吳 森，張恒平，毛雅風

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

汽車儀表是汽車與駕駛員進行信息交流的窗口，是汽車信息的中心，它集中、直觀、實時地反映汽車在行駛過程中的各種動態(tài)指標，如行駛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油量以及各種危險報警［1］。在混合動力公交車中，增加了整車控制器、動力電池組和驅(qū)動電機等特殊而關(guān)鍵的零部件，這些部件的運行和狀態(tài)參數(shù)對整車性能及行車安全起著重要作用［2］。因此，開發(fā)一套既可以顯示整車運行狀態(tài)信息，又可以顯示動力電池組電池荷電狀態(tài)SOC(state of charge)等混合動力部件的特有信息的儀表系統(tǒng)尤為必要。筆者設(shè)計了一款基于控制器局域網(wǎng)CAN(controller area network)總線和液晶顯示系統(tǒng)的混合動力城市公交車儀表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述

根據(jù)整車系統(tǒng)的要求，儀表功能設(shè)計上不僅需要顯示傳統(tǒng)車輛的一些信息，而且也需要顯示混合動力零部件特有的信息;不僅需要顯示CAN總線的信息，而且也需要顯示各線束和開關(guān)得到的信息;不僅需要顯示參數(shù)值，而且也需要顯示混合動力的能量流動狀態(tài)，因此根據(jù)實際需要和技術(shù)的發(fā)展，將系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖1所示的結(jié)構(gòu)圖。從圖1可清楚看出該儀表系統(tǒng)采集的輸入信號包括整車CAN網(wǎng)絡(luò)信號、開關(guān)信號以及各種傳感器信號，系統(tǒng)將采集的信號濾波整形處理后，進行輸出顯示，主要的顯示途徑有傳統(tǒng)指針儀表、LED(發(fā)光二極管)報警指示燈和液晶信息顯示屏。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在整個表的設(shè)計上，為了符合駕駛員習慣，車速表、轉(zhuǎn)速表、油量表和水溫表均使用常規(guī)的指針式儀表，通過步進電機驅(qū)動儀表指針指示出來，報警窗口采用LED燈顯示，儀表中心為液晶顯示系統(tǒng)，顯示整車的運行狀態(tài)及動力電池組的相關(guān)信息，并通過按鈕進行切換和校正，實現(xiàn)了混合動力客車內(nèi)部復(fù)雜參數(shù)的實時動態(tài)顯示和能量流的動態(tài)指示，可進行數(shù)據(jù)保存和讀取。其中多功能信息顯示屏采用真彩液晶顯示屏，并設(shè)計顯示三屏畫面。第一屏主要以圖形界面形式顯示氣壓狀況、里程數(shù)、電池電量及能量流的信息等，稱為主顯示屏;第二屏為狀態(tài)信息顯示屏，主要顯示混合動力客車狀態(tài)信息等;第三屏為故障信息顯示屏，主要顯示通過CAN總線讀取到的整車故障信息，組合儀表外觀如圖2所示。

圖2 組合儀表外觀圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該組合儀表硬件由單片機處理器、信號處理電路、電源模塊、真彩液晶顯示屏、報警指示燈、CAN通信模塊、步進電機模塊和其他外圍電路組成，儀表系統(tǒng)采集來自汽車傳感器、各開關(guān)以及整車CAN網(wǎng)絡(luò)信號，其中有些信號為脈沖信號，經(jīng)過濾波整形處理后送入到單片機進行處理計算;有些傳感器信號為模擬信號，經(jīng)過前置處理后，送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，并完成測量和處理，在指針儀表上進行指示;通過CAN接口接收其他CAN節(jié)點的信號，并將接收到的信號進行處理后顯示在液晶信息顯示屏上。

