引言
隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，其在我國制造業(yè)界的龍頭地位越來越明顯。為進一步增加汽車生產(chǎn)的國產(chǎn)化程度，作為汽車核心技術(shù)的自主產(chǎn)權(quán)就迫切地提到我國汽車發(fā)展的戰(zhàn)略日程上來。
帶CAN總線的車載儀表系統(tǒng)就是基于這一理念，迎合當(dāng)今潮流，在眾多國內(nèi)汽車制造商的急切關(guān)注下，作為我國汽車業(yè)的一項科技含量高起點的自主技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品研發(fā)出來。該電子系統(tǒng)的特殊優(yōu)點 其一， 它將以前的模擬組合的各分離式儀表 數(shù)字化式的統(tǒng)一管理起來。在 提高了儀表的穩(wěn)定性、 精度，提高了儀表壽命的同時 大大地降低了制造成本；其二, 它在汽車儀表內(nèi)引入了CAN總線,將系統(tǒng)設(shè)計成 開放式,易嵌入式的結(jié)構(gòu)，在減少了系統(tǒng)的線索， 提高了系統(tǒng)抗干擾性的同時,大大地增加了系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流量, 保正了車載儀表的實時性。 簡化了儀表系統(tǒng)和汽車中央控制中心的接口。
已研發(fā)出來的該套電子儀表系統(tǒng),不緊填補了我國車載儀表無全數(shù)字化的空白，同時它也是一個有著廣泛的市場行情,可持續(xù)性發(fā)展的企業(yè)項目。
車載儀表系統(tǒng)要處理的參數(shù)和硬件工作原理框圖
一 車載儀表系統(tǒng)要處理和顯示的參數(shù)
該儀表系統(tǒng)是被安置在駕駛員和方向盤前,主要是向駕駛員集中提供行進中的車輛的行駛狀況。
車輛的行駛狀況在此表述為一系列參數(shù)。 這其中一的些參數(shù)須以表針的形式實時的指示給駕駛員,另外的一些參數(shù)須以數(shù)字形式實時的顯示給駕駛員。
本儀表系統(tǒng)設(shè)計成一個總表盤。 總表盤上要以表針指示的主要參數(shù)有：1） 發(fā)動機冷卻水的溫度、2）油箱中的油量、3）發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、 4） 汽車實時行使速度。
儀表盤上要以液晶顯示的參數(shù)有： 1） 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、 2）汽車實時行使速度、 3）行車時間和車行總里程(此片 液晶片上所顯示的數(shù)據(jù)可以翻 頁)。 電路最大可同時點亮16位液晶數(shù)碼管，此外 儀表盤上還要有各向車行方向指示燈、轉(zhuǎn)向燈、儀表盤背光顯示燈等。
該儀表系統(tǒng)的主要工作、任務(wù)是： 通過溫度傳感器將汽車發(fā)動機冷卻水的溫度、 通過油浮子 或 磁浮開關(guān)傳感器將汽車油箱中的余油量、 通過高速、 低速 霍爾傳感器將汽車內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和汽車的實時行使速度轉(zhuǎn)換為脈沖周期, 經(jīng)過CPU 的A/D轉(zhuǎn)換處理 和CCP的脈寬捕捉處理, 處理結(jié)果 用四個步進電機帶動四個表針，實時地指示給車駕駛員, 同時 發(fā)動機轉(zhuǎn)速,車行駛速度,車行駛里程,三個參數(shù)還須以液晶數(shù)碼管，可數(shù)字式地顯示出來。此外汽車的門控制顯示燈，左右轉(zhuǎn)向, 前后行駛, 以及汽車的剎車燈, 當(dāng)環(huán)境光線暗下后 儀表盤須制動開啟的背光燈等,都須以發(fā)光管的形式反應(yīng)到儀表盤上。此外系統(tǒng)還需每隔一段時間記錄并同時備份一次行車?yán)锍虜?shù)到串行存儲器中。
