汽車組合儀表段位顯示優化及應用

冷德龍，孫連明，蘇朋軍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

組合儀表作為駕駛員獲取汽車狀態、外界環境信息的重要窗口，準確可靠地為駕駛員提供相關信息至關重要。從最初的純機械機芯儀表到電氣式儀表，到現在的CAN智能數字儀表，汽車組合儀表功能更加強大，顯示內容更加豐富，線束鏈接更加簡單可靠［1］。隨著科技發展，元器件成本降低，全液晶彩色TFT液晶屏儀表的應用越來越多，朝著高清、集成、智能的方向發展。當然對于大多數車型，特別是載貨汽車，組合儀表主要還是通過MCU控制步進電機、點陣或TFT液晶屏、段位液晶屏、LED指示燈、蜂鳴器或揚聲器來實現，圖1為組合儀表功能原理框圖。

圖1 組合儀表功能原理框圖

組合儀表中段位顯示方式比較常見，一般通過段位液晶屏或一組LED指示燈實現［2］，當然全液晶段位儀表在某些乘用車上也有應用，對于點陣屏或TFT屏，也可以通過類似段位形式顯示，由于其單一段內還可以再細分，此處不討論。與指針表或TFT液晶屏相比，段位指示方式分辨率較低，表現出來為指示參數值不連續，常用來定性地指示要求不特別精確的信息，比如剩余燃油的空、滿，發動機水溫的過低、過高，制動氣壓過低、泄壓，機油壓力過低［3］等。圖2為段位指示功能舉例，圖2a、2b為段位液晶屏實現方式，圖2c、2d為LED指示燈實現方式。

圖2 段位指示功能舉例

1 段位顯示在應用中存在的問題

由于段位顯示方式存在分辨率差的限制，再加上輸入信號的系統誤差，如果分段設計不合理或關鍵段的點亮、熄滅對應的參數值未進行系統匹配，極易導致儀表的指示錯誤，造成理解偏差，引起用戶抱怨。

按照人們習慣，認為各段的指示值是線性的，而設計過程也極易簡單地線性分配各段的點亮或熄滅點的參數值，從而出現顯示偏小、某段經常閃爍指示、不能指示零位、不能指示滿量程等問題。比如某商用車制動氣壓顯示偏小：實際氣壓已經達到了0.9 MPa（9 bar）左右，而儀表實際顯示氣壓只有0.75MPa（7.5 bar），導致儲氣筒APU索賠增加。再比如某商用車燃油表不能指示到滿量程：用戶經常加油到跳槍，而燃油表從未指示到滿量程，引起用戶抱怨。

以上均是組合儀表上的段位顯示方案在實際應用過程中出現的問題。接下來對以上出現的問題進行具體分析，研究解決措施，優化顯示方案，通過試驗驗證方案的合理性并推廣應用。

2 段位顯示優化設計

儀表接收傳感器采集的模擬信號，通過MCU控制段位液晶屏或LED指示燈顯示相關行車信息，圖3為儀表信號路由示意圖。對于氣壓傳感器，輸出的信號形式為連續信號，而對于燃油傳感器（干簧管式），輸出的信號是非連續信號。接下來針對實際應用過程中出現的問題，基于制動氣壓和燃油量研究優化分段顯示方案。

圖3 儀表信號路由示意圖

2.1 制動氣壓的連續輸入信號

某商用車制動儲氣筒內氣壓由傳感器將氣壓（MPa）轉換為電壓（V）輸入到儀表的AD采樣接口，儀表根據氣壓傳感器的輸出特性將制動氣壓顯示到段位液晶屏上。其中，該氣壓傳感器的輸出特性關系式為

式中：U——氣壓傳感器輸出電壓，V；Ui——組合儀表給氣壓傳感器的供電電壓，5 V；P——儲氣筒內的氣壓，MPa，誤差±0.03 MPa。

圖4 制動氣壓顯示

制動氣壓顯示范圍為0～1.2 MPa，根據顯示效果優化情況，在液晶屏上分為8段顯示，分辨率為0.15 MPa，如圖4所示。正常行車時氣壓為7.9～9.5 MPa，要求儀表檢測到儲氣筒氣壓低于0.55 MPa時進行報警，而儲氣筒卸荷時的氣壓為卸荷壓力，其值為9.1 bar±0.2 bar，即0.91 MPa±0.02 MPa。考慮到傳感器、儀表以及儲氣筒APU整個系統誤差的影響，為了保證顯示更加合理，避免出現漏報警或顯示數值過小情況，除了考慮各段對應的點亮值和熄滅值應該設置一定回差外，各段的點亮或熄滅應該考慮系統參數的匹配，特別是用戶關注的第6段（9.0 bar）。如果儀表第6段點亮時對應的氣壓值是9.0 bar，而實際APU卸荷氣壓為8.9 bar，就會出現制動氣壓顯示偏小、不準的現象。表1是制動氣壓段位顯示優化后，各段的點亮和熄滅值。

表1 液晶屏中各段點亮、熄滅對應的氣壓值 ×0.1 MPa

實車換裝樣件進行測試驗證，將儀表顯示氣壓值同標準氣壓計顯示數值對比，如表2所示。

表2 液晶屏中各段點亮、熄滅對應的氣壓值 ×0.1 MPa

通過實車測試，發現儀表氣壓顯示值比實際氣壓值稍偏小0.013 MPa，偏安全；且關鍵點（第4段、第6段）可以正常點亮、熄滅。有效避免了儀表顯示氣壓偏小、不足、不準確的問題現象。

