智能化汽車組合儀表的設計與實現

昆明理工大學津橋學院電氣與信息工程學院 張興超 王 陸

1.引言

近年來，中國汽車產業快速發展帶動汽車電子產業取得了跨越式的成就。作為汽車的一個重要組成部分，汽車儀表主要用于幫助駕駛人員掌握汽車時時工作狀況，及時發現、排除不安全因素和故障，以保證汽車能夠安全可靠運行。隨著汽車電子技術的發展，汽車組合儀表已從簡單的零部件發展到了集多種功能于一體的集成部件型式。汽車行業對其豐富的功能性要求賦予了汽車組合儀表更多的職能。

傳統汽車組合儀表數字化程度較低，存在采集信息少、顯示內容固定且功能單一等缺點，已很難滿足汽車電子裝置信息量增加帶來的新要求。汽車儀表的數字化、圖形化和智能化，要求汽車動力系統、整車控制器等電子裝置應能夠及時、準確地處理車輛的各種狀態信息，同時通過CAN總線將數據發送到網絡，并利用汽車組合儀表進行顯示。TFT-LCD（薄膜場效應晶體管液晶顯示）具有顯示信息豐富、色彩多樣且靈活多變等優點，其在車載領域的應用將極大的拓展汽車組合儀表的功能。

通過TFT-LCD和微控制器的結合使用將促進儀表盤成為汽車的多功能信息顯示和控制中心，有利于汽車的美觀和維修檢測。但全液晶顯示儀表也存在價格昂貴、技術復雜及高成本和低可靠性等缺點，這也導致了其在普通車型上安裝使用率低的問題。鑒于此，本文提出了一種基于MCU+TFT-LCD的智能化汽車組合儀表的設計方案。其中MCU選用NEC公司的UPD78F0433型單片機用于各類信號的采集處理，TFT-LCD用于車載信息的顯示。通過二者的配合使用，以滿足汽車組合儀表信息化、智能化和圖形化的要求。

2.系統的總體結構

智能化汽車組合儀表應具有多樣性的功能，包括傳統儀表的基本功能、車載信息的采集處理和顯示、車輛故障警示、報警與提示音的合成以及CAN總線通信等。這就要求該智能組合儀表除了從傳感器直接獲取信息外，還具有CAN總線與車載控制器進行數據交換的能力；能夠根據車輛采集信息的數據類型不同，可將信號量分為模擬量、開關量和脈沖量等形式[1]。結合上述要求開發和設計的汽車組合儀表有多種形式，如單片機、DSP、FPGA、ARM等。綜合考慮，本文采用MCU+TFT-LCD的智能化汽車組合儀表設計方案，其整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

3.汽車組合儀表的硬件設計

智能化汽車組合儀表的基本顯示功能主要由發動機轉速、車速、油量、里程和水溫等組成。同時還包括左右轉向信號、遠近光信號、駐車信號、油量報警、水溫報警等各類指示和報警信號燈。其中，油量、水溫、車速和轉速通過步進電機驅動指針進行顯示，而里程利用字段式LCD顯示[2]。結合實際應用情況及其功能和特點，系統采用模塊化設計思想對汽車組合儀表進行了硬件設計；主要包括電源模塊、車速和轉速檢測模塊、油量和水溫檢測模塊、電機驅動模塊、數據存儲模塊以及液晶驅動模塊。其硬件結構原理圖如圖2所示。

圖2 汽車組合儀表的硬件結構原理圖

本系統選擇NEC公司的UPD78F0433芯片作為主控芯片，該器件內置LCD控制器、液晶顯示屏驅動器、電源Flash存儲器和看門狗定時器，具有片上調試功能和10位A/D轉換功能，是一款性價比較高的8位微控制器。由點火信號和蓄電池提供系統的工作電源，其操作電壓為9-16V；并通過電源電路的轉換為主控芯片提供5V的工作電壓。電源模塊的芯片為TLE4275-Q1，其最大耐壓值42V、最大驅動電流450mA、精度達2%。車速和轉速檢測模塊主要是通過檢測兩種脈沖信號的不同頻率形式來確定汽車的車速和轉速。而油量和水溫產生的電阻信號具有不同阻值；因此，油量和水溫檢測模塊則可通過檢測不同電壓值來確定汽車的油量和水溫。電機驅動模塊選用的芯片為STI6606，該芯片內置CMOS集成電路、可同時驅動四路微型步進電機，其輸入脈沖對應電機輸出軸轉動角度為1/12°，最大角速度可達600°/s。數據存儲模塊主要是用于保存車速、轉速、燃油、水溫和里程等數據，以防止掉電后數據丟失。該組合儀表選用的存儲芯片為24C04芯片，其存儲數據量最多可達4K。液晶驅動模塊功能主要依賴于UPD78F0433主控芯片內置的液晶顯示屏驅動器來實現，該驅動器特點包括：內外部電阻分壓、自動讀取存儲器數據并顯示、顯示模式靈活以及幀頻率多樣等。

圖3 汽車組合儀表的軟件設計主程序流程圖

4.汽車組合儀表的軟件設計

智能化汽車組合儀表的軟件結構由主程序和若干子程序組成；其中，主程序用于系統初始化、資源分配以及子程序的調度管理等；而子程序主要用于實現各硬件模塊的功能。本系統軟件采用C語言和循環體+中斷的軟件結構進行設計。首先，主程序對所有外部設備和全局變量進行初始化；之后進入主循環體程序依次完成系統信號的采樣處理、步進電機的控制計算、各種報警信號的檢測與合成、指示燈的輸出控制、TFT-LCD的顯示控制、CAN通信報文的收發控制等功能。系統軟件設計主程序流程圖如圖3所示。

該汽車組合儀表同時還具有待機功能。當不需要儀表工作時，其主控芯片進入低功耗模式，減少工作電流，節省蓄電池電量消耗；當需要儀表工作時，中斷請求將立即重啟主控芯片，使其恢復正常工作狀態。

5.結束語

本文從硬件結構和軟件設計的角度詳細介紹了汽車組合儀表的設計。提出了一種基于MCU+TFT-LCD且性價比較高的步進電機式智能化汽車組合儀表的設計方案。實現了車速、轉速、水溫、燃油量和里程的智能顯示，低油量、高水溫報警，車載數據掉電保護等功能。達到了汽車組合儀表智能化、信息化和圖形化的目標。系統具有較高的顯示和指示精度，能夠很好的滿足實際應用的需求。

引文

①熊英.汽車組合儀表的設計與實現[D].大連海事大學,2012.

②楊興山,汪激,劉寅.基于嵌入式的智能化汽車組合儀表設計[J].微型電腦應用,2010,26(09):20-22+66.

③張生文.汽車組合儀表關鍵技術的研究[D].哈爾濱工業大學,2011.