（光学工程专业论文）汽车综合信息显示系统的研究.pdf

湖南大学硕士学位论文 r5 1 4 3 薯8 汽车综合信息显示系统的研究 摘要 针对我国汽车电子技术和轿车仪表系统的现状，以及世界汽车技术的发展趋 势，根据汽车电子学和车辆人机工程学这两门新兴边缘学科的理论，从经济性、 适用性和合理性等角度出发，提出了汽车综合信息显示系统的概念。 本论文为汽车上各个电子控制系统设计了种汽车电子星型网，以实现数据 的共享，从而生成汽车综合信息显示系统。汽车综合信息显示系统采用c r t 显示 器作为反映汽车行驶动态性能的各种信息的显示终端，它不同于国外采用几个独 立的液晶显示装置的驾驶员信息系统。汽车综合信息显示系统的内容十分丰富， 不仅显示常规信息和监视报警信息，还显示空调和时间日历信息等。监视报警信 息中特别为雷达防撞系统这种前沿技术设计了雷达防撞危险程度报警显示。所有 显示信息集中在一个屏幕但分成不同的界面显示，通过设计的“小键盘”型按钮 来实现不同界面的切换。各个显示界面通过控制程序解决优先权的问题。汽车综 合信息显示系统的中央处理装置中的电路在p r oc e 软件中绘制并用软件中的电气 法则测试论证了其正确性。显示界面在l a b v i e w 中进行了虚拟显示，验证了，界面 设计的合理性。从而证明了针对我国轿车的汽车综合信息显示系统的可行性。 本论文的汽车综合信息显示系统可为驾驶员及时准确地提供各种高精度的数 据信息，便于驾驶员观看，从而使驾驶员更有效地控制汽车正常工作。它适应了 我国汽车仪表板的发展和需求，在我国国内开启了一个新的汽车电子研究领域。 关键词：汽车；综合信息；显示系统；仪表板 一塑塑查堂璺主兰壁堡茎 壅兰堡鱼堡垒星量墨塾塑笪壅一 a b s t r a c t t om e e tt h ed e v e l o p m e n tn e e do fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y ，t h ei d e ao f i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e mo fa u t o m o b i l ei sp u tf o r w a r df o rt h e d l s p l a yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i ci n s t r u m e n tp a n e l o fp a s s e n g e rc a r s ，t h e i ( t e ai sb a s e do nt h et h e o r i e so fb e t ha u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n da l l t o m o b j1 e h u m a n e n g n e e r i n g w h i c ha r en e wm a r gj h a ls u b j e c t sa p p l y i n ga d v a n c e d t e c h n 0 1 0 9 ya n dv a r i o u sn e wp r o d u c t s e s p e c i a l l ym i c r o e i e c t r o n i cp r o d u c t s t h ea l l t o m o t i v ee l e c t r o n j cs t a rn e t s y s t e m is p r o p o s e d f o rd a t a e o m m u n i e a t i o nt ob u i l da u t o m e t iv ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m a u t o m o t iv oi n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e ma d o p t sc r ta st h ed i s p l a v t e r m i n a lo fa l1i n f o r m a t i o n a b u n d a n c ei n f o r m a t i o nm a yb ed i s p l a y e ds u c h a sr o u t i n ein f o r m a t i o n ，w a r n i n gi n f o r m a t i o n ，a i r t e n d i t i o ni n f o r m a t i o na n d c a l e n d a ri n f o r m a t i o na n ds oo n r a d a ra n t i c 0 1 1 i s i o nw a r u i n gi n f o r m a t io n is e s p e o i a l l yd e s i g n e d f o rr a d a ra n t i c o i l i s i o ns y s t e m a 1 li n f o r m a t i o n iss h o w e di