基于LPC2292的汽車智能組合儀

0 引言

    汽車儀表是司機(jī)與汽車之間進(jìn)行信息交流的窗口和界面，對(duì)于提高汽車儀表使用壽命，安全和經(jīng)濟(jì)行駛有著積極而重要的作用。本設(shè)計(jì)采用LPC2292嵌入式控制器[1]作為儀表的控制核心，汽車原有傳感器無(wú)需更換，傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送入MCU，經(jīng)MCU處理后的信號(hào)通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)。實(shí)時(shí)顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油位、總里程、子里程等車況參數(shù)，并對(duì)信息進(jìn)行復(fù)雜處理從而為司機(jī)提供平均車速、經(jīng)濟(jì)油耗、剩余油量能跑里程數(shù)等有用信息，同時(shí)，還能對(duì)瞬時(shí)行車信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“黑匣子”功能；對(duì)異常情況實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警提示，且為今后功能擴(kuò)展預(yù)留通訊接口。與傳統(tǒng)汽車儀表相比，該儀表具有功能豐富、可靠性高、精度高、可視性好、通用性強(qiáng)、且有存儲(chǔ)功能、無(wú)機(jī)械磨損、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

隨著汽車電子的網(wǎng)絡(luò)化，CAN總線技術(shù)在汽車領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此，CAN總線、嵌入式就成為汽車儀表未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 汽車儀表的基本結(jié)構(gòu)和功能

汽車智能儀表采集車輛的各種狀態(tài)信息，這些信息包括車速，總、分里程，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，前后橋氣壓，水溫，油量，及油壓力，電瓶電壓，室內(nèi)、室外溫度等。其中一部分信息（車速、轉(zhuǎn)速、氣壓）經(jīng)過(guò)處理后送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)指針，這些信息的變化較其它信息要快且與車輛行使安全密切相關(guān)，用指針顯示既直觀、醒目又符合人的視覺(jué)習(xí)慣。所以，汽車上較常用的有四種指示儀表，即車速里程表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、氣壓表等。分別顯示汽車行駛速度、單里程和總里程數(shù)、汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度及前后橋氣壓等。 另一些變化較慢的信息（電瓶電壓、油量等）通過(guò)數(shù)據(jù)處理及液晶控制模塊在液晶屏上顯示。

汽車智能儀表由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器、鍵盤輸入模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音報(bào)警電路、LCD顯示器等部分構(gòu)成。其原理框圖如圖1所示：

圖1 汽車智能儀表原理框圖

系統(tǒng)采用的微控制器為PHILIPS公司的LPC2292芯片。LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。128KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器；外部8、16或32位總線；4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us；2個(gè)互連的CAN總線接口；2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗；多個(gè)串口接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口（400Hkz）和2個(gè)SPI接口；通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。

其中：車速傳感器及調(diào)理電路模塊[3]包括光電式車速傳感器和車速測(cè)量通道的信號(hào)調(diào)理電阻。車速傳感器將對(duì)應(yīng)于0～200公里/小時(shí)的車速轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率范圍為0～136.3Hz的脈沖信號(hào)；轉(zhuǎn)速傳感器及調(diào)理電路模塊包括脈沖信號(hào)式轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量通道的信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)速傳感器將對(duì)應(yīng)于0～8000轉(zhuǎn)/分鐘的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變換成0～260Hz的頻率信號(hào)；由于車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖頻率信號(hào)，所以與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路的作用是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形、嵌位/限幅，以滿足MCU對(duì)輸入信號(hào)的要求。溫度傳感器采用熱敏電阻式溫度傳感器，用于測(cè)量汽車?yán)鋮s水的溫度，該傳感器將水溫的變化變換成電阻、電壓的變化；液位傳感器采用浮子－可變電阻式液位傳感器，將油位的變化變換成電阻、電壓的變化；水溫和油量傳感器輸出的是模擬信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路為電阻傳輸網(wǎng)絡(luò)，將傳感器的輸出信號(hào)送到LPC2292自帶的A/D輸入端。E2PROM選用93LC46B三線串行電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，其容量為1K×16位，擦除周期為1M次，顯示速度為2ms，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可達(dá)40年，在儀表中用于保存子里程、總里程數(shù)據(jù)以及當(dāng)前車況，并保證掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)消失，起到汽車“黑匣子”作用。

步進(jìn)電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)控制車速表、轉(zhuǎn)速表、前橋氣壓表及后橋氣壓表。

語(yǔ)音模塊主要用來(lái)存儲(chǔ)所有報(bào)警語(yǔ)言，驅(qū)動(dòng)報(bào)警喇叭，當(dāng)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫和油量等參數(shù)超限時(shí)，起語(yǔ)言提示報(bào)警作用。

鍵盤模塊用于人機(jī)交互，接收輸入來(lái)改變儀表的運(yùn)行參數(shù)、儀表的日期時(shí)間設(shè)置、中英文語(yǔ)言切換、分里程清零及顯示屏的切換。

LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、總里程、子里程、日期及時(shí)間、電瓶電壓、各種報(bào)警指示、車內(nèi)溫度、車外溫度等車況參數(shù)。

    CAN通信模塊采用LPC2292內(nèi)置的CAN控制器和獨(dú)立的CAN收發(fā)器PCA82C50構(gòu)成，PCA82C50是Philips公司生產(chǎn)的高速CAN收發(fā)器，能適應(yīng)不同的CAN總線傳輸速率。

