基于MB90428GA單片機的汽車組合儀表設計

　　引言

　　汽車儀表是駕駛員和汽車進行信息交流的重要接口和界面，為駕駛員提供所需的汽車運行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件。儀表顯示的直觀與美觀是駕駛生活舒適的一部分，而參數(shù)傳遞的準確與可靠則直接關系到汽車行駛的安全。近年來，隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，汽車儀表板上顯示的信息不斷增加，傳統(tǒng)的機械指針式汽車組合儀表越來越無法滿足使用的需要，特別是計算機、微電子和各種現(xiàn)場總線通信技術的廣泛應用，出現(xiàn)適合汽車儀表的單片機以及汽車儀表用的步進電機等新技術產品，這導致了智能化數(shù)字式現(xiàn)代汽車組合儀表將是汽車儀表發(fā)展的必然趨勢。
　　
　　組合儀表的基本構成

　　組合儀表通常由以下幾部分組成：車速表、里程表、轉速表、水溫表、油量表、照明系統(tǒng)、報警指示系統(tǒng)等。里程表采用數(shù)碼顯示，車速表、轉速表、水溫表、油量表等大多采用傳統(tǒng)的指針式指示方式。本文所設計的組合儀表主要由車速表、里程表、發(fā)動機轉速表、水溫表、燃油表組成。同時還有許多指示和報警訊號燈，如左右轉向信號、駐車信號、剎車信號、遠光信號、ABS、照明、發(fā)電機指示、機油壓力報警、制動器故障、油量報警、水溫報警、發(fā)動機故障等。圖1為該組合儀表的構成原理框圖。

　　汽車儀表使用的步進電機

　　這是新一代汽車組合儀表最顯著的特點。由于一般動圈式指示儀表抗震性能差、過載能力差、指針易抖動等弱點，而電磁式十字線圈指示儀表機芯也存在一致性、通用性差的缺點，急需一種一致性好、通用性、可靠性好的驅動機芯。業(yè)內人士和專家普遍看好適用于汽車儀表的步進電機。它在工作原理上作出技術創(chuàng)新，通過線包與磁鋼間產生電磁轉矩驅動指針工作的形式[5]?；谠摬竭M電機的汽車組合儀表由微控制器完成各種被測物理量的采集，經過運算后直接驅動控制步進電機，再由步進電機驅動指針，在刻度盤上指示被測物理量，同時輔以被測物理量LCD顯示。步進電機式汽車儀表與先前的模擬式(動圈式或動磁式十字交叉線圈)汽車儀表相比有顯著的特點：指示精度高、一致性好、重復性和通用性好、可靠性和穩(wěn)定性高、驅動與控制也相對簡單，可以用獨立的步進電機驅動控制器，如PMM8713、PMM8723、PMM8714，也可選用帶步進電機驅動的微控制器，如uPD780823、MB90420/425G系列等。本設計采用的是帶步進電機驅動的微控制器MB90428GA。

　　目前國內部分中高檔轎車，如一汽紅旗世紀星，上汽帕沙特、塞歐，安徽奇瑞，長安世紀星等均配備使用了步進電機式汽車儀表，其他型號的轎車也急需配套該類型的儀表。有充足的理由認為步進電機式儀表將是未來一段時間汽車儀表的主導趨勢。
　　
　　硬件原理設計

　　該組合儀表的硬件電路主要有以下幾個模塊組成：1、輸入脈沖信號(里程和轉速)處理電路；2、模擬量(水溫與燃油)輸入電路；3、開關量電路：主要是一些指示報警信號燈及背光燈電路；4、儀表驅動顯示電路：有轉速表、里程表、水溫表、燃油表，他們由步進電機來驅動，還有一塊LCD液晶用來顯示時鐘、總里程以及小計里程；5、電源電路。下面主要介紹其中的一些電路。

　　MB90428GA單片機的特點

　　MB90428GA是富士通(Fujitsu)公司專門為汽車電子儀表及步進馬達的工業(yè)控制開發(fā)的一款十六位單片機。具有以下特點：4路大電流輸出的步進電機驅動控制，還可用于驅動十字交叉線圈的驅動控制；可直接驅動24×4的LCD液晶顯示；自身帶有128KB的在線可編程Flash Rom，6KB SRAM存儲器；具有低電壓CPU復位檢測功能， 1個系統(tǒng)時鐘；一路CAN通道；8通道8/10位A/D轉換；4路16位輸入捕捉通道等[1]。

　　電源電路及掉電保護

　　電源電路：由于汽車蓄電池提供的是12V電源，因此要進行電壓轉換及濾波處理。電源電路如圖2所示。其中+5V為模擬量電源，VCC為數(shù)字量及單片機工作電源。

　　掉電保護電路：為在掉電的時候也可以及時地記錄汽車行駛的里程數(shù)據，使用掉電保護電路。在掉電時可以維持一段時間的電壓，保證單片機完成里程數(shù)據的保存，并調整指針位置使之回零。為了在掉電的時候也可以及時地保存里程數(shù)據，在電源地輸入端加一個1000uF的電解電容，電源斷開時在IRQ管腳會產生一個中斷信號，大電容可以維持單片機電源足夠長的時間，使得單片機可以完成外部中斷的服務程序。