no n es c r e e n ，b u tc l a s s i f i e di nt od i f f e r e n tw i n d n w sw h i c hc a n h es w i t c h e db yp r e s s b u t t o ns w i t c h n a m e d “s m a l lk e y b o a r d ”p r i o r i t j e s o fd i s p l a vw i n d o w sa r ei d e n t i f i e db yc e n t r e lp r o g r a m c i r c u i td r a w i n gis p r o t r a c t e db yp r o t e l a n di t sc o f f o c t n e s si st e s t e db ye r ci np r o t e l ：t h e ( 1 js p l a yi n t e r f a c e sa r ev i r t u a l l ys i m u l a t e db yl a b v i e ww h i c hd e m o n s t r a t e s l t s r a t i o n a l i t y t h el e a s i b i l i t y o ft h e d i s p l a ys y s t e mo f a u t o m o t i v e 【n t e g r a t e di n f o r m a t i o ni s v a li d a t e d t h ei n t e g r a t e dd i s p l a ys y s t e mo fa u t o m o t i r ei n f o r m a t i o nc a np r e y id e d a l1k i n d so fi n f o r m a t i o nm o r ea c c u r a t e l yi nt i m e d r i v e r sa r ee a s yt oo h l a i n i n f o r m a t i o na n dc e n t r e la u t o m e b i1 e s t h i sr e s e a r c hs h o u l d r e f l e c tt h e d e v e l o p m e n tt r e n do fe l e c t r o n i ci n s t r u m e n tp a n e lo fp a s s e n g e rc a r s k e y w o r d s ：a u t o m o b ii e ；i n t e g r a t e di n f o r m a t i0 n ；d i s p i a yu n i t ：i n s t r u r n e n t p a n e i 一墨兰堡全堕星星至墨竺堕! 塞 一一笙二皇j 墅至一 第一章概述 1 1 汽车电子技术及仪表板的发展 众所周知，仪表板是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接l z l 和界面它为驾 驶员提供其所需的信息。随着汽车工业的发展，现代汽车的各种机构日趋复杂， 附属装置也日益增多，为了使驾驶员更多更迅速地掌握各种机构和装置的状态， 以便更有效地控制汽车，使其正常地工作，汽车仪表板作为现代汽车的信息t p 枢 显得越来越重要，并伴随着汽车电子技术的发展而快速发展。 1 1 1 汽车电子技术的发展 汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。它的发展归结为两方 面：首先是不断适应各个时期的社会背景，如能源危机、环境污染和高速公路网 的发展等，满足人们对汽车使用性能的更高要求，如舒适性、安全性、操纵方便 等。目前，机械装置与技术己相当成熟，有的已达到了其物理极限。其次是由j 二 电子技术的发展给汽车电子技术的发展提供了必要的物质条件：电予技术产品质 量轻，占用空间小，处理速度快，传感精确，信息容量大，发展与应j i l 前景十分 广阔。电子学和相关的社会背景促进汽车电子技术的发展过程可用图1 1 来描 述。 从图中可以看到，电子技术的发展，同时社会需求的牵引、法规的推动和技 术的进步，导致了汽车上采用电子技术，并蓬勃发展起来。因此汽车e 许多机械 控制系统被电子控制系统所取代，汽车电子化的程度也就越来越高。 一 壅兰簦鱼堕璺呈至墨竺塑竺壅兰二里j 塑生一 + 发明晶体管发明集成电路 发明微型计算机卫星通讯 发明光纤光纤通讯问世 第五代计算机 人工智能 石油危机 提高性能抑制排放低燃油消耗 协调管理 图1 1电子学、社会背景与汽车电子技术的发展 汽车电子技术的形成与发展主要分为如下三个阶段”3 ，参见图1 2 。 第一阶段：从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代末期，主要是从技术革新着眼， 应用电子装置改善部分机械部件的性能，如燃油喷射控制、车载收音机、发电机 硅整流器等。这些革新往往是局部的、不很关键的，针对汽车各部件完成相对独 立的自动控制功能。 