2．1 主控芯片及電機驅(qū)動器

主控芯片采用16位的單片機MC9S12HZ256，其集成度高，片內(nèi)資源豐富，功能強大，接口模塊包括SPI、A/D、PWM 等。具有1個8通道16位定時器(TIM)，1個16通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ATD)，1個6通道脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，2個CAN控制器模塊(兼容CAN 2．0 A/B)。此外，這款MCU還集成1個32×4的液晶驅(qū)動模塊(LCD)［3］。該單片機的背景調(diào)試模式(BDM)和CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，使應(yīng)用該款單片機的總線式汽車數(shù)字儀表的外圍硬件電路相對簡化，開發(fā)過程簡單、方便。

儀表系統(tǒng)采用VID6606來驅(qū)動每個步進電機，每片VID6606都可同時驅(qū)動4路步進電機，剛好可用來驅(qū)動轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫表和油量表。在它的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，便可以控制輸出端從而使步進電機的輸出軸以微步的形式轉(zhuǎn)動，每個微步電機的輸出軸轉(zhuǎn)動1/12(°)，最大角速度可以達到600(°)/s。該電機驅(qū)動器主要有以下特點:簡單易用，硬件驅(qū)動，微步驅(qū)動，只需速度和方向控制端便可對步進電機進行控制，每個輸入引腳端都有抗干擾措施、工作電壓寬廣和電磁干擾輻射較低的特點。此外該電機還具有比較高的顯示精度，它的步距角最小可以達到1/12(°)［4］，圖 3 所示為 VID6606 的步進電機驅(qū)動電路。

2．2 信號處理電路

傳感器信號從車身的各個不同地方輸入到儀表系統(tǒng)，由于汽車儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，除了物理環(huán)境經(jīng)常變化的影響外，其他的設(shè)備在工作時也會產(chǎn)生各種電磁干擾，如點火系統(tǒng)、嗽叭和空調(diào)系統(tǒng)等感性負載所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖電流干擾等。這種反電動勢和放電火花干擾對儀表系統(tǒng)的沖擊較大，因此對傳感器信號進行處理非常重要。采用開關(guān)電源穩(wěn)壓器克服蓄電池欠壓、過壓、浪涌、尖峰電壓和電源電壓波動的影響;采用TVS瞬態(tài)抑制二極管抑制電源反壓和瞬時過壓;采用低通濾波器濾去高次諧波改善電源波形;采用小電感和大電容濾波盡量減小電路感生電動勢［5－7］，其中信號處理電路如圖4所示。

圖3 步進電機驅(qū)動電路圖

圖4 信號處理電路圖

2．3 多功能信息顯示屏

采用內(nèi)置ARM9處理器、WINCE操作系統(tǒng)的640×480的SHARP液晶顯示屏，該顯示屏采用了32位CPU控制組，內(nèi)置英、漢字庫、指令集和圖像庫，可顯示真彩色、256色、16色、4色或單彩色圖像，只需通過單片機發(fā)送相關(guān)的指令，即可在彩色LCD上顯示圖像、參數(shù)和漢字等，使設(shè)計方便快捷，且支持多功能命令集，實現(xiàn)畫點，畫圓，畫直線和曲線等功能，具有高精度、高亮度和高可靠性，外形設(shè)計美觀［8］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為主程序、CAN通信子程序、數(shù)據(jù)采集及處理子程序、步進電機驅(qū)動程序和液晶顯示程序等5個模塊。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，各模塊的功能說明如下:

(1)主程序負責通過調(diào)用各個子程序?qū)崿F(xiàn)各種不同的功能，儀表在上電后首先進行初始化，采集各輸入信號。通過處理器處理后，在儀表的顯示屏或報警區(qū)域等相應(yīng)地方進行顯示。在程序的整個運行過程中須使用看門狗，防止電磁干擾情況下程序出現(xiàn)死循環(huán)等故障［9］。混合動力公交車對一些零部件參數(shù)的實時性要求比較高，因此相應(yīng)的軟件利用中斷功能來進行處理。

(2)CAN通信子程序主要功能是初始化控制、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并設(shè)置CAN中斷處理、屏蔽碼和驗收碼，處理器將接收的報文進行解析，提取需要的數(shù)據(jù)并進行處理［10］。

