裴春松，韓洪興

（1.河南少林汽車(chē)股份有限公司，河南 滎陽(yáng) 450100；2.南京賽格微電子科技有限公司，江蘇 南京 210028）

面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源、環(huán)境與氣候變化三大挑戰(zhàn)，大力發(fā)展新能源汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型，成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。新能源汽車(chē)技術(shù)經(jīng)歷了百花齊放的探索期后，主流技術(shù)已逐步清晰，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)動(dòng)力電氣化，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是其總體趨勢(shì)和戰(zhàn)略重點(diǎn)，這在國(guó)際上已形成共識(shí)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)取得了重大的發(fā)展。初期研發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)，大都是在傳統(tǒng)車(chē)的基礎(chǔ)上改制而成的，電動(dòng)汽車(chē)的顯示儀表仍然借用傳統(tǒng)車(chē)的儀表，電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)信息、電池信息等一般通過(guò)另外加裝的顯示屏來(lái)顯示，既不美觀，也影響行駛安全。

SGW206型儀表是河南少林汽車(chē)股份有限公司和南京賽格微電子科技有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款純電動(dòng)汽車(chē)用儀表，適用于純電動(dòng)中巴車(chē)。該型儀表簡(jiǎn)單大方、功能齊全，可以通過(guò)CAN接口和整車(chē)控制器、電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CAN通信，通過(guò)儀表中間的TFT液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。該儀表經(jīng)過(guò)裝車(chē)驗(yàn)證，性能良好，具有很高的可靠性，裝配此型儀表的電動(dòng)汽車(chē)總運(yùn)行里程已達(dá)11萬(wàn)公里，儀表系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)故障。

1 儀表總體功能設(shè)計(jì)

本儀表的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該型組合儀表是一塊帶有CAN總線接口的數(shù)字儀表，可以與整車(chē)控制器、電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CAN通信。該組合儀表主要包括6個(gè)獨(dú)立指針表、24個(gè)廣視角報(bào)警燈和TFT-LCD液晶顯示屏。組合儀表界面如圖2所示。

車(chē)速表、電機(jī)轉(zhuǎn)速表為240°旋轉(zhuǎn)角度的獨(dú)立儀表，氣壓表、電機(jī)溫度表、電壓表為90°旋轉(zhuǎn)角度的獨(dú)立指針表。獨(dú)立指針表采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，采用微步驅(qū)動(dòng)控制，分辨率高達(dá)十二分之一度，工作穩(wěn)定精準(zhǔn)。

5.6寸數(shù)字TFT液晶顯示屏的屏幕頂部顯示報(bào)警信號(hào)指示，包括充電指示、電池故障指示、CAN通信指示、READY/STOP指示、空檔指示、倒檔指示以及前進(jìn)檔指示。屏幕中部分頁(yè)顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)、車(chē)身系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種信息和狀態(tài)。液晶屏下部顯示里程信息和故障報(bào)警信息。TFT顯示界面如圖3所示。

信號(hào)及報(bào)警指示燈用來(lái)指示車(chē)輛運(yùn)行中的一些關(guān)鍵狀態(tài)，告知駕駛員有關(guān)電氣系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的狀況。報(bào)警指示燈采用高亮度的LED燈，具有高壽命、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。報(bào)警指示裝置見(jiàn)表1。

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2 儀表硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。本儀表系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、CAN通信模塊、輸入信號(hào)處理模塊、狀態(tài)指示燈模塊和TFT液晶屏模塊等組成，如圖4所示。

2.1 PIC30F5011單片機(jī)系統(tǒng)

儀表的MCU采用MICROCHIP公司的16位微處理器PIC30F5011，該芯片采用16位數(shù)據(jù)改良的哈佛架構(gòu)，包含對(duì)DSP指令的支持，具有快速中斷處理、豐富的數(shù)字和模擬外設(shè)，電源管理和靈活的時(shí)鐘模式，主要有上電復(fù)位、欠壓保護(hù)、WDT定時(shí)器、代碼加密等功能。內(nèi)部具有66K ROM、4K RAM、1K EEROM、5個(gè)16位定時(shí)器、10位AD轉(zhuǎn)換器，工作溫度-40～+125℃，能夠完全滿足汽車(chē)使用環(huán)境的要求，并支持運(yùn)行、休眠、空閑等多種工作模式。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如5圖所示。

