基于MB90428GA單片機(jī)的汽車(chē)組合儀表設(shè)計(jì)

　　引言

　　汽車(chē)儀表是駕駛員和汽車(chē)進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，為駕駛員提供所需的汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車(chē)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(zhǔn)確與可靠則直接關(guān)系到汽車(chē)行駛的安全。近年來(lái)，隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)儀表板上顯示的信息不斷增加，傳統(tǒng)的機(jī)械指針式汽車(chē)組合儀表越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足使用的需要，特別是計(jì)算機(jī)、微電子和各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)適合汽車(chē)儀表的單片機(jī)以及汽車(chē)儀表用的步進(jìn)電機(jī)等新技術(shù)產(chǎn)品，這導(dǎo)致了智能化數(shù)字式現(xiàn)代汽車(chē)組合儀表將是汽車(chē)儀表發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　
　　組合儀表的基本構(gòu)成

　　組合儀表通常由以下幾部分組成：車(chē)速表、里程表、轉(zhuǎn)速表、水溫表、油量表、照明系統(tǒng)、報(bào)警指示系統(tǒng)等。里程表采用數(shù)碼顯示，車(chē)速表、轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的組合儀表主要由車(chē)速表、里程表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、水溫表、燃油表組成。同時(shí)還有許多指示和報(bào)警訊號(hào)燈，如左右轉(zhuǎn)向信號(hào)、駐車(chē)信號(hào)、剎車(chē)信號(hào)、遠(yuǎn)光信號(hào)、ABS、照明、發(fā)電機(jī)指示、機(jī)油壓力報(bào)警、制動(dòng)器故障、油量報(bào)警、水溫報(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)故障等。圖1為該組合儀表的構(gòu)成原理框圖。

　　汽車(chē)儀表使用的步進(jìn)電機(jī)

　　這是新一代汽車(chē)組合儀表最顯著的特點(diǎn)。由于一般動(dòng)圈式指示儀表抗震性能差、過(guò)載能力差、指針易抖動(dòng)等弱點(diǎn)，而電磁式十字線(xiàn)圈指示儀表機(jī)芯也存在一致性、通用性差的缺點(diǎn)，急需一種一致性好、通用性、可靠性好的驅(qū)動(dòng)機(jī)芯。業(yè)內(nèi)人士和專(zhuān)家普遍看好適用于汽車(chē)儀表的步進(jìn)電機(jī)。它在工作原理上作出技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)線(xiàn)包與磁鋼間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)指針工作的形式[5]?；谠摬竭M(jìn)電機(jī)的汽車(chē)組合儀表由微控制器完成各種被測(cè)物理量的采集，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后直接驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)，再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針，在刻度盤(pán)上指示被測(cè)物理量，同時(shí)輔以被測(cè)物理量LCD顯示。步進(jìn)電機(jī)式汽車(chē)儀表與先前的模擬式(動(dòng)圈式或動(dòng)磁式十字交叉線(xiàn)圈)汽車(chē)儀表相比有顯著的特點(diǎn)：指示精度高、一致性好、重復(fù)性和通用性好、可靠性和穩(wěn)定性高、驅(qū)動(dòng)與控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，可以用獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，如PMM8713、PMM8723、PMM8714，也可選用帶步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微控制器，如uPD780823、MB90420/425G系列等。本設(shè)計(jì)采用的是帶步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微控制器MB90428GA。

　　目前國(guó)內(nèi)部分中高檔轎車(chē)，如一汽紅旗世紀(jì)星，上汽帕沙特、塞歐，安徽奇瑞，長(zhǎng)安世紀(jì)星等均配備使用了步進(jìn)電機(jī)式汽車(chē)儀表，其他型號(hào)的轎車(chē)也急需配套該類(lèi)型的儀表。有充足的理由認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)式儀表將是未來(lái)一段時(shí)間汽車(chē)儀表的主導(dǎo)趨勢(shì)。
　　
　　硬件原理設(shè)計(jì)

　　該組合儀表的硬件電路主要有以下幾個(gè)模塊組成：1、輸入脈沖信號(hào)(里程和轉(zhuǎn)速)處理電路；2、模擬量(水溫與燃油)輸入電路；3、開(kāi)關(guān)量電路：主要是一些指示報(bào)警信號(hào)燈及背光燈電路；4、儀表驅(qū)動(dòng)顯示電路：有轉(zhuǎn)速表、里程表、水溫表、燃油表，他們由步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，還有一塊LCD液晶用來(lái)顯示時(shí)鐘、總里程以及小計(jì)里程；5、電源電路。下面主要介紹其中的一些電路。

　　MB90428GA單片機(jī)的特點(diǎn)

　　MB90428GA是富士通(Fujitsu)公司專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)電子儀表及步進(jìn)馬達(dá)的工業(yè)控制開(kāi)發(fā)的一款十六位單片機(jī)。具有以下特點(diǎn)：4路大電流輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，還可用于驅(qū)動(dòng)十字交叉線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)控制；可直接驅(qū)動(dòng)24×4的LCD液晶顯示；自身帶有128KB的在線(xiàn)可編程Flash Rom，6KB SRAM存儲(chǔ)器；具有低電壓CPU復(fù)位檢測(cè)功能， 1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；一路CAN通道；8通道8/10位A/D轉(zhuǎn)換；4路16位輸入捕捉通道等[1]。

