汽车电子组合仪表设计

汽车组合电子仪表板第1页共17页同济大学汽车电子研究所第五届‘Freescale’杯嵌入式处理器（MCU/DSP）设计应用大奖赛参赛作品汽车组合电子仪表板项目论文比赛编号:D10096日期:2004-10-10姓名:王轶（中文）WangYi（英文）单位:同济大学汽车学院汽车电子研究所职业:硕士研究生E-mail:[e-mail]汽车组合电子仪表板第2页共17页同济大学汽车电子研究所目录一、引言：1、汽车仪表………………………………………………32、系统构成………………………………………………4二、设计概述：1、芯片介绍………………………………………………62、功能展示………………………………………………7三、硬件描述：1、系统设置………………………………………………92、电路设计………………………………………………9四、软件描述：1、初始化函数流程图………………………………132、GDIC模块软件流程………………………………143、主程序……………………………………………15五、结束语1、总结………………………………………………172、致谢………………………………………………18汽车组合电子仪表板第3页共17页同济大学汽车电子研究所一、引言1、汽车仪表:仪表是人和汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。仪表显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需，也成为舒适生活的一部分，而参数传递的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。现代仪表最突出的特点是功能的模块化，通常要组装一块仪表，只需将几个功能模块在定制PCB的基础上联合起来，就可以得到一个完整的系统。长安等经济型汽车的指针仪表一般为独立的模块，提示/报警功能由PCB上的小灯泡完成。SANTANA系列的指针由印刷电路板上的十字线圈驱动，提示/报警灯全部是发光二极管。轿车的仪表板上显示的主要数据、来源及对应显示方式如下表（根据SANTANA2000）：信号来源显示方式车速车速传感器指针发动机转速转速传感器指针油压液位传感器指针冷却水温度温度传感器指针里程积分数据LCD左/右转向车身线束绿色提示灯气囊车身线束黄色提示灯ABS车身线束黄色提示灯远光灯车身线束蓝色提示灯防盗报警车身线束黄色提示灯制动指示车身线束红色提示灯车门车身线束黄色提示灯后备箱车身线束黄色提示灯后风窗车身线束黄色提示灯充电指示车身线束红色提示灯汽车组合电子仪表板第4页共17页同济大学汽车电子研究所可见目前的汽车仪表尚以机械式为主，通讯方式以线束为主。这种模式最大的弊病是过于依赖线束，导致系统复杂。随着汽车产业的快速发展，尚有极大潜力的汽车电子市场正日渐受到各大汽车生产商与电子产品供应商的关注，这其中包括尚处于开发实验阶段的清洁能源汽车、目前由日本占据世界市场领袖地位的车载音响设备、前途无量的车载计算机信息终端设备以及形形色色的车内电控单元，如发动机电控单元、ABS、总线、新型电子仪表等。对汽车仪表而言，使用电子式仪表板较之传统仪表的优势在于：z硬件功能的软件化：随着微电子技术的发展，微处理器的处理速度越来越快。一些实时性要求高，原本由硬件完成的功能，就完全可以通过对微处理器编程来实现。z系统集成度大大提高：在大规模集成电路技术迅速发展的今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大。随着仪表的部分功能硬件不断地被软件取代，整个系统的集成度也在相应提高。本设计是一个基于Freescale单片机的汽车组合仪表板。面向的是目前市场上占主流地位的传统汽车，并引用长安车的仪表为模板，目的主要在于实现一个汽车组合电子仪表板的低端方案。2、系统构成:本方案的对象主要包括车速、转速、压力、温度、里程、时间以及一些提示/报警灯信号。