（交通信息工程及控制专业论文）MCGS下的纯电动汽车智能仪表设计.pdf

摘要 汽车仪表是驾驶员了解车辆内部状态的重要窗口。传统汽车仪表多采用结构复杂 的指针型模拟仪表，显示的信息量较少，而且故障率较高。随着现代汽车新技术的不 断出现，尤其是新能源环保电动汽车的快速发展以及汽车电子化和信息化水平的不断 提高，使得只能提供少量数据信息的传统仪表已经远远不能满足现代汽车新技术、高 精度的要求。对仪表系统进行技术创新，研发新一代的汽车智能仪表势在必行。 本文以陕西省重点科技攻关项目为依托，以纯电动汽车试验车为研究对象，对汽 车智能仪表进行了研究与开发。文章首先通过对纯电动汽车电子控制单元控制电路的 分析，并借鉴国内外先进的仪表技术，提出了智能仪表设计的总体方案；根据设计方 案进行了仪表软硬件开发平台的搭建，具体工作包括仪表主控模块的选型、仪表c a n 总线接口的扩展、w i n c e 操作系统内核的定制以及嵌入式组态软件m c g s 的安装； 之后对智能仪表进行了应用软件的开发，包括仪表数据处理算法的研究和仪表图形界 面的设计；最后对智能仪表进行了实验室模拟调试和系统联调。通过调试，该仪表运 行稳定可靠。 纯电动汽车智能仪表实现了车载信息的图形化和数字化显示，并具有数据存盘功 能。同传统仪表相比，该仪表采用较先进的嵌入式处理器及w i n c e 操作系统来构建 智能仪表系统的软硬件平台，数据处理速度更快，准确性更高，实现了一表多用。同 时，由于仪表的嵌入式系统平台资源丰富，使得智能仪表具有良好的可扩展性。 关键词：智能仪表、w i n c e 、c a n 总线、m c g s a b s t r a c t t h em o t o ri n s t r u m e n t sa r ei m p o r t a n tw i n d o w sf o rd r i v e r st ok n o wt h ev e h i c l e s i n t e r n a ls t a t e t h ep o i n t e ri n s t r u m e n t s 、) r i mc o m p l e xs l m c 眦a r eo f t e nu s e da st r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s ，w h i c hh a v eal i t t l ei n f o r m a t i o nd i s p l a y e da n dah i g hf a i l u r er a t e w i t h a d v a n c e dt e c h n o l o g yo fm o d e ma u t o m o b i l e e m e r g i n g e s p e c i a l l y w i t l lt h e r a p i d d e v e l o p m e n to ft h en e we n e r g ye n v i r o n m e n t f r i e n d l ye l e c t r i cv e h i c l e sa n da u t o m o t i v e e l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i z a t i o n , i tm a k e st h ep o i n t e ri n s t r u m e n t sh a v eb e e nf a rf r o m s a t i s f y i n gt h en e wt e c h n o l o g ya n dh i g h p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so fm o d e m v e h i c l e s a n di t i si m p e r a t i v et od ot h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no fi n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m sa n dt od e v e l o p an e wg e n e r a t i o no fi n t e l l i g e n tm o t o ri n s t r u m e n t s i nt h i sp a p e rp u r ee l e c t r i cv e h i c l ep i l o tc a ri su s e da sar e s e a r c ho b j e c ta n dt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta r ed o n eb a s e do ns h a a n x i p r o v i n c i a lk e ys c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t s i nt h ea r t i c l e ，t h eo v e r a l ls c h e m e d e s i g no ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sf i r s t l yp r o p o s e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ec o n t r o l c i r c u i to ft h ep u r ee l e c t r i ca u t o m o b i l e se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ta n dd r a wl e s s o n sf r o m d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt os c h e m ed e s i g n ，t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p e rp l a t f o r m sa r eb u i l t ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fm a i n c o n t r o lm o d u l e ，t h ee x p a n s i o no fc a nb u si n t e r f a c eo nt h ei n s t r u m e n t ，t h ek e m e l c u s t o m i z e do fw i n c eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ei n s t a l l a t i o no fe m b e d d e dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r em c g s t h e nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d , i n c l u d i n gr e s e a r c ho nt h ed a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n dt h ei n t e r f a c ed e s i g no fi n s t r u m e n t g r a p h i c f i n a l l y , t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti st a k e nt ol a b o r a t o r ys i m u l a t i o nd e b u ga n d s y s t e mj o i n td e b u g t h r o u g ht h ed e b u g g i n g ，t h i si n s t r u m e n tw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ni ng r a p h i c a la n dd i g i t a ld i s p l a yi sf u l f i l l e di nt h ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n to fp u r ee l e c t r i cv e h i c l ew h i c hh a sd a t as a v i n gf u n c t i o n c o m p a r e dw i n lt h e t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t , t h e i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tn s e st h em o r ea d v a n c e de m b e d d e d p r o c e s s o r sa n dw i n c eo p e r a t i n gs y s t e m st ob u i l di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts y s t e ms o f t w a r e a n dh a r d w a r ep l a t f o r m s ，a n dt h ed a t ap r o c e s s i n gi sq u i c k e ra n dm o r ea c c u r a c yt oa c h i e v ea m u l t i - p u r p o s e a l s o ，b e c a u s et h ee m b e d d e di n s t r u m e n tp l a t f o r mi sr i c hi nr e s o u r c e s ，w h i c h m a k e si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n th a sg o o ds c a l a b i l i t y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ；w i n c e ；c a nb u s ；m c g s 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题来源、研究的背景及意义 本课题来源于陕西省科技厅重点科技攻关项目“纯电动汽车试验车研究( 批准号： 2 0 0 1 k 1 0 g 1 ) ”的子项目，重点在于纯电动汽车车载智能仪表的功能研究与设计，以及 车载智能仪表系统与纯电动汽车电子控制单元之间c a n 通信的设计及实现。 