圖5 主程序流程圖

(3)數(shù)據(jù)采集及處理子程序完成對車速、油量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等傳感器信號及開關(guān)信號的處理，車速和油量等一些信號屬于頻率信號，且變化速度較快，因此采用MC9S12HZ256單片機的輸入捕獲功能來捕獲脈沖，并計算脈沖的個數(shù)。在選擇采樣頻率時，既不能太快，也不能太慢，太慢則顯示滯后，不能實時顯示車輛狀態(tài)信息;太快則導(dǎo)致步進電機跟不上，會出現(xiàn)儀表指針抖動現(xiàn)象。有些傳感器及開關(guān)信號為模擬量，經(jīng)過前置處理后，輸入到單片機A/D轉(zhuǎn)換輸入端，取10次采樣的平均值為測量值［11］。

(4)步進電機能隨著它的輸入信號而平滑地正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當輸入信號頻率增大時，電機則順時針方向運轉(zhuǎn);反之，則逆時針方向運轉(zhuǎn);而當信號頻率恒定不變時，電機的狀態(tài)不發(fā)生變化［12］。因此步進電機驅(qū)動子程序利用定時器的中斷處理程序，并根據(jù)采集到的信號計算出步進電機需要運轉(zhuǎn)的步數(shù)，從而實現(xiàn)驅(qū)動步進電機的功能。

(5)液晶顯示子程序負責顯示各種參數(shù)信息及圖像界面，采用圖像顯示和分區(qū)顯示的方式顯示車輛行駛過程中混合動力部件的各種信息。將需要顯示的所有信息分為若干個區(qū):傳感器信息顯示區(qū)、混合動力信息顯示區(qū)和行駛狀態(tài)信息顯示區(qū)等，并采用一定的頻率進行刷新顯示，實時準確地顯示車輛的狀態(tài)信息。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

將該混合動力公交車儀表系統(tǒng)裝在某款城市公交車上進行道路試驗，該儀表系統(tǒng)的主顯示界面能以直觀的圖像界面形式實時準確地顯示混合動力汽車氣壓、動力電池電壓、檔位情況、總里程數(shù)及單里程數(shù)，并能以動畫的形式形象生動地顯示能量流流動方向，如圖6所示。

儀表系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示屏能夠清楚直觀地顯示混合動力零部件的各種狀態(tài)參數(shù)，如SOC值、電池電壓、電流、動力電池溫度、發(fā)動機進氣壓力、驅(qū)動電機溫度以及轉(zhuǎn)速等，且SOC值和電池電壓在不同的數(shù)值時顯示不同的顏色，起到提醒駕駛員的作用，顯示效果如圖7所示。當顯示為綠色時，表示參數(shù)適中，工作狀態(tài)正常;當顯示為黃色時，表示參數(shù)不太合適，但是不影響整車運行;當顯示為紅色時，表示參數(shù)過大或過小，情況比較緊急，需要立即處理。

故障信息顯示界面能夠準確地顯示從CAN總線接收的故障代碼。單片機首先讀取CAN網(wǎng)絡(luò)故障信號，然后進行解碼處理，并送到顯示系統(tǒng)進行顯示。圖8所示為儀表通過CAN總線讀取到的3個故障，解碼以后直觀地顯示故障碼編號和具體故障信息，并提示駕駛員進行相關(guān)處理。

圖6 主信息顯示界面

圖7 狀態(tài)信息顯示界面

圖8 故障信息顯示界面

5 結(jié)論

混合動力公交車儀表系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)指針儀表和液晶顯示系統(tǒng)的優(yōu)點，成功實現(xiàn)了儀表顯示、電池參數(shù)顯示、故障診斷顯示和車輛行駛參數(shù)記錄與分析等功能，充分利用了MC9S12HZ256以及CAN總線的功能。與傳統(tǒng)公交車的儀表系統(tǒng)相比，較大程度上減少了系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計，提高了整個系統(tǒng)的性價比，并采用液晶顯示系統(tǒng)，使得整個儀表系統(tǒng)色彩鮮艷，界面美觀，兼具整車管理系統(tǒng)、行駛記錄儀和信息媒體顯示播放等功能，具有良好的應(yīng)用前景。

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