基于ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化車用儀表

摘 要：提出采用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)芯表頭，利用FPGA器件作為控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油位、里程指示的新型全數(shù)字化車用儀表系統(tǒng)。給出車速檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、水溫檢測模塊、油位檢測模塊、FPGA控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、里程指示模塊和系統(tǒng)電源模塊等電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：傳感器；V/F轉(zhuǎn)換；光電隔離；FPGA；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-185-04

FPGA-basedNumerical Instruments on Vehicle

XU Fei

(Zhengde Vocational and Technical College，Naijing，211106，China)[HJ1*3][HJ]

Abstract：A new model numerical instrument system on vehicle is discussed.It includes step motro which can be used to core and FPGA controller.This system can measure and show speed，rotate speed of motor，temperature of water，position of oil，mileage and so on.The paper designs circuits and in detail，including speed check module，rotate check module，water temperature check module，oil level check module，F(xiàn)PGA controller module，stepper motor drive module，odometer show module and system power supply module.

Keywords：sensor;V/F shifter;photolectric isolation;FPGA;step motor

1 引 言

車輛儀表是駕駛員與汽車進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，是車輛安全行駛的重要保證。新一代汽車大多采用微控制器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化儀表。

數(shù)字化車用儀表比常規(guī)的模擬式儀表讀數(shù)更加準(zhǔn)確，抗震性、可靠性更高。但采用純數(shù)字形式或帶狀顯示形式指示車輛運(yùn)行狀況的數(shù)字化儀表，其直觀性不如指針式儀表，因?yàn)轳{駛員從指針位置來獲取信息比從估計(jì)一個(gè)數(shù)字量獲取信息更容易。因此很多汽車采用數(shù)字化指針式儀表，這種儀表采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針式儀表盤進(jìn)行指示。由微控制器完成對(duì)各種信號(hào)的采集、處理后直接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，在刻度盤上指示被測信號(hào)值。數(shù)字化指針式儀表指示精度高，穩(wěn)定可靠，一致性、通用性好，符合人們的習(xí)慣，因此得到廣泛的應(yīng)用。

車用數(shù)字化指針式儀表，主要包括車速表、轉(zhuǎn)速表、里程表、燃油表和溫度表等。由車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度和油位等信號(hào)的采集值，可很方便地轉(zhuǎn)換為一定頻率的數(shù)字脈沖信號(hào)，因此易采用FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)芯片作為系統(tǒng)控制器來實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采用FPGA實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)式數(shù)字化車用儀表系統(tǒng)主要是通過相應(yīng)的傳感器電路采集車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、水溫信號(hào)、油位信號(hào)等，經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路處理為FPGA可接收的脈沖信號(hào)。 FPGA對(duì)這些脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行采樣，經(jīng)計(jì)算處理后，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)(轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)角度)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片接收到控制信號(hào)后，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)控制車速表、轉(zhuǎn)速表、燃油表、水溫表中的步進(jìn)電機(jī)表頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使其按照指定參數(shù)指示到相應(yīng)的位置。其系統(tǒng)電路主要包括：車速檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、水溫檢測模塊、油位檢測模塊、FPGA控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、里程指示模塊和電源模塊等，可完成油位指示、車速指示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指示、溫度指示、里程顯示等一系列功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)主要模塊

3.1 電源模塊 

汽車內(nèi)部產(chǎn)生的供電電壓是+12 V，儀表系統(tǒng)需要+5 V，+3.3 V和+2.5 V電壓；電源模塊功能實(shí)現(xiàn)12 V到5 V的電源變換，及5 V到3.3 V，2.5 V的電源變換。電源原理圖如圖2所示。

圖2中LM2576是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，他內(nèi)含固定頻率振蕩器52 kHz和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器1.23 V，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。其具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，從而為微控制器的穩(wěn)定、可靠工作提供了強(qiáng)有力的保證。FPGA內(nèi)核需要的3.3 V，2.5 V電壓可由5 V電壓通過低功耗正向電壓調(diào)節(jié)電源模塊SPX1117-3.3和SPX1117-2.5轉(zhuǎn)換得到。

3.2 檢測模塊

3.2.1 車速檢測模塊

汽車每轉(zhuǎn)一周，車速傳感器(可采用霍爾傳感器)送出信號(hào)，經(jīng)三極管9013整形和光電耦合芯片TLP521進(jìn)行光電隔離，轉(zhuǎn)換為滿足FPGA器件可接收的脈沖頻率信號(hào)；對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，經(jīng)處理后可得到速度和里程信息。車速檢測模塊電路原理圖如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊與車速檢測模塊相似，這里不再贅述。

