基于MB90F428的汽車儀表設(shè)計(jì)
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引言
汽車儀表是人和汽車的交互界面，為駕駛員提供所需的汽車運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件。它經(jīng)歷了機(jī)械式、電氣式、模擬電路電子式的發(fā)展過(guò)程，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、嵌入式就成為了汽車儀表未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
汽車儀表的基本結(jié)構(gòu)和功能
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)水溫表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、燃油表等。分別顯示汽車行駛速度、單里程和總里程數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度及汽車油箱內(nèi)的油量。在汽車儀表板上往往還同時(shí)裝有十幾種之多的指示和報(bào)警訊號(hào)燈，如左右轉(zhuǎn)向信號(hào)、剎車信號(hào)、遠(yuǎn)光信號(hào)、abs、電池充電、電池壽命報(bào)警、油壓報(bào)警、油量報(bào)警、水溫報(bào)警等等，這些指示燈在不同的儀表板中有所不同，通常用led顯示。
can總線的優(yōu)點(diǎn)及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用
控制器局域網(wǎng)can（controller area network）是德國(guó)bosch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；（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)信令；（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。
汽車儀表板軟硬件設(shè)計(jì)
結(jié)合汽車儀表的技術(shù)和性能指標(biāo)，以及簡(jiǎn)化硬件電路的要求，選擇富士通公司的mb90f428芯片為微控制器進(jìn)行汽車儀表的設(shè)計(jì)。mb90f428芯片是16
位單片機(jī)，內(nèi)部有can總線接口，flash rom，主要應(yīng)用于汽車與工業(yè)等；其can 總線符合v2.0 part a、part
b，能支持更靈活的信息緩沖處理。支持高級(jí)語(yǔ)言，可擴(kuò)展地址模式，有增強(qiáng)乘除指令，增強(qiáng)位操作指令等； 微控制器有32 位累加器（長(zhǎng)字處理）；周邊資源有：8通道的8/10bit
a/d轉(zhuǎn)換器，uart，擴(kuò)展i/o串行接口，8/16bit定時(shí)器，i/o定時(shí)器（輸入捕獲，輸出比較）、8路外部中斷、canbus接口、
4路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、lcd模塊（可驅(qū)動(dòng)24 4 的筆段式液晶模塊）等。 4路16位輸入捕捉通道可以捕捉汽車車速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸入的脈沖信號(hào)，a/d轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)轉(zhuǎn)換水溫、油量傳感器輸入的電壓信號(hào)，i/o口則進(jìn)行諸多信號(hào)指示燈的信號(hào)輸入，can接口主要和can總線收發(fā)器pca82c250芯片收發(fā)can信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和lcd顯示模塊用于驅(qū)動(dòng)儀表盤上的4個(gè)步進(jìn)電機(jī)指示、里程時(shí)間的顯示。這種片上自帶驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)方法，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。
本設(shè)計(jì)主要分兩大模塊：檢測(cè)電路控制模塊和儀表驅(qū)動(dòng)模塊，如圖1所示。檢測(cè)電路模塊主要由輸入信號(hào)采集、信號(hào)處理、以及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成。首先，汽車狀況通過(guò)相應(yīng)的傳感器檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為電壓、脈沖信號(hào)，進(jìn)行濾波放大，然后再輸入mb90f428芯片進(jìn)行內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理，獲得所需要的數(shù)字量信號(hào)，并實(shí)時(shí)地將所處理好的數(shù)字量送到can總線。
儀表驅(qū)動(dòng)模塊主要由信號(hào)接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路等組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板接收到can信號(hào)，將通過(guò)mb90428芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、lcd、led等。點(diǎn)火開關(guān)打開時(shí)，儀表監(jiān)測(cè)到這一信號(hào)后，首先對(duì)自身進(jìn)行檢測(cè)（此過(guò)程中診斷指示燈常亮），并由flash
ram里記錄的歷史工況確定當(dāng)前的儀表是否需要修正，經(jīng)過(guò)幾道程序?qū)x表初始化。自檢程序通過(guò)之后，儀表開始由非工作狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，將對(duì)車速、轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并通過(guò)指針和指示燈將當(dāng)前工況表現(xiàn)出來(lái)。
儀表板硬件設(shè)計(jì)
電源電路
汽車蓄電池提供12v左右的電源，而該儀表板需要兩路電源：+5v和+12電源。5v電源用于給mb90f428、can接口芯片（pca82c250）和eeprom等供電，12v電源給led、蜂鳴器等供電。考慮到成本和易購(gòu)性，我們選用7805芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。為了在掉電的時(shí)候可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個(gè)1000 f的電解電容，當(dāng)電源斷開的時(shí)候，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。如圖 2 所示。
調(diào)理電路
汽車車速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器通常采用霍爾器件。當(dāng)車輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器開始產(chǎn)生一連串脈沖信號(hào)，脈沖的個(gè)數(shù)將隨著車速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不變。為了改善波形，在輸入捕獲定時(shí)器管腳外添加調(diào)理電路，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行整形放大，這里我們通過(guò)rc濾波和三級(jí)管放大的方法處理。如圖3、圖4所示。
我們選用can收發(fā)器pca82c250芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，它最初就是為汽車高速通信（最高達(dá)1mbps）應(yīng)用設(shè)計(jì)的，該器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)can控制器的差動(dòng)接收能力，它與iso/dis11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，canh和canl雙線也防止在汽車環(huán)境下可能發(fā)生的電氣瞬變現(xiàn)象。由于汽車經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下工作，因此對(duì)收發(fā)器進(jìn)行一定的抗干擾處理，這里選用光電耦合器（6n137芯片），如圖
5 所示。
其他電路
除了以上這些電路以外，本次硬件設(shè)計(jì)還包括eeprom電路、led驅(qū)動(dòng)電路、lcd顯示電路、步進(jìn)電機(jī)電路，由于mb90f428芯片是專為汽車設(shè)計(jì)的芯片，片上自帶了大部分驅(qū)動(dòng)，因此簡(jiǎn)化了硬件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
儀表板軟件設(shè)計(jì)
圖6 所示為儀表板主程序的軟件流程圖，程序由點(diǎn)火信號(hào)控制，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打開時(shí)，儀表板進(jìn)入主程序循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、ad轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、can通訊子程序、lcd/led顯示子程序、步進(jìn)電機(jī)工作子程序等組成。
結(jié)論
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)。本文提出了一種總線思想的汽車儀表設(shè)計(jì)，包括了信號(hào)采集處理部分和驅(qū)動(dòng)顯示部分。從總體及軟硬件方面詳細(xì)介紹了帶有can通訊的嵌入式汽車儀表的設(shè)計(jì)，該方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)了工程調(diào)試，各方面性能良好，儀表的精度和反應(yīng)速度以及抗干擾方面均達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
評(píng)論