二 車載儀表系統(tǒng)硬件電路工作原理和原理圖
本系統(tǒng)中心選型的單片機 是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的工業(yè)級PIC18F458。可以說, PIC18F458是一款專為車載儀表系統(tǒng) 量身訂定做的單片機。 雖然CPU PIC18F458的外圍接口是8位的, 但內(nèi)核總線結(jié)構(gòu)確是16位的。準(zhǔn)確的說 PIC18F458是一款準(zhǔn)16位單片機，即 它既具有8位單片機接口簡單特點 同時 它又具備16位單片機的運算能力。
該單片機指令系統(tǒng)采用流水指令, 且內(nèi)部集成了8位硬乘法器, 所以該款單片機運算速度快, CPU強壯,彌補了低檔PIC系列單片機運算能力不足的缺點。且I/O口的驅(qū)動電流大于2mA, 可直接用于驅(qū)動數(shù)碼管, CPU芯片帶載能力極強。另外該單片機還可進行8路，十位精度的A/D轉(zhuǎn)換。該款單片機的程序和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)較一般的單片機有所不同, 其空間設(shè)計的都特別大, 總體來說,有4K的數(shù)據(jù)存儲器 和2M的程序存儲器空間, 內(nèi)存空間為哈福結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)空間和程序空間可獨立尋址。 就4K的數(shù)據(jù)存儲器管理而言,分為16個頁面,每頁面為256個字節(jié)。 2M的程序存儲器空間管理,類似于8088/8086,2M的程序存儲器空間管理,分為堆棧和物理地址二個部分(因篇幅,這里不展開敘說)。這款單片機內(nèi)存管理有很有特點, 之所以這樣做,不單單是為了增加內(nèi)存空間,更為重要的是有利于嵌入式操作系統(tǒng)的移植。就這款單片機而言, 系統(tǒng)如采用目前較流行的商用嵌入式操作系統(tǒng)則無需外擴存儲芯片。
該款單片機專為車載儀表設(shè)計,它包含了一般16位單片機所含的內(nèi)核的同時, 它的內(nèi)部還封裝了一個256字節(jié)的可用電擦除的串行存儲器。雖然該存儲器采用SOC封裝,和CPU內(nèi)核封裝在同一芯片內(nèi), 但接口仍采用I2C總線的方式。本儀表系統(tǒng)設(shè)計,因需要,外擴了一片F(xiàn)LASH串行存儲器24LC01,以記錄一些較重要的車輛信息。 用I2C總線的方式向24LC01寫數(shù)據(jù)的同時可以鏡象復(fù)制一份數(shù)據(jù)到該CPU芯 片內(nèi)的 串行存儲器中,這樣可以將重要的數(shù)據(jù)保二份,一份在CPU內(nèi),一份在CPU外。這樣既防止了重要數(shù)據(jù)丟失,也防止了車輛信息數(shù)據(jù)被人為做假。下面分五個子圖簡介該車載儀表電子系統(tǒng)的工作原理和具體的實現(xiàn)電路。
1）CPU單片機 PIC18F458應(yīng)用工作原理系統(tǒng)圖和接線圖
圖一CPU單片機 PIC18F458應(yīng)用系統(tǒng)接線圖：
（ 圖 一 ）
注: CCP1為脈沖寬度捕捉器,ECCP1為增強型脈沖寬度捕捉器
圖一為CPU工作原理與系統(tǒng)電路圖, 該電路系統(tǒng)由單片機芯片 U1和七大電路模塊組成。本系統(tǒng)選用的單片機是PIC18F458, DIP封裝，四十個管腳。 從U1圖表的標(biāo)識中可以較直觀地、大至地看出U1芯片 各管腳的功能。七大模塊是： 一， 四個儀表步進電機控制模塊、二，雙脈寬信號捕捉模塊、三，液晶顯示模塊、四，CAN收發(fā)驅(qū)動模塊、五，儀表鍵盤擴展模塊、六，信號指示燈控制模塊、七，A/D轉(zhuǎn)換控制模塊。系統(tǒng)還擴展了一片24LC01B，F(xiàn)LASH串行存儲器,該串行存儲器通過I2C總線和CPU相連，用來記錄汽車的身份，行車總里程等。圖中Q1是STO-23封裝的單片機的上電復(fù)模塊。