z车速表、发动机转速表、油压表、水温表：前两者由串口输入，后两者为模拟信号，信号范围如下：信号区间对应显示区间车速0～2000～200km/h发动机转速0～800～8000rpm油压0～2550～1水温0～2550～120℃汽车组合电子仪表板第5页共17页同济大学汽车电子研究所z里程表：定时记录车速信号，在行车时间内做数值积分，得到行驶公里数，作为里程保存在用户Flash中。定时（1s）对里程数据做累加。记录总里程与单次里程，并可以在LCD上加以显示。z日期与时间：通过LCD模块显示日期或当前时间。z掉电保护：为在掉电的时候也可以及时地记录汽车行驶的里程数据，使用掉电保护电路，在掉电的时候可以维持一段时间的电压，保证单片机完成里程数据的保存，并调整指针位置使之回零。z调理电路：脉冲信号输入到单片机定时器模块的管脚，使用输入捕捉功能。为了改善波形，在输入捕捉管脚外增加调理电路。汽车组合电子仪表板第6页共17页同济大学汽车电子研究所二、设计概述1、芯片介绍:由于本设计面向的是大众化的传统汽车，成本成为器件选用的最重要标准。在微控制器的选型上，我们并未考虑前途光明但目前尚未普及的CAN总线，而是选择了自带液晶驱动的8位微控制器LJ12。MC68HC908LJ12是Freescale单片机908家族的一员，其主要参数与功能模块如下：z8M的最大总线频率；z12k用户Flash；z512bRAM；z两个独立双通道定时器模块；z内部实时时钟，可记录年、月、日、时、分、秒；zSCI与SPI通信模块；z6通道10位A/D；zLCD模块，可驱动27×3或26×4的笔段式液晶模块。MC33970是Freescale出品的步进电机驱动芯片，其特点是：9兼容MMT认证的两相步进电机；9指针可停留在4095个稳定的位置；9最大转角340°；9最大加速度4500deg/s2；9最大速度400deg/s；9模拟微步（指针运动12步为1°）；9指针校准与回零；9SPI控制，16位命令字；9内部校准时钟；9睡眠模式低电流。汽车组合电子仪表板第7页共17页同济大学汽车电子研究所2、功能展示:下图是演示系统的构想图。绿色为电路板，灰色为刻度盘，刻度盘中间的绿色方块为LCD。图1：演示系统构想z系统构成：¾选取SWITEC公司出品的步进电机作为执行器。¾六位笔段式动态驱动液晶模块，用于里程，单次里程或时间日期的显示。出于习惯，汽车仪表需要一直保持带电状态，无需重置时间参数，为了MCURS232MC33970+12VMultilink接口MC33970MCU引脚油量车速温度转速转向灯制动灯油压灯电瓶灯发动机空档灯3个按钮汽车组合电子仪表板第8页共17页同济大学汽车电子研究所方便演示，用两个按钮实现LCD显示模式的切换。¾六个发光二极管分别显示制动、危险、机油压力、电瓶、发动机以及空档信息，利用MC1413作为发光二极管的驱动。z信号平台：为方便显示，制作信号发生的模拟平台。通过开关量选择工作模式。用电位器模拟实际的车速、油压、水温、转速等物理信号，从A/D端口输入控制器。或通过PC的串口直接与SCI通讯，改变控制器的数据或工作模式。z通讯方式：¾MC33970由微控制器的SPI直接驱动；¾水温和油压数据来自AD采样，8位A/D转换的结果(0~255)经过倍数和偏移量的换算，得到与实际信号范围相符的数据。¾车速和发动机转速为脉宽调制信号或来自串口输入，通过定时器模块的输入捕捉功能得到其频率，换算得数据。z工作模式：LocalMode:根据需要显示的数据，在PCB上使用两个电位器作为信号平台，用于AD模拟信号的产生。在系统内部以自循环的方式，将两个定时器模块的四个通道分别定义为车速PWM信号的输出与比较，发动机转速PWM信号的输出与比较，其输出PWM波的周期与占空比来自AD采样数据或SCI输入。RemoteMode:为了方便演示和在线编程，演示板提供了一个RS232接口，用于同PC机的通讯。在PC机上编制串口通信程序，选择远程模式，可以直接在PC界面上输入数据，并将下载至单片机。