１８ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｕｇ．２００８基于虚拟仪器技术的步进电机式汽车仪表的设计
蓝天，廖承林
（中国科学院电工研究所，北京１０００８０）
摘要：运用虚拟仪器技术思想并采用控制系统快速原型的理念设计出一套新颖的步进电机式汽车仪表系统。基于
ＬａｂＶｌＥＷ和ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ控制器核心系统平台进行软硬件开发。系统具备良好的人机交互界面，具有控制、监控仪表运行的功能，达到了良好的控制要求。应用虚拟仪器技术比传统的基于单片机的设计方式有很大的优越性，系统还可作为汽
车仪表控制策略及新功能的研发测试平台。
关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ；步进电机；汽车仪表
中图分类号：ＴＰ２１６文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１８４１（２００８）０８—００１８—０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＵｓｉｎｇＳｔｅｐｐｅｒ
ＭｏｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＬＡＮＴｉａｎ．ＬＩＡＯＣｈｅｎｇ‘ｌｉｎ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｌｌｏｒｉｇｉｎａｌａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｂｙｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＷａ目１ｂａｓｅｄ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ；ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ；ｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ；ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
０引言
汽车仪表从最初的基于机械作用力而工作的机械式仪表，经历４代的发展ｕ１，到目前最新的步进电动机式全数字汽车仪表。
步进电机式仪表的指示精度远远高于国家标准，具有分度均匀，指针的重复性能好、响应速度快、无抖动，产品品质的稳定性和可靠性高等优点，而且批量生产成本有望低于同等功能的模拟电子式汽车仪表口Ｊ。步进电动机式汽车仪表在欧美应用已相当普及。目前，我国也正在致力于发展这种仪表技术。
在步进电机控制系统设计中，传统方法是用单片机控制器实现步进电机控制，此方法虽然可行，但由于线路复杂而且制成后不易调整，存在很大局限性。
因此，采用基于虚拟仪器图形化编程软件ＬａｂＶＩＥｗ和ＮＩＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ可重新配置Ｉ／Ｏ的可编程自动化控制器，实现一种步进电机式全数字汽车仪表的系统设计，自主开发软硬件，构建一个研发步进电机式仪表功能的系统平台。系统采用了ＦＰＧＡ底层硬件和ＬａｂＶＩＥＷ编程方式，实现了基于模型的快速原型设计，具备了较好的人机交互界面，可以进行上位机控制操作及数据监控显示功能。
基金项目：“十一五”国家“八六三”计划节能与新能源汽车重大项目课题（２００６ＡＡｌｌＡｌ２９）
收稿日期：２００７—０９—０６收修改稿日期：２００８—０５—２９１ＮＩＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ及其开发特点介绍
ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ采用的是可重新配置Ｉ／Ｏ接口的ＦＰＧＡ技术实现超高性能和自定义的接口输入输出类型和方式，接口内置可直接和传感器／调节器连接的信号调理模块，达到工业级信号采集和控制要求。应用时，编写的下位机ＬａｂＶｌＥＷＦＰＧＡ程序可以下载到设备中的ＦＰＧＡ芯片中，程序的运行是基于底层硬件并行处理的，保证了实时性。控制器端ＬａｂＶｌＥＷＲＴ程序运行于实时操作系统平台与ＦＰＧＡ端程序进行内部数据交互，可以实现实时控制、数据采集、控制监控、动态显示的功能。实时控制器通过以太网与ＰＣ机连接，便于通过Ｐｃ对系统监控。ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ开发架构关系图见图ｌｐｏ。
２系统的整体结构
如图２所示，系统以ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ为控制器核心，整个控制系统主要由信号检测模块和仪表控制驱动模块构成。在系统的软件开发中，每个模块均需设计控制器端ＲＴ程序和ＦＰＧＡ端程序。
信号检测模块主要由控制输出信号部分、电平匹配电路部分和输入信号采集处理部分组成。该模块可以模拟实际的仪表传感器输出信号，并可对其进行输出控制，经过数据采集和程序处理，在显示屏上清晰准确的实时显示出车速、发动机转速、里程等信息。
仪表控制驱动模块主要由控制算法部分、控制信号输出部
万方数据
第８期蓝天等：基于虚拟仪器技术的步进电机式汽车仪表的设计１９
网络可重新配置
兀，ＧＡ
ＷｉｎｄｏｗｓＵ通信一ｑＬａｂＶＩＥＷ
．主机、，】卜１ＦＰＧＡⅥ
ｊ【
豳ＬａｂⅥＥＷ
ｎ）ＧＡ模块
Ｗｉｎｄｏｗｓ皿
台ＬａｂＶＩＥＷ
图ＩＮＩＣｏｍｐａｃｔＲｌＯ架构关系图
上位机监控的功能块
ｒ一一一…一一一一一一一一一一一…一一一一一一…一一一一……１
１．．…．ＰＣ机显示屏
（用户界面信息显示，
控制ｔＲＩＯ模块输出，
观察ｔＲＩＯ检测信息．
操作ｔＲＩＯ控制平台）
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图２系统整体结构图
分和驱动电路部分等组成。该模块把信号检测模块换算出来的车速、发动机转速信号，按照自适应的控制算法输出特定的控制信号至步进电机驱动电路，带动指针式仪表实时跟踪发动机转速和车速，也可以人为控制和监测信号的各种参数及控制效果。
３信号检测模块的设计
３．１汽车车速、里程和发动机转速的测量计算方法
汽车车速传感器和发动机转速传感器通常采用霍尔器件。当轮轴开始旋转时，霍尔效应传感器会产生一连串脉冲信号，脉冲的频率将随着速度值的增加而增加。脉冲频率的变化可以反映出速度的变化情况Ｈ１。实际操作中，将控制产生可调的模拟车速转速传感器的脉冲信号通过ＮＩ一９４７２数字量输出卡的Ｄ００端口输出，然后通过电压匹配电路和ＮＩ一９４２１数字量输入卡ＤＩＯ端口将检测到的变化的脉冲信号进行数据处理，以获取车速里程及发动机转速信息并显示出来供研究人员监控。在程序中按如下公式对检测到的输入信号进行换算处理：（１）车速值的基本换算方法：
３６００ｎ＇ｒｅｄ
１’２—■ｒ
式中：ｖ为车速，ｋｍ／ｈ；ｎ为每指定间隔时间内输入脉冲数；ｄ为车轮直径；ｔ为指定间隔计数时间，ｍｓ；蠡为脉冲数每转．
（２）里程值的基本换算方法：
＾一！坠然韭捡厶迁塾登．旦
一ｋ１０００
式中ｈ为里程值。
（３）发动机转速值的基本换算方法：
６００００ｍ
Ｐ２■了
式中：ｐ为转速值，ｒ／ｎｆｉｎ；ｍ为发动机每个指定间隔时间内输入脉冲数；埘为发动机每转对应的脉冲数。
３．２板卡间电平匹配电路
由于ＤＯ板卡ＮＩ一９４７２要对步进电机控制电路施以逻辑高电平为５Ｖ的控制信号，因此ＤＯ板卡需要５Ｖ电源供电，而ＮＩ一９４２１板卡确认的逻辑高电平是１２Ｖ．因此，需要板卡间电源匹配电路。采用ＴＬＰｌ２７光耦电路如图３和图４所示，可以实现５Ｖ／ＯＶ逻辑电平对到１２Ｖ／０Ｖ逻辑电平对的转换。