随着社会经济的发展，汽车业逐渐发展成为世界经济的支柱性产业，作为汽车主要 零部件的车载仪表也随着现代汽车的高速发展经历了一系列的技术革新。按其工作原理 上取得的重大技术创新来分，汽车仪表主要经历了机械式仪表、电气式仪表、模拟电路 电子式仪表和全数字化仪表四个阶段【l 】。目前的汽车仪表正在经历由模拟电路电子式仪 表向全数字化仪表的转型时期，汽车仪表正在向着数字化、智能化的方向高速发展。 汽车仪表是汽车电子技术的重要组成部分，是驾驶员与汽车进行信息交流的重要渠 道，也是车辆安全行驶的重要保证。传统的汽车仪表主要是机电式模拟仪表，有车速里 程表、发动机转速表、燃油表、电压表、电流表、机油压力表、水温表等显示仪表以及 方向指示灯等，它们或多或少都存在以下的缺点： ( 1 ) 精度不高。传统汽车仪表在低速区的误差比较大，线性度也很差，导致仪表 的精度不高。 ( 2 ) 分度不均匀。为了弥补合成磁场确定的指针位置存在线性差的问题，传统仪 表在设计时大多采用低速区和高速区不均匀分度的方法，但这样会导致仪表在高速区和 低速区的指示精度降低，同时分辨率也会下降； ( 3 ) 可靠性差。传统汽车仪表都是由针轴、游丝、线包、磁屏蔽罩和机械零件等 组装而成，故障率很高，可靠性也比较差。 为了弥补传统汽车仪表的缺陷，世界各国也一直在努力开发汽车仪表技术，并不断 取得新的发展。随着现代汽车新技术的不断出现，尤其是新能源环保电动汽车的快速发 展以及汽车电子化和信息化水平的不断提高，使得只能为驾驶员提供汽车运行中必要而 又少量的数据信息的传统仪表已经远远不能满足现代汽车新技术、高精度的要求。以本 课题的纯电动汽车( e v 1 ) 为例，虽然没有了传统汽车的燃油表，但是显示部分却增加 了更多关于电池动力系统参数的信号量以及其他用于车辆控制和状态显示的量，如电池 电量、电池放电电流、电压、加速踏板开度、电机运行参数等。 研发纯电动汽车的车载智能仪表，一是原车上的仪表已经不能满足改装之后的纯电 第一章绪论 动汽车系统的众多参数的显示需求，二是开发先进的智能化液晶显示仪表与先进的纯电 动汽车技术相匹配，三是自行研发可以节约成本。此外该仪表不仅可以用于纯电动汽车， 也可用于其他新能源汽车及传统汽车。 经过1 0 0 多年的发展，现代汽车已经不仅仅是人们生活的简单代步工具，汽车上的 电子化、信息化和智能化装备在技术水平和应用数量上的不断提高也已使得现代汽车发 展成为人们舒适生活的一部分。随着全球范围内汽车保有量的增加，由此引发的行车安 全、城市道路交通拥堵一直是人们关注的热点问题。为此现代汽车仪表技术集成了先进 的电子、网络与通信技术，使汽车具有信息处理、通讯、导航、图像显示和娱乐等功能， 不仅大大提高了汽车的综合性能，提高了人们的出行效率，而且还可以远程监控汽车状 态，减轻驾驶员负担，丰富乘客旅途的文化生活等。汽车仪表通过有线和无线网络获取 各种信息，一方面可以使驾驶员与乘客始终与外界保持密切的联系，另一方面也可以构 筑自己的信息应用平台，有利于今后在汽车仪表上开展移动电子商务、网络办公和网上 冲浪等增值服务【2 ，3 1 。 综上所述，现代汽车仪表在人们日常生活中承担重要角色，一方面是一表多用，另 一方面也是电子信息技术等集成化发展的必然趋势。 1 2 汽车仪表在国内外的发展概况 1 2 1 国内外汽车仪表发展现状 目前国际市场上比较流行的汽车仪表主要有三种形式：第一种形式对原有的仪表进 行电子化改造，如我国目前正在大力推行的电子式汽车里程表和发动机转速表等。第二 种形式是将所有汽车仪表的机芯统一成一种结构的步进电机，所有车身传感器信号经 a d 转换输入中央处理器c p u ，c p u 经过运算处理后发布指令，控制各步进电机运转， 从而实现仪表指示功能。这种形式的汽车仪表不仅指示精度高，而且还可通过编写软件 实现仪表的自诊断功能。第三种形式即是信息管理系统，这也是国际汽车电子仪表的发 展趋势 4 1 。 在国外，汽车仪表作为汽车内部信息显示的重要窗口，其功能、技术性能、外观造 型以及视觉效果等均受到了高度的重视。汽车仪表作为汽车的重要零部件，其平均配套 价格更是占据了整车售价的3 。目前汽车仪表技术最为领先的仪表制造企业主要集中 在德国和日本，他们的产品已经实现了由传统的组合仪表向汽车集成信息系统方向的发 展，并开发了代表国外同行业先进水平的多功能全电子显示仪表、平视显示仪表等多种 2 长安大学硕士学位论文 高技术产品。近二十年来，随着微电子技术、计算机技术、精密机械技术、集成技术、 网络技术等高新技术的迅速发展，现代汽车仪表已经完全突破了传统的框架，向着计算 机化、网络化、多功能化、智能化的方向发展，实现了众多全新的功能。高科技化已经 成为现代汽车仪表的主要特征。