第二阶段：从2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代末期，汽车电子技术开始形成。主 要特点是在汽车大部件及至总成的设计和生产中，应用电子装置解决机械部件所 无法解决的复杂问题，如自动变速系统、制动防抱死系统、电子仪表群等。在这 一阶段，大规模集成电路和4 位、8 位微处理器广泛应用，从而减少了电子系统的 汽车综合信息娃示系统的研究 第一章概述 体积，增加了可靠性。 1 9 6 01 9 7 0 1 9 8 01 9 9 0 2 0 0 0 年 图l - 2汽车电子技术的形成与发展 第三阶段：从2 0 世纪9 0 年代末期，预测到2 0 1 5 年，汽车电子作为工程技术 已经成熟。汽车电子学也就在这一时期诞生，它是一门机电一体化的多学科的特 色鲜明的新兴边缘学科。它由第一和第二阶段的“机械功能替代”或“增添式” 的设计思路和方法转变为“机电体化”的汽车整体设计思想，重视总体、系统。 在这一时期，出现更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量内存的1 6 位或3 2 位微处理器。汽车电子技术开始广泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自 动化、智能化。 1 1 2 汽车仪表板的发展 初期的汽车，其结构和功能与现在的汽车相比，不可同h 而语。那时的汽 一塑主堡鱼堕璺里委墨竺塑堑窒j ! 已塑堡一 7 e ，结构很简单，功能也不多，因此那时的汽车上不装有也不需装备汽车仪表板。 后来随着汽车结构的复杂，功能的增多，为了准确了解汽车在行驶过程中的工作 情况并及时发现和排除可能出现的故障，汽车仪表板就于2 0 世纪初问世了。早期， 汽车上装备的仪表有车速表、里程表、发动机水温表、电流表等。此后的几十年 里，这些仪表板得到了改善，而且陆陆续续又增添了一些新的仪表。但这些都属 千传统机械式和电气机械式仪表。我国目前，还常见到这种仪表。这些传统机械 式和电气机械式仪表，都是通过指针和刻度来实现模拟显示的，它们存在着准确 率低、显示信息量少、体积较大、可靠性较差，以及视觉特性不好，容易使驾驶 员疲劳等缺点。这些传统机械式和电气机械式仪表都具有单独的密封装置，称为 分装式仪表。分装式汽车仪表各密封装置本身起到了热隔离和磁屏蔽作用；加i ： 各自的电路彼此独立，相互影响甚小，便于保持各仪表的精度，且维修方便。但 是这种仪表不便于采用较先进的结构工艺，仪表总成体积大，紧凑性差，安装不 方便。 伴随着现代汽车工业和电子技术的发展，2 0 世纪6 0 年代开始了电子罹示式 仪表的开发， 9 7 8 年出现了电子显示式仪表。此后出于汽车环保、安全性、经济 性、智能化要求的提高，同时随着新型传感器、显示元器件的发展，电子计算机 在汽车控制系统的广泛应用，汽车仪表板的电子化就已成为一种必然趋势。传统 汽车仪表及其指示装置逐渐被以微处理器为核心的电子控制数字仪表和显示装置 所取代。现代汽车普遍采用电子组合式仪表。电子组合式仪表共用一块表面玻璃 密封，因而结构紧凑，占用的体积小，便于安装和接线，而且便于采用先进的结 构工艺。缺点是各仪表的热效应和磁效应相互影响，易引起附加误差。 随着现代电子技术的进步和多功用高性能汽车的迅速发展，要求有相应的多 功能、高精度、高灵敏度、读数直观的汽车仪表与之相适应。汽车仪表的功能已 不仅仅是单纯的显示，而是通过对汽车各部参数的检测和微处理机配套，从而达 到控制汽车的各种运行工况的目的。 由于仪表电子化可为驾驶员提供高精度的数据信息，同时免去了传统机械 式和电气机械式仪表的缺点，所以汽车仪表板的电子化技术越来越为汽车界所重 视。 1 2 我国汽车电子技术及仪表板的现状 我国汽车电子在整车上装置费用现状见表1 1 。国外汽车电子应用情况见表 1 2 汽车综台信息显示系统的研究 第一章概述 表1 1 我国汽车电子装置费用表 年份 1 9 7 81 9 8 01 9 8 51 9 8 61 9 9 0 1 9 9 52 0 0 0 电子装置费用 ( 元车) 1 7 2：1 1 914 63 5 51 5 0 ( )7 0 0 0 表1 2 国外汽车电子装置费用表 年份 1 9 7 01 9 7 51 9 8 0 1 9 8 4 1 9 9 01 9 9 5 2 0 0 ( ) 电子装置费用 ( 美元车) 2 56 01 2 85 8 59 0 01 1 2 52 0 0 0 由表1 1 和表l _ 2 比较可知：与国外同年份相比，以1 9 9 0 年为例，国外每年 的电子装置费用为9 0 0 美元，而我国仅为3 5 5 元，两者相差2 0 倍，至于技术水平 上的差距则难以用数字来衡量。因此可以说，我国的汽车电子产业，无论在企业 规模、技术水平，还是产品类别、整体实力等方面都处于比较低的水平。汽车电 f 产品还停留在低档次阶段，如电子电压调节器、转向闪光器、雨刮器延时控制 器等。近几年来，在汽车电子技术方面加大了引进国外先进技术力度，但 要是 汽油发动机电子控制系统和防抱死电子制动系统等方面。 在汽车仪表方面，我国仍是使用传统机械式和电气机械式仪表及指示装置， 如图1 3 所示。这些老式的汽车指针仪表精确度不高，同时不能供给自动控制所 需要的反馈信号，满足不了微机控制的要求。