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现代汽车电子技术,山东大学 交通运输研究所 程勇,教材：现代汽车电子技术（潘旭峰等编著） 学时：32 教师：程勇 88396530,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，要求耐用、耐振、指示准确、读法方便，以及受温度、湿度的影响小。 数字仪表采用微处理器采集处理不同传感器信号，控制显示如车速、发动机转速、燃油消耗和行车里程等多种情息。,显示装置采用发光二极管(LED)、真空荧光显示(VFD)、液晶显示(LCD)、阴极射线警(CRT)、平面发光和投影显示技术。 VFD采用真空管，其内的灯丝通电加热，阴极发射电子，撞击显示元件上覆盖着的磷发光，有较高的可靠性，需要较低的操作电压，并能提供彩色显示。,LCD通过施加在晶体上的电压改变晶体特殊分子结构来改变光学特性。 LED和VFD都是发射光线型的显示器，而LCD属于被动式显示器，应用在光线较好的环境下，一般借助像白炽灯管等器件作为背景照明。耗电小，低温时的灵敏度较低，需要附加加热电路。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,速度表,里程表,发动机转速表,燃油计,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,速度表利用车速传感器测量信号，计算并显示车速。 车速计算时，可以计算固定时间内传感器输出的脉冲数，也可测量脉冲周期。,脉冲数量计算方法是当微处理器检测到信号脉冲数有增加时，就开始对脉冲进行计数，统计预置时间内脉冲数量，并与内存中的数据比较，如果相差1km/s时，刷新显示值，整个过程不断重复。测量时间太短会因测得的脉冲数较少而产生误差，车速传感器每转产生20个以上脉冲。,带有MRE(磁性电阻元件)的车速传感器用一个多极磁铁附加在驱动轴上，旋转使磁力线发生变化。集成电路上MRE中电阻值随着磁力线的变化而变化，导致电桥中输出电压的变化，经过比较器后，产生出每转20个脉冲信号。 当电流方向和磁力线方向平行时MRE上的电阻最大。当电流方向与磁力线方向成直角时，MRE上的电阻最小。,该车速传感器可在每小时60km车速时以每分637转的转速旋转，并在每转中输出20个脉冲。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,速度表,里程表,发动机转速表,燃油计,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,汽车的里程表用于累计、储存和显示汽车所走过的路程，既有可在需要的时候重新置值的短途表，也有用来指示汽车走过总路程的里程表，两者都通过检测车速传感器所产生的脉冲数信号来计算并存储汽车所走过的里程。 若采用EEPROM存储器，可使存储的数据不丢失，但由于EEPROM上写和删除的数据总量有限，因此里程表通常设计成每走一公里后刷新一次，这样可以减少重写的次数。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,速度表,里程表,发动机转速表,燃油计,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,发动机转速表通过点火线圈的前沿触发信号测量(脉冲信号的时间倒数正比于发动机的转速)，这种前沿脉冲信号通过中断口输入到微处理器。为减小计算误差，脉冲的周期通常采用四个周期的平均来计算，,常数,第七章 信息与通讯,数字式仪表,速度表,里程表,发动机转速表,燃油计,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,汽车燃油计由一个随燃油液面高度升降的浮子，一个带有电阻器的机体，和一个浮动臂组成。机体固定在油箱壁上，浮子随燃油液面的高度升降对，带动浮动管使接触片在电阻器上滑动，从而使检测回路产生不同的电信号。当在整个电阻外部接上固定电压时，燃油高度就可根据接触片相对地线的电压变化输出测量值。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,速度表,里程表,发动机转速表,燃油计,数字仪表及其显示装置 几种常见的数字仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,ECU给燃油输送计施加固定+5V电压，并将燃油计输出电压经A/D转换交由微处理器处理、显示。系统第一次通电时大约每0.4s检测一次。