目前在国外已经被应用于汽车仪表的先进高科技技术主 要包括：方便驾驶员用声音指令设定、控制和打电话的声控技术；声控投影图象显示技 术；为用户进行电子邮件收发、实时路况信息显示、天气预报和股市跟踪的技术；g p s 卫星定位和精确电子导航技术；远程故障诊断和车载免提电话等。 目前我国汽车电子设备的研发和生产能力还相当薄弱，只相当于美国七八十年代的 水平。通过借鉴国外先进的技术，并经过不断的创新，目前国内汽车仪表技术呈现出的 技术特点【5 】主要有： ( 1 ) 一体化简化设计。现代汽车仪表不仅要充分满足汽车性能要求，而且还必须 满足汽车工业降低成本的总要求，因此仪表的设计者为了降低汽车仪表的成本，采用了 一体化简化设计。 ( 2 ) 先进的模型设计软件。在进行仪表设计时，模具制作是最费时、最花钱的部 分之一。在竞争压力下，为了提高新产品的开发速度，汽车零部件制造企业不断引进先 进的设计工具和技术，如c a d 、c a m 、c a e 以及有限元模型分析等，大大提高了模型 设计的工作效率。 ( 3 ) 热塑材料大量运用。使用高性能的热塑材料不仅能大大提高汽车仪表的组合 程度，而且能在不减轻强度的前提下做成薄壁仪表板，降低汽车仪表的重量。 ( 4 ) 波峰焊技术流行。在汽车仪表的电气连接中，锡焊连接曾经因为投入少、成 本低、操作简单、拆卸方便等优点而被广泛应用，但是由于影响手工锡焊品质的要素比 较多，常会发现焊接缺陷，而且有些焊接缺陷往往是在经贮存、运输甚至使用以后才发 现的，这样会给生产企业和消费者带来不同程度的损失。因此目前国内汽车仪表行业中 除个别企业仍用手工锡焊外，一般都是采用波峰焊、回炉焊技术来焊接汽车仪表的印刷 电路板组件。 ( 5 ) 仪表总成国产化。由于国内汽车技术落后于国外汽车发展，所以国内汽车仪 表企业不断吸收借鉴国外的先进经验和技术，作为汽车主要零部件之一的仪表总成也是 在国外先进技术的基础上进行着国产化。 1 2 2 汽车仪表的发展趋势 一 3 第一章绪论 随着计算机技术、电子技术、网络技术以及液晶显示技术的发展，汽车仪表的发展 趋势也将更加体现这些高新技术的结合，同时汽车仪表的功能也将极大地拓宽，不再局 限于单纯的信息显示，而是将演变成为车载信息系统。未来汽车仪表的主要发展趋势【6 】 如下： ( 1 ) 未来汽车仪表将能提供大量复杂的信息。随着汽车电子化水平的不断提高， 汽车的电子控制程度也越来越高。车身的电子控制装置能够迅速、准确地处理各种复杂 的信息，并通过汽车仪表以数字、文字或图形等方式显示出来，使驾驶员了解和掌握汽 车的当前状态，以便及时处理各种复杂的情况。同时为了实现汽车功能的多样化，现代 汽车已经开始配备故障诊断、地形图显示、导航及各种信息服务装置，而使用汽车仪表 作为信息显示终端，提供大量复杂信息将是大势所趋。 ( 2 ) 未来汽车仪表将满足小型化、轻量化的要求。为了降低汽车的重量，增加汽 车的内部空间，汽车上使用的各种仪表及附件都必须满足小型化、轻量化的要求。而目 前世界各国正在努力研发的电子化仪表不仅能与车身各种电子化的传感器或控制系统 很好的融合，而且可以实现小、轻、薄，既能节省汽车驾驶室的宝贵空间，还可使设计 者根据需要增加一定的仪表数量，处理日益增多的信息。 ( 3 ) 未来汽车仪表将实现一表多用。汽车电子化仪表可采用数字、文字及图片显 示，可进行分时、分屏显示，也可以在同一个界面同时显示多个参数，这样，汽车就不 必为需要显示的每个参数设置一个显示仪表，故使得汽车仪表盘得以简化，实现一表多 用的功能。 ( 4 ) 未来汽车仪表钋形设计自由度高。汽车仪表的外形设计也是决定汽车仪表是 否受欢迎的重要因素。仪表造型美观，不仅是给汽车增加亮点，也为驾驶者和乘客增加 了乘车的舒适度。因此未来汽车仪表将选用外形设计自由度特别高的电子显示器件来进 行设计，推出最流行的仪表新款式。 ( 5 ) 未来汽车仪表将采用计算机终端显示器。随着显示器件性能的不断提高，在 价格进一步降低的前提下，汽车仪表的显示形式将发生根本的变化，外观上将演变成一 个高清晰度的计算机显示器。 ( 6 ) 未来汽车仪表将具备完善的通讯系统。随着网络通讯技术的日趋成熟，各种 有线、无线的数据通信网被用于现代汽车，使得驾驶员与乘客可以通过汽车仪表与公共 互联网相交互，以便充分共享信息资源。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容及章节安排 根据课题的要求，本论文要在分析纯电动汽车控制系统的基础上，得到仪表系统的 功能及性能需求，进而开发出一套性能可靠的汽车智能仪表系统。在保证仪表精度和实 时性的同时，还要设计出仪表系统与纯电动汽车电子控制单元之间的c a n 总线通信接 口，保证汽车仪表能在纯电动汽车上稳定可靠的运行。本文的主要研究内容及章节安排 如下： 第一章先简要介绍了本课题的来源、研究背景及意义，同时着重分析了汽车仪表的 国内外发展现状及未来的发展趋势，最后给出了本文所要研究的主要内容及论文的章节 安排。 第二章在分析纯电动汽车电子控制单元硬件电路组成及各部分电路作用的基础上， 得出汽车仪表系统的需求分析，给出了仪表系统设计的技术指标和设计原则，最后提出 了智能仪表系统设计的总体方案，并分析了方案设计的优点。 第三章主要是根据汽车仪表系统的总体设计方案，进行了智能仪表系统软硬件开发 平台的建立。