劉 侃，滿慶豐

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

電動汽車作為綠色交通工具，采用電能取代石油等化石燃料作為動力，是一種未來交通的長遠解決方案[1]。電動車儀表盤作為電動車與駕駛人員的信息交互顯示平臺，是適應電動車數(shù)字化、信息化發(fā)展的高新技術產(chǎn)品，負責顯示指示燈狀態(tài)、行駛速度、故障報警等實時信息以及電源電壓、電流、電量等電池數(shù)據(jù)。

MC9S12HY64是適用于車載儀器的16位微處理器，提供步進電機控制器、CAN控制器等豐富的芯片資源，具有良好的穩(wěn)定性及擴展能力，適合作為電動車儀表盤處理器。該儀表盤設計基于MC9S12HY64芯片的資源特點和外圍功能模塊，采用步進電機式全數(shù)字儀表盤的主流設計方案[2],具有線路布局簡單、軟件運行高效的實用優(yōu)勢，能夠顯示速度、指示燈、故障報警、運行里程等行駛信息以及電源電壓、電流、剩余電量和續(xù)航時間等電池信息，可采用硬件信號和模擬信號雙輸入模式，并通過CAN總線與電池設備、車速檢測設備進行數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過實驗測試，該儀表盤各功能運行穩(wěn)定，能夠正確處理顯示各項實時數(shù)據(jù)，并能與實驗室研發(fā)的純電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)正常通信，具有很高的實用價值。

1 儀表盤總體結構設計

1.1 MC9S12HY64芯片

MC9S12HY64采用薄型四方扁平式封裝技術，提供100管腳、64管腳兩種選擇。它采用32 MHz總線頻率的HCS12 內核，提供豐富的指令系統(tǒng)和強大的運算能力，片內擁有64 KB程序閃存、4 KB數(shù)據(jù)閃存以及4 KB隨機存儲。集成了豐富的外圍資源，適用于電動車儀表盤設計。芯片外圍功能模塊介紹如下[3]：

(1)4個步進電機控制器，及大電流驅動管腳；

(2)40×4字段式LCD控制器；

(3)8通道10位分辨率模數(shù)轉換器；

(4)2個增強型捕捉定時器；

(5)MSCAN控制器模塊，支持CAN2.0A/B；

(6)SPI、SCI、I2C接口；

(7)8通道8位或4通道16位的PWM調制模塊。

1.2 總體結構設計

儀表盤以MC9S12HY64處理器為核心控制單元，由數(shù)字顯示、指針顯示、故障報警、數(shù)據(jù)通信4個模塊組成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 儀表盤總體結構

以LED、十段數(shù)碼管、液晶顯示器作為數(shù)字顯示模塊，負責指示燈系統(tǒng)以及電池電量、續(xù)航時間、行駛里程的數(shù)碼顯示；以VID29步進電機作為指針顯示模塊，作為車速表、電源電壓表和電流表；以蜂鳴器、LED作為故障報警模塊，負責故障報警及信息提醒。儀表控制數(shù)據(jù)有2種輸入模式：硬件開關I/O中斷信號輸入以及模擬控制面板SCI串行通信輸入。儀表通信模塊以CAN總線與電池管理系統(tǒng)和車速檢測系統(tǒng)實現(xiàn)實時通信，獲取電池信息以及車速信息，并可以通過CAN進行功能擴展。

2 主要功能模塊設計

2.1 芯片供電與下載模塊

MC9S12HY64芯片接收4.5～5.5 V供電電壓。目前汽車蓄電池普遍提供的電源電壓是12 V[4],儀表盤采用實驗室研發(fā)的純電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)輸出的12 V車載電壓。考慮到電池技術被視為電動車最主要的難關，該儀表盤設計雙供電模式，主模式電壓來源于電池設備12 V輸出電壓，通過LM2940芯片以及穩(wěn)壓濾波電路將12 V電壓轉為5 V電壓。輔助模式采用5 V備用電源，手動開啟，負責車載電池故障時輔助供電。

儀表盤為芯片提供開源BDM(Background Debug Mode)下載調試器，BDM背景調試模式是當前MCU普遍采用的調試方式之一。BDM串行接口通過BKGD引腳和外部主機進行通信，采用單線通信協(xié)議。下載口由6腳排針構成，儀表盤與BDM調試器相連接即可實現(xiàn)芯片BDM的調試功能[5],同時為系統(tǒng)設置復位鍵。電路設計如圖2所示。下載器的設置不僅可用于早期系統(tǒng)開發(fā)，也可實現(xiàn)儀表盤使用中的硬件維護、功能更新和系統(tǒng)升級。

圖2 下載器電路原理圖

2.2 數(shù)字顯示模塊

圖3 液晶屏控制電路圖

數(shù)字顯示模塊的信號采用雙輸入模式，主模式信號來源于硬件開關觸發(fā)中斷。在硬件信號之外設計了由C#語言編寫的虛擬控制面板，提供模擬輔助信號，可實現(xiàn)面板燈、車燈、液晶復位等功能模擬控制，通過RS232串行通信協(xié)議與MC9S12HY64提供的SCI接口通信，采用中斷控制。MC9S12HY64芯片提供SCI模塊、集成波特率寄存器、控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器，可方便地實現(xiàn)串口控制和數(shù)據(jù)收發(fā)。SCI初始化設置如下：

void INIT_SCI(void) {

SCIBD = 8000000/16/9600;//設置SCI波特率為9600

SCICR1 = 0x00;//設置SCI為正常模式，8位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗

SCICR2 = 0x2c;} //允許收發(fā)數(shù)據(jù)，允許接收中斷

2.3 步進電機控制模塊

指針顯示模塊提供車輛運行時最重要的3個參數(shù)：車速、電池電壓、供電電流。儀表盤使用VID29-05p步進電機。該步進電機具有兩相四線，經(jīng)三級齒輪減速轉動。儀表盤采用低功耗模式5 V輸入電壓，驅動電流需求小于20 mA.MC9S12HY64具有步進電機控制器，含16個大電流管腳直接驅動步進電機，可提供最大50 mV的電流供應，符合應用要求，所以硬件設計用引線與步進電機直連。系統(tǒng)中設計了車速表、電壓表、電流表顯示車輛及電池相關信息，如圖4所示，M1、M2、M3分別驅動車速表、電流表和電壓表。步進電機的直接驅動使得硬件設計更為簡單，線路布局更加方便，與傳統(tǒng)步進電機驅動方式相比更為簡單高效。

圖4 步進電機電路原理圖

void MC_INIT(void){

MCCTL0_MCPRE =0x03;//設置1/8的預分頻

MCCTL0_FAST = 0; //設置11位分辨率

MCCTL1_RECIRC = 0;//高電平翻轉

MCCTL1_MCTOIE = 0;//禁止定時器溢出中斷

MCCC0_MCAM = 0x01; //左對齊PWM輸出

MCCC0_MCOM =0x03; //雙全橋模式

MCPER= 0x700;//分頻定時器初始化

MCCTL0_MCTOIF = 1;} //定時器溢出標志清0

3 CAN總線通信

CAN 總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[6],特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境，因為逐漸成為汽車總線的代名詞[7]。該儀表盤作為CAN總線一個節(jié)點，與電池設備、速度采集設備進行數(shù)據(jù)交互，并且可通過增加節(jié)點擴展所需功能。CAN節(jié)點由微處理器、CAN 控制器和CAN 收發(fā)器組成，MC9S12HY64芯片集成了MSCAN控制器，將MSCAN管腳直連CAN收發(fā)器TJA1050芯片即可實現(xiàn)通信。

以電池設備通信為例介紹軟件流程，CAN總線與汽車電池通過雙絞線連接，采用CAN2.0B擴展格式。CAN總線采用報文傳輸，包含數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀4種不同的幀格式[8]。在此采用標準幀格式，在軟件中定義了報文結構體Can_msg，包括仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域所需變量。表1和表2分別列出了報文標識符協(xié)議和報文數(shù)據(jù)協(xié)議。

表1 報文標識符協(xié)議

表2 報文數(shù)據(jù)協(xié)議

CAN通信軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)接收3個部分組成，初始化模塊配置MSCAN控制器初始信息，設置波特率為250 kb/s，設置CAN控制器為一般運行模式、使用總線時鐘源。芯片定時器每隔100 ms產(chǎn)生定時中斷，儀表盤向電池設備發(fā)出數(shù)據(jù)請求。儀表盤CAN總線接收到報文數(shù)據(jù)，讀取標志位和數(shù)據(jù)信息，根據(jù)接收數(shù)據(jù)控制儀表盤行為。軟件控制流程如圖5所示。

圖5 電池信息通信流程圖

4 結束語

采用MC9S12HY64作為處理器設計一款電動汽車儀表盤，實現(xiàn)了更為簡潔的軟硬件結構。該儀表盤根據(jù)芯片特性和應用要點，實現(xiàn)了芯片控制、數(shù)字顯示、步進電機控制等功能，并且通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過實驗驗證該儀表盤能夠接收和處理各種控制信號，運行穩(wěn)定，功能可靠，控制精度更為準確，具有實用價值。

參考文獻：

[1] SMITH M.Batteries versus biomass as a transport solution.Nature.2009,457(7231):785.

[2] 楊忠敏.汽車儀表的發(fā)展現(xiàn)狀.汽車電器,2004(4):1-3.

[3] Freescale semiconductor.MC9S12HY64 Reference Manual Covers MC9S12HY/HAFamily[EB/OL] .[2013-10-11] .http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/MC9S12HY64-RMV1.pdf.

[4] 趙福堂.汽車電器與電子設備.北京:北京理工大學出版社,2005.

[5] 孫同景.Freescale9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術.北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[6] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術.北京：北京航空航天大學出版社,2003.

[7] 楊建軍.CAN總線技術在汽車中的應用.上海汽車,2007(6):32-35.

[8] 歐陽琰，王貴槐，陳先橋，等.基于CAN總線的汽車儀表盤電控單元設計.武漢理工大學學報,2007,31(9):78-81.