劉 偉，簡林莎，徐海洋，馮 謠，郎明華

Liu Wei1, Jian Linsha1, Xu Haiyang1, Feng Yao1, Lang Minghua2

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261069）

0 引 言

近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和電子控制技術(shù)的不斷完善，各種功能的電子器件越來越復(fù)雜。汽車組合儀表成為車輛主要信息的顯示單元，駕駛員運用此平臺了解汽車的各種狀況，能夠直觀、實時、動態(tài)地掌握車輛本身的各項數(shù)據(jù)。因此，面對汽車朝節(jié)能、低碳、安全和舒適等方面發(fā)展，高集成化、高穩(wěn)定性的步進電機式組合儀表成為科研人員不斷努力的研究方向，滿足更多復(fù)雜信息量處理功能的數(shù)字組合式儀表是當(dāng)今最熱的研究內(nèi)容之一。

CAN總線是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡稱，由于其串行式總線結(jié)構(gòu)及硬件電路連接簡單且便于線束空間布置[1]，數(shù)據(jù)傳送具有突出的實時性、可靠性和靈活性，利用CAN總線的特性對各種控制系統(tǒng)在車載控制領(lǐng)域中得到應(yīng)用。文中所設(shè)計的汽車組合儀表是一種基于飛思卡爾公司生產(chǎn)的S9S12HA32型的主控芯片，以 CAN總線為通訊協(xié)議，主要功能實時動態(tài)地顯示如車速、里程、轉(zhuǎn)速、水溫和燃油數(shù)據(jù)值，以及常用的指示信號和故障警示信號燈。

1 汽車儀表系統(tǒng)總體描述

組合儀表系統(tǒng)主要由車速表、轉(zhuǎn)速表、水溫表、燃油量表以及里程表組成，另外還有故障報警、系統(tǒng)照明和里程存儲數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)單片機接收到的信號包括車速、轉(zhuǎn)速、溫度和油量等傳感器信號，其中車速是脈沖信號，車速傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)過濾波、整形后輸出標(biāo)準的方波信號，送入單片機完成速度的測量運算；而燃油位置傳感器采集的是模擬信號，經(jīng)過前端電壓信號的處理轉(zhuǎn)換，CAN總線收送后送入單片機的 A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過單片機的運算處理，通過CAN總線接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 LCD顯示模塊實現(xiàn)數(shù)字化顯示[2]，同時單片機的步進電機驅(qū)動端口控制步進電機，通過指針控制精確地顯示其數(shù)據(jù)值。并且主控芯片接收其他CAN總線的節(jié)點信號數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速信號、報警信號等一些數(shù)據(jù)信息，經(jīng)主控芯片及時處理后在LCD實時顯示。為了防止里程數(shù)據(jù)丟失，主控芯片執(zhí)行的程序中將里程值的變化保存到數(shù)據(jù)存儲模塊中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要有電源電路模塊設(shè)計、CAN總線通信接口模塊設(shè)計、步進電機驅(qū)動模塊設(shè)計和LCD液晶顯示模塊，以及一些常用的狀態(tài)指示、報警燈等。

2.1 飛思卡爾的S9S12HA32主控芯片

組合儀表系統(tǒng)控制器選擇飛思卡爾公司型號為S9S12HA32的16位單片機[3]。這是一款集多種專用功能于一身，可用于設(shè)計汽車儀表盤的芯片，本身具有LCD驅(qū)動和步進電機驅(qū)動等功能，其特點是比較適合國內(nèi)中、低端汽車對于經(jīng)濟高效儀表盤的要求。該芯片需要采用 40×4 的段碼式LCD 液晶控制器；芯片內(nèi)部具有4 個步進電機驅(qū)動控制器，以SAEJ2602通信協(xié)議為基礎(chǔ)，可以支持CAN 協(xié)議2.0，完全可以滿足用戶對硬件資源的需求。為了防止斷電后汽車里程數(shù)據(jù)丟失，該系統(tǒng)采用了型號為93C46可讀寫數(shù)據(jù)的存儲器芯片（EEPROM）存儲數(shù)據(jù)。微控制器控制的汽車每行駛1 km里程則更新一次數(shù)據(jù)，并且保存在存儲器中。

2.2 電源電路模塊設(shè)計

電源電路設(shè)計變壓器選用的轉(zhuǎn)換芯片為NCV4275A，是一款針對汽車應(yīng)用的低壓降線性穩(wěn)壓器，內(nèi)含過流保護、過溫保護、短路保護等多種特性[4]，將汽車供給系統(tǒng)提供的12V電壓轉(zhuǎn)換成單片機需要的5V電壓供電，此外該芯片也可以輸出3.3V的電壓。如圖2所示，D1的作用為反向保護，電容C13、C15的作用為過濾電源輸出的異常電壓，起穩(wěn)壓的作用，另外在芯片右端并聯(lián)電阻，保證該芯片的正常工作，避免芯片發(fā)熱的現(xiàn)象。