硬件平台的建立包括智能仪表系统主控模块的选择和仪表系统与电子控制 单元的c a n 通信接口的设计及驱动实现。软件平台的搭建则包括带有c a n 功能的 w i n c e 操作系统的内核定制和嵌入式组态软件m c g s 的安装。 第四章主要是完成基于嵌入式m c g s 的智能仪表的开发。在此，首先对智能仪表 系统控制策略中所使用的数据处理算法进行了研究；之后使用m c g s 完成了仪表系统 的图形界面设计；最后对整个仪表系统进行了调试，并根据调试的结果，对仪表系统进 行了进一步的改进与完善。 第五章对全文工作进行了总结，并展望进一步的研究方向。 1 4 本章小结 汽车仪表系统是一个以数据采集、信息显示和信息存储为主要内容的控制系统。随 着汽车电子技术的不断发展，汽车仪表系统已经成为汽车控制系统中越来越重要的一部 分。本章首先介绍了课题的来源、研究背景及意义，着重分析了国内外汽车仪表的发展 过程及未来的发展趋势。另外结合本系统的研究对象，具体介绍了本论文所要研究的主 要内容。 5 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 纯电动汽车智能仪表是纯电动汽车提供给驾驶员的一个友好的人机界面，它将纯电 动汽车的实际运行状态展现在驾驶员面前，为驾驶员的操作提供理论依据。智能仪表显 示的信息来源于仪表与纯电动汽车控制系统的电子控制单元进行信息交互，而电子控制 单元输送到仪表系统的信号则来源于其c p u 对整个电动汽车控制系统外围电路的信号 采集，因此，要想设计出一套实用可靠的汽车仪表系统，必须先了解整个纯电动汽车电 子控制单元的结构和工作原理。 2 1 纯电动汽车电子控制单元介绍 纯电动汽车电子控制单元是纯电动汽车的核心，各种控制量的输入输出、信息的采 集及传输都要通过电子控制单元的外围电路来完成，所以电子控制单元是实现纯电动汽 车各种功能的基础，它的设计主要是围绕着外围信号的输入与控制量的输出，以及它与 智能仪表系统信息的传输要求来进行的，其硬件结构框图如图2 1 所示。各模块的作用 如下所示： l 电源模块 卜一 数字量输出模块 i 数字量输入模块卜 c p u一p w m 输出控制模块 i 速度信号输入模块卜 模块 一 通信接口模块 i 模拟量输入模块卜一 辅助电路模块 图2 1电子控制单元硬件电路结构示意图 1 c p u 模块 c p u 模块是电子控制单元的核心，它对外围电路采集到的信息进行实时处理，根据 处理的结果输出控制命令，同时还要与其他车载控制单元进行实时通信。 2 数字量输入输出模块 数字量输入模块主要用来采集系统中出现的各种开关量信息，主要有车辆的开、关 机状态、主电路接通状态、转向指示灯状态等。数字量输出模块主要是实现对系统中各 6 长安大学硕士学位论文 种开关量的输出控制，如转向灯、故障指示灯的控制等。 3 速度信号输入模块 速度信号输入模块主要用来检测纯电动汽车的车辆速度和电机转速。利用传感器来 获取的速度信号一般是正弦波信号，因此必须在速度信号输入模块中设计专门的信号调 理电路对其进行信号处理，将正弦波信号转换为脉冲信号后才能被c p u 模块进行分析 和处理。 4 p w m 输出控制模块 p w m 输出控制模块主要用来控制c p u 模块输出的p w m 信号。通过组合逻辑电路 将c p u 输出的一路p w m 信号变成互逆的两路p w m 信号，实现对电机输出功率的控制， 产生电机驱动控制以及再生制动能量回收所需要的不同的p w m 控制信号。该模块还可 在过流、过压状态下实现对p w m 信号的封锁作用。 5 模拟量输入模块 模拟量输入模块主要实现对电子控制单元c p u 的各种模拟输入量的信号调理。纯 电动汽车的模拟输入信号主要包括：加速踏板开度信号( 即为电子油门信号) 、制动踏 板开度信号、电枢电压、电枢电流、电池两端电压、电池电流、电机机壳温度、水箱温 度等，这些模拟信号都是通过相应的传感器采集，然后经过信号调理电路的处理变换为 标准电压信号，才能被c p u 模块采集和处理。模拟量输入模块电路的具体电路结构如 图2 2 所示。 电子油门h 电子油门信号调理电路卜 多 路 制动踏板h 制动踏板信号调理电路卜 模 拟 电压 h电压信号调瑙! 电路卜 数 一c p u 字 模块 电流 h电流信号调理电路卜 转 换 温度 h温度信号调理电路卜 器 图2 2 模拟量输入模块电路结构图 6 通信接口模块 电子控制单元的通信接口模块主要用来实现电子控制单元与其他车载控制单元的 通信。这里用到的通信接口主要有两种：r s 2 3 2 通信接口和c a n 总线通信接口。r s 2 3 2 通信主要用于系统自动检测和调试，c a n 总线通信用于电子控制单元与其他控制单元 7 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 的实时数据传输及信息共享。 7 辅助电路模块 辅助电路模块是为了使纯电动汽车电子控制单元的功能更加完善，除了上述功能电 路外，为其增添的一些辅助电路，如声光报警，数码管显示、扩展接口等。 电子控制单元的实物图如图2 3 所示。 图2 3 纯电动汽车电子控制单元实物图 2 2 纯电动汽车仪表系统需求分析 2 2 1 智能仪表原理 传统汽车仪表的性能主要由仪表内部元器件的精密性和稳定性来确定。由于元器件 本身经常带有温度漂移和时间漂移，这些都会反映到仪表的测量结果和输出中去。