智能化汽车组合仪表的设计与实现
昆明理工大学津桥学院电气与信息工程学院 张兴超 王 陆
导语：随着汽车电子技术的发展，丰富的功能性要求赋予了汽车组合仪表更多的职能。传统汽车组合仪表数字化程度较低，存在采集信息少、显示内容固定且功能单一等缺点。新型智能化汽车组合仪表要求汽车动力系统、整车控制器等电子装置应能够及时、准确地处理车辆的各种状态信息，同时通过CAN总线将数据发送到网络，并利用组合仪表进行显示。为此，本文提出了一种基于MCU+TFT-LCD且性价比较高的步进电机式智能化汽车组合仪表的设计方案，并阐述了其硬件结构和软件设计。该系统具有多样性功能，能够达到汽车组合仪表智能化、信息化和图形化的目标；且具有较高的显示和指示精度，能够很好的满足实际应用的需求。
关键词：智能化；汽车组合仪表；步进电机式；MCU+TFT-LCD
1.引言
近年来，中国汽车产业快速发展带动汽车电子产业取得了跨越式的成就。作为汽车的一个重要组成部分，汽车仪表主要用于帮助驾驶人员掌握汽车时时工作状况，及时发现、排除不安全因素和故障，以保证汽车能够安全可靠运行。随着汽车电子技术的发展，汽车组合仪表已从简单的零部件发展到了集多种功能于一体的集成部件型式。汽车行业对其丰富的功能性要求赋予了汽车组合仪表更多的职能。
传统汽车组合仪表数字化程度较低，存在采集信息少、显示内容固定且功能单一等缺点，已很难满足汽车电子装置信息量增加带来的新要求。汽车仪表的数字化、图形化和智能化，要求汽车动力系统、整车控制器等电子装置应能够及时、准确地处理车辆的各种状态信息，同时通过CAN总线将数据发送到网络，并利用汽车组合仪表进行显示。TFT-LCD（薄膜场效应晶体管液晶显示）具有显示信息丰富、色彩多样且灵活多变等优点，其在车载领域的应用将极大的拓展汽车组合仪表的功能。
通过TFT-LCD和微控制器的结合使用将促进仪表盘成为汽车的多功能信息显示和控制中心，有利于汽车的美观和维修检测。但全液晶显示仪表也存在价格昂贵、技术复杂及高成本和低可靠性等缺点，这也导致了其在普通车型上安装使用率低的问题。鉴于此，本文提出了一种基于MCU+TFT-LCD的智能化汽车组合仪表的设计方案。其中MCU选用NEC公司的UPD78F0433型单片机用于各类信号的采集处理，TFT-LCD用于车载信息的显示。通过二者的配合使用，以满足汽车组合仪表信息化、智能化和图形化的要求。
2.系统的总体结构
智能化汽车组合仪表应具有多样性的功能，包括传统仪表的基本功能、车载信息的采集处理和显示、车辆故障警示、报警与提示音的合成以及CAN总线通信等。这就要求该智能组合仪表除了从传感器直接获取信息外，还具有CAN总线与车载控制器进行数据交换的能力；能够根据车辆采集信息的数据类型不同，可将信号量分为模拟量、开关量和脉冲量等形式[1]。结合上述要求开发和设计的汽车组合仪表有多种形式，如单片机、DSP、FPGA、ARM等。综合考虑，本文采用MCU+TFT-LCD的智能化汽车组合仪表设计方案，其整体结构框图如图1
所示。
图1 系统整体结构框图
3.汽车组合仪表的硬件设计
智能化汽车组合仪表的基本显示功能主要由发动机转速、车速、油量、里程和水温等组成。同时还包括左右转向信号、远近光信号、驻车信号、油量报警、水温报警等各类指示和报警信号灯。其中，油量、水温、车速和转速通过步进电机驱动指针进行显示，而里程利用字段式LCD显示[2]。结合实际应用情况及其功能和特点，系统采用模块化设计思想对汽车组合仪表进行了硬件设计；主要包括电源模块、车速和转速检测模块、油量和水温检测模块、电机驱动模块、数据存储模块以及液晶驱动模块。其硬件结构原理图如图2
所示。
图2 汽车组合仪表的硬件结构原理图
本系统选择NEC公司的UPD78F0433芯片作为主控芯片，该器件内置LCD控制器、液晶显示屏驱动器、电源Flash存储器和看门狗定时器，具有片上调试功能和10位A/D转换功能，是一款性价比较高的8位微控制器。由点火信号和蓄电池提供系统的工作电源，其操作电压为9-16V；并通过电源电路的转换为主控芯片提供5V的工作电压。电源模块的芯片为TLE4275-Q1，其最大耐压值42V、最大驱动电流450mA、精度达2%。车速和转速检测模块主要是通过检测两种脉冲信号的不同频率形式来确定汽车的车速和转速。而油量和水温产生的电阻信号具有不同阻值；因此，油量和水温检测模块则可通过检测不同电压值来确定汽车的油量和水温。电机驱动模块选用的芯片为STI6606，该芯片内置CMOS集成电路、可同时驱动四路微型步进电机，其输入脉冲对应电机输出轴转动角度为
