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基于單片機(jī)的汽車(chē)組合電子儀表

時(shí)間:2008-10-30 11:36:00來(lái)源:dujing

導(dǎo)語(yǔ):?本文介紹的設(shè)計(jì)是關(guān)于一個(gè)基于Freescale單片機(jī)的汽車(chē)組合儀表板。面向的是目前市場(chǎng)上占主流地位的傳統(tǒng)汽車(chē),并引用長(zhǎng)安車(chē)的儀表為模板,目的主要在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)汽車(chē)組合電子儀表板的低端方案。
儀表是人和汽車(chē)的交互界面,為駕駛員提供所需的汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息,是每一輛汽車(chē)必不可少的部件。儀表顯示的直觀與美觀使得駕駛不但是代步之必需,也成為舒適生活的一部分,而參數(shù)傳遞的準(zhǔn)確與可靠性則直接關(guān)系到汽車(chē)行駛的安全。 現(xiàn)代儀表最突出的特點(diǎn)是功能的模塊化,通常要組裝一塊儀表,只需將幾個(gè)功能模塊在定制PCB的基礎(chǔ)上聯(lián)合起來(lái),就可以得到一個(gè)完整的系統(tǒng)。長(zhǎng)安等經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)的指針儀表一般為獨(dú)立的模塊,提示/報(bào)警功能由PCB上的小燈泡完成。SANTANA系列的指針由印刷電路板上的十字線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng),提示/報(bào)警燈全部是發(fā)光二極管。轎車(chē)的儀表板上顯示的主要數(shù)據(jù)、來(lái)源及對(duì)應(yīng)顯示方式如下表(根據(jù)SANTANA2000): [align=center]表1 [img=208,156]http://www.e-works.net.cn/images/128002109448437500.GIF[/img][/align] 可見(jiàn)目前的汽車(chē)儀表尚以機(jī)械式為主,通訊方式以線(xiàn)束為主。這種模式最大的弊病是過(guò)于依賴(lài)線(xiàn)束,導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜。 隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,尚有極大潛力的汽車(chē)電子市場(chǎng)正日漸受到各大汽車(chē)生產(chǎn)商與電子產(chǎn)品供應(yīng)商的關(guān)注,這其中包括尚處于開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)階段的清潔能源汽車(chē)、目前由***占據(jù)世界市場(chǎng)領(lǐng)袖地位的車(chē)載音響設(shè)備、前途無(wú)量的車(chē)載計(jì)算機(jī)信息終端設(shè)備以及形形色色的車(chē)內(nèi)電控單元,如發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、ABS、總線(xiàn)、新型電子儀表等。 對(duì)汽車(chē)儀表而言,使用電子式儀表板較之傳統(tǒng)儀表的優(yōu)勢(shì)在于:
    [*]硬件功能的軟件化
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,微處理器的處理速度越來(lái)越快。一些實(shí)時(shí)性要求高,原本由硬件完成的功能,就完全可以通過(guò)對(duì)微處理器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    [*]系統(tǒng)集成度大大提高
在大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的今天,集成電路的密度越來(lái)越高,體積越來(lái)越小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,功能也越來(lái)越強(qiáng)大。隨著儀表的部分功能硬件不斷地被軟件取代,整個(gè)系統(tǒng)的集成度也在相應(yīng)提高。 本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于Freescale單片機(jī)的汽車(chē)組合儀表板。面向的是目前市場(chǎng)上占主流地位的傳統(tǒng)汽車(chē),并引用長(zhǎng)安車(chē)的儀表為模板,目的主要在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)汽車(chē)組合電子儀表板的低端方案。 1、設(shè)計(jì)概述 本方案的對(duì)象主要包括車(chē)速、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、里程、時(shí)間以及一些提示/報(bào)警燈信號(hào),分別體現(xiàn)在車(chē)速表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、油壓表、水溫表(指針)以及里程表上。