另外， 传统仪表缺乏自诊断和故障处理能力，当故障发生时，它们给出的结果往往是错误的， 但是操作人员在不知道仪表内部出现故障的情况下会把仪表输出的错误结果误认为是 正确的，这样在严重时可能会导致操作人员的错误决策，引发行车危险【刀。 智能仪表可以提高汽车仪表性能、增强仪表功能，它应用新的处理技术和新的硬件 平台，提高了仪表的精度、可靠性、可维护性和可测试性，能有效避免错误结果的输出。 通过编写合理的控制策略，智能仪表可以对其内部主要元器件进行自动检测，对故障进 行定位和自动修复，在修复不了时还可以对故障部分进行隔离，大大提高了仪表的容错 性和可靠性。智能仪表具有自动处理功能，可以按照设计的控制策略自动进行量程转换， 实现测量特性的自动校准，并能够按照一定的规律自动寻找最优的算法参数，从而极大 地提高了仪表的性能。提高仪表精度的关键在于减d , 澳t j 量误差( 包括随机误差、和系统 误差等) ，智能仪表可以利用其内部嵌入的数据处理算法( 包括数字滤波、相关计算等) r 长安大学硕士学位论文 对采集来的数据进行处理，可以很好地减小测量误差。另外，智能仪表相对与传统仪表 而言之所以具有智能是因为智能仪表上多种智能处理算法的不断使用，如模糊识别与模 糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合处理方法等。 2 2 2 智能仪表系统的功能要求 纯电动汽车智能仪表为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程、动力电池储 能状态等重要信息，是电动汽车必不可少的部件。结合传统汽车仪表构成与纯电动汽车 的控制要求，纯电动汽车智能仪表系统的具体功能要求包括以下几个方面： ( 1 ) 具有车况实时检测与显示功能。结合传统汽车仪表和纯电动汽车的具体要求， 智能仪表能够较为全面地实现对所有纯电动汽车需要的数据量的检测与显示，同时要求 仪表能够根据需要对主要参数进行曲线显示。这里，纯电动汽车需要实时检测与显示的 数据量有：车速、电机转速、里程、加速踏板开度、制动踏板开度、动力电池储能状态 ( s o c ) 、电机电枢两端电压、电机电枢电流、蓄电池两端电压、蓄电池电流、i o b t 冷 却水温度、电机温度、转向灯、故障信号等。 ( 2 ) 车辆在运行过程中出现异常状况时，智能仪表能够通过仪表指针部分的颜色 和外接的声光报警装置自动给出警示信号，以提醒驾驶员采取下一步的操作。 ( 3 ) 根据检测到的动力电池储能状态和续驶里程信息，当动力电池能量不足时， 能够提示驾驶员及时充电。 ( 4 ) 能够对行车信息进行自动分析，并在适当时刻提示最佳换档时机，起到提高 电机运行效率和辅助驾驶的作用。 ( 5 ) 能够根据操作者的要求存储车况信息，并能将车辆运行中出现的异常车况信 息自动记忆存储，便于事后对车辆故障的界定和对车辆状况的进一步分析。 ( 6 ) 系统软硬件具有可扩展能力。使得智能仪表开发者可以根据实际需要和用户 的具体要求来扩展不同的功能模块，如g p s 、无线上网、电子地图、远程故障诊断等。 ( 7 ) 仪表系统本身应该具有自检功能，能够及时发现系统出现的故障并能自动找 出故障原因。 ( 8 ) 车况信息回放。对仪表存储的车况信息能够在仪表界面上实现真实回放，便 于事后车辆状态的进一步研究和车辆故障的分析。 ( 9 ) 提供日历、时钟和汽车行驶时间信息。 ( 1 0 ) 仪表设计美观、布局合理，满足驾驶者的一般使用习惯。 9 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 2 2 3 智能仪表系统的性能要求 为了满足纯电动汽车的控制与运行要求，仪表系统在设计时需要满足的性能要求 有： ( 1 ) 数据测量范围：由于所有输入智能仪表的数据量都是由电子控制单元采集的， 经过电子控制单元的硬件和软件处理，转换成便于总线传输的电压信号，通过总线传递 给智能仪表。智能仪表没有直接对数据进行检测和处理，只是在界面设计时要根据数据 的测量范围为显示的数据设计仪表的显示范围。这主要是根据被测数据的实际变化范围 来确定，例如车速的测量显示范围为0 - 2 2 0 k m h ，电机转速的测量显示范围为 0 - 4 0 0 0 r r a i n ，蓄电池和电机电枢两端电压测量显示范围为1 0 3 8 0 v ，蓄电池和电机电枢 电流测量显示范围为0 - - 9 0 0 a ，温度信号的测量显示范围为7 5 0 c - 1 7 5 0 c 。 ( 2 ) 精度：精度是指仪表系统对需要显示的数据在处理过程中所能达到的精确细 密程度。在这里我们为车速和转速信号设置的精度精确为0 0 5 ，为电压电流等模拟数 字量设置的精度为0 0 0 5 。 ( 3 ) 灵敏度：仪表系统的灵敏度主要是指仪表对被测参数变化的灵敏程度，或者 说是对被测的量变化的反应能力，本系统要求仪表具有较高的灵敏度。 ( 4 ) 复现性：测量复现性是在不同测量条件下( 如不同的方法，不同的观测者) ， 在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。本系统测量 仪表的复现性要求在9 9 以上。 ( 5 ) 响应时间：仪表系统的响应时间与仪表的灵敏度相对应，灵敏度越高，响应 速度越快，响应时间越小。 ( 6 ) 数据的传输速率：数据的传输速率直接影响了仪表系统的响应时间和灵敏度， 这是由c a n 总线的通信速率决定的。为了实现仪表系统的可扩展性及通用性，本系统 应该为c a n 通信设置多个通信速率，如9 6 0 0 b p s 、1 9 2 0 0 b p s 、3 8 4 0 0 b p s 、5 7 6 0 0 b p s 、 1 1 5 2 0 0 b p s 等，这样用户就可以根据自己的需要来进行自主选择。 ( 7 ) 动态特性：由于仪表具有曲线显示功能，因此，要求曲线显示过程中的动态 特性要尽可能好。 除此之外，由于纯电动汽车的运行环境是复杂多变的，因此要求仪表系统具有较高 的可靠性与稳定性，能够适应各种不同的天气条件( 高温、雨雪) ，在发生碰撞、振动 及电磁干扰严重时都不会出现异常。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 2 4 仪表系统设计目标 本系统是为了完成纯电动汽车试验车的研究而同步开发的智能显示终端，希望通过 合理的设计能达到以下目标： ( 1 ) 界面设计美观大方，能够方便、快捷、准确地为驾驶员提供车辆内部实时信 息。 ( 2 ) 数据传递与存储安全可靠。 ( 3 ) 对特定参数进行图形与曲线显示，方便试验车的研发。 ( 4 ) 系统运行稳定，安全可靠。 ( 5 ) 系统功能易于扩展。 2 3 纯电动汽车仪表系统的总体设计 2 3 1 智能仪表方案设计的原则 智能仪表在总体方案制定及研制过程中应遵循以下原则： ( 1 ) 采用自上而下逐级分解的方法形成子任务。智能仪表的整体设计是一个复杂 的任务，不是通过简单的一个单元电路、一段程序就能实现的，因此要将其分解成一批 可以相互独立的子任务，在分别完成各个子任务后，将结果汇总，才可能完成整体设计 任务。 ( 2 ) 采取软硬件协调优化的设计方案。通过软硬件协调，可以提高智能仪表的质 量、性能，降低仪表开发的成本。 ( 3 ) 实用性。实用性是纯电动汽车仪表设计中的一条重要原则。仪表的实用性主 要有两方面的含义：一是对使用者( 驾驶员) 而言。产品的功能首先要满足汽车驾驶的 需要，即对车况的检测要准确，显示要正确，清晰易于辩识，同时还要兼顾观察方便、 维修简单等要求。二是对车辆和客观环境而言。由于我国地域辽阔，气候条件也是多种 多样，因此仪表不仅要适应车辆的要求，同时对不同环境条件的适应能力也要强。 ( 4 ) 可靠性。产品的可靠性不仅是在生产中通过严格的管理中来保证，更主要是 在设计过程中通过一系列的技术手段来保证的。因此，在仪表设计中要注意可靠性的分 析和设计，以保证仪表在使用中的可靠性。由于我国路状复杂，交通拥挤，为了避免交 通事故的发生和保证人们生命和财产的安全，车载虚拟仪表提供给驾驶员的信息必须具 有较高的可靠性。 ( 5 ) 可维护性。设计自诊断与异常处理功能来提高产品的可维护性。 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 ( 6 ) 通用化、系列化、标准化、模块化。产品的通用化、系列化、标准化、模块 化设计便于满足不同用户的不同需求，也方便仪表的故障检测与维修。 ( 7 ) 可扩展性强。系统功能的可扩展空间必须大。随着汽车电子技术的快速发展， 人们对汽车高性能的要求，未来汽车仪表系统不仅仅局限于常规信息和监视报警、日历、 时间等信息的显示，它还要能显示电子地图、故障远程诊断、电视和电话等信息。 ( 8 ) 开发周期尽可能短，能尽快投入使用。 2 3 2 智能仪表系统的总体设计方案 通过对纯电动汽车仪表系统的功能与性能要求的分析可知，智能仪表要求的信息处 理功能比较复杂，并且要实现图形化的用户操作界面，因此选择带有操作系统的嵌入式 系统作为智能仪表开发的软硬件开发平台。具体的软硬件总体设计方案如下： l 、硬件方案 系统的硬件由嵌入式硬件系统构成智能仪表的主控模块，主要包括嵌入式处理器、 存储器、液晶显示器、通信接口和外围设备等，具体结构如图2 4 所示。将纯电动汽车 电子控制单元和智能仪表设计成c a n 网络上的智能节点，仪表通过c a n 接口接收电子 控制单元发来的车速、电动机转速、电量、冷却水温度、汽车档位及其它车况信息，并 进行相应的分析和处理，处理的结果由液晶显示器进行显示，同时嵌入式系统通过触摸 屏技术将驾驶员对液晶显示屏的操作处理成命令通过c a n 总线传递给电子控制单元【引。 2 、软件方案 图2 4 智能仪表硬件总体设计方案结构示意图 1 2 长安大学硕士学位论文 在嵌入式硬件系统已经选定的基础上，为了实现车况信息的图形化界面显示，目前 主流的做法主要有两类：一是直接在嵌入式系统上进行编程来实现数字式仪表【9 ，1 0 1 ：二 是采用操作系统和虚拟仪表技术来实现虚拟仪表。以编程方式实现的数字式仪表虽然仪 表控制功能强大，但是控制过程比较复杂，控制程序的编写工作也比较繁重，开发周期 比较长。采用操作系统和虚拟仪表技术实现仪表的原理是在已选定的操作系统上采用二 些图形软件来实现仪表的虚拟界面。目前常用的软件有l a b v i e w 、v c 卜 、e v c 等。这 种方法开发出的仪表虚拟界面由软件本身提供的控件组成，界面美观友好，但是控件的 “行为 需要通过编程来实现，一旦仪表开发完成，修改较为麻烦i l l , 1 2 。为了简化仪表 设计，本文采用嵌入式操作系统+ 组态软件的方法来实现基于c a n 通信的嵌入式智能虚 拟仪表，简称智能仪表。 