基于串口屏的純電動(dòng)汽車組合儀表設(shè)計(jì)

王佳，趙耕云，雷小強(qiáng)

（蘭州工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

前言

隨著純電動(dòng)汽車的普及，汽車電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是TFT-LCD液晶屏技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表及步進(jìn)電機(jī)控制的模擬儀表，已經(jīng)不能滿足當(dāng)今用戶對(duì)汽車時(shí)尚的追求。越來(lái)越多的汽車，尤其是國(guó)外高端的純電動(dòng)汽車開始更多的配置全液晶屏幕組合儀表，因此，為純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)一種基于液晶屏的組合儀表具有現(xiàn)實(shí)意義和市場(chǎng)需求，符合汽車儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以某品牌純電動(dòng)汽車為應(yīng)用對(duì)象，該純電動(dòng)汽車相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 某品牌純電動(dòng)汽車參數(shù)

選用大彩工業(yè)串口屏（10.4英寸）作為組合儀表的顯示屏幕。大彩工業(yè)串口屏內(nèi)部集成TFT顯示驅(qū)動(dòng)、圖片字庫(kù)存儲(chǔ)、GUI操作、RTC顯示、各種組態(tài)控件與一體。整個(gè)系統(tǒng)采用Cortex-M3+高速FPGA處理器設(shè)計(jì)，ARM主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議的解析處理和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要完成Flash的圖片讀取和TFT控制顯示，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 串口屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

選用飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128作為組合儀表控制器，內(nèi)部集成有一個(gè)CAN控制器。由德國(guó)Bosch公司開發(fā)的 CAN總線是車載網(wǎng)絡(luò)中的第一大總線。選用CAN總線作為組合儀表控制器與汽車其他電控單元直接的通信總線。系統(tǒng)總體示意圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)總體示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 儀表界面設(shè)計(jì)

串口屏帶組態(tài)控件功能，屏幕的很多功能可直接在 PC中配置完成，無(wú)需單片機(jī)的參與，可以減少程序開發(fā)量。通過(guò)上位機(jī)VisualTFT軟件對(duì)工程畫面中的所有儀表和指示燈控件進(jìn)行配置，即可在無(wú)用戶程序參與下，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)畫面的切換，按鈕的按下和彈起，自定義指令輸出等功能。

圖3 a-車速表、b-剩余電量表

車速表和剩余電量表設(shè)計(jì)：在工程畫面Screen0.tft中，點(diǎn)擊菜單欄中儀表控件“”，并將其拖入到畫面中，打開“屬性窗口”，在表盤框點(diǎn)擊“表盤類型→選擇自繪表盤，并進(jìn)行儀表數(shù)值、旋轉(zhuǎn)方向、背景色、刻度顏色、指針形狀及顏色等外觀設(shè)計(jì)，同理設(shè)計(jì)剩余電量表。最終設(shè)計(jì)完成的車速表和剩余電量表效果如圖3所示。

轉(zhuǎn)向指示燈設(shè)計(jì)：點(diǎn)擊菜單欄的圖標(biāo)控件“”制作轉(zhuǎn)向指示燈閃爍動(dòng)畫。在彈出對(duì)話框中點(diǎn)擊“增加幀”，打開左轉(zhuǎn)向燈熄滅狀態(tài)下的圖片，再點(diǎn)擊“增加幀”，打開左轉(zhuǎn)向燈亮起狀態(tài)下的圖片，點(diǎn)擊“生成圖標(biāo)”。制作過(guò)程如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向燈圖標(biāo)制作

選擇菜單欄動(dòng)畫控件“”，在Screen0.tft畫面中拖動(dòng)打開動(dòng)畫控件，在屬性窗口中設(shè)置為動(dòng)畫幀。選中制作完成的右轉(zhuǎn)向燈動(dòng)畫幀，拖動(dòng)至合適位置保存。同理制作左轉(zhuǎn)向燈、檔位指示燈及其他警示燈。

里程表設(shè)計(jì)：在Screen0.tft畫面通過(guò)添加文本控件“”實(shí)現(xiàn)。

最終設(shè)計(jì)完成的組合儀表顯示界面如圖5所示。

圖5 組合儀表顯示界面

2.2 電路設(shè)計(jì)