其中,里程表定時(shí)記錄車(chē)速信號(hào),在行車(chē)時(shí)間內(nèi)做數(shù)值積分,得到行駛公里數(shù),作為里程保存在用戶(hù)Flash中。定時(shí)(1s)對(duì)里程數(shù)據(jù)做累加。 由于本設(shè)計(jì)面向的是大眾化的傳統(tǒng)汽車(chē),成本成為器件選用的最重要標(biāo)準(zhǔn)。在微控制器的選型上,我們并未考慮前途光明但目前尚未普及的CAN總線(xiàn),而是選擇了自帶液晶驅(qū)動(dòng)的8位微控制器LJ12。 MC68HC908LJ12是Freescale單片機(jī)908家族的一員,其主要參數(shù)與功能模塊如下: • 8M的最大總線(xiàn)頻率; • 12k用戶(hù)Flash; • 512b RAM; • 兩個(gè)獨(dú)立雙通道定時(shí)器模塊; • 內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可記錄年、月、日、時(shí)、分、秒; • SCI與SPI通信模塊; • 6通道10位A/D; • LCD模塊,可驅(qū)動(dòng)27×3或26×4的筆段式液晶模塊。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33970是Freescale模擬家族的一員,內(nèi)含6個(gè)寄存器,由SPI寫(xiě)入命令狀態(tài)字,分別是配置/校準(zhǔn)寄存器、指針?biāo)俣燃拇嫫鳌⒅羔?/1位置寄存器、指針回零寄存器、歸零設(shè)置寄存器。MC33970的特點(diǎn): • 兼容MMT認(rèn)證的兩相步進(jìn)電機(jī); • 指針可停留在4095個(gè)穩(wěn)定的位置; • 最大轉(zhuǎn)角340°; • 最大加速度4500 deg/s2; • 最大速度400 deg/s; • 模擬微步(指針運(yùn)動(dòng)12步為1°); • 指針校準(zhǔn)與回零; • SPI控制,16位命令字; • 內(nèi)部校準(zhǔn)時(shí)鐘; • 睡眠模式低電流。 2、硬件描述 [align=center][img=327,239]http://www.e-works.net.cn/images/128002110303906250.GIF[/img] 圖1[/align] LJ12芯片內(nèi)部有豐富的硬件資源,我們做了如下配置: • PLL:外部晶振32.768k;內(nèi)部總線(xiàn)倍頻至4M; • SCI:用于上位機(jī)通訊,比特率9600,中斷方式; • SPI:時(shí)鐘1M,作為MC33970的控制,用兩個(gè)通用管腳作為SPI的片選信號(hào); • LCD:使用26×4模式,即26前極、4背極的模式,動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng);因?yàn)樵O(shè)計(jì)中用到6位LCD模塊,所以使用FP1~FP12、BP0~BP3已經(jīng)足夠; • Flash:利用常駐內(nèi)存函數(shù)(ROM-Resident Routine)將里程數(shù)據(jù)以32位數(shù)據(jù)的形式保存于用戶(hù)閃存中。 選取SWITEC公司出品的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器。六位筆段式動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)液晶模塊,用于里程,單次里程或時(shí)間日期的顯示。出于習(xí)慣,汽車(chē)儀表需要一直保持帶電狀態(tài),無(wú)需重置時(shí)間參數(shù),為了方便演示,用兩個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)LCD顯示模式的切換。六個(gè)發(fā)光二極管分別用于顯示制動(dòng)、危險(xiǎn)、機(jī)油壓力、電瓶、發(fā)動(dòng)機(jī)以及空檔信息,利用MC1413作為發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)。 MC33970由微控制器的SPI直接驅(qū)動(dòng);車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為脈寬調(diào)制信號(hào)或來(lái)自串口輸入,通過(guò)定時(shí)器模塊的輸入捕捉功能得到其頻率,換算得數(shù)據(jù)。 (1) 電源及掉電保護(hù) 輸入端使用7805。為了在掉電的時(shí)候也可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù),在電源地輸入端加一個(gè)1000uF或兩個(gè)470uF的電解電容。電源斷開(kāi)的時(shí)候在IRQ管腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào),大電容可以維持單片機(jī)電源足夠長(zhǎng)的時(shí)間,使得單片機(jī)可以完成外部中斷的服務(wù)程序。 (2)調(diào)理電路 為了改善波形,在定時(shí)器管腳外添加了調(diào)理電路。 (3)整體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)面向的是市場(chǎng)上的中低檔轎車(chē),為了表現(xiàn)這個(gè)初衷,根據(jù)長(zhǎng)安轎車(chē)的儀表外殼及內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)了儀表的PCB,并重新布局。 [align=center][img=337,137]http://www.e-works.net.cn/images/128002110882656250.GIF[/img] 圖2 系統(tǒng)框圖[/align] 3、 軟件描述 (1) 初始化函數(shù) 內(nèi)部總線(xiàn)倍頻至4M;設(shè)置定時(shí)器模塊的通道為捕捉功能;SCI波特率9600,開(kāi)接收中斷;SPI時(shí)鐘頻率1M;LCD模塊26×4模式;使能Real Time Clock模塊;MC33970與指針初始化;從用戶(hù)Flash中讀取先前記錄的里程數(shù)據(jù),并根據(jù)ODO/TRIP信號(hào)加以顯示。 (2) 中斷服務(wù)程序 • 外部中斷:斷電后短時(shí)間內(nèi)利用大電容的放電使指針回零。 • SCI中斷:遵循一定的上位機(jī)協(xié)議,接受命令,改變LCD顯示內(nèi)容;改變車(chē)速和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 • RTC中斷:每秒記錄一次里程數(shù)據(jù);根據(jù)車(chē)速信號(hào)換算里程數(shù)據(jù)。  (3) 主函數(shù) 定時(shí)讀取里程數(shù)據(jù),并在LCD上顯示;每一次主循環(huán)結(jié)束的時(shí)候重啟WATCHDOG;當(dāng)車(chē)速或轉(zhuǎn)速信號(hào)改變之后通過(guò)指針位置的變化作出反應(yīng)。 [align=center][img=500,387]http://www.e-works.net.cn/images/128002111134218750.GIF[/img] 圖3 主程序流程圖[/align] 以下是SWITEC公司出品的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片x15.089與MC33970的簡(jiǎn)單比較,然后得出結(jié)論。
    [*]卓越的性能
下表是二者的性能比較,其中響應(yīng)的實(shí)時(shí)性好是MC33970最大的優(yōu)勢(shì):
表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片x15.089和MC33970性能的比較[img=500,126]http://www.e-works.net.cn/images/128002111715781250.GIF[/img]
    [*]緊湊的結(jié)構(gòu)
x15.089的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)是由微控制器的兩個(gè)管腳控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī),其中一個(gè)管腳輸出方向控制信號(hào),另一個(gè)管腳輸出脈沖。所以對(duì)應(yīng)控制每一路電機(jī)需要兩個(gè)單片機(jī)管腳,控制4路需要8個(gè)單片機(jī)的通用IO口。 MC33970則不同,由SPI輸入命令字,即可控制兩路步進(jìn)電機(jī);需要4路步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候,使用兩片MC33970,但只需增加一根片選信號(hào)。這樣總共只需要SPI模塊和兩個(gè)通用IO,從而節(jié)省了單片機(jī)的資源。
    [*]有競(jìng)爭(zhēng)力的成本(數(shù)據(jù)由www.freescale.com獲得)
單片機(jī)LJ12大于10000片價(jià)格為單片RMB20,且由于內(nèi)嵌了LCD控制驅(qū)動(dòng)器,無(wú)需外加SED1335一類(lèi)的液晶驅(qū)動(dòng)器。    MC33970大于10000片價(jià)格為單片$1.3,RMB13,性?xún)r(jià)比高。 相比之下,SWITEC步進(jìn)電機(jī)312.017單價(jià)RMB18左右,驅(qū)動(dòng)芯片x15.089單價(jià)RMB16左右。 下面是一個(gè)成本估計(jì)的簡(jiǎn)表: [align=center]表3 成本估計(jì)簡(jiǎn)表 [img=494,172]http://www.e-works.net.cn/images/128002112262500000.GIF[/img][/align] 由上可以看出,在批量生產(chǎn)的情況下,作為一個(gè)全數(shù)字式系統(tǒng),其總成本低于RMB150,大約在RMB120~140之間,具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。 4、結(jié)論 該方案是一個(gè)基于Freescale微控制器的汽車(chē)電子儀表板的低端方案,面向各種經(jīng)濟(jì)型汽車(chē),具有功能齊備、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的特點(diǎn),會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。

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