金 杭，麻友良，南 瓊，謝 磊

（1.武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北武漢 430081；2.武漢保華顯示科技有限公司，湖北武漢 430082）

1 引言

隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，汽車儀表正朝著多功能化，智能化方向發(fā)展，儀表開始廣泛采用液晶屏顯示[1?2]。其中燃油量顯示方式逐步由液晶顯示代替步進電機驅(qū)動的傳統(tǒng)油量顯示方式[3?5]，但此種燃油量顯示方式容易出現(xiàn)如下問題：

（1）汽車在行駛過程中，由于路面起伏變化、坡度、加減速等均會引起油箱內(nèi)燃油液面起伏波動。在這種情況下，由于傳感器采集值變化很大，若實時顯示油量瞬時值會使儀表上油量顯示波動很大，導致油量測量值和顯示值都無法反映油量真實值。

（2）在汽車停車加油后或行駛耗油時，常出現(xiàn)油量顯示值不能及時刷新的現(xiàn)象。

為解決油量估算精確度不高和汽車加油耗油顯示策略[6?8]的問題，研究如下：（1）通過功能需求，設計油量顯示算法；（2）通過模擬和實車測試驗證算法的可行性和有用性。

經(jīng)驗表明在解決以上問題時，通過硬件設計能得到更準確的數(shù)據(jù)采集，而軟件設計方法可對數(shù)據(jù)處理滿足儀表開發(fā)需求，能夠使顯示更加準確。此外需對設計結果進行模擬測試及實車測試，只有通過測試才能確定滿足儀表開發(fā)需求，因此對研究如何硬件設計、軟件算法、模擬測試和實車測試來解決油量估算精確度不高和汽車加油耗油顯示不及時的策略問題，對油量顯示具有重要意義。

2 油量顯示的硬件系統(tǒng)設計

2.1 油量測量與顯示結構

油量測量與顯示結構主要分四部分：油量測量模塊，A/D采樣[9]模塊，控制模塊，輸出模塊，其中A/D采樣模塊與控制模塊集成在芯片內(nèi)，如圖1所示。

圖1 油量測量顯示結構圖Fig.1 The Structure Diagram of the Oil Amount Measurement Display

2.2 油量測量與顯示工作原理

油量測量模塊：燃油傳感器置于油箱內(nèi)部，通過調(diào)節(jié)連桿角度來調(diào)節(jié)自身電阻的滑動變阻器，其連桿端點連接一個漂浮于汽油液面的浮子[10]，如圖2所示。當油箱內(nèi)油量發(fā)生變化時，液面高度發(fā)生變化，浮子的高度也會隨之發(fā)生變化，連桿角度改變，觸點位置變化對應滑動變阻器產(chǎn)生不同的阻值，如表1所示。

圖2 燃油傳感器結構Fig.2 The Oil Sensor Structure

表1 油量與傳感器阻值對應關系Tab.1 The Corresponding Relationship Between Oil Mass and Sensor Resistance

A/D 轉(zhuǎn)換模塊：油量電阻Rx直接接到TP140，電路為DVDD 5V 經(jīng)R79，Rx然后接地，如圖3 所示。經(jīng)A/D 采樣，單片機以5Hz 頻率采集圖3 中AN0 處A/D 電壓值，采用數(shù)學中比例思想，如式（1）所示。

圖3 單A/D采樣電路Fig.3 The Single A/D Sampling Circuit

式中：Rx—油量對應的電阻值；VREF—采樣參考電壓；R79—上拉電阻；R82—分壓電阻；YAD—A/D采樣值，3FF表示10位A/D轉(zhuǎn)換器對應的滿值。實際上，參考電壓VREF存在波動，影響采集A/D準確性，為消除A/D采樣受參考電壓的影響，對A/D采樣電路有改進，如圖4所示。

圖4 差分A/D采樣電路Fig.4 The Sampling Electric Circuit of Difference A/D

和單A/D采樣方法類似，實際有效電路由DVDD 5V，經(jīng)R63，R74，油量電阻Rx，然后接地。單片機對AN0和AN3兩點采樣，得式（2）和式（3），通過兩者相除可消去參考電壓VREF，使所得油量電阻Rx不受參考電壓的影響。