它远远落后于其他的汽车电子产品 的发展，也远远落后于国外以微处理器为核心的组合式电子控制数字仪表组成的 驾驶员信息系统。 随着我国汽车电子化的高速发展，汽车电子仪表及显示装置作为汽车仪表系 统的升级换代产品的开发和应用，日益显得迫切。因此，根据我国汽车工业“九 五”发展规划以及世界汽车电子产品应用和发展趋势，我国规定的将重点发展的 2 0 种汽车电子产品中就包括了汽车电子仪表及其显示装置i 。 一壅! 堡垒堕璺里至墨竺堕旦塑 鳖垦j 塑苎一 图1 3 东风汽车的仪表板 1 3 课题研究的目的和内容 汽车电子技术的发展，使得汽车使用及驾驶过程中“人一车”界面( 即人操 纵车辆过程中各种感官所接触的车辆上的部分，如仪表板、各种手柄、各种声响、 灯光等等) 越来越复杂，最典型和最集中的表现就是汽车仪表板变得越来越“拥 挤”了。出于人们对汽车使用性能的更高要求，对汽车行驶和各部分工作状况的 信息需求量显著增加。例如，美国i t s ( 智能运输系统) 的应用要求增加较多的仪 表板空间。据估计，到2 0 0 0 年，汽车所要求的仪表数将比现在的增加1 2 - - 2 0 种， 而要满足这些显示要求则至少要增加仪表板空间7 0 i n 2 以上”1 。 然而，汽车仪表板的扩大在技术上的无限性受到人机工程因素的制约，具体 表现在两方面：一是驾驶舒适性和安全性。从人机工程学的角度看，汽车所有的 控制器都应在驾驶员可及的范围之内；汽车所有的显示仪器都要置于驾驶者目光 ( 或余光) 容易触及处：根据使用频率确定其距离驾驶员的远近，根据使用需要 确定其问距；汽车仪表板的布局与设计要保证在任何情况下都能使汽车仪表板不 能设计得过大。二：是汽车驾驶员不是飞行员，他( 她) 们都是普通百姓，所以汽 6 汽车综合信息显示系统的研究 第一章概述 f 的仪表板也不能设计得像飞机仪表板那样复杂。为此要求汽车的仪表板显示应 综合利用手、眼、耳等，开发多功能复合监控、警戒、显示、提醒等显示系统。 可见汽车仪表板的功能正在迅速扩展，并将成为一个集感觉、识别、情况分 析、信息库、适应和控制等功能于一体的提供行驶信息、保障安全驾驶的智能化 系统。作为汽车信息中枢的仪表板显示，不仅要显示如车速、里程、水温等项目， 而且逐渐向全面反映车辆行驶动态等功能发展，如瞬时耗油量、平均耗油量、平 均车速、续驶里程等。这种信息显示系统需要同时显示几十种信息。 因此伴随我国汽车工业和汽车电子技术的发展，同时适应我国汽车仪表板的 发展和需求，本论文设计了一种汽车电子仪表板显示技术，也就是汽车综合信息 握示系统。汽车综合信息显示系统赋予各种信息终端的功能。它采用波朗管即阴 极射线管( 简称c r t ) 作为显示装置，中央微处理器采用i n t e l 8 0 5 2 芯片。综合信 息显示系统不仅为驾驶员提供了常规信息和监视报警信息，还可提供日历、时间 和空调等信息。所有这些信息集中在一个屏幕显示，同时这些信息又分有不同的 显示界面，通过“小键盘”型按钮实现各界面的切换，各个显示界面之间叉通过 控制程序解决优先权的问题。 当今世界，把汽车上采用电子技术装置作为衡量汽车水平、档次高低的重要 标志。而且，目前汽车性能的提高，使用功能的拓展，在很大程度上依赖于汽车 电子技术的进步。因此汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的重要革命。当 然，汽车仪表板的电子化技术一一汽车综合信息显示系统技术作为汽车电子技术 的一一部分，起到不可忽视的作用。对我国来说，汽车综合信息显示系统可推动我 国汽车电子化的进程，而且具有缩短与国外汽车电子技术水平的差距。迅速赶上 围际水平的意义。 一堕堇堡鱼堕璺呈重墨竺塑堑窒笙三童壅兰堡鱼堕璺星i 塑塑堡! ! 一 21 设计原则 第二章综合信息显示系统的设计 随着机动车辆用途的日益扩大，形态的日益多样化，功率和：亡作速度的不断 增长，自动化程度的不断提高，行驶道路和交通环境条件的日益复杂化，驾驶员 的工作越来越繁重、复杂。机动车辆驾驶员的主要职能是：用手和脚操纵机构以 驾驶车辆；观察车辆的工作情况，懿控它们的技术状态，并做出正确反应。本论 文设计的汽车综合信息显示系统是驾驶员一车辆进行信息交流的界面。它牵涉到 了人( 驾驶员) 与机( 汽车仪表板) 之间的关系。因此在汽车综合信息显示系统 设计中涉及了人机工程问题。 2 1 1 车辆人机工程 人机工程学是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科， 是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律， 以优化人一机一环境系统的一门学科】。它在美国称为：“h u m a ne n g i n e e r i n g ”， 在西欧称为：“e r g o n o m i c s ”。美国学者a c h a p a n i s 认为：“人机工程学是在机 器设计中考虑如何使人操作简便而又准确的一。门学科”。ejm c c o r m i c k 和m s s a n d e r s 在( ( h u m a nf a c t o r si ne n g jn e e r i n ga n dd e s i g n 书中给出了人机 _ 程学的简要定义为：“为人的使用而设计”和“工作和生活条件的最优化”。