还包括智能处理单元,可以与汽车其他控制单元交互信息。

总体需求及设计

汽车仪表的功能就是获取需要的数据并采用适当的方式显示出来。以前的仪表一般限制在3~4个量的显示和4~5个警告功能,现在新式仪表则可达到大约15个量的显示和约40个警告监测功能。仪表显示信息量快速增长的主要原因有以下几方面:

● 汽车上的新功能部件不断增加,如ABS、安全气囊、倒车雷达等;

● 对汽车行驶中的状态要求更加实时的了解,如胎压、水温、油耗等;

● 对汽车各部件的工况要求更加细致的掌握,如灯光、车门、车锁、安全带等。


不同信息有不同的获取方式和显示方式,目前新式仪表信息获取方式主要有三种:通过车身总线传输、通过A/D采样转化、通过I/O状态变化获取;汽车仪表盘显示方式主要有五种:通过驱动步进电机带动指针转动、通过点阵LCD屏显示图形或数字信息、通过段式LCD屏或数码管显示、通过LED灯的开关显示、通过蜂鸣器的不同鸣音指示当前状态。


本文设计的汽车仪表盘节点主要由MCU系统、步进电机驱动、LED显示、LCD显示、报警功能、记忆功能、按键处理、LIN总线通信、高速CAN通信、低速容错CAN总线通信以及电源供给等几个方面构成(如图2所示)。


硬件电路设计

世强所代理瑞萨电子的RL78/D1A是一款完全符合第三代汽车仪表需要的芯片,它具有高速运算能力的16位MCU,带有两路CAN通道,能直接驱动步进电机和LCD模块,性能参数满足汽车工业级要求。外围模块主要包括步进电机控制PWM定时器、LCD模块接口、16位定时器脉冲单元(TAU)、DMA控制器(DMAC)、CAN总线控制器、串行接口,A/D转换器、警示灯和报警器的输出、LED PWM调光等。这些模块可以满足车速、转速、油量、冷却水液位的信号采集和显示,可以很容易地实现外设元件很少的仪表板电路。


步进电机可直接通过RL78/D1A系列的PWM引脚驱动,分别用于指示汽车行驶的车速、发动机转速、冷却液温度等等。选用具有并行的点阵式液晶模块,可直接与MCU相连,用于显示图形和其他信息。CAN接口可以与汽车内CAN网络相连,获取必要的信息。汽车车速传感器和发动机转速传感器通常采用霍尔器件,为了改善波形,在输入捕获定时器管脚外使用了施密特电路进行整形。


软件设计

为了提高代码的可重用性、可读性以及可维护性,软件编写的基本思想是在满足系统功能的前提下,尽可能使应用软件标准化、模块化。每一个模块是一个具有独立功能的程序,可以单独设计、调试与管理。


软件模块主要有主程序模块、初始化模块、数据采集模块、步进电机驱动模块、CAN通讯模块、LIN通讯模块、SPI通讯模块、显示模块、存储记忆模块、报警模块、中断模块等。


报警模块实现异常情况下控制告警信号输出,如冷却液温度升高近沸点或燃油箱内的燃油量少于某一规定值时,音频告警会发出不同频率的告警信号,点亮指示灯。中断模块有四种中断源:按键信号、车轮转速信号、发动机转速信号及掉电保护信号,分别完成面板功能设置、测速和掉电时的数据保存。数据采集模块根据输入参数对相应的模拟信号进行采样、量化,并对采样信号进行抗干扰处理。显示模块完成LCD的初始化,并显示各种需要符号和数值。步进电机驱动模块采用微步方式驱动步进电机,有加速、匀速、减速三种模式,以克服电机在启动时滞后、停止时过冲的现象。



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