在一般运行环境下，为防止浮子因振动等因素造成的摆动而导致显示不稳，转换的结果每26s平均一次。,平均还不足以使显示完全平稳下来，在更新数据时系统只允许每次仅升降一段，并且显示结果经数次确认后才显示出来。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,汽车仪表正从简单显示传感器信息，发展成可对各种信息进行分析计算、加工处理的综合信息系统。 系统包括用于管理通讯和控制整个系统的“CRT ECU”；用于调用“CDROM”数据并传送给CRT ECU的“CD ECU”；接收电视信号,并与CRT ECU通讯的“TV ECU”控制音响系统并与CRT ECU通讯的“音频ECU”，控制空调并与CRT ECU通讯的“空调ECU”；从GPS卫星接收无线电信号、计算汽车的当前位置并传送给CRT ECU的“GPS ECU”；控制蜂窝电话并与CRT ECU通讯的“电话ECU”。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,维修信息。显示如发动机换油和更换轮胎后所行驶的距离等。 日历。驾驶员的日历和日程表。 行程信息。从出发开始的行程计算、所用时间和总的燃料消耗，并根据燃料消耗率和存油量显示以后可能行走的里程。 空调信息。显示空调的操作模式和风扇的设置，通过触摸屏幕上的键可以操作空调。 音响系统信息。通过触摸屏控制显示音响系统的音乐资料。 电视广播。接收电视节目，但是，此功能一般只在车停止时有效，而驾驶时屏幕自动切换为其它的内容。 电话信息。显示诸如蜂窝电话号码的信息，并可通过触摸屏幕来实现拨号和挂机。 后视照像机信息：倒车，显示安装在车后部的镜头摄取的景象。,系统中综合显示的信息种类有： 地图信息。公路图按不同比例显示，可以滚屏。借助导航系统，可以在图上标注出汽车的当前位置。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,显示系统的触模键通常以模拟形式显示在屏幕上，用手指接触到触模键时即可进行操作。 检测屏幕是否被触摸可采用红外触发开关。显示器的两端都有一个红外LED和光电三极管相对。在显示器未被触摸时，红外LED的光束到达光电三极管促使其导通。按键被触摸时，红外光被裁断，光电三极管随即关断。红外LED和光电三极管的混合体安放在显示器的多个地方(顶部和低部，左边和右边)。因此，屏幕上被触到的按键位置由被关断的光电三极管所在位置测定。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,综合信息系统中每一项功能都有相应的ECU，以及用于ECU之间的通讯信号线。通讯方法有并联和串联两种 并行通讯使用多条线路，可以同时进行多位处理，用于大信息量传递和高速通讯，缺点是需要使用多条信号线； 串行处理中使用一根信号线，一位一位地进行传输，速度显然较慢，但考虑到成本等方面的原因，在汽车中采用较多。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,导航系统的功能包括推算航迹、地图匹配和GPS(全球定位系统)接收等。 航迹推算由内置的罗盘和车轮转速传感器获得汽车的相对位置和方向。,地图匹配则对航迹推算所用路径和内存地图上的道路进行比较，根据行驶过的道路，在地图上进行定位。也可通过GPS获得更为精确的位置信息，使用经纬度确定绝对位置。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,借助罗盘传感器检测地球的磁场可以确定汽车的行驶方向。罗盘传感器由一个激励线圈和两个垂直的线圈缠绕在具有高磁通宰的圆环磁铁上组成。,当激励线圈加载交流电压时，磁场中心的磁力线发生变化，在感应线圈中产生感应电压。当没有外部磁场，磁力线的极性相反，形成的磁力线互相抵消。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,当外部磁场H加在输出线圈的右角时，与磁化电流产生的磁场相重叠，使磁力线变为不对称，输出电压随差值成比例变化。当外部磁场H以角加载时，输出线圈中的电压按下述方程变化：,从而就可以确定汽车的行驶方向。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,汽车转弯时方向变化可通过左右车轮转速传感器的输出脉冲差进行检测。若汽车以R为转弯半径转角时，每一轮按同一中心进行旋转。汽车的前内外车轮行走距离Li和L0，由以下方程得到：,其中，内外车轮的转弯半径按下式计算：,式中L为汽车的轴距，K为汽车的轮距。