儀表步進電機控制模塊用的是MOTOROALTER公司 專為驅(qū)動儀表指針的步進電機設(shè)計的專用芯片XI2027。該芯片帶載能力強，可同時驅(qū)動四個帶儀表指針的步進電機。本系統(tǒng)用它驅(qū)動顯示汽車車速的步進電機；顯示汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的步進電機；顯示汽車?yán)鋮s水溫的步進電機；顯示汽車車箱油位步進電機。
兩路脈寬信號捕捉模塊是本電子系統(tǒng)的工作中心。汽車車速和汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速是該儀表系統(tǒng)關(guān)于車況要重點顯示的參數(shù)。選擇PIC18F458為控制中心的原因之一是該單片機有二路脈寬信號捕捉器,一路為普通脈寬信號捕捉器 CCP1，另一路為增強型高速脈寬信號捕捉器 ECCP1，本系統(tǒng)正是很好的利用了PIC18F458單片機這一特點，通過應(yīng)用霍爾傳感器，用CCP1測量轉(zhuǎn)動較慢的汽車車速；用ECCP1測量轉(zhuǎn)動較快的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速，將汽車車速、汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速和步進電機帶動的儀表對應(yīng)顯示出來。
液晶顯示模塊用的是PHILIPS公司的HT1621B液晶驅(qū)動芯片，該芯片可同時驅(qū)動八個液晶數(shù)碼管。
系統(tǒng)較傳統(tǒng)儀表先進的是引入CAN總線結(jié)構(gòu)，選擇PIC18F458為控制中心的原因之二是該單片機內(nèi)部集成了CAN控制器。選擇PIC18F458，這抬高了電子儀表系統(tǒng)的技術(shù)含量的同時大大地節(jié)省了單片機外圍接口電路，單片機外圍只需擴展CAN驅(qū)動電路而無需復(fù)雜的控制電路。該電子系統(tǒng)可脫離CAN總線獨立工作。
選擇PIC18F458為控制中心的原因之三是該單片機有8個十位精度 A/D轉(zhuǎn)換接口。特別要提的是一路通過傳感器測量油箱中液位A/D轉(zhuǎn)換，另一路通過傳感器測量車?yán)鋮s水溫度 A/D轉(zhuǎn)換。此外還有光強等等。
為了節(jié)約單片機 I/O 資源，系統(tǒng)鍵盤采用了譯碼的擴展方式，擴展了74LS148譯碼芯片。信號燈控制模塊用于驅(qū)動各車行方向指示燈和背光燈的顯示控制等。
2）步進電機的控制模塊工作原理和接線圖
本儀表盤上使用的電機是 SWATCH 公司生產(chǎn)的 M-S MOTOR。該電機設(shè)計精巧,結(jié)構(gòu)簡單,價廉物美,可以應(yīng)用于各種儀表場合,是目前廣泛運用的十字交叉線圈儀表電機的替代品。其結(jié)構(gòu) 可參閱SWATCH的說明書 。原理： 該電機的電動轉(zhuǎn)子由二個平行的帶磁鐵心的線圈驅(qū)動，接口 電路圖上標(biāo)為Stepmotor，步進電機接口。脈沖驅(qū)動線圈帶動電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，每經(jīng)過一脈沖序列的驅(qū)動，電動機轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn) 600 ，總共傳動速比為 1:180，也就是說，每經(jīng)過一脈沖序列，指針轉(zhuǎn)動 1/30。M-S MOTOR步進電機的線圈驅(qū)動電流僅需 20mA，能耗低。
圖二 儀表系統(tǒng)電機驅(qū)動接口電路圖：
（ 圖 二 ）