kh ek r o e m e r ，hbk r o e m e r ，kek r o e m e r e 1 b e r t 等人在( ( e r g o n o m i c s h o wt od e s i g n f o re a s ea n de f f i c i e n c y ) ) ”l 书中给出的人机工程学的简要定义为：“为适当 地设计人的生活和工作环境而研究人的特性”和“工作的宜人化”。我国的赖维 铁庄人机工程学”1 一书中给出的定义为：“人机工程学是运用生理学、心理学 和其他有关学科知识，使机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而 提高工效的一门学科”。著名科学家钱学森在系统科学、思维科学与人体科学 一史中指出：“人机工程是一门非常重要的应用人体科学技术，它专门研究人和机 器的配合，考虑到人的功能能力，如何设计机器，求得人在使用机器时整个人和 机器的效果达到最佳状态”。“” 人机关系的基本原则归纳为以下两方面n “： 1 机宜人使机器系统尽量满足使用者的体质、生理、心理、智力、审美以 及社会价值观念等素质条件的要求，如信息显示既要易于接受又要易于做出判断： 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设计 挎制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式均适合操作者的需要等等。 2 人适机机器的结构有其自身的规律，操作环境或生活规律也会因各种因 素在空间和时间上受到某种限制。为了适应这种情况，就要求对人的因素予以限 制和训练，尽量发挥人的因素有一一定可塑性这一特点，让人去适应机器的要求， 圳保证人机系统具有最优效能。 人机系统中的机宜人与人适机是相对的。首先是机宜人的程度问题，其次是 人适机的条件问题。实际上，任何一个人机系统都必然是既要尽量做到机宜人， 也要设法做到人适机。在汽车综合信息显示系统中首先要尽量做到仪表板显示要 最大限度地满足驾驶员地需要，同时驾驶员也要设法适应和熟悉仪表板地显示。 2 1 2 设计原则 现代汽车对工况信息的显示要求越来越高，不但要求提供信息量大，显示直 卿、清晰、稳定，而且要求响应速度快，显示精度高。本论文提出的汽车综合信 息显示系统是为满足我国国内轿车的仪表板电子化需要而设计的。针对我国国情， 以及国内汽车工业现状、汽车电子技术水平和它们的发展趋势，根据车辆人机工 程学和汽车电子学，提出了汽车综合信息显示系统的设计原则如下： 一作为驾驶员一车辆进行信息交流的界面即综合信息显示系统必须是简洁和直 接方便的，使驾驶员能够在不需要分神的情况f 很方便地得到相关信息。因 为驾驶员不可能分出很大精力去阅读或者操作一个复杂的显示界面。同时汽 车仪表板对汽车内部造型也有美化作用，因此要求带有综合信息显示系统的 汽车仪表板具有美观、舒适的特性。 二汽车综合信息显示系统必须能及时准确地为驾驶员提供丰富的信息。汽车结 构的复杂，功能的增多，人们对汽车使用性能的提高，以及出于环保、经济 性、安全性等方面的考虑，驾驶员从仪表板所需获取的信息量越来越大。驾 驶员不仅需要从仪表板这个信息中枢及时准确地了解汽车行驶工况，如车速、 里程、水温等项目；而且出于经济性考虑，驾驶员也需知道汽车平均每小时 耗油量等。通过这些信息，驾驶员可以更加有效地控制汽车正常工作。据统 计，在车辆行驶过程中，驾驶员有4 0 的空闲时间。因此驾驶员在驾车之余， 还可从仪表板获取日历、时间、空调和电话簿等信息。 。汽车综合信息显示系统必须具有高的可靠性。我国的交通现状是路况十分复 杂，交通拥挤堵塞，而汽车的速度越来越高。因此为了避免交通事故，汽车 综合信息显示系统给驾驶员提供的信息必须可靠性很高。否则，驾驶员若收 一塑兰茎鱼堕星里委墨望塑堑塑鏊三里塑主堡垒堡璺里重量塑堂堕! ! 兰一 到个不可靠的信息，很可能发生交通事故。这不仅会导致财产上的损失， 而且可能导致生命危险。 四汽车综合信息显示系统要求显示信息响应速度快。综合信息显示系统的响应 速度如果不快，那么对于在高速行驶中的汽车，驾驶员获取到信息就不能保 证其有效地控制汽车正常、安全地工作。 五汽车综合信息显示系统要满足舒适性要求。汽车综合信息显示系统是驾驶员 获取各种信息的地方，因此汽车综合信息显示系统不仅要求操作方便，而且 要求观看舒服。 ? i 汽车综合信息显示系统的发展空间必须大。随着汽车电子技术的快速发展， 人们对汽车高性能的要求，未来汽车综合信息显示系统就不仅仅局限于常规 信息和监视报警、日历、时间等信息的显示，它还要能显示地图、维修、电 视和电话等信息。 七汽车综合信息显示系统应具有良好的经济性。 2 。2 整体设计方案 汽车综合信息显示系统的实现，包括信息的采集、分析以及显示这一整个过 程，如图2 1 所示。 匿习恒噩卜逐 图2 1 信息流程图 2 2 1 综合信息的采集 传感器是一种变换器，广义而言，传感器是将被测的物理量( 信号) 按定 规定转换成与其对应的另一种( 或同种) 物理量的输出装置。目前一般对传感器 的理解是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电物理量( 如温度、 流量、转速等) 输出的一种装置1 1 2 。 信息是以信号的形式进行交换的。汽车综合信息显示系统的信息采集依靠车 用传感器完成。可以形象地说车用传感器是汽车感知外界和感知自身的“神经” 和“触手”。