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,再设P为外侧和内侧车轮行驶路径之比，按下式定义为：,因为L和K是汽车独有的参数，通过计算P和前轮的R可获得后轮的转弯半径。相应汽车行驶的转角可由下式求得：,知道了出发点的转角，即可求得汽车任意时刻行驶方向的变化,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,用陀罗仪测定汽车转弯角速度是确定汽车行驶方向的一种方法。 在气流率陀罗仪中，由气泵压出氦气，气体通过装有两个加热金属线圈的检测器。 氦气从泵嘴喷出后逐渐扩散。当汽车以直线行驶时，氦气同时通过金属线圈，均匀地冷却，达到热平衡，电路的输出电压为零。当汽车的行驶方向发生变化时则产生复合力，从而使通过金属线圈的气流发生变化。热线圈的冷却失去热平衡，在电桥电路中产生输出电压，由此电压即可确定汽车行驶的角速度。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,航迹推算用于确定汽车距出发点的位置。距出发点(X0，Y0)的距离,方向由罗盘传感器获得，车身由金属或其它磁性物质组成，通过铁路交叉口时可能被火车的电机电流磁化，不能正确确定方向。可使车身旋转360来补偿基于磁性部件进行检测的罗盘输出。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,车身旋转时，罗盘输出也随之变化，磁化率可通过计算圆的中心得到，也就可以以圆心为向量的原点，正确地确定汽车的方向。,当汽车通过隧道或金属桥，或与大卡车并行时，可能对地磁的检测受到影响。在使用罗盘的同时，还需要使用车轮转速传感器。车轮传感器不受这些因素的影响，但其精度低于前者。因此，如果罗盘传感器对地磁的检测有问题时，应立刻切换到车轮传感器工作，等其恢复正常后再使用罗盘传感器。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,罗盘传感器,车轮转速传感器,陀罗仪,航迹推算,地图匹配,地图匹配用于比较航迹推算得出的路径和地图上的道路形状，确定所行驶的道路。 导航系统通过搜寻并根据推算确定汽车附近所能利用的道路，将推算的路径和所确定道路形状进行比较，匹配后根据选定的道路按行驶路程确定汽车当前的位置。到叉路口时，要按行驶的方向选择道路。,有多条道路，则将每一条路与行驶的路径进行比较，求其关联度，选最高的那一,条，并计算当前位置。如果关联度很小，则放弃该路，转算其它，直到正确为止。道路形状数据也存在CD ROM上备查。,第七章 信息与通讯,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,全球定位系统GPS(Global Positioning System)是70年代中期美国国防部在子午仪卫星导航系统基础上发展起来的新一代卫星定位导航系统。 GPS可以向飞机、轮船、车辆或其它物体提供全球三维位置、速度和时间;,采用P码为美国航空部队提供的专用精密定位导航服务，定位精度为10m左右，一般用户不能接收； 采用C/A码，供民用并向全世界开放的标准定位导航服务，定位精度为l00m左右，一些GPS接收机制造商声称据此通过复杂的计算修正，其精度可提高到15m左右。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,24颗(其中3颗备用)高度为20 200km的导航卫星，分布在6条近圆轨道上，每一轨道分布4颗，运行周期为11h58min。保证全球任何地区、任何时刻可观测到不会少于4颗卫星。 卫星上装有精度为10-13的精密原子钟，各卫星和地面站的原子钟同步，建立导航系统的精确时间系，称为GPS时。卫星上的发射机以L波段双频575.4MHz和1226.60MHz发射导航信号，双频是为了校正电离层产生的附加延时。位置的确定通过测量电波传播时间来进行。理论上三颗卫星的信号就可以测出接收机在地球上的位置坐标。考虑到实际空间中大量引起误差因素的存在，通过第四颗卫星来作“双重检验”以清除这些因素的影响。,空间部分,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,地面站 地面站包括一个主控站、四个监测站和一个注入站。 主控站控制着整个地面站的工作。根据各监测站送来的信息计算各卫星的星历和卫星时钟的修正量，按规定的格式编制成导航电文，以便通过注入站注入卫星。 监测站都是无人数据采集中心，在主控站的控制下跟踪接收卫星发射的L波段双频信号，并通过环境数据传感器收集当地的气象数据，由信息处理机处理收集到的全部信息，并传送给主控站。 