2 CAN總線的優(yōu)點(diǎn)及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用[2]

控制局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是德國(guó)Bosh公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。在自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1Mbit/s。CAN網(wǎng)絡(luò)正在不斷地應(yīng)用在汽車電子的各個(gè)方面。CAN總線具有下列主要特征：（1）多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn)；（2）無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的總線仲裁；（3）借助接收濾波的多地址幀傳送；（4）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求；（5）配置靈活性；（6）全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；（7）錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)指令；（8）發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于µC/OS-II的汽車組合儀表采用源代碼開(kāi)放的µC/OS-II作為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過(guò)電機(jī)指針顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛速度、前橋氣壓表、后橋氣壓表4種參數(shù)；通過(guò)LCD屏顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油位、總里程、子里程等車況參數(shù)。

    µC/OS-II是一個(gè)完全免費(fèi)的開(kāi)放源碼的可移植、可裁剪的占先式多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其功能完備、性能可靠、短小精煉，具備多任務(wù)調(diào)度，信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等任務(wù)間通信與同步，時(shí)間管理，簡(jiǎn)單內(nèi)存管理等RTOS內(nèi)核基本服務(wù)功能。它采用優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的占先式多任務(wù)調(diào)度算法[4]。

    根據(jù)前面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能描述，可以將應(yīng)用程序劃分為6個(gè)任務(wù)加上6個(gè)中斷(RTI節(jié)拍中斷屬于系統(tǒng)中斷，其他5個(gè)為用戶中斷)。這6個(gè)任務(wù)分別是：

    (1)報(bào)警顯示任務(wù)：前后燈光、剎車、電源、油量、油溫、水溫等LED報(bào)警；

    (2)里程顯示、存儲(chǔ)任務(wù)：LCD顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、總里程、子里程等車況參數(shù)；

    (3) 步進(jìn)電機(jī)1任務(wù)：轉(zhuǎn)速指針表顯示；

    (4) 步進(jìn)電機(jī)2任務(wù)：車速指針表顯示；

    (5) 步進(jìn)電機(jī)3任務(wù)：前橋氣壓指針表顯示；

    (6) 步進(jìn)電機(jī)4任務(wù)：后橋氣壓指針表顯示。

每個(gè)任務(wù)在建立時(shí)均分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)(范圍為0 ～63, 0為最高，63為最低)。這6個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次分配為1, 2, 3, 4, 5, 6；報(bào)警任務(wù)需要及時(shí)響應(yīng)，具有最高的優(yōu)先級(jí)；而里程顯示、存儲(chǔ)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)必須調(diào)用至少一項(xiàng)系統(tǒng)服務(wù)而暫時(shí)放棄CPU的使用權(quán)，否則低優(yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)法得到運(yùn)行。

任務(wù)的一般結(jié)構(gòu)如下:

void UserTask (void *pdata)

{   for(;;)

    {調(diào)用µC /OS II的某種系統(tǒng)服務(wù):

    OSMboxPend ( )/OSMboxPost ( );        (1)

    OSQPend ( )/OSQPost ( );               (2)

    OSSemPend ( )/OSSemPend ( ):          (3)

    OSTaskDel (OS PRIG SELF);            (4)

    OSTaskSuspend (OS_ PR工OSELF);     (5)

    OSTimeDly( )/OSTimeDlyHMSM();      (6)

    }}

 (1)－(6)是一些主要的系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)，這些函數(shù)里均進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度，或者可能會(huì)使當(dāng)前任務(wù)放棄CPU使用權(quán)而運(yùn)行其他的任務(wù)。用戶任務(wù)必須至少調(diào)用一個(gè)服務(wù)函數(shù)。

另外程序還有5個(gè)用C語(yǔ)言編寫的用戶中斷服務(wù)程序：一個(gè)CAN接收中斷(用于接收總線信息)、4個(gè)定時(shí)器輸出比較中斷(用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的周期性脈沖)。

因此本例程序可以這樣規(guī)劃，首先調(diào)用OSInit（），對(duì)µC /OS-II做初始化，然后創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，因?yàn)楹竺娴娜蝿?wù)都要用到Printp( )函數(shù)，而Printp( )是一個(gè)不可重入函數(shù)，調(diào)用前要防止多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用，這個(gè)信號(hào)量用于保護(hù)Printp()函數(shù)。接著創(chuàng)建6個(gè)任務(wù)，并對(duì)這6個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)，最后調(diào)用OSStart ( )以啟動(dòng)內(nèi)核，于是任務(wù)在操作系統(tǒng)的管理和調(diào)度下運(yùn)行和切換。圖2是程序的簡(jiǎn)要流程圖。

圖2 程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車電氣系統(tǒng)的總線化，高集成、嵌入式、總線化是汽車儀表發(fā)展的必然趨勢(shì)?；?strong>LPC2292的汽車智能組合儀表，實(shí)時(shí)顯示和保存車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油位、總里程、子里程等車況參數(shù)，使汽車具有“黑匣子”功能。并且采用CAN總線建立通信網(wǎng)絡(luò)，集車輛儀表、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音輸出于一體，解決了分開(kāi)安裝不便、可靠性差的缺陷，提高了系統(tǒng)的可靠性。