控制模塊：電位器的分壓提供模擬量的輸入計算出油位傳感器電阻值，然后通過油量與傳感器對應阻值關系可得油量的值，如表1、表2所示。

輸出模塊：最終油量數(shù)據(jù)以油量條顯示在TFT（Thin Film Transistor）液晶顯示屏上，其中靠近右側(cè)車速表盤的弧形格子表示剩余油量，如圖5所示。

圖5 油量顯示效果圖和實物圖Fig.5 The Impression and Practicality Drawing of Oil Amount

3 油量算法設計

3.1 油量算法設計流程圖

油量算法流程圖，如圖6所示。

圖6 油量算法流程圖Fig.6 The Oil Algorithm Flow Chart

3.2 油量算法各狀態(tài)策略

系統(tǒng)軟件設計流程包含系統(tǒng)和油量算法初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、結果計算，其中數(shù)據(jù)采集過程包含平均值濾波處理，將當前采樣值與前9次采樣值的和求取平均值。

算法設計主要以車速，轉(zhuǎn)速及IGN 狀態(tài)判斷儀表進入某一工況。

根據(jù)用戶體驗和顯示油量更新速度快慢將響應速度分為快速響應、慢速響應以及怠速響應。各工況算法策略如下：

（1）當儀表IGN OFF→ON時，若油量實際值與油量記憶值的差值超過閾值5L判斷汽車在IGN OFF狀態(tài)下加油，若未超過閾值儀表進入快響應狀態(tài)，將記憶油量值賦給油量顯示值，油量指示到記憶油量位置；若加油超過閾值儀表進入快速響應狀態(tài)，將當前實際油量值賦給油量顯示值，油量指示當前油量位置。

（2）當車速u>0 時，儀表處于慢響應狀態(tài)，燃油實際值在減小，顯示值燃油顯示10s刷新一次，將實際油量值傳遞給油量顯示值；當車速u=0，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速n>0時，儀表處入怠速響應狀態(tài)，儀表按怠速油耗速率相應指標，燃油顯示值100s刷新一次；當車速u=0，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=0 時，則儀表顯示不發(fā)生變化。

（3）糾錯處理是當傳感器采集超過持續(xù)20s非正常數(shù)據(jù)時，將燃油顯示置為無段顯示，表示傳感器故障；修復傳感器后，采集超過持續(xù)20s正常數(shù)據(jù)時，快速響應到實際油量位置，油量表恢復正常顯示。

4 油量測試

油量測試分模擬測試和實車測試。模擬測試是實車測試的前提，在模擬測試時若發(fā)現(xiàn)顯示問題，對軟硬件優(yōu)化能避免實車測試不必要的人力物力浪費。

4.1 模擬測試

模擬測試主要是儀表外接ZX25a型直流電阻箱，通過調(diào)節(jié)精密電阻阻值觀察儀表油量顯示刻度值準確性滿足表2要求，以及油量顯示響應速度快慢來判斷是否滿足常規(guī)測試、加油漏油測試車況模擬測試要求。

表2 油量與LCD顯示對應關系Tab.2 Corresponding Relation Between Oil Mass and LCD Display

常規(guī)測試是針對儀表油量顯示指示準確性和響應快慢及指示燈報警測試。加油漏油測試是針對汽車加油耗油時響應時間及指示準確性來判斷加油漏油是否正常。其中包括IGN OFF是否加油，IGN 切至ON；停車IGN OFF 后是否超過5s，將IGN OFF切至ON，以及IGN ON與IGN OFF兩種狀態(tài)頻繁切換等情況觀察儀表的響應快慢和顯示的準確性。車況模擬測試包括模擬行車路況變化、模擬顛簸路面等測試。

通過對儀表顯示的觀察可知，油量算法能滿足常規(guī)測試、加油漏油測試、車況模擬測試的測試要求，初步驗證了算法的可行性，能解決儀表顯示不夠穩(wěn)定以及儀表顯示刷新不及時的現(xiàn)象。

4.2 實車測試

因整車信號比較復雜且路面情況存在較多隨機性對油量顯示產(chǎn)生各種干擾，因此不能僅依賴于油量模擬測試，需進行實車測試，如圖7所示。

圖7 儀表實車測試圖Fig.7 The Instrument Field Test Chart

測試前儀表顯示區(qū)域顯示油量即時值，即車輛不論處于何種行駛方式，儀表能夠按照取樣周期顯示此時油量值。由測試可知油量波動變化過大情況有兩種：一是油量處于中間波段，即3至6格顯示，油箱內(nèi)有足夠空間使油量浮標擺動；二是油量對應的電阻值變化最小區(qū)間，即1Ω的電阻會造成很大油量變化。

