白月飛 楊斌（蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

1 引言

電子制造業(yè)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這給車載智能儀表的研制和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能和機(jī)會(huì)。在現(xiàn)代汽車中越來(lái)越多的高科技技術(shù)運(yùn)用在電子設(shè)備中，例如紅外探測(cè)防撞設(shè)備、剎車防抱死系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)、黑匣子等。這些設(shè)備使得汽車的安全性能越來(lái)越高，防護(hù)系統(tǒng)越來(lái)越完善。但是即使有了這些高科技電子設(shè)備，面對(duì)駕駛員的非正常操作以及外界的突發(fā)事故，這些高科技系統(tǒng)顯得捉襟見肘。因?yàn)闆](méi)有一個(gè)綜合的系統(tǒng)對(duì)汽車運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，在隱患面前做出報(bào)警和糾正不正確駕駛。為了使汽車變得更加安全、可靠、節(jié)能，需要駕駛員對(duì)汽車各部分運(yùn)行的狀況的信息全面的掌握，傳統(tǒng)的機(jī)械儀表對(duì)汽車各部分的信息已不能全面的簡(jiǎn)潔的做出顯示，因此汽車智能儀表是當(dāng)今汽車儀表行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

2 汽車智能儀表總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、功能、可靠性、抗干擾性以及可實(shí)現(xiàn)性等信息進(jìn)行分析整合，最后綜合的評(píng)估后得出的一套該系統(tǒng)最合理的方案。因此，該部分對(duì)整個(gè)后續(xù)的設(shè)計(jì)工作起著決定性的作用，決定了設(shè)計(jì)的周期，難度，費(fèi)用，以及成敗都是至關(guān)重要的。該章節(jié)的內(nèi)容包括系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能的探討，硬件電路各器件的選擇分析和電路的設(shè)計(jì)方案，以及軟件的功能實(shí)現(xiàn)的分析等組成。

2.1 智能儀表的功能分析

1)運(yùn)用智能車載數(shù)字儀表來(lái)對(duì)信息綜合的顯示，包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、燃油量、里程數(shù)等信息。

2)對(duì)汽車各個(gè)部分運(yùn)行狀況參數(shù)和車載設(shè)備的工作情況實(shí)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況控制器會(huì)采取報(bào)警措施和強(qiáng)制性采取動(dòng)作。實(shí)施自我防范的功能，避免了事故的進(jìn)一步發(fā)生。報(bào)警提示一般是已報(bào)警圖標(biāo)伴隨著不同燈光顏色的閃爍，以及配合著語(yǔ)音報(bào)警等。

3)用戶可以根據(jù)自己需要和習(xí)慣，選擇適合自己的風(fēng)格的儀表界面，不管是顏色，圖形的大小，盤面的信息排列順序以及還可以對(duì)盤面信息進(jìn)行刪減，使車載儀表更具個(gè)性化。

4)系統(tǒng)還具備外設(shè)和擴(kuò)展接口，可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和根據(jù)用戶的需求擴(kuò)展相應(yīng)的電子設(shè)備，例如電子地圖，倒車?yán)走_(dá)等等。 在智能儀表的實(shí)現(xiàn)中，要遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。各個(gè)模塊都有著自己的準(zhǔn)則，在遵循這些基本準(zhǔn)則時(shí)又要求功能全部實(shí)現(xiàn)，因此該智能儀表顯示系統(tǒng)就必須劃分如下幾個(gè)方面:傳感器、總線傳輸、中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、終端顯示以及可以用于外圍設(shè)備擴(kuò)展的和數(shù)據(jù)下載的端口的幾個(gè)方面。為了實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)擁有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示等多種功能的綜合系統(tǒng)，只有利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),C/OS-II并且結(jié)合微控制器(MCU)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，資源分配合理，操作簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠且效率高。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),C/OS-II還可以在汽車有突發(fā)事故或者安全故障時(shí)，及時(shí)的做出反應(yīng)，并向駕駛員發(fā)出報(bào)警和及時(shí)的做出安全保護(hù)的動(dòng)作。

2.2 智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示：中央控制器硬件共分為10個(gè)模塊:

圖1 智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

(1)中央處理器(MCU)(2)電源模塊(3)CAN通訊模塊(4)頻率量采集模塊(5)模擬量采集模塊(6)開關(guān)量采集模塊(7)時(shí)鐘模塊(8)外設(shè)接口擴(kuò)展模塊(9)串口調(diào)試模塊(10)Flash存儲(chǔ)模塊。

3 系統(tǒng)硬件的分析

3.1 硬件總體方案的選擇

隨著科技的飛速發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，人們對(duì)汽車性能的可靠性和駕駛舒適性的要求變得越來(lái)越高，為了滿足用戶的需求，越來(lái)越多的電子設(shè)備運(yùn)用在汽車上。龐大的電子設(shè)備之間的信息交換，指令的傳遞，以及數(shù)據(jù)的采集處理和判斷都變得異常的復(fù)雜，隨之而來(lái)的車內(nèi)空間的緊缺，眾多電子設(shè)備帶來(lái)的運(yùn)行時(shí)故障率越來(lái)越高，維修的難度越來(lái)越大。為了能使信號(hào)在車內(nèi)各個(gè)部分間傳遞，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)信息共享，對(duì)采集到的信息能夠及時(shí)的傳遞給處理器，并且能發(fā)出正確的指令，傳統(tǒng)控制器模塊和線束通訊模式己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，因此，高性能的處理器和CAN總線通訊應(yīng)運(yùn)而生。