2.2 燃油量的非連續輸入信號

對于非連續輸入信號，除了要考慮用戶關注的信息點、系統誤差外，還需考慮輸入信號的不連續性。在整個量程范圍內儀表能夠獲得多少信號點將影響到分段設計，或者根據顯示效果確定分段數量，反向設計要求傳感器在整個量程范圍內可輸出的數據點個數和各數據點之間的間隔。

某商用車的燃油傳感器將剩余燃油百分比（%）轉換為電阻信號（Ω）輸入給儀表，儀表根據燃油傳感器輸出特性在液晶屏上以分段形式顯示剩余燃油百分比。燃油傳感器為干簧管式，輸出特性為一組數據，見表3。燃油箱容量為120 L，外形尺寸規則，燃油傳感器輸出信號分為16段，并且各段之間燃油高度均等。實際燃油表滿量程對應的信號值為8 Ω，實際燃油傳感器可輸出的信號最小為8.2 Ω（燃油量與電阻關系為負相關），而且還存在系統誤差，再加上線束有一定的電阻，所以出現了實車燃油表不能指示到滿量程的問題。

為了保證顯示合理，減少顯示誤差，應避免出現油箱無油時儀表仍然有油量指示或燃油箱加滿油時燃油不能點亮所有段（即100%）情況出現，避免用戶抱怨。考慮提高用戶體驗，當燃油加到滿量程后，在燃油消耗過程中，使得用戶感覺燃油消耗不至于太快，同時提高用戶滿意度。儀表燃油指示為8段，均勻劃分；當剩余燃油量為1段點亮（燃油量為1/8，約為15 L，電阻＞88.5 Ω）時進行燃油過低報警。根據燃油信號分布情況定義儀表上各段點亮、熄滅時的信號（電阻）值，見表3。

考慮燃油傳感器輸出電阻誤差（0～5%），整車線束電阻值（約0.7Ω），儀表采樣電路誤差（1%）；為確保儀表燃油指示不受影響，對表3中定義的儀表各燃油段點亮、熄滅對應的電阻值進行調整，見表4。

表3 燃油傳感器輸出特性及儀表各燃油段點亮、熄滅對應的電阻值

表4 儀表各燃油段點亮、熄滅對應的電阻值/Ω

考慮以下幾種工況：①停車加油時燃油量變化較快，行車過程燃油消耗較慢；②停車在坡路上和在平坦路面上的不同；③整車行駛在復雜路面上，燃油晃動等。儀表接收到燃油信號經過濾波后，通過燃油策略處理，避免出現燃油表中各段忽滅忽亮，燃油消耗過程燃油量反而增加的情況出現。

搭建臺架試驗，通過線束連接儀表、燃油傳感器，各燃油段可以正常點亮、熄滅。實車靜態驗證，加油至跳槍，燃油表快速顯示并指示到滿量程，避免了故障問題的出現，且坡路上燃油表顯示正常。實車動態測試，經過高環、高速、壞路、郊區路試，燃油表指示正常，且未出現燃油表指示段忽滅忽亮情況。

2.3 段位顯示設計考慮因素

組合儀表段位顯示方式，無論是在段位液晶屏上顯示，還是通過LED指示燈實現，由于分段顯示方式存在分辨率低的弊端，表達的信息不夠詳細，但是關鍵信息不可丟失。所以，分段及各段的參數設置時需要考慮以下因素。

1）顯示需求。需要關注的信息點，特別是涉及到安全的需要傳達給駕駛員的信息或駕駛員較關注的信息。對于制動氣壓，制動氣壓顯示范圍、正常行車氣壓、泄壓閥壓力、氣壓報警點等信息要表達出來。對于剩余燃油量指示，駕駛員關注燃油過低報警點、加油跳槍后燃油表指示到滿量程、大概的剩余燃油量等信息。

2）儀表輸入信號特性。主要包括傳感器輸出信號即儀表輸入信號，信號是否連續、可采集到的信號數量及間隔，還有系統誤差等。比如制動氣壓信號即為連續的，燃油信號是非連續的，均存在一定誤差，設計時需要考慮。

3）儀表成本、結構、效果、驅動芯片的影響。對于分段指示，需要考慮液晶屏整體顯示效果、驅動芯片管腳數量、LED數量、顏色、成本、LED燈筒成型等因素。一般，分段太多，LED燈筒過密不易成型，且隨著LED增加成本也增加，而且受到驅動芯片的影響，隨著分段數量增加，需要控制各段的芯片管腳數量增加，直接影響芯片是否可用。

4）其他。為避免因整車運行環境變化或操作過程影響而儀表上出現某一段忽滅忽亮現象，點亮、熄滅參數應不同，通過設置回差可避免。考慮到提高用戶體驗，當燃油加到滿量程后，在燃油消耗過程中，使得用戶感覺燃油消耗不至于太快，給用戶一種省油的感覺等。

3 結論

通過對段位顯示在實際應用過程中出現的問題進行分析，找到制動氣壓和燃油量顯示的問題根源；結合段位顯示局限性，以及儀表輸入信號的特性，考慮成本因素、參數匹配、顯示需求、整體效果，優化了氣壓表和燃油表的段位顯示策略，并通過試驗驗證了方案的可行性。總結出了具有指導意義的段位顯示設計考慮因素，為后續產品開發設計提供指導或參考。

［1］ 熊英.汽車組合儀表的設計與實現［D］.大連：大連海事大學，2012.

［2］ 葛紅軍，鄭國華，張春燕，等.光柱、數字組合顯示儀表設計方法［J］.交通科技與經濟，2000 （3）：32-33， 38.

［3］ 溫讀夫，王海濤，羅衍領，等.采用LED的工程機械組合儀表系統［J］.工程機械，2009（1）：46-48，56.