油量實車測試其中一個重要目的就是要找出以上兩種情況所對應的變化區(qū)間。實車測試進行了直路、顛簸路、轉(zhuǎn)彎路及坡路測試。

4.3 測試結果分析

實車測試時，利用CAN 總線分析儀Kvaser Leaf Light V2 來記錄實車測試時的CAN數(shù)據(jù)，然后將記錄的十六進制數(shù)據(jù)在計算機上回放，并提取數(shù)據(jù)中油量顯示部分的數(shù)據(jù)，然后將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

選取典型實車測試若干時間段分析，如圖8 所示。圖形左側(cè)為油量電阻坐標，右側(cè)為實時油量和顯示油量坐標。汽車加滿油時在各個工況下穩(wěn)定時采集數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各工況實車測試油量數(shù)據(jù)Tab.3 The Data of Field Tests of Oil Amount

圖8 實車測試油量變化曲線Fig.8 The Curve of Field Test of Oil Amount

通過跑車測試，可確定油量變化最大的區(qū)間段（如車輛油箱滿值為50L，測試后得知油量值在（41～28）L的區(qū)間段變化最大）和導致油量變化過大的行車方式，此時，可將油量控制在41L到28L這個區(qū)間進行多次測試，根據(jù)記錄的油量變化數(shù)據(jù)和時間。

如圖8在A到B時間區(qū)間內(nèi)，汽車靜止時，實時油量、顯示油量及油量電阻均不變；在B到C時間區(qū)間內(nèi)，IGN ON后，汽車進入怠速模式，實時油量值，顯示油量在短時間內(nèi)，有微小幅度下降，油量電阻有微小幅度的上升；C時刻慢速啟動在D前后減速行駛2s，減速結束到E時刻時汽車加速度不斷增大，實時油量下降很快，油量電阻相反增加很快，顯示油量沒有變化；在E到F時間區(qū)間內(nèi)，汽車加速度基本上保持不變，實時油量和油量電阻較穩(wěn)定的顯示，在F到G時間區(qū)間內(nèi)加速度減小，實時油量值變大，油量電阻減小；類似的在G到H時間區(qū)間內(nèi)，加速度值不斷變化引起實時油量和油量電阻波動，但顯示油量按著較理想曲線下降。

如表3所示，當汽車處于勻速直線和怠速時，油箱狀態(tài)比較平穩(wěn)，儀表顯示值與實際油量值的差距很小，顯示誤差分別為0.02%與0.16%；當汽車處于上坡和加速時，油箱傾斜，使浮子的液面高度降低，使顯示油量值變小，顯示值的誤差分別為1.12%和1.01%；當汽車處于下坡和減速時，油箱傾斜，浮子液面升高導致顯示油量值變大，顯示誤差分別為1.11%和1.04%。當儀表以油量格顯示時，對顯示不會造成顯示錯位的現(xiàn)象。綜上分析，汽車在各工況油量顯示誤差都在誤差允許范圍內(nèi)，能滿足儀表開發(fā)要求。

5 結束語

基于硬件設計以及軟件算法，模擬和實車測試來研究汽車油量液晶顯示不夠準確、精確度不高的問題，具體可得出以下結論：

（1）A/D 采集硬件優(yōu)化設計能提高A/D 采樣精度，對提高油量顯示精度有重要意義。（2）軟件設計的控制策略能解決油量顯示不夠準確，精度不高的問題。（3）模擬測試能初步驗證軟件與硬件設計的合理性，為實車測試提供有利的參考。（4）在各種路況下，顯示油量數(shù)值大小能在實時油量瞬時波動很大的時候保持不變，且在整個實車測試過程中呈現(xiàn)平穩(wěn)的下降趨勢，曲線比較理想；顯示油量值相對于實際油量值的誤差較小，精確度較高。

綜上可知，通過軟硬件的優(yōu)化設計，以及實車驗證，能為汽車油量液晶顯示提供借鑒。