组态软件是近年流行起来的用于工业自动化开发的一种新手段，它是指一些数据采 集与过程控制的专用软件【1 3 】。组态软件属于自动控制系统监控层一级的软件平台和开发 环境，能使用灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 为用户提供良好的开发界面和简 捷的使用方法。组态软件中预置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各 项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备。与高可靠的工控计算机和网 络系统结合，组态软件可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 目前应用比较广泛的国产化的组态软件主要有组态王、s y n a l l2 0 0 0 、m c g s 、天工、 c o n t r o l x 、虎翼、力控等，这些组态软件都是基于w m d o w s 操作系统的工控领域的组 态软件。在此我们使用m c g s 来开发智能仪表，这是因为m c g s 软件运行速度快，且 对不同的设备有不同的版本，如嵌入版、网络版和通用版，简单易学。同时，m c g s 中 含有多种集成仪表控件和曲线显示控件，能较方便地实现仪表的虚拟界面，满足仪表对 曲线图形显示的需要，在仪表界面的搭建过程中无需编程，实现方法简单，修改方便。 配合m c g s 的使用，嵌入式系统使用的操作系统选择w m c e 操作系统，虽然它的 实时性能不如v x w o r k 和l i n u x 系统好，但是已经能够满足本系统设计的需要。 2 3 3 智能仪表系统设计方案的优点 本仪表系统的设计方案与传统的汽车仪表相比，具有以下优点： ( 1 ) 仪表系统自主设计，具有自主知识产权； ( 2 ) 采用最先进的嵌入式系统搭建了满足纯电动汽车仪表系统要求的软硬件平台， 数据处理速度更快，准确性更高，同时，由于仪表的软硬件平台资源丰富，使得智能仪 1 3 第二章纯电动汽车智能仪表系统的总体设计 表具有良好的可扩展性。 ( 3 ) 采用w m c e 操作系统和嵌入式m c g s 组态软件开发智能仪表，开发方法简单， 开发周期短，开发风险小； ( 4 ) 仪表系统使用了触摸屏技术，使得操作人员可以通过触摸屏与智能仪表进行 交互，既符合传统汽车驾车人员的习惯，又利用了现代电子技术的优势，使汽车仪表具 有多功能、智能化和操作使用简便的特点。 ( 5 ) m c g s 中集成了大量函数，能够满足智能仪表对数据进行智能化处理和监测 的需要。 ( 6 ) 使用此设计方案，还可以对车辆的某些参数信息进行曲线显示和信息存储， 有利于对车辆的运行状况进行进一步的分析。 2 4 本章小结 智能仪表是整个纯电动汽车系统的重要组成部分，它在电动汽车运行中实时为驾驶 员提供车辆内部各种数据信息及状态信息，是现代汽车必不可少的重要部件之一。本章 详细介绍了纯电动汽车电子控制单元的组成及各部分电路的作用，在此基础上对智能仪 表系统进行了功能和性能上的需求分析，给出了仪表设计的技术指标和方案设计的原 则，最后得到了仪表系统设计的软硬件总体方案，并分析了方案设计的优点。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章智能仪表软硬件开发平台的建立 3 1 智能仪表系统主控模块的确定 智能仪表系统的研发作为纯电动汽车试验车项目的一个研究子项，要求开发周期尽 可能短，开发风险也尽可能小。因此为了降低仪表开发的难度，使仪表能够尽快投入使 用，本项目不对智能仪表的硬件平台进行单独的设计，而是通过一系列的市场调研与对 比，选择市场上能满足仪表设计所需资源的嵌入式开发板作为智能仪表设计的主控模 块。 鉴于目前市场上流行的嵌入式开发板数量和种类都比较多，在选择适合用做智能仪 表主控模块的嵌入式开发板时主要考虑以下几个问题： ( 1 ) 开发板是否支持w i n c e 操作系统 智能仪表的总体设计方案选择了w i n c e 操作系统和嵌入式组态软件作为智能仪表 的软件开发平台，因此，硬件系统的主控模块必须支持w i n c e 操作系统，且能够满足 设计者自行定制操作系统的要求。 ( 2 ) 开发板的处理速度 开发板的处理速度主要由嵌入式处理器决定，而处理器的速度则取决于处理器的时 钟频率、内部寄存器的大小、指令是否对等处理所有的寄存器等。对于智能仪表的主控 模块选择来说，目标不是挑选处理速度最快的开发板，而是选择处理速度能够满足智能 仪表数据处理和图形界面显示要求的嵌入式开发板。 ( 3 ) 存储器类型和大小 开发板上的存储器类型和大小应该能够满足智能仪表数据存储的不同需要，同时还 应满足w m c e 操作系统的运行需要。 ( 4 ) 外部接口 嵌入式开发板提供的外部接口应该能够基本满足智能仪表对外部接口的需要，另外 开发板应该提供扩展接口，便于仪表接口的扩展。智能仪表主控模块为了满足数据的传 输要求而应该具备的外部接口有c a n 总线接口和r s 2 3 2 串行接口；仪表的嵌入式操作 系统开发要求主控模块还应具有j t a g 接口、网口、u s b 接口等。 ( 5 ) 其他外部资源是否够用 嵌入式开发板作为智能仪表的主控模块，它除了