3.2.2 溫度檢測模塊

溫度檢測電路采用LM45集成溫度傳感器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)V/F(電壓頻率轉(zhuǎn)換)變換器LM131芯片轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，再經(jīng)光耦芯片TLP521隔離輸出，從而構(gòu)成輸入輸出隔離的溫度/頻率變換電路，將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為FPGA可接收脈沖頻率信號(hào)。 LM45集成溫度傳感器，測量溫度范圍2～150 ℃，當(dāng)溫度范圍為25～100 ℃。響應(yīng)的頻率輸出為25～1 000 Hz，由5 k電位器來調(diào)整，使100 ℃輸出為1 000 Hz。溫度檢測電路原理圖如圖4所示。

3.2.3 油位檢測電路

油位檢測電路采用浮筒式可變電阻油位傳感器RP2(RP1用做輔助調(diào)整)，將油位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)V/F變換器LM331芯片轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，再經(jīng)光耦芯片TLP521隔離輸出，從而構(gòu)成輸入/輸出隔離的油位/頻率變換電路，將油位信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為FPGA可接收脈沖頻率信號(hào)。油位檢測電路原理圖如圖5所示。

3.3 FPGA控制模塊

FPGA控制模塊采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)。主要由頻率測量模塊，計(jì)算模塊，比較模塊，報(bào)警模塊、里程計(jì)算模塊和分頻模塊構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

頻率測量模塊功能是采集由檢測模塊(轉(zhuǎn)速、車速、溫度、油位)送來的脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，得到信號(hào)頻率值，作為信號(hào)計(jì)算模塊的輸入信號(hào)。

計(jì)算模塊接收頻率測量模塊送來的脈沖頻率值，根據(jù)實(shí)際值與頻率值的換算關(guān)系，及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與指針刻度值對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的關(guān)系，輸出與信號(hào)實(shí)際值相適應(yīng)的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的脈沖數(shù)。

比較模塊接收信號(hào)計(jì)算模塊脈沖數(shù)，與上一次驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)(指針當(dāng)前位置)比較，若大于上次值，發(fā)出正轉(zhuǎn)信號(hào)，若小于上次值，發(fā)出反轉(zhuǎn)信號(hào)，并計(jì)算兩者差值脈沖數(shù)，用差值脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)序列信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，并將驅(qū)動(dòng)序列信號(hào)和方向控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)芯片，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使指針指示到對(duì)應(yīng)刻度值。

報(bào)警模塊主要實(shí)現(xiàn)異常情況下輸出告警信號(hào)的功能。當(dāng)水溫、油位、機(jī)油壓力等達(dá)到設(shè)定的警戒值時(shí)，啟動(dòng)音頻報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)的報(bào)警指示燈，以提醒駕駛員的注意。里程計(jì)算模塊接收車速模塊送來的信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后，給出每前進(jìn)0.1 km的脈沖信號(hào)，控制機(jī)電式里程計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行里程指示。

分頻模塊對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，得到各種需要的采樣使能信號(hào)和頻率信號(hào)。如車速、轉(zhuǎn)速、油位、溫度采樣定時(shí)信號(hào)、報(bào)警頻率信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)序列信號(hào)等。

主控模塊根據(jù)點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)情況，控制儀表指針回零或采集信號(hào)值等，其控制流程如圖7所示。

本控制模塊選用Alter公司的EP1K30TC144-3，EP1K30TC144-3屬于ACEX1K系列，是Alter公司的主流芯片之一，是基于可重構(gòu)CMOS SRAM單元，具有復(fù)雜邏輯及存儲(chǔ)器功能，能夠滿足廉價(jià)高容量的需要，配置芯片選用AT17C010A芯片。I/O口通過接插口引出，便于連接，亦可供功能擴(kuò)展和二次開發(fā)使用。電路原理圖如圖8所示。

在具體利用硬件描述語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每個(gè)被測信號(hào)量，可將頻率測量模塊、計(jì)算模塊與比較模塊綜合在一起設(shè)計(jì)，作為內(nèi)部處理模塊。對(duì)I/O口設(shè)計(jì)，要加輸入接口和輸出接口模塊，并要利用一個(gè)全局系統(tǒng)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步化邏輯控制。

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用驅(qū)動(dòng)芯片STI6606。STI6606芯片是一款專為驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)馬達(dá)而設(shè)計(jì)的CMOS集成電路，在同一芯片上包含4個(gè)同樣的驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)4路馬達(dá)。其簡單易用，每個(gè)馬達(dá)只需驅(qū)動(dòng)脈沖序列信號(hào)F(scx)和方向(CW/CCW)兩個(gè)控制端。所有輸入腳都有干擾過濾器。其結(jié)構(gòu)接線示意圖如圖9所示。F(scx) 輸入信號(hào)的上升邊緣驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子一個(gè)微步。輸入信號(hào) \"CW/CCW\"(順時(shí)針/逆時(shí)針) 控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。輸入信號(hào) \"RESET\" 在低電平時(shí)，重設(shè)輸出驅(qū)動(dòng)序列到初始設(shè)定位置 ，本設(shè)計(jì)作為指針回零控制信號(hào)。