2.3 CAN總線模塊電路設(shè)計

CAN 控制器采用型號為 MCP2510的芯片，此芯片是Microchip 公司縮減CAN總線的接口應(yīng)用而獨立設(shè)計的一種專門控制器，可以支持CAN2.0A/2.0B，與其公司生產(chǎn)的MCP2551型收發(fā)器構(gòu)成一個 CAN總線節(jié)點，用于高速CAN 總線的傳輸[5]。圖3所示各種模擬信號經(jīng)過MCP2551芯片的端口CAN_TX/CAN_RX進入收發(fā)器，進而經(jīng)過微控制器MCP2510的調(diào)節(jié)送入到主控單元S9S12HA32中，完成各種模擬信號的收集。

2.4 步進電機驅(qū)動模塊設(shè)計

單片機根據(jù)CAN總線收發(fā)器傳送過來的數(shù)據(jù)進行計算處理，主要包括車速、轉(zhuǎn)速、水溫和油量等實時動態(tài)測得的數(shù)據(jù)。然后經(jīng)步進電機的驅(qū)動，從而使指針到達指定的位置。S9S12HA32 內(nèi)部有 4個步進電機驅(qū)動控制器，對步進電機可以采用直接驅(qū)動的方式來實現(xiàn)，直接選用 4個步進電機可以完成車速、轉(zhuǎn)速、水溫和油量的指針指示功能。所設(shè)計的組合儀表系統(tǒng)選用 4個STI29-XX型的兩相步進電機并經(jīng)3級齒輪減速轉(zhuǎn)動輸出，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，工作的脈沖電壓為5～10V，工作電流為20mA左右，電機輸出軸的步距角最小能夠達到1/12°，可以分步模式或微步模式驅(qū)動實現(xiàn)指針的不同控制方式。圖4為指針電機驅(qū)動電路。

2.5 LCD液晶顯示模塊的設(shè)計

LCD液晶顯示器的作用是將單片機處理后的一些數(shù)據(jù)如車速、里程、燃油量、水溫、機油壓力和系統(tǒng)電壓值等駕駛操作信息實時滾動地顯示出來，利于用戶清晰直觀地了解汽車的工況性能。LCD液晶顯示器利用單片機內(nèi)嵌的控制驅(qū)動器直接驅(qū)動來實現(xiàn)，選用兩片段碼式40×4液晶顯示器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是系統(tǒng)主程序設(shè)計和系統(tǒng)子程序設(shè)計。由于軟件設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中程序比較復(fù)雜，對于本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣系統(tǒng)軟件部分會結(jié)構(gòu)清晰、表述簡潔，避免源代碼的重復(fù)，有利于系統(tǒng)軟件的調(diào)試、連接、修改和移植[6]。其中子程序模塊包括：車速表模塊、CAN收發(fā)模塊、水溫表模塊、液晶顯示模塊和報警信號模塊等。圖 5為系統(tǒng)軟件設(shè)計部分的流程圖，為了使系統(tǒng)具有可移植性、通用性，使用 C語言編寫程序。

CAN通信模塊根據(jù) CAN總線協(xié)議規(guī)范自動負責(zé) CAN總線上數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。包括CAN總線控制器的初始化、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。采用中斷方式接收報文。主控芯片S9S12HA32接收到 CAN總線傳進的信息后，該信息經(jīng)過濾波器的濾波整形處理并放入接收器中，此時系統(tǒng)產(chǎn)生一個接收中斷，并再次等待信號量的到來。這樣傳送來的信息被主控芯片及時傳送到信息存儲器，節(jié)省CPU的資源，同時也不需要報文緩沖。

4 結(jié)束語

基于S9S12HA32主控芯片設(shè)計了一款高性能的汽車數(shù)字式組合儀表。硬件設(shè)計中主要進行了主控芯片、電源電路、CAN總線和步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計。軟件重點設(shè)計了控制軟件的主程序及CAN總線通信模塊。所設(shè)計的組合儀表系統(tǒng)以S9S12HA32的單片機和LCD液晶顯示器替換了之前的模擬儀表板，驅(qū)動裝置方面采用步進電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動磁式及動圈式機芯，提高了組合儀表的精度，實現(xiàn)了對各指針的精確控制。該組合儀表經(jīng)過調(diào)節(jié)測試，運行穩(wěn)定，功能可靠，具有一定的市場推廣價值。

[1]楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：22-37.

[2]馮正斌.基于 CAN總線的汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)設(shè)計[D].山東：山東理工大學(xué)，2011：19-22.

[3]劉源楊，馬建輝，王知學(xué)，等.基于 MC9S12HY32 的電動汽車儀表盤設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，（8）：130-132.

[4]張專成，鄒濤，馮立杰，等.一種基于 CAN 總線的集散型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，2006，（5）：29-31.

[5]曹曉琳，王登峰，車曉鐳，等.汽車 CAN總線數(shù)字組合儀表設(shè)計[J].汽車工程，2010，（1）：86-89.

[6]王知學(xué)，馬建輝，車曉波，等.基于MC9S12XS128的汽車BCM的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2011，（2）：190-192.