汽車儀表系統(tǒng)總線在車載網(wǎng)絡(luò)總線中劃分為信息系統(tǒng)高速總線。ISO 11898是一個(gè)使用CAN總線協(xié)議的汽車高速通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。組合儀表系統(tǒng)采用 CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表電控單元和汽車上其他電子系統(tǒng)的信息交流，儀表所需的數(shù)據(jù)信息由 CAN總線來(lái)傳遞，從而大大降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和布線難度。同時(shí)，儀表和整個(gè)車身 CAN網(wǎng)絡(luò)相連接，形成了一個(gè)完整的汽車一體化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

MC9S12XS128內(nèi)部集成有CAN控制器，完成支持CAN協(xié)議2.0A/B版，5個(gè)具有FIFO存儲(chǔ)機(jī)制的接收緩沖器，3個(gè)具有“本地優(yōu)先級(jí)”的發(fā)送緩沖器。由于CAN控制器只是協(xié)議控制器，不能提高物理層驅(qū)動(dòng)，所以在實(shí)際使用時(shí)每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)物理上要通過(guò)一個(gè)收發(fā)器與CAN總線相連。選用TJA1050高速CAN收發(fā)器，該收發(fā)器與ISO11898協(xié)議完全兼容，傳輸速率最高可達(dá)1Mbps，電磁輻射極低，抗干擾性極好，終端電阻120歐姆。

串口屏與XS128的串行口連接，實(shí)現(xiàn)通信。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)電路簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)電路原理簡(jiǎn)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

MC9S12XS128接收相關(guān)控制開關(guān)的輸入信號(hào)，如轉(zhuǎn)向燈開關(guān)信號(hào)、手制動(dòng)開關(guān)信號(hào)、檔位開關(guān)信號(hào)等，以及車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中其他電控單元通過(guò) CAN總線送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，如車速數(shù)據(jù)信號(hào)、剩余電量數(shù)據(jù)信號(hào)、里程數(shù)據(jù)信號(hào)燈。控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò) XS128單片機(jī)解析后通過(guò)串行口向大彩串口屏發(fā)送控制指令，使串口屏的儀表數(shù)據(jù)更新、指示燈狀態(tài)改變。

MC9S12XS128主程序流程如圖7所示：

圖7 XS128程序流程圖

大彩串口屏擁有一套實(shí)現(xiàn)各種功能的指令集，一條完整的串口屏指令幀格式包括幀頭、指令、指令參數(shù)、幀尾組成，指令最長(zhǎng)為1024字節(jié)，為編程方便，將所有控制指令編寫成指令函數(shù)，方便編程和后期維護(hù)。控制儀表數(shù)據(jù)更新指令如下：

SetMeterValue(0,1,Get_AD0_Result()/256.0*100); //車速儀表數(shù)據(jù)更新

SetMeterValue(0,2,Get_AD1_Result()/256.0*100); //剩余電量?jī)x表數(shù)據(jù)更新

控制轉(zhuǎn)向指示燈閃爍與停止的指令如下：

AnimationStart(0,4); //左轉(zhuǎn)向燈開始閃爍

AnimationStop(0,4); //左轉(zhuǎn)向燈停止閃爍。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

最終設(shè)計(jì)完成的純電動(dòng)汽車組合儀表系統(tǒng)如圖8所示，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，各儀表及警示燈顯示清晰，工作穩(wěn)定可靠，對(duì)實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)如車速等，更新及時(shí)。

圖8 純電動(dòng)汽車組合儀表

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于串口屏的電子組合儀表電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儀表界面友好，符合汽車儀表設(shè)計(jì)要求，儀表更新升級(jí)時(shí)不需硬件電路改動(dòng)，方便快捷、成本低。采用 CAN總線可以實(shí)現(xiàn)與車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中其他電控單元的信息通信，對(duì)原車電路改動(dòng)極小，方便安裝。設(shè)計(jì)完成的電子組合儀表基本滿足純電動(dòng)汽車對(duì)儀表系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李雪梅.基于 CAN 總線的汽車儀表電控單元設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017.

[2] 李錚,鮮繼清.鄧炳光等.基于CAN總線的汽車組合儀表[J].儀器儀表用戶.2006.

[3] 陳程.基于CAN通信技術(shù)的TFT_LCD汽車組合儀表研究[D].重慶大學(xué),2015.

[4] 楊興山,汪激,劉寅等.基于嵌入式的智能化汽車組合儀表設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用,2010.

[5] 吳敦福,陳劍,吳玉松等.純電動(dòng)車組合儀表的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技論文在線,2010.

[6] 朱維杰,于湘珍.基于 MC9S12HZ的智能汽車組合儀表[J].儀器儀表用戶,2009.