　　電源電路及掉電保護(hù)

　　電源電路：由于汽車(chē)蓄電池提供的是12V電源，因此要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)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(jī)工作電源。

　　掉電保護(hù)電路：為在掉電的時(shí)候也可以及時(shí)地記錄汽車(chē)行駛的里程數(shù)據(jù)，使用掉電保護(hù)電路。在掉電時(shí)可以維持一段時(shí)間的電壓，保證單片機(jī)完成里程數(shù)據(jù)的保存，并調(diào)整指針位置使之回零。為了在掉電的時(shí)候也可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個(gè)1000uF的電解電容，電源斷開(kāi)時(shí)在IRQ管腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，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。

　　輸入脈沖信號(hào)處理電路

　　來(lái)自傳感器的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)定時(shí)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(chē)速脈沖信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)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(qū)動(dòng)電路、LED驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)行駛中的里程數(shù)據(jù)(小計(jì)、總計(jì))；LCD液晶則顯示行駛的里程數(shù)據(jù)；LED顯示指示和報(bào)警信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)式儀表，分別為行車(chē)時(shí)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和燃油量。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　該儀表軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。主要由以下幾個(gè)模塊組成：

　　里程表軟件設(shè)計(jì)思想：該里程表采用霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器，表的轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器將感應(yīng)發(fā)出8個(gè)脈沖。里程表速比表示的是：里程表轉(zhuǎn)軸(軟軸)在汽車(chē)行駛1公里時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)?，F(xiàn)以速比為1：624的車(chē)型為例；汽車(chē)行駛1公里霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為8×624=4992個(gè)，或每個(gè)脈沖代表1/4992公里的里程，將這些脈沖信號(hào)作外部中斷輸入給單片機(jī)，使每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)中斷，并通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)γ總€(gè)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)滿(mǎn)4992時(shí)，表明汽車(chē)行駛1公里， 然后在給累計(jì)單元加1，并存入EEPROM，最后通過(guò)刷新LCD液晶顯示器，即可實(shí)現(xiàn)里程計(jì)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(jì)數(shù)，判斷計(jì)數(shù)是否達(dá)到1公里，否則返回。T0中斷是否顯示總里程，每經(jīng)過(guò)1公里向EEPROM中寫(xiě)入1次，在停車(chē)等待時(shí)，CPU停止寫(xiě)入總里程。

　　車(chē)速表軟件設(shè)計(jì)思想：在里程表程序中，每計(jì)數(shù)1次，汽車(chē)行駛0.0016025641KM，每10ms中斷1次，送顯示，其中斷1000次時(shí)間為1秒，計(jì)算1秒計(jì)數(shù)次數(shù)，乘3600再乘0.0016025641即可求出時(shí)速：時(shí)速=次數(shù)X5.7692.車(chē)速表指針偏轉(zhuǎn)位置與輸入量成線(xiàn)性關(guān)系：即 θ=K·Vin。其中θ為指針偏轉(zhuǎn)角；K為常數(shù)；Vin為輸入電壓。時(shí)速與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhuǎn)速表軟件設(shè)計(jì)思想：轉(zhuǎn)速表是用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一種指示儀表。在本設(shè)計(jì)中是把轉(zhuǎn)速傳感器傳送的頻率信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后輸出方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在刻度盤(pán)上指示發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值。轉(zhuǎn)速與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)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(jī)冷切水道上，熱敏電阻決定了流經(jīng)水溫表線(xiàn)圈繞組的電流大小，從而驅(qū)動(dòng)表頭指針擺動(dòng)。

　　燃油表是顯示油箱內(nèi)的油量的儀表，單位是L(升)，指針指向“F”表示滿(mǎn)油，指線(xiàn)“E”表示無(wú)油；也有用1/1，1/2，0分別表示滿(mǎn)油，半箱油和無(wú)油，燃油表內(nèi)有兩個(gè)線(xiàn)圈，分別在“F”與“E”一側(cè)，傳感器是一個(gè)由浮子高度控制的可變電阻，阻值變化決定兩個(gè)線(xiàn)圈的磁力線(xiàn)強(qiáng)弱，也就決定了指針的偏轉(zhuǎn)方向。

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

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種步進(jìn)電機(jī)式的組合儀表盤(pán)。該儀表盤(pán)以富士通(Fujitsu)公司的MB90428GA單片機(jī)為微處理器，設(shè)計(jì)了一種以步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)表針的組合儀表，給出了硬件原理和軟件設(shè)計(jì)。該組合儀表盤(pán)已經(jīng)在某車(chē)型上調(diào)試成功，各方面表現(xiàn)良好，表指針可以平滑轉(zhuǎn)動(dòng)，在低速情況下精度和線(xiàn)性度良好。

　　參考文獻(xiàn)：

　　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(chē)用車(chē)速表和里程表的設(shè)計(jì).電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.2005(11):56

　　3.劉清波,蔡樹(shù)珍,孫業(yè)歧,史 楠.基于單片機(jī)的汽車(chē)?yán)锍瘫碓O(shè)計(jì).河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2002(9):276-278

　　4.陳子明.汽車(chē)車(chē)速里程表及其速比的計(jì)算方法.汽車(chē)電器.2005(3):9-11

　　5.儀表步進(jìn)馬達(dá)用戶(hù)手冊(cè).偉力電子有限公司.2005.03