3.5 儀表指示模塊

儀表機(jī)芯采用STI29系列步進(jìn)電機(jī)，該儀表馬達(dá)是一種精密的微型步進(jìn)馬達(dá)，是兩相步進(jìn)馬達(dá)經(jīng)三級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的，內(nèi)置減速比1/180的齒輪系，需要兩路邏輯脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其可以工作于5～10 V 的脈沖下，輸出軸的步距角最小可以達(dá)到1/12°，最大角速度600°/s。可用分步模式或微步模式驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)芯片的頻率控制端輸入脈沖序列 F(scx)，可以控制步進(jìn)馬達(dá)的輸出軸以微步轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路把脈沖列F(scx) 轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流等級(jí)序列送到馬達(dá)的線圈。用來產(chǎn)生馬達(dá)微步運(yùn)動(dòng)。每個(gè)微步馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/12°，最大角速度可達(dá)600°/s。車速表指針指示范圍0～220 km/h可調(diào)，為線性分度。0～220 Hz脈沖信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)車速為0～220 km/h，信號(hào)電壓幅度5 V。 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表指針指示范圍(0～80)×100轉(zhuǎn)/min可調(diào)，為線性分度。0～266.6 Hz 脈沖信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速0～8 000轉(zhuǎn)/min。正常工作時(shí)指針全行程時(shí)間不低于6 s。水溫表指針指示范圍60°～120°可調(diào)，為線性分度。0～1 000 Hz脈沖信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)水溫為0～100 ℃。儀表上電后3 s之內(nèi)到達(dá)正確指示位置。指針阻尼可調(diào)(通常為強(qiáng)阻尼)。正常工作時(shí)指針全行程時(shí)間不低于1 min。

燃油表指針指示范圍60°～ 120°可調(diào)，為線性分度。0～600 Hz脈沖信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)汽油指示E(空)至F(滿)，儀表上電后3 s之內(nèi)到達(dá)正確指示位置。指針阻尼可調(diào)(通常為強(qiáng)阻尼)。正常工作時(shí)指針全行程時(shí)間不低于1 min。

里程指示采用機(jī)電式計(jì)數(shù)器，主控制器內(nèi)的里程計(jì)算模塊將車速脈沖頻率信號(hào)處理后產(chǎn)生0.1 km脈沖，控制驅(qū)動(dòng)一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)，通過減速齒輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)鼓形機(jī)械式10進(jìn)位計(jì)數(shù)器，分別進(jìn)行累計(jì)里程和日計(jì)里程的記錄；其中累計(jì)里程表可記錄到999 999.9 km，不可逆向轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)；日計(jì)里程只能記錄到999.9 km，其設(shè)有回零桿，可清零。

4 系統(tǒng)抗干擾方面的設(shè)計(jì)

由于本儀表系統(tǒng)是為汽車設(shè)計(jì)的，而汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)有較強(qiáng)的電磁干擾。另外車輛移動(dòng)性大，有可能處于較強(qiáng)的電磁干擾的環(huán)境中，因此汽車控制系統(tǒng)必須要有很強(qiáng)的抗干擾能力和抗沖擊、抗震動(dòng)性能。否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定，不能夠可靠運(yùn)行。本汽車儀表采取的抗干擾措施主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 采用抗干擾電源

儀表電路系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來源。本系統(tǒng)的電源由車載電瓶提供，車輛的點(diǎn)火系統(tǒng)、音響設(shè)備等都可能對(duì)本系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。為此，可將車載電瓶12 V電源經(jīng)磁珠和電容組成π形濾波電路后，再經(jīng)過LM2576變壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波得到本系統(tǒng)電源。同時(shí)，良好接地是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要條件。由于本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)要將數(shù)字地與模擬地分開，最后只在一點(diǎn)相連。

(2) 采用光電隔離器件

檢測電路提供的脈沖信號(hào)送入FPGA控制器系統(tǒng)前，均采用光電耦合芯片進(jìn)行隔離處理，避免汽車內(nèi)部提供的脈沖信號(hào)對(duì)儀表控制器的干擾。

(3) 掉電保護(hù)自動(dòng)復(fù)位

當(dāng)出現(xiàn)車輛顛簸的路況時(shí)，可能引起電源等接觸不良的情況，使系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電源電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)。一旦掉電后，儀表指針回零，系統(tǒng)自動(dòng)重新加載。

5 結(jié) 語

利用硬件描述語言和FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的車用儀表系統(tǒng)具有高速、高可靠及開發(fā)便捷的特點(diǎn)，可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性、充分利用可編程器件的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路，從而提高系統(tǒng)的可靠性和通用性，大大縮短開發(fā)周期，減少電路板面積。利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)的汽車儀表系統(tǒng)和利用FPGA器件嵌入軟核處理器實(shí)現(xiàn)的汽車控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］孫余凱，項(xiàng)綺明.新型汽車電子單元電路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］吳基安，吳洋.汽車電子新技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］黃智偉.FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2006.



注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。