该软件主要功能有：9改变油压和水温数据；9改变车速与转速信号的数值；9向LJ12发出指令，点亮报警灯；9切换LCD显示模式；9更改单片机显示的当前时期和时间；汽车组合电子仪表板第9页共17页同济大学汽车电子研究所三、硬件描述1、系统设置:LJ12芯片内部有丰富的硬件资源，我们做了如下配置：¾PLL：外部晶振32.768k；内部总线倍频至4M；¾SCI：用于上位机通讯，比特率9600，中断方式；¾SPI：时钟1M，作为MC33970的控制，用两个通用管脚作为SPI的片选信号；¾ADC：使用ADC0和ADC1两路AD采样，中断方式；¾LCD：使用26×4模式，即26前极、4背极的模式，动态驱动；因为设计中用到6位LCD模块，所以使用FP1～FP12、BP0～BP3已经足够；¾Flash：利用常驻内存函数（ROM-ResidentRoutine）将里程数据以32位数据的形式保存于用户闪存中。2、电路设计:z电源及掉电保护：输入端使用7805。图2：电源电路为了在掉电的时候也可以及时地保存里程数据，在电源地输入端加一个1000uF或两个470uF的电解电容。电源断开的时候在IRQ管脚会产生一个中断信号，大电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成外部中断的服务程序。汽车组合电子仪表板第10页共17页同济大学汽车电子研究所图3：掉电保护电路z调理电路：为了改善波形，在定时器管脚外添加了调理电路。图4：车速信号调理电路汽车组合电子仪表板第11页共17页同济大学汽车电子研究所图5：转速信号调理电路z整体设计：本设计面向的是市场上的中低档轿车，为了表现这个初衷，根据长安轿车的仪表外壳及内部尺寸设计了仪表的PCB，并重新布局。汽车组合电子仪表板第12页共17页同济大学汽车电子研究所图6：Protel原理图全貌汽车组合电子仪表板第13页共17页同济大学汽车电子研究所四、软件描述1、初始化函数流程图：DisableInterrupts;PLL倍倍倍4M初初初MC33970初初初初初初初初初初初各各各各各初初初：Timer、SCI、SPI、LCD、RTC图7：初始化函数流程图该函数功能为整个系统的初始化：¾内部总线倍频至4M；¾设置定时器模块的通道分别为捕捉和比较功能；SCI波特率9600，开接收中断；SPI时钟频率1M；LCD模块26×4模式；使能RealTimeClock模块中断；¾MC33970与指针初始化，见GDIC流程；¾从用户Flash中读取先前记录的里程数据，并根据ODO/TRIP信号加以显示。2、GDIC模块软件流程：3、主程序：z中断服务程序：¾外部中断：断电后短时间内利用大电容的放电记录最后的里程数据。¾SCI中断：遵循一定的上位机协议，接受命令，改变LCD显示内容；改变车速和转速数据。¾RTC中断：使能秒中断与1/4秒中断；每秒记录一次里程数据；每1/4汽车组合电子仪表板第14页共17页同济大学汽车电子研究所秒使能一次AD采样，并根据车速信号换算里程数据。¾AD采样中断：获得压力和温度数据。DisableGuages延延5us校校初校延延5us8us同同同同EnableGuages图8：GDIC（MC33970）的初始化流程图GDIC0初初初初初0行行行大大大（4095）是是是是止？NoYes初初2行行行大大大（4095）是是是是止？Yes初初1行行行大大大（4095）是是是是止？Yes初初3行行行大大大（4095）是是是是止？YesGDIC1初初初NoNo初初0行行零大是是是是止？NoYes初初2行行零大是是是是止？Yes初初1行行零大是是是是止？Yes初初3行行零大是是是是止？YesNoNoEnableInterrruptsNoNo图9：指针初始化汽车组合电子仪表板第15页共17页同济大学汽车电子研究所z主函数：¾当AD中断到来的时候改变激活的AD通道；¾定时读取里程数据，并在LCD上显示；¾每一次主循环结束的时候重启WATCHDOG；¾当车速或转速信号改变之后通过指针位置的变化作出反应。AD初数有是有有？有有更更更、温度更SCI中