汽车上被测的信号通过车用传感器处理后转换成模拟信号或数字信号 一壅兰堡鱼笪璺星重墨堕塑竺窒箜三兰璺兰堡鱼堡星望重墨竺塑堡! 三一 再输入到电子控制单元。传感器是汽车电子控制系统的关键性部件。如果没有传 感器，则微机控制根本无法实现。 车用传感器的基本要求： 1 有较好的环境适应性。汽车所处环境温度变化极大( 一4 0 8 0 。c ) ，如烈曰、 暴雨、冰雪等，而且汽车有时也处j 二电磁场中，故要求传感器耐温、抗电磁干扰 等。 2 响应速度。不同的传感器测量不同的参数，因此不同传感器所要求的响应 速度也就不同。 3 可靠性要高。传感器的信息采集直接涉及到后面信息的分析与显示，并最 终影响驾驶员的操作，因此传感器的可靠性要高。 4 体积尽量小，质量尽量轻，以便于安装。 除此之外，还要求所用传感器具有耐久性和经济性。 车用传感器种类很多，其主要如表2 1 i l q 所示。 表2 i 汽车用传感器的种类 项目检测量或检测对象 温度冷却水、排除气体( 催化剂) 、吸入空气、发动机油、车内外空气 压力吸气压、大气压、燃烧压、发动机油、制动压、轮胎压、各种泵压 转速曲轴转角、曲轴转速、车轮速度 速度、加速度车速( 绝对值) 、加速度 流量吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量等 l液量燃料、冷却水、电解液、洗窗器液、机油、制动液等 位移、方位节流阀开度、车高( 悬架、位移) 、行驶距离、全球定位等 l排出气体氧气、二氧化碳、碳氢化合物、柴油烟等 i其它转矩、爆震、湿度、燃料成分、轮胎失效、电压等 目前汽车传感器总的发展趋势是：多功能化、集成化、智能化和微型化。多 功能是指一个传感器能检测两个或两个以上物理参数或化学参数。集成化是指利 用集成电路制造技术和半导体特性制作单片集成( 1 c ) 式传感器。智能化传感器 是指传感器与大规模集成电路( l s ) 相结合，带有微处理器，具有智能功能的高 档传感器。它具有检测、信息处理功能，自动进行各种误差补偿，精度高，量程 一塑兰堡鱼堡璺里至墨堕堕婴塑 兰三皇壅壬堡鱼堡璺呈重墨竺堕堡生一 覆盖范围大，稳定性好，输出信号大，信噪比高，传输中抗干扰性能好，可远距 离输送信号，有的还带有自检功能。微型化是指微机械加工技术，除全面继承氧 化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术、各向异性 腐蚀和机械分断技术“。 2 2 2 综合信息的分析 信息的分析是在汽车各电子控制系统中的电子控制单元( e 1 e c t r o n i c c ( ，n t r o lu n i t 简称e c u ) 中完成的。e c u 是汽车各电子控制系统的核心部分。由传 感器采集来的信号输入到e c u ，在这里经过计算、分析和加工处理后，再输出到执 行机构或显示装置。e c u 包括硬件和软件两部分。 e c u 的硬件部分如图2 2 所示，主要由中央处理装置( 中央处理器c p u 、存储 器r o m 及r a m ) 、输入输出( i 0 ) 接口电路等组成。为了保证微处理器及其接口 电路工作在+ 5 v 的电压下，一般带有电池和内置电源电路。 图2 2e c u 的组成 1 中央处理装置即微处理器 微处理器是e c u 的核心部件。它包括中央处理器c p u 、存储器r o m 及r a m 。汽 车微机系统中的中央处理器和一般计算机的中央处理器相同，由运算器和控制器 组成。r o m 用于存储固定程序和数据，而r a m 则存储输入输出数据。 2 输入处理电路 输入信号主要为模拟信号和数据信号。模拟信号必须经过a d 转换( 模数转 换) 为数字信号，再由输入处理电路处理后，才能被微处理器处理。 3 输入输出( i o ) 接口 通常将c p u 与内存储器合称为主机，介于主机和外围设备之间的电路称之为 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设汁 接口。i l o 接! m l 作为桥梁起信息转换和协调的作用，以与c p u 相兼容a 根据工作过程的需要而编写的软件，构成了e c u 的软件部分，即e c u 的控制 程序。e c u 控制程序主要有监控、管理、计算、控制、检测和自诊断等部分组成。 e c u 通过控制程序完成电子控制系统的实时操作。e c u 控制程序采用的语言与所选 择的微处理器的形式直接相关，目前大都采用汇编语言，也有用p l m 、c 、b a s i c 和f o r t h 等高级语言来汇编。在复杂的控制系统中，可选择配有实时多任务操作 系统执行软件的微处理器，并在此操作系统管理下进行开发编程。 目前汽车上大部分控制系统( 如发动机系统、自动变速系统等) 中的e c u 的 电路结构大同小异( 个别的如安全气囊一a i r b a g 采用的e c u ，因直接将传感器置 入其内而结构差别较大) ，其控制功能的变化则主要依赖于软件及输入输出模块的 变化，随控制系统所完成任务的不同而不同。 2 2 3 综合信息的显示 由前面所述，首先各传感器将采集的信息信号输入到各电子控制系统的电子控 制单元e c u ，在e c u 中进行计算、分析和加工处理后，再输入到显示装嚣，从而完 成综合信息显示系统地显示。 