　　輸入脈沖信號處理電路

　　來自傳感器的脈沖信號輸入到單片機定時器模塊的管腳，使用輸入捕捉功能，為改善波形，在輸入捕捉管腳外增加處理電路。包括車速脈沖信號和轉速脈沖信號處理。電路圖如圖3和圖4所示。其它電路除以上電路外，還有EEPROM電路、LCD液晶驅動電路、LED驅動電路和步進電機驅動電路等。EEPROM用來存儲行駛中的里程數(shù)據(小計、總計)；LCD液晶則顯示行駛的里程數(shù)據；LED顯示指示和報警信號；步進電機驅動用來驅動4個步進電機式儀表，分別為行車時速、發(fā)動機轉速、發(fā)動機水溫和燃油量。

　　軟件設計

　　該儀表軟件設計采用模塊化設計思想。主要由以下幾個模塊組成：

　　里程表軟件設計思想：該里程表采用霍爾型非接觸式轉速傳感器，表的轉軸每轉一圈，霍爾傳感器將感應發(fā)出8個脈沖。里程表速比表示的是：里程表轉軸(軟軸)在汽車行駛1公里時所轉過的轉數(shù)。現(xiàn)以速比為1：624的車型為例；汽車行駛1公里霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為8×624=4992個，或每個脈沖代表1/4992公里的里程，將這些脈沖信號作外部中斷輸入給單片機，使每個脈沖產生一個中斷，并通過中斷服務程序對每個脈沖計數(shù)，當計數(shù)滿4992時，表明汽車行駛1公里， 然后在給累計單元加1，并存入EEPROM，最后通過刷新LCD液晶顯示器，即可實現(xiàn)里程計數(shù)。LCD顯示總里程數(shù)。中斷1次(每隔10ms)送1位顯示。外部中斷INT1為：脈沖計數(shù)，判斷計數(shù)是否達到1公里，否則返回。T0中斷是否顯示總里程，每經過1公里向EEPROM中寫入1次，在停車等待時，CPU停止寫入總里程。

　　車速表軟件設計思想：在里程表程序中，每計數(shù)1次，汽車行駛0.0016025641KM，每10ms中斷1次，送顯示，其中斷1000次時間為1秒，計算1秒計數(shù)次數(shù)，乘3600再乘0.0016025641即可求出時速：時速=次數(shù)X5.7692.車速表指針偏轉位置與輸入量成線性關系：即 θ=K·Vin。其中θ為指針偏轉角；K為常數(shù)；Vin為輸入電壓。時速與頻率的對應關系比如為：20Km/h =11.9-14Hz；60Km/h =39.8-41.9Hz；120Km/h =79.6-83.9Hz (速比1：624)。

　　轉速表軟件設計思想：轉速表是用來測量發(fā)動機轉速的一種指示儀表。在本設計中是把轉速傳感器傳送的頻率信號傳送到單片機，經過計算后輸出方波信號來驅動步進電機，在刻度盤上指示發(fā)動機相應的轉速值。轉速與頻率的對應關系比如為：500r/min=121.5Hz；1000r/min=243Hz；2000r/min=486Hz；3000r/min=729Hz。

　　水溫表與燃油表：水溫表是顯示冷切水溫度的儀表，單位是℃(攝氏度度)。它的傳感器是一種熱敏電阻式傳感器，用螺紋固定在發(fā)電機冷切水道上，熱敏電阻決定了流經水溫表線圈繞組的電流大小，從而驅動表頭指針擺動。

　　燃油表是顯示油箱內的油量的儀表，單位是L(升)，指針指向“F”表示滿油，指線“E”表示無油；也有用1/1，1/2，0分別表示滿油，半箱油和無油，燃油表內有兩個線圈，分別在“F”與“E”一側，傳感器是一個由浮子高度控制的可變電阻，阻值變化決定兩個線圈的磁力線強弱，也就決定了指針的偏轉方向。

　　主函數(shù)程序：當A/D中斷到來時改變激活的A/D通道，定時讀取里程數(shù)據，并在LCD上顯示，每一次主循環(huán)結束時重起WATCGDIG。主程序流程圖如圖5所示。

　　結語

　　本文介紹了一種步進電機式的組合儀表盤。該儀表盤以富士通(Fujitsu)公司的MB90428GA單片機為微處理器，設計了一種以步進電機來驅動表針的組合儀表，給出了硬件原理和軟件設計。該組合儀表盤已經在某車型上調試成功，各方面表現(xiàn)良好，表指針可以平滑轉動，在低速情況下精度和線性度良好。

　　參考文獻：

　　1.FUJITSU SEMICONDUCTOR.F2MC-16LX 16-BIT MICROCONTROLLER MB90420G/425G Series HARDWARE MANUAL.2002(4): The  First  Edition

　　2.南光群.基于PIC16F877的汽車用車速表和里程表的設計.電腦開發(fā)與應用.2005(11):56

　　3.劉清波,蔡樹珍,孫業(yè)歧,史 楠.基于單片機的汽車里程表設計.河北大學學報(自然科學版).2002(9):276-278

　　4.陳子明.汽車車速里程表及其速比的計算方法.汽車電器.2005(3):9-11

　　5.儀表步進馬達用戶手冊.偉力電子有限公司.2005.03