注入站与主控站设在同一地区，当卫星通过其视界时，注入站用S波段载频将导航信息注入卫星。注入站还负责监测注入卫星的导航信息是否正确。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,用户设备 导航卫星采用无源工作方式，凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPs系统。 用户设备包括全向圆极化天线、接收机、微处理器、控制显示设备等，有时也统称GPS接收机。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,导航卫星系统是无源测距系统，用户可以通过比较接收到卫星发射的信号和本地参考信号，测量传播延时。若卫星时钟与用户时钟同步，则测得的延时正比于卫星和用户间的距离 f：,电波传播速度,若卫星时钟与用户时钟相差t，测得的传播延时”及相应的距离 不是真正的电波传播延时及卫星到用户的r，两者相差ct离，此时称伪距。有：,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,卫星使用精密的原子钟，而用户时钟一般是精密度较差的石英钟。如时钟差为10ns，相当于伪距离误差为3m。用户测得的对第i 颗卫星的伪距为；,测量的伪距中有四个未知量，需要测量到四个卫星的伪距，得到四个独立的方程，即：,求解四元非线性方程组就可以找到接收点。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,自动车辆定位/导航系统AVLN(Automatic Vehicle Location Navigation) 由车载部分和主控中心部分组成，两部分通过无线电联系。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,主控中心由电台、调制解调器、计算机系统和GIS四部分组成。电台接收汽车上电台发出的位置信息，也可反控汽车。调制解调器负责反控命令和GPS信息的数/模转换。微机系统在接收到汽车的位置信息后，进行简单的预处理，然后按通讯协议，包装信息并通过RS232送往工作站。工作站则在矢量GIS数据上显示汽车的位置，并提供空间查询功能。,车载部分由GPS接收机、调制解调器及电台组成。GPS接收机接收C/A码，经差分处理精度可达20m左右。调制解调器控制GPS接收机的数据采集并将数据信息转换后再通过电台发往主控中心，该系统采用的是l25.5MHz的VHF电台，有效覆盖半径约为30km。,第七章 信息与通讯,GPS系统组成,导航原理,车用GPS,自主导航 GPS导航,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,多个汽车通常公用一个信息通道，为避免多个汽车同时发送信息，造成信道碰撞，主控中心与汽车采用主从结构形式通讯，主控中心维护整个信息网络的操作，它首先根据系统的配置，顺序和每辆车建立“连接”关系并进行数据交换，不成功则标记出错原因，断开“连接”。每个车被查询一次即完成一个周期，避免信息碰撞产生。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,蜂窝电话和交换站通过无线电联结，电话可随汽车移动。 由多条通道由频率段联结，为充分利用无线电波和增加装机容量。将区域分为多个较小的区域，建立覆盖每个区域的交换站，减少发射功率，同时无线电波的范围减小了，同一频率就可以用在其它的地区。,蜂窝电话与常用的电话不同，使用的是无线电波，则开始通讯时要选择合适的通道，需要通过交换站的联结，还需要获得汽车的位置以便能接通电话。,在每个区域的边界有重叠区域，保证区域之间可以切换，实现汽车通过不同的区域时通讯不会中断。,第七章 信息与通讯,数字式仪表,综合信息系统,定位导航系统,蜂窝电话,通电控制。除电话通道，还有控制通道，它又分为接收控制和发射控制。通电后，蜂窝电话检查“接收控制通道”并以最大的接收能力选择通道。从该通道接收到地方无线电站的地区分类码。如果接收的码与所存的码不同，则在地方无线电站将汽车的位置登记，随后接收控制通道进入实时监测状态，电话处在等待状态。 位置登记。因为无线电站的呼叫范围有限，需预先知道电话的位置。每个电话的地区号已由无线电站设好。当汽车从控制区A移动到B时，地区号发生变化，电话进行切换调整，并利用“发射控制通道”在无线电站登记。登记位置信息也送入本地存储站，从而电话被区B控制。,第七章 信息与通讯,数字式