本儀表系統(tǒng)選用的電機驅(qū)動模塊 如圖二。 芯片U4 X12027。U4 X12027 是MOTOROALTER公司 專為驅(qū)動儀表指針的步進電機設(shè)計的專用芯片。該芯片系列有四種，有驅(qū)動單個電機的、驅(qū)動二個電機的以及驅(qū)動四個、八個電機的。 X12027可同時驅(qū)動四個步進電機。 該芯片的使用大大簡化步進電機和CPU的接口和控制電路。從圖上就看出,STEPMOTO是四個電機和芯片的接口1A、2A、3A、4A， 1B、2B、3B、4B， 1C、2C、3C、4C，1D、2D、3D、4D。 FA,FB,FC,FD可分別控制四個電機的轉(zhuǎn)動方向；ORIENT控制的是各電機需轉(zhuǎn)動步數(shù)；RESET控制、清除和更新電機實時，需轉(zhuǎn)動的步數(shù)。
3）顯示模塊，鍵盤模塊工作原理和接線圖
圖三 顯示模塊接線圖：
（ 圖 三 ）
本儀表系統(tǒng)選用的顯示模塊驅(qū)動電路如圖 三所示。芯片U2 HT1621B是 PHILIPS公司專為液晶段 碼顯示器而設(shè)計的專用驅(qū)動芯片， HT1621B 可驅(qū)動16乘 8位液晶段 碼。芯片 U6 NNPRLCD是液晶顯示片，在 NNPRLCD液晶顯示片上可顯示16個8段碼。上電路圖所示的是 U2 HT1621B和U6 NNPRLCD連接方式 。圖中 CS為U2的 片 選 管腳，高電平有效； HT1621B通過SPI總線 和 CPU接口； 數(shù)據(jù)通過SPI總線下載到 HT1621B顯示緩沖區(qū)中,由HT1621B負(fù)責(zé)顯示和制動刷新，不占用CPU的時間。WR為液晶顯示鎖存器的“寫” 控制端，低電平有效。
鍵盤電路，如圖四所示，由于CPU 系統(tǒng)資源I/O口不足，本儀表系統(tǒng)采用譯碼的方法對鍵盤電路進行了擴展。如圖四 U8 74LS148為8—3編碼芯片。系統(tǒng)仍采用軟件查循的方發(fā)，給U8 的 15腳高電平，查循U8的5腳，如為低電平，鍵輸入有效，“讀” 鍵值。
圖四 鍵盤模塊接口線路圖圖：
（ 圖 四 ）
4）CAN通信模塊工作原理和接線圖
本系統(tǒng) 選型的單片機, 是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的工業(yè)級PIC18F458， 除上述的 該CPU的 各優(yōu)點外, 本儀表系統(tǒng)選擇 PIC18F458單片機作為核心控制單元 另一個更為重要的原因是該單片機內(nèi)部集成了, 兼容BUSH1.0協(xié)議和BUSH2.0協(xié)議的CAN控制器。
作為一種技術(shù)先進,可靠性高,功能完善的中遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制方式, CAN-BUS已被廣泛地應(yīng)用于各自動化控制系統(tǒng)中, 在汽車電子領(lǐng)域, CAN-BUS已作為一種標(biāo)致該汽車檔次的一個尺度,目前CAN-BUS已較廣泛地應(yīng)用于高檔轎車上。本車載儀表電子系統(tǒng), 以開放式的設(shè)計為指導(dǎo)思想,在兼容為一般車輛所應(yīng)用的同時,首先倡導(dǎo)應(yīng)用CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng), 其優(yōu)點是 可大大減少了車載所用線索, 降低了汽車的故障率。
因單片機 PIC18F458內(nèi)部集成了CAN控制器,本儀表系統(tǒng)在CAN網(wǎng)絡(luò)控制電路方面僅外擴了一片芯片U11A，CAN收發(fā)驅(qū)動器TJA1050，硬件方面就完成了CAN-BUS的接口功能。節(jié)省、簡化了電路設(shè)計,應(yīng)用起來非常方便。.硬件方面，電路圖五，U9A 6N137, U10A 6N137 是光電隔離器件。
本車載儀表電子系統(tǒng)可作為一個CAN獨立節(jié)點用在CAN-BUS自動化控制系統(tǒng)中，也可脫離CAN-BUS 獨立車載工作。PIC18F458 單片機 自帶CAN 收發(fā)接口，CAN模塊相對獨立。其主要特征如下：