2.2 電源模塊

MCU和外圍器件的供電采用Infineon公司汽車(chē)專用電源芯片TLE7469，帶有外部看門(mén)狗電路，輸入電壓范圍寬 （7～45 V），輸出電壓精度高，并有短路、過(guò)溫和電池反接保護(hù)等功能。電源模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 CAN通信模塊

PIC30F5011內(nèi)置有CAN通信控制器，可以很方便地實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。CANH和CANL是CAN總線的兩條差分接收/發(fā)送復(fù)用線路，它們的端點(diǎn)各接一個(gè)120 Ω的總線匹配電阻。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)占有CAN總線時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端 （電平為3.5V）接CANH， 接收端 （電平為1.5V）接CANL； 當(dāng)無(wú)節(jié)點(diǎn)占有CAN總線時(shí)，CANH和CANL上的電平均為2.5V。

在PIC30F5011和總線收發(fā)器PCA82C250之間采用高速光電隔離器6N137，可有效防止干擾信號(hào)通過(guò)PCA82C250傳入主控制器；同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)還進(jìn)行了金屬屏蔽，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。PCA82C250是CAN控制器和物理層之間的接口，可以提供對(duì)總線數(shù)據(jù)的差分接收和發(fā)送能力，具有在汽車(chē)環(huán)境下抗瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。CAN通信模塊電路如圖7所示。

本儀表系統(tǒng)通信速率可根據(jù)需要設(shè)定，本文設(shè)定值為250kb/s。CAN總線網(wǎng)絡(luò)報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2所示，采用擴(kuò)展幀格式，即29位標(biāo)識(shí)符。其中，優(yōu)先級(jí)為3位，可以有8個(gè)優(yōu)先級(jí)；R一般固定為0；DP現(xiàn)固定為0；8位的PF為報(bào)文的代碼；8位的PS為目標(biāo)地址或組擴(kuò)展；8位的SA為發(fā)送此報(bào)文的源地址。

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2.4 TFT顯示屏模塊

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是 “真彩” （TFT）。TFT液晶為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可以通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階。TFT液晶顯示屏的特點(diǎn)是亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、色彩鮮艷，一表多用，具有高精度和高可靠性。

電路采用ALTERA公司的大規(guī)?？删幊碳呻娐?（CPLD）EPM3128編程實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠。緩存采用大容量SRAM，對(duì)于800×RGB×480點(diǎn)陣彩色LCD可儲(chǔ)存4頁(yè)顯示內(nèi)容，對(duì)當(dāng)前頁(yè)或任一頁(yè)讀寫(xiě)不影響當(dāng)前頁(yè)的顯示，無(wú)雪花現(xiàn)象，頁(yè)之間的內(nèi)容可方便地實(shí)現(xiàn)交替顯示。

TFT-LCD原理框圖如8所示，與MCU連接的電路原理圖見(jiàn)圖9。

2.5 狀態(tài)指示燈模塊

狀態(tài)指示燈用來(lái)指示車(chē)輛運(yùn)行中的狀態(tài)，如手制動(dòng)狀態(tài)、乘客門(mén)狀態(tài)、燈光狀態(tài)、電源狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)等。狀態(tài)燈電路原理如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)軟件主要由CAN通信協(xié)議程序和數(shù)據(jù)處理程序組成。

CAN通信協(xié)議程序主要負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制單元?jiǎng)幼鞯牟杉?、處理和傳送，一旦系統(tǒng)檢測(cè)到有效動(dòng)作信號(hào)，將調(diào)用相關(guān)的子程序，由ECU處理該數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理程序主要負(fù)責(zé)儀表TFT-LCD、步進(jìn)電機(jī)和報(bào)警指示燈的顯示。由信號(hào)采集或者CAN總線采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)ECU的運(yùn)算，分別驅(qū)動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置、TFT顯示相應(yīng)的畫(huà)面和報(bào)警指示燈的亮滅。

CAN通信程序流程如圖11所示，數(shù)據(jù)處理程序流程如圖12所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的用于純電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)字總線儀表以MICROCHIP公司的PIC30F5011單片機(jī)為控制核心，主要通過(guò)TFT-LCD液晶顯示屏動(dòng)態(tài)顯示電動(dòng)汽車(chē)的各種運(yùn)行信息。目前該款儀表已經(jīng)完成了小批量裝車(chē)，在實(shí)際測(cè)試中得到了驗(yàn)證，能夠滿足電動(dòng)汽車(chē)的需要。