（光学工程专业论文）汽车仪表自动测试仪的研究与开发.pdf

摘要 随着汽车工业的发展，现代汽车的各种机构日趋复杂，其附属装置也 越来越多，汽车仪表板已经成为现代汽车的信息中心。最新数字电子系统 和电子计算机技术在汽车发动机和车辆控制系统的广泛应用，促使生产厂 家积极的扩大电子显示系统的开发和生产。 在汽车仪表大批量生产过程中同时带来另一个问题，那就是生产成品 的检测标定问题。如何开发出一种能自动检测标定汽车仪表的测试仪表已 经成为一项重要而且极富应用意义的课题。 本课题针对程控集成电路转速表速度表开发一种专用测试仪器，用于 数字式汽车仪表生产和使用过程中的标定和校准。测试仪包含电源模块、 键盘模块、显示模块、存储模块以及在线编程模块。本文将分别介绍各个 模块的工作过程和原理，并详述了其设计思想和编程原理，最后形成具有 实际使用价值的成品。 关键词：汽车仪表；自动测试仪：e c u ：z 8 6 e 0 4 ：z 8 6 e 3 0 ；标 定：在线编程 a b s t r a c t m o d e r na u t o m o b i l eb e c o m e sc o m p l e xm o r ea n dm o r ea l o n gw i t ht h e g r o w i n go ft h i si n d u s t r y a n dt h ed a s h b o a r di st h ei n f o r m a t i o nc e n t e ro ft h e b o l eb o d ya n dp e r i p h e r a le q u i p m e n t s ，n e w e s te l e c t r o n i ca n dc o m p u t e r t e c h n i q u ei su s e di na u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ，w i t c hh a s t e n st h er & d o f e l e c t r o n i cd a s h b o a r d b u ta n o t h e r q u e s t i o n i sh e wt oc a l i b r a t e t h e v o l u m e - p r o d u c t i o n a na u t o m a t i cm e a s u r i n ga n dc a l i b r a t i n ge q u i p m e n ti s n e e d e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sae x p e r te q u i p m e n tf o rm e a s u r i n ga n dc a h o r a t m gd a t a 醑 d i g i t a l 印l e i 泔o m e t e r s i ti sc o m p o s e db yp o w e r - s e u r c em o d e l ，k e ym o d e l ，d i s p l a y m o d e l ，m e m o r ym o d e la n dp r o g r a m m i n gm o d e l y o uc a ng e tt h em a i ns t r u c t u r e a n dd e s i g nt h e o r yo f t h ee q u i p m e n tf r o mt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d a s h b o a r d ；a u t o m a t i c - c a l i b r a t i n ge q u i p m e n t ；e c l 3 ； z 8 6 e 0 4 ：z 8 6 e 3 0 ：o a ii b r a t i o n ：o n l i n ep r o g r a r m i n g 汽车仪表自动测试仪 第一章绪论 1 1 引言 随着汽车工业的发展，现代汽车的各种机构日趋复杂，其附属装置也 越来越多。为了使驾驶员能够更多更迅速的掌握汽车行驶信息，及时有效 的采取相应的操作，保证汽车安全正常的工作，汽车仪表板已经成为现代 汽车的信息中心。近十余年来，电子技术取得了突破性的发展，新型传感 器、电子显示器件和驱动电路的发展，加之数字电子系统和电子计算机技 术在汽车发动机和车辆控制系统的广泛应用，促使生产厂家积极的扩大电 子显示系统的开发和生产。 在汽车仪表大批量生产过程中同时带来另一个问题，那就是生产成品 的检测标定问题。由于电子器件生产工艺的特殊性，造成即使同一类型的 电子器件其电气特性也无法完全相同。因此从同一条生产线上用同样的工 艺生产出来的同一型号的仪表，也需要对每一块表进行单独检验标定。目 前国内大部分汽车仪表生产厂家对成型仪表的检测标定都是依照经验采 用手工方法标定，严重影响了生产效率。如何开发出一种能自动检测标定 汽车仪表的测试仪表已经成为一项重要而且极富应用意义的课题。 1 2 现代汽车对信息系统的要求 述及汽车仪表检测用仪表，必须对汽车仪表先做一定了解。现代汽车 驾驶员信息系统是在汽车仪表板的基础上发展过来的。传统的仪表板是机 械式或电气机械式，通过指针和刻度实现模拟显示，其缺点是显示信息量 少，视觉特性差，驾驶员在驾驶过程中匆忙观察准确率低，该种仪表已渐 渐被淘汰。 电子显示装置的主要优点是能根据微机输出的电子信号快速做出反 应，信息量大，显示直观。现代汽车仪表板已由被动的显示传感器信息发 展到可以对传感器信号进行计算、加工处理的综合驾驶员信息系统。归纳 这种发展趋势，主要是由汽车技术本身的发展对信息系统的要求决定的。 