2 2 4 综合信息显示系统的整体方案 汽车综合信息显示系统包括各种各样的信息，这些信息不是彼此孤立的，而 是紧密地联系着。信息的采集、分析涉及到汽车的其它电子控制系统，如发动机 控制系统、自动变速系统、防滑控制系统等等。目前，多数汽车的这些电子控制 系统都是各自独立地进行操作，不同的控制单元对一些传感器信息进行重复或者 冗余地处理。据调查统计，汽车的功能每年以7 一8 的速度增加，这些功能大多 通过电子控制系统来实现“。在传统系统中，数据的交换需要专用的线路，随着 系统复杂程度的提高，使用专用线路交换数据将变得更加困难，且造价昂贵。研 究表明，一些控制单元中的数据实现共享，不但在不增加新的传感器和执行机构 的情况下可优化系统的整体性能，而且可以简化整车电气布线，并实现汽车控制 信息传送的网络化。汽车电器网络化不仅可以克服电气线路杂乱，便于故障诊断， 而邑利于汽车电子技术整体优化。因此汽车电器朝着网络化的方向发展。就像汽 车电子技术在7 0 年代引入集成电路，8 0 年代引入微处理器一样。9 0 年代直到2 l 世 纪初，网络技术在汽车电子技术中将是一个重要的里程碑。 目前许多国外知名的汽车制造和汽车电器制造厂家依据自身的情况开发了多 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设计 种汽车电器网络，如a b u s ( v o l k s w a g e n ) 、c a n ( b o s c h ) 、c 2d ( c h r y s l e rc o r p ) 、 i 8 5 0 ( s a e ) 、p a l m n e t ( m a z d a ) 、v a n ( r e n a u l t ) 等“。但随着发展的深入，人们越 来越多地倾向于使用c a n 和s a ej 1 8 5 0 ，这2 份标准都满足c s m r c r ( c a r r i e rs e n s e m i l l t ia c c e s sw ir hc o l l i s i o nr e s 0 1u t i o n ) 协议，都允许不同厂家生产的控制器 连接到一个网络中( 并且日后还可添加或是拿掉而几乎不需要修改软件) ，以构成 廖j 谓“开放式系统”。这也使得标准化的故障诊断和排放检测成为可能“”。其中c a n ( c ( m t f 0 11 e fa r e an e t w o r k ) 控制器局域网络是德国r o b e r tb o s c h 公司在8 0 年 代初为汽车工业开发的一种串行数据通信总线。因其具备良好的可靠性、健壮性 和效能价格比，而得到了广泛应用。基于有关网络技术的考虑，对于网络化的汽 车电器系统有人提出了汽车电器多予嘲系统方案1 。 1 汽车电器多子网系统 汽车电器多子网系统方案如图2 ： 所示。 根据美国汽车工程师协会( s a e ) 的分类，网络速度分为a 、b 和c 类。同时 引进一种长数据帧的高速网络，定义为d 类“。 a 类：低速网络，速度不大于l o k b i t s 。适合于诸如中央门锁、座椅调节、 电动门窗和后视镜之类的车身电子系统应用。 b 类：中速网络，速度最大为12 5 k b i t s 。适合于仪表显示、速度控制、燃油 喷射系统诊断工具和故障诊断之类应用。 c 类：高速网络，速度可达l m b il s 。适合于实时控制，如发动机控制电f 组 件、自动变速电子组件和防抱死制动控制电子组件( a b s 即a n t i l o c kb r a k e s y s t e m ) 等。 d 类：超高速网络，速度至少为5 m h i t s 。用于汽车导航、音响、电视和其它 娱乐设备的管理与通讯等。 1 4 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设计 超高速a r c n e t 总线( 5 m b i t s ) c d r o mg p s通讯 l i 下1 驱动器系统系统 c a n 总线( 5 0 0 k b i t s ) iiil ! 鬻i 嚣il 刚宴z j 旧卜 基c a n 总线( 5 0 k b l t s )l jii l i 旧7li 漂i 卜j 甓叫 图2 3 汽车电器多子网系统图 汽车中各种电器对网络上信息传输延迟的敏感性差别很大，防撞检测传感器、 电子燃油喷射、自动变速控制器和防抱死制动系统控制器之间的协调联系所要求 的实时性很强，而前后车灯、车 开闭、座位调节和显示仪表组成的子系统对传 输延迟的要求要宽松的多，其典型数据见表2 2 “。 汽车综合信息显示系统的研究第二章汽车综仓筘璺里量墨堕塑堡塑! 表2 2 汽车电器典型信息传输速度表 从图2 2 4 可看到，在汽车电器多子网系统中应用了三种不同的总线：低速 c a n 总线、高速c a n 总线和超高速a i r c n e l 总线。根据信息传输延迟的敏感性及数 据传输量而设计的汽车电器网络多子网系统图中，把对信息传输延迟要宽松得多 的车灯控制、车门控制以及仪表板显示等组件挂在低速c a n 总线上；把实时性强 的电子组件如发动机控制、变速箱控制和防滑控制等挂在高速c a n 总线上；而把 实l 时性不强但数据传输量很大的电子组件挂在超高速a r c n e t 总线上。不同的总线 通过网桥l 和网桥2 联系，交换必要的信息，实现数据的共享。