本系統(tǒng)的中央處理器選用的是Motorola公司生產(chǎn)的MC9S12DG128這款16位的單片機(jī)。該處理器利用CAN總線通訊控制對(duì)各點(diǎn)的信息進(jìn)行接收和發(fā)送。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行分析和處理然后做出判斷，最后發(fā)出指令。在圖像顯示方面，完成對(duì)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換以及圖像的生成、處理和存儲(chǔ)，最終能綜合全面的在液晶顯示器上顯示車輛運(yùn)行時(shí)的駕駛員所需要的各種車況信息。因此，對(duì)處理器的選擇至關(guān)重要，關(guān)系到車載電子系統(tǒng)的性能，當(dāng)處理器的功能是夠強(qiáng)大時(shí)，單片機(jī)外圍電路以及軟件的設(shè)計(jì)會(huì)變得更加簡(jiǎn)便，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越好。

在傳統(tǒng)的以單片機(jī)為控制器的系統(tǒng)中，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)多路開關(guān)和采樣保持器，最后用A/D轉(zhuǎn)換器模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)邏輯計(jì)算、判斷、處理后，控制器對(duì)其它部分發(fā)出指令，該數(shù)字形式的控制量同樣經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后傳遞給保持器，再發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行器件，一般主控單元電路中還附帶有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警功能的模塊。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制模塊

現(xiàn)場(chǎng)總線主要是進(jìn)行分布式控制，它主要運(yùn)用在生產(chǎn)車間和各種電子設(shè)備之間，采用多節(jié)點(diǎn)串行數(shù)字化通訊系統(tǒng)，是以全數(shù)字化、開放式、多節(jié)點(diǎn)間通信為特點(diǎn)的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它結(jié)合了當(dāng)今三大高科技技術(shù):現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)。自從上世紀(jì)80年代以來(lái)，CAN逐步在加工制造業(yè)、交通管理、大型機(jī)械、汽車等擁有自動(dòng)化控制系統(tǒng)中廣泛的運(yùn)用。在眾多總線類型中，CAN(ControllerAreaNetwork)總線在局域網(wǎng)重工控制性能最好，協(xié)議最為規(guī)范，設(shè)計(jì)獨(dú)特，受到越來(lái)越多的關(guān)注，己經(jīng)被規(guī)定為國(guó)際上總線的標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為運(yùn)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1)現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線突破了傳統(tǒng)的控制模式，以集散控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都是一對(duì)一進(jìn)行連接，每一個(gè)控制點(diǎn)都必須要與主控器對(duì)接，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、控制器、測(cè)量變送器、開關(guān)、執(zhí)行器都需要與控制室的主控器進(jìn)行單獨(dú)連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不拘于傳統(tǒng)的控制模式，設(shè)立了下位機(jī)，把控制室中的控制模塊以及輸入輸出模塊下放到現(xiàn)場(chǎng)，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置更直接的與執(zhí)行模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使控制功能在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分布式。

2)現(xiàn)場(chǎng)總線方式的優(yōu)勢(shì)

1）設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)便:在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備對(duì)故障具有處理和診斷能力，同時(shí)控制室也會(huì)收到診斷結(jié)果及信息。維護(hù)人員可以通過(guò)這些信息了解設(shè)備運(yùn)行的情況以及故障診斷的信息，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，更快的排除故障，提高了成產(chǎn)效率，最主要是大大減少了維護(hù)人員對(duì)設(shè)備檢修時(shí)的工作量。

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，節(jié)省空間:很多生產(chǎn)車間的流水線，其周圍都分布著很多相關(guān)的輔助設(shè)備，走線更是凌亂無(wú)章，數(shù)量繁多，這就大大的占用了車間有限的空間，而運(yùn)用了分布式控制后，總線的出現(xiàn)就很好的解決了這些問(wèn)題，使輔助設(shè)備大大減少，最關(guān)鍵的是連線更簡(jiǎn)便，節(jié)省空間，便于維護(hù)。

3）節(jié)約成本：一般的生產(chǎn)線距離都比較長(zhǎng)，分布廣，傳統(tǒng)控制模式需要大量的連線將控制接口與執(zhí)行設(shè)備一一連接。現(xiàn)在有了現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連線變得更加簡(jiǎn)單，一條連線上可接多個(gè)設(shè)備，節(jié)省了電纜線和端口設(shè)備的數(shù)量，當(dāng)需要擴(kuò)展或者對(duì)流水線進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，秩序從原來(lái)的連線上重新接一根控制線即可，而不需要重設(shè)端口和增加電子設(shè)備和電纜線，使生產(chǎn)變得更加靈活，壓低了成本和生產(chǎn)投入。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車性能的可靠性和駕駛舒適性的要求變得越來(lái)越高，汽車電子智能化成為當(dāng)前廣受關(guān)注的焦點(diǎn)。越來(lái)越多的電子設(shè)備裝載在汽車上，使得各模塊之間通訊變得復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性隨之降低。從不同單元傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)要處理，為了使系統(tǒng)達(dá)到具有儀表智能信息化、信息利用總線調(diào)度和共享、車載監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行顯示和診斷等功能，不僅要有強(qiáng)大的中央處理器作為基礎(chǔ)，而且還需要方便快捷的操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)。

[1]鮑官軍,CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及發(fā)展趨勢(shì)，論文期刊,2003年1期,浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)。

[2]王建國(guó),控制器局域網(wǎng)的協(xié)議分析及應(yīng)用,2007年10期,情報(bào)科學(xué)

[3]王春燕,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,2006年5期,電氣自動(dòng)化出處。

[4]黃彩虹,淺談現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在4L5線灌裝線上的應(yīng)用,學(xué)位論文,2005年,中國(guó)科技信息。

[5」高杰,現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀和發(fā)展出處,學(xué)術(shù)期刊,2006年6期,煤礦機(jī)械