图３ＴＬＰｌ２７光电耦合器
图４板卡电平匹配原理图
３．３信号检测模块的软件设计
３．３．１ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯＦＰＧＡ端程序的设计
对ＣｏｍｐａｃｔＲｌＯ的ＦＰＧＡ硬件模块编写的ＬａｂＶｌＥＷＦＰＧＡ程序分为３个主要的功能。第一个功能是通过Ｄ００端口输出用户可控，用于模拟实际速度传感器信号的ＰＷＭ脉冲宽度调制信号，通过改变脉冲信号的高或低电平宽度可以改变ＰＷＭ信号的占空比和频率周期。在输出允许阶段，将会一直根据试验需要输出可随时变化的ＰＷＭ信号。第二个功能是ＰＷＭ脉
万方数据
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｕｇ．２００８
冲的总输入计数，设定信号采样判断时ｌ司，脉冲采集Ｄ１０端记
录下ＰＷＭ脉冲总数的目的是将其传送到控制器端ＲＴ程序中
做进一步处理，计算出汽车的里程计数值。第三个功能是记录
下时间ｔ内的脉冲输入计数值ｎ，可以指定间隔计数时间ｔ和
ＤＩ板卡的采样周期，目的是将其传送到下面的控制器端ＲＴ程
序中做进一步处理计算出汽车车速及发动机转速值。
３．３．２ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ控制器端ＲＴ程序的设计
编写ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ控制器端ＲＴ程序实现了控制器和ＦＰＧＡ
模块的信息交互并经界面控制显示重要信息ｍ６１。由控制器
端传递给ＦＰＧＡ模块的可控信息包括：Ｄ００输出脉冲的高、低
电平宽度设定，ＤＯ开关键，总脉冲重新计数键，总ＤＩ计数开关
键，ＤＩ间隔计数的采样周期设定，指定间隔计数时间设定，ＤＩ
ｍＳ信号检测模块Ｐｃ机显示界面
间隔计数开关，ＰＷＭ脉冲总输出输入开关键。按照前述车速、
测到的实际物理信号的变化过程从而准确方便的观测到车仪里程、发动机转速的计算方法，控制器获得的ＦＰＧＡ模块的检表指针的变化情况。
测信息有：总输入脉冲计数值和每指定间隔时间内脉冲输入计４仪表控制驱动模块的设计
数值以及依用户设定的一些参数值如车轮直径ｄ，车轮每转对４?１硬件设计
应的脉冲个数ｋ和发动机每转对应的脉冲个数埘，通过它们实
控制步进电机的旋转采用了ＶＩＤ６６—０８电机驱动芯片，２时计算出车速、里程、发动机转速的结果并在前面板上显示出
个ＶＩＤ２９系列的仪表用步进电机分别带动车速表和发动机转来。
速表指针旋转。应用驱动芯片ＶＩＤ６６—０８可以使得ＶＩＤ２９系该程序的ＬａｂＶＩＥＷ前面板界面设计如图５所示。界面分列的步进电机工作在微步的方式，此时电机能更连续、平稳地成了４个部分，分别是ＰＷＭ脉冲输出设定区、车速或发动机转
运转。驱动芯片需要两组来自程序控制的ＮＩ一９４７２ＤＯ输出速ＰＷＭ脉冲输入测量参数显示区、测量转换设定区、仪表显示
信号用于控制步进电机的转角、转速和方向达到实时跟踪的目区。研究者可以操作其中任何一种控制参数来控制输出及检的。步进电机控制驱动电路原理图如图６所示。
ⅥＤ２９—０５
步进电机控制发动机转速表
图６步进电机控制驱动电路
４．２仪表控制策略研究
仪表跟踪车速和发动机转速的具体方法是选择合适的车速和发动机转速变化值采样间隔时间周期参数ｔ作为每次跟踪前后速度变化的时间跨度，每经过时间ｔ，采样并换算凑取出当前的速度值，计算出相邻２次采样的速度差值，换算出需要驱动步进电机旋转的微步数及方向来控制指针的旋转。采用自适应的控制策略是令每个间隔周期ｔ内输出微步脉冲的周期＝扩需要输出的脉冲微步数。每个周期ｔ内的指针旋转速度取决于此间隔内的速度变化率即加速度，变化率越大则指针转速越大，反之越小。旋转的角度取决于此间隔ｔ内的速度变化值。按照这种控制方式达到了表针柔和旋转并快速跟踪实际速度变化的动态效果。