基金项目：云南省教育厅科学研究基金“基于MEMS传感器的飞行姿态测量系统设计”（项目编号：2015C106Y）；“电子式互感器的应用”（项目编号：2016ZZX306）。
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<10>：具体表示相应的大地水准面高度，在一万米之内；
M：指单位米
<11>：也就是对应的差分GPS数据期限，和数据传输量存在一定的相关性；
<12>：差分参考基站标号，可根据要求进行相应的选择。
*：其含义为对应的语句结束标志符。
xx：也就是从$开始到*内全部相应字码的异或校验和。
：表示回车符号。
：也就是换行符号。
GPS系统一般选择232串口通信，为满足通信要求需要进行相应的电平转换，对应的转换芯片MAX232具体如图3
所示：
图3 对应的转换芯片MAX232
系统运行过程中，单片机串口收到信息后，先对句引导头进行判断分析，如果发现为“$”，则接收对应的信息内容，在收到“*”字符后，进行判断，然后根据语句标识区分出信息类别类对相应的接收到的字符针对性显示。
2.4 控制模块
本文在设计过程中选择了AT89C52单片机实现系统控制目的，相应的控制任务包括数据接受和显示控制，以下进行具体的论述。
①数据接收控制：这种单片机中设置了串行口通信电路，可通过其进行相关数据的接收，对应的数据格式为八位数据+1位停止位。所接收到的数据会存储到对应的缓冲区。
②显示控制：接收到的数据显示时通过51单片机进行控制，且利用LCD1602液晶显示器进行显示，对应的取出的字符需要经过CPU处理才能显示。
2.5 显示模块设计
本系统需要显示相应的西文字符，为满足方面的显示要求，而选择了LCD1602显示器。
3 软件设计
具体显示了对应的系统主程序的总体结构，系统在运行过程中需要先初始化处理，主要是对串口、定时器、中断等进行设置操作。显示器设置之后进入到开机状态，其后就可以正常的显示。每次可以对两串字符进行显示，其后就可以持续的进行相应的循环数据信息显示。
系统的主要功能在中断服务子程序中完成。这种系统可以在总体上划分为如下几个模块，显示单元，串行口中断服务程序、扫描程序。这些模块结合起来，可以实现相应的功能操作。
系统在开机之后需要进行初始化，接着显示开机信息，然后对接收到的信息进行处理，并最终实现相应的显示目的。
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1/12°，最大角速度可达600°/s。数据存储模块主要是用于保存车速、转速、燃油、水温和里程等数据，以防止掉电后数据丢失。该组合仪表选用的存储芯片为24C04芯片，其存储数据量最多可达4K。液晶驱动模块功能主要依赖于UPD78F0433主控芯片内置的液晶显示屏驱动器来实现，该驱动器特点包括：内外部电阻分压、自
动读取存储器数据并显示、显示模式灵活以及帧频率多样等。
图3 汽车组合仪表的软件设计主程序流程图
4.汽车组合仪表的软件设计
智能化汽车组合仪表的软件结构由主程序和若干子程序组成；其中，主程序用于系统初始化、资源分配以及子程序的调度管理等；而子程序主要用于实现各硬件模块的功能。本系统软件采用C 语言和循环体+中断的软件结构进行设计。首先，主程序对所有外部设备和全局变量进行初始化；之后进入主循环体程序依次完成系统信号的采样处理、步进电机的控制计算、各种报警信号的检测与合成、指示灯的输出控制、TFT-LCD的显示控制、CAN通信报文的收发控制等功能。系统软件设计主程序流程图如图3所示。
该汽车组合仪表同时还具有待机功能。当不需要仪表工作时，其主控芯片进入低功耗模式，减少工作电流，节省蓄电池电量消耗；当需要仪表工作时，中断请求将立即重启主控芯片，使其恢复正常工作状态。
5.结束语
本文从硬件结构和软件设计的角度详细介绍了汽车组合仪表的设计。提出了一种基于MCU+TFT-LCD且性价比较高的步进电机式智能化汽车组合仪表的设计方案。实现了车速、转速、水温、燃油量和里程的智能显示，低油量、高水温报警，车载数据掉电保护等功能。达到了汽车组合仪表智能化、信息化和图形化的目标。系统具有较高的显示和指示精度，能够很好的满足实际应用的需求。
引文
①熊英.汽车组合仪表的设计与实现[D].大连海事大学,2012.
②杨兴山,汪激,刘寅.基于嵌入式的智能化汽车组合仪表设计[J].微型电脑应用,2010,26(09):20-22+66.
③张生文.汽车组合仪表关键技术的研究[D].哈尔滨工业大学,2011.
作者简介：张兴超（1986—），男，河南固始人，硕士研究生，讲师，研究方向为智能控制、电力系统等。