仪表板因此获得 所；爵的信息，显示出各种信息。 2 汽车电子星型网系统 汽车各个电子控制系统之间联系越来越紧密，各种信息如发动机转速、温度 及车速等必须在不同控制单元间交换。表2 3 表明了不同单元间的数据交换，从 中也可以看出和接收数据的控制单元。 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设计 表2 3 汽车电子控制设备问的信息交换。 电子燃油变速器牵引力控制 减速器尾气交流仪表板及 控制控制驱动防滑系统控制 控制操作控制 实际计量燃油传送接收 接收接收 燃油增加请求接收传送 传送 燃油减少请求接收传送 传送 燃油限制请求接收传送 加速踏板位置传送接收接收 刹车扭矩传送传送传送接收 发动机速度传送接收接收接收接收接收 怠速预置接收传送传送 车辆速度接收传送接收接收 车轮速度接收传送接收接收 齿轮传动比接收传送接收接收 变速档位置传送接收 车辆速度控制接收传送 冷却水温度传送接收 接收接收 空气温度传送接收 制动装霞控制传送传送传送传送传送传送 接收 大量数据的快速交换、高可靠性及价廉是对汽车电子网络系统的总体要求。 本论文由此设计了一种汽车电子星型网，如图2 4 所示。 汽车综合信息显示系统的研究 第二章汽车综合信息显示系统的设计 图2 4 汽车电子星型网系统图 从上图可看到发动机系统、自动变速系统、底盘部分和车身部分都有各自的 电f 控制单元。它们各自独立运行，控制改善汽车某一方面的性能。车身部分电 子控制单元一方面对由车速、雷达等传感器采集的信息进行分析、计算和加工处 理；一方面收集由其它部分电子控制单元对传感器采集的信息进行加工处理后的 数据，并生成综合信息显示系统的显示。同时它还为其它部分电子控制单元提供 数据服务，从而实现数据的共享。 图2 4 中各个电子控制系统的e c u 之间的通信如图2 5 。 一壅兰笪全堕璺星至墨竺塑旦窒笙三兰塑至堡垒堕璺墨量至堡竺兰! ! 一 图2 5 汽车电子星型网的构成方框图 图中通信控制器保证数据的正常流动。它采用c a n 总线，其通信原理如图2 6 。 车身部分e c u - l 适配器li c r t c aq 通信接口卡 ji 显示 f c a n 接口控制器 c a n 接口控制器 ic a n 接口控带器 i 发动耖e c u 自动变速系统e c u底盘部分e c u l 传感器 i 传感器 l 传感器 l 图2 6 车内c a n 网络通信系统 c a n 网络系统一般为总线式结构，由一根总线连接所有满足c a n 协议的设备( 称 为1 i 点) ，如发动机e c u 、自动变速系统e c u 、底盘部分e c u 等。各节点通过总线 可与主机也就是车身部分e c u 相互通信，并最终生成综合信息显示系统。 汽车电器多子网系统和汽车电子星型网系统都具有以下优点： 一壅兰堡鱼堕星星至至竺塑婴壅 丝三兰塑圭堡鱼堕皇墨至墨竺塑堡生 1 灵活的组成结构。针对不同的汽车电子设备装置，无须对整个系统进行重 新设计就可以使用，而且扩展容易。 2 数据的一致性。所有子系统均使用同一数据，不仅减少了传感器的使用， 而且还由于数据的同一性提高了子系统的控制精度，解除了子系统采集、转换该 数据所带来的负担，提高了工作效率。 3 生产成本降低。由于所需传感器、导线束及接插件的减少，导致生产成本 降低和安装工作的减轻。 4 由于大量数据的交换流通，使在不增加硬件的情况下提高、扩充子系统的 功能成为现实。 5 使车载电子设备的自诊断成为现实。 但是汽车电器多子网系统与汽车电子星型网系统两者相比较，后者比前者经 济、成熟。具体表现如下： 1 汽车电器多子网系统存在着3 种不同的总线，不同的总线间存在着网桥即 网关。它可以是一个单独的硬件控制器，也可以“寄生”在某个控制器( 如组合 仪表内) 。它可以不涉及到其他硬件上的任何改动，但相对地增加了成本。同时汽 车电子多子网系统中各电子组件都有自己对应的电子控制单元，其中仪表板显示 也有自己的e c u ；而电子星型网由于把车身部分的e c u 作为主机，它收集各电子组 件的e c u 所处理过的数据生成综合信息显示系统，因此综合信息显示系统就与车 身部分的安全气囊、雷达防碰撞系统等共同拥有一个控制单元，不需增加多余的 硬件，减少了成本。 2 汽车网络正处于研究和开发阶段，到达完善和成熟，必须经历合作与标准 化、推广应用、市场推动三个阶段。目前汽车网络所面i 临的最大问题是网络协议 的标准问题。虽然c a n 协议比较成熟，且得到广泛应用，但是还需进一步完善。 所以使用c a n 协议的汽车电子星型刚比不同的子网采用不同协议的汽车电子多子 网系统要成熟些。 综上所述，要实现汽车综合信息显示系统，汽车的各个电子控制系统的整体 布蓬方案，本文选择自主设计的汽车电子星型网系统。 汽午综合信息显示系统的研究 第三章综合信息显示系统的构成 第三章综合信息显示系统的构成 3 1 综合信息显示系统硬件的构成 由第二章整体设计方案中的汽车电子星型网可知，车身部分的电子控制单元 e c u 收集了其它电子组件的电子控制单元e c u 加工处理后的数据，生成综合信息显 示系统，并且通过适配器在显示装置显示出来。由此可知，综合信息显示系统与 车身部分的电子控制单元e c u 共享某些资源，如中央处理器c p u 和存储器r o m 与 r a m 。综合信息显示系统的工作原