４．３软件设计
４．３．１ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯＦＰＧＡ端程序的设计
仪表控制驱动模块的ＦＰＧＡ端程序分为２个部分，分别是通过给定的车速或发动机转速值来按照算法计算出控制信号控制步进电机旋转跟踪给定值。程序的基本流程图如图７所
示。在该程序中，ＮＩ一９４７２卡的Ｄ０１端口用于输出控制车速
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第８期蓝天等：基于虚拟仪器技术的步进电机式汽车仪表的设计２ｌ
表步进电机的脉冲信号，Ｄ０２用于车速表转向控制，Ｄ０３用于复位建，Ｄ０４用于输出控制转速表步进电机的脉冲信号，Ｄ０５用于发动机转速表的转向控制。车速表的精度设定为１ｋｍ／ｈ，转速表精度设定为５０ｒ／ｍｉｎ．该程序使用的自适应的控制算法达到了精准微步控制，平稳精确指示，指针不抖动，噪音很低，抗震性强的静动态效果。
≤梦峪冷
计算需要旋转的脉冲微计算需要旋转的脉冲微
步数及脉冲微步周期步数及脉冲微步周期廷药一
ｌ输出控制指针逆输出控制指针胝输出控制指针逆输出控制指针顺Ｉ时针旋转跟踪时针旋转跟踪时针旋转跟踪时针旋转跟踪当前车速值当前车速值当前车速值当前车速值
Ｉ
图７车速和发动机转速表控制程序流程图
４．３．２ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ控制器端ＲＴ程序的设计
仪表控制驱动模块的控制器端ＲＴ程序的作用是与ＦＰＧＡ模块程序的控制及数据信息的交互。它将前面板设定好的车速和发动机转速表的旋转控制信息传递给下位机，再将主要计算参数结果显示出来。
该程序的前面板界面设计如图８所示。可以观察到车速和发动机转速的值以及各种控制参数的值。在程序的前面板中，分成了２个部分：车速表控制和发动机转速表控制。以车速表控制为例，可以在指定车速控件内输入当前希望达到的车速，进行随时的调整。车速变化时间问隔参数对于车速跟踪效果是很重要的，因为它决定了车速跟踪的紧密程度，车速表启停键用于控制指针表是否继续跟踪当前的车速信号。相邻间隔车速差指的是在一个跟踪车速变化的时间周期前后的车速差值，它可以反映汽车此刻的加速度情况。车速变化间隔内指针旋转微步数用于显示每一个跟踪车速变化周期时间内ＤＯ卡输出控制步进电机的微步数。车速表脉冲微步周期和频率变量作为按照自适应的控制算法在一个车速跟踪周期内输出脉冲的基本参数。车速表指针转向用于显示当前表指针的旋转方向。由于该控制策略达到了较高的精度和准度，这个界面可以随时对比监控步进电机式仪表的运行效果，与传统单片机设计方式比较体现出多种优越性。
图８仪表控制驱动模块Ｐｃ机显示界面
５结束语
依据一种新型的基于虚拟仪器技术的Ｉ．ａｂＶｌＥＷ软件平台和ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ控制器核心的设计思路，开发了一套步进电机式汽车仪表系统。采用这种快速原型的设计，软件开发效率高，程序可读性强，维护容易，便于重复性实验，系统操作简单，使用可靠的效果，最终缩短了设计时间，降低了硬件开发成本。该系统使得人们可以通过人机交互界面做出对底层硬件的实时控制，从而清晰、方便、准确的观测到各控制状态，方便对不同的要求作出控制策略及功能的调整和验证，与单片机式开发相比较体现出诸多优点。设计通过了工程调试，性能良好，仪表的精度、反应速度及抗干扰性能达到了较高的要求。
参考文献：
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作者简介：蓝天（１９８３一），硕士研究生，主要从事汽车电子应用研究。
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