通過 ISO CAN 標(biāo)準(zhǔn)測試，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展數(shù)據(jù)幀二種模式，0-8位數(shù)據(jù)長度，可編程速率高達(dá) 1M bps，2個數(shù)據(jù)接收緩沖器，6個完全接收濾波器，2個對應(yīng)高優(yōu)先權(quán)緩沖器，4個對應(yīng)的低優(yōu)先權(quán)緩沖器，2個完全接收掩碼器，3個具有優(yōu)先權(quán)的發(fā)送緩沖器。
CAN模塊可工作在六種模式下：配置模式、禁止模式、正常工作模式、監(jiān)聽模式、自循環(huán)模式、錯誤識別模式。本系統(tǒng)涉及兩種模式： 配置模式和正常工作模式。
首先 在配置模式下將 CAN 控制 和 狀態(tài)寄存器，波特率控制寄存器，I/O控制寄存器，中斷標(biāo)志和中斷控制寄存器，接收掩碼器和接收濾波器按照系統(tǒng)的要求設(shè)定好，以保證 CAN 總線暢通。這些寄存器能在配置模式下進行設(shè)定，設(shè)定完畢后系統(tǒng)進入正常工作模式。本儀表系統(tǒng)可作為一個 下位機CAN 節(jié)點 用在車輛 CAN 控制系統(tǒng)中，等待CAN總線傳來的數(shù)據(jù)。
本儀表系統(tǒng)和車輛 CAN 控制系統(tǒng)中心的通訊涉及物理層、鏈路層及應(yīng)用層：
物理層要求： 通信協(xié)議符合 CAN2.0B。
鏈路層要求： 通信協(xié)議符合CAN2.0B,并部分參照 J1939/21。
應(yīng)用層： 在這僅給出?。?油壓信號、２.車速信號、二數(shù)據(jù)幀。
1）２）車速信號：
優(yōu)先級： ６
偏置：?。?/p>
測量范圍：0----２５０．９９６KＭ／Ｈ
單位增益：１／２５６ＫＭ／Ｈ
傳送速率：10０ＭS
數(shù)據(jù)長度：8字節(jié)
數(shù)據(jù)頁： 0
設(shè)備編號：２
PF： 255
PS： 1
PGN： ６５２８１（０ＸＦＦ０１）
１――２ＢＹＴＥ：車速
油壓信號：
優(yōu)先級： ６
偏置：０
測量范圍：0----500KPA
單位增益：２ＫＰＡ
傳送速率：1S
數(shù)據(jù)長度：8字節(jié)
數(shù)據(jù)頁： 0
設(shè)備編號：1
PF： 255
PS： 1
PGN： ６５２８１（０ＸＦＦ０１）
１ＢＹＴＥ：油壓
２――８：保留（０ＸＦＦ） ２――８：保留（０ＸＦＦ）
圖五 CAN通信模塊工作接口圖：
（ 圖 五 ）
車載儀表系統(tǒng)軟件工作原理及原理框圖
CPU PIC18F458雖然外圍接口是8位單片機, 但內(nèi)核卻是16位的，可稱之為準(zhǔn)16位單片機。儀表系統(tǒng)復(fù)雜，程序量大。 考慮到編程人員的連續(xù)性,程序的可讀性, 程序的可移植性等, 軟件系統(tǒng)程序用C語言開發(fā)。 單片機PIC18F458 開發(fā) 仿真系統(tǒng)也支持 C語言環(huán)境。 編程.考慮到 該儀表系統(tǒng)的商用, 可持續(xù)性，為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后續(xù)擬引入實時性好工作可靠的商用嵌入式操作系統(tǒng)，.軟件系統(tǒng)采用前后臺事件編程的方法。前 臺是主循環(huán)程序,后 臺是中斷處理程序。前 臺進行數(shù)據(jù)處理，后 臺進行數(shù)據(jù)采集。 采用事件編程方式，后臺改變系統(tǒng)的信息,前 臺 根據(jù) 后 臺改變的信息 來完成整套儀表系統(tǒng)的實時性處理。 軟件系統(tǒng)框圖因篇幅原因略去。
主要參考文獻：
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