首先，为了适应汽车排放的净化处理，改进安全性和舒适性的要求， 仪表板必须准确迅速的处理，并通过数字、文字、图形或者声光信号显示 出来供驾驶员参考。这使得显示信息多样化和复杂化。 再者，为了使有限的驾驶空间尽可能更加宽敞，用于汽车的各种仪表 第1 页 汽车仪表自动测试仪 必须做到小型化、轻量化。电子显示信息系统不仅能适应传感器和控制系 统的电子化，而且还可以实现小型轻薄，即加大了仪表板附近的空间，又 为处理更多的信息容量留下余隙。 电子显示仪表可以通过程序控制其显示精度，而且没有机械式仪表的 可动机械连接部分，从而实现高精度和高可靠性。 正是由于汽车电子信息系统对电子仪表的种种严格要求，对汽车仪表 的生产和检验过程要求系统化、自动化。传统的检验方法依靠信号发生器 给仪表加上模拟工况信号，使指针偏转。通过仪表工作档位的变换，由人 眼观察仪表指针与刻度重合程度来判断仪表是否满足精度要求，并借助单 片机开发仿真系统通过手工改变单片机存储器内的存储数据，使仪表指针 偏转达到要求。在转速表和车速表的调整过程中，由于仪表传感器输送的 信号的不均匀性，必须对表盘上不同量程级分段进行校准。该过程要求检 测校准人员有长期工作经验，校准过程繁琐费时，连续工作会造成操作者 用眼用脑过度，导致对检测标定结果的误判，无法保证出厂质量，和满足 大批量生产的要求。 汽车用速度表转速表测试仪表就是为适应生产自动化的需要而提出 研究开发要求的。 1 3 国内外常用汽车转速表速度表原理及其测试工具 1 、传统的机械式车速表 原理：传统的机械式车速表是由变速箱第二轴输出动力，经驱动蜗轮 轴带动软轴头端同步转动，使与软轴另一端固连的永久磁铁罪着同步转 动，从而产生旋转磁场，该磁场作用于转动盘，便使转动盘连同车速表指 针发生同向的偏转。当电磁转矩与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停 留在某一角度上。指针偏转角与车速成正比，因而可用其表示车速。 缺陷：机械式车速表的缺陷是明显的。由于表盘指针偏转程度正比于 软轴的转动时产生的磁力，当转速较低的时候，磁力较小，随转速变化波 动较大。因此，低速时车速表指针摆动剧烈、测量及显示精度不高。对于 发动机后置的车辆中，要将车速表指针的偏转动力由变速箱经软轴等传至 驾驶室，软轴必然布置的较长，如何将这种长长的转动软轴从结构上布置 妥当，肯定是一件十分困难的事情。 测试工具：机械式车速表采用机械装置传动，其原理清晰，结构简单， 因此仪表调试标定过程也相对方便简单。一般方法是把仪表输入软轴接入 一可调速电机上，用于模拟发动机动力轴输出。根据电机标准转速，调节 第2 页 汽车仪表自动测试仪 车速表的机械特性，标定仪表指示。该种方法简便易行，但操作也需完全 用人工进行，效率低下，无法保证精度。加之传统机械式车速表的种种缺 陷，该种仪表己渐渐被淘汰。 2 、简易电子式车速表 原理：这类仪表基本原理都是设法由电子器件代替传动软轴取得汽车 运行旋转信号，进而处理显示出转速或速度信息。常见的有脉冲式电子转 速表和简易晶体管式转速表。前者旋转信号采自分电器，发动机工作时， 分电器触点不断开闭，其开闭次数与发动机转速成正比。触点开闭产生断 续电流，通过积分电路整形，形成具有固定幅值和一定脉冲宽度的矩形波 电流，矩形波的脉冲宽度即正比于发动机转速。用该矩形波驱动电流表， 即显示出发动机转速信息。晶体管式转速表的输入信号也来自于点火系统 分电器的断点器触点，在其触点打开时提供电路触发脉冲信号。工作中通 过晶体管的导通和截止来控制给电容充放电，由电容放电驱动表盘指针转 动，进而实现显示转速信息。 缺陷：该类型的仪表转速信号来自于分电器触点，断电器所提供的触 发脉冲宽度随着发动机转速而变化，故点火系统的触发脉冲振幅和持续时 间是转速表精度的关键参数。但信号在经过整流滤波处理过程中不可避免 会损失和失真，导致显示失实，影响精度。另外，转速信号转化后直接驱 动表盘，表指针响应直接源于转速信号，造成指针跳动过于敏感，不利于 读数。解决这种问题的办法是在表头上并联一个小电容，起到附加阻尼的 作用。 ，测试工具：简易电子式仪表测试标定起来更加困难。由于其转速信号 是由电子器件取自干点火器触点，信号的精度与点火系统的电器特性有直 接的关系，在仪表生产和调试过程中很难模拟出点火系统的工作情况，要 想在全范围无级输出转速变化也十分困难。一块仪表在生产成型以后其电 器特性也固定下来，不能再改变，标定过程只能调节表盘与指针偏转比例， 很难控制精度。对于这种仪表，现在常用的标定方法是使用一块高精度的 已经标定好的表进行对比。其工作效率也不能满足大批量生产的需要。 3 、程控集成电路( i c ) 车速表 随着电子技术的发展，集成电路技术越来越成熟，出现许多高性能、低价 位的通用控制i c ，如i n t e l 的8 0 系列和z i l o g 的z 8 6 系列通用单片机。 由于其价格低廉、控制方式灵活、控制精度高等种种优点，在现代汽车信 息系统中应用越来越广泛。 原理：集成电路程序控制车速表通常是采用固定于发动机输出轴或变 第3 页 汽车仪表自动测试仪 速箱第二轴驱动的蜗轮轴转盘上的一对永久磁钢产生旋转磁场，由该磁场 作用，在霍尔器件中产生脉冲信号，其频率与放动机转速或车速信号成正 比，对于不同的机型，选定不同的比例常数。接着该脉冲信号经过放大， 光隔离和整形以后，送至主控制e c u ，由单片机定时计数，并输出控制信 号，驱动表盘指针旋转或用数字显示。其基本原理框图如下图。 发动 机变 速箱 转动 部件 芦萋u 萋 度传h 苎 感器ll 路 光 隔 离 器 整 形 电 路 e c u 指 _ 不 机 构 步进 电机 图1 - 1 、程控i c 电予转速表速度表工作原理图 车速 ， 转 速表 指针 。- - 一 捱 主控制e c u 接受整形后的转速信号，通过定时计数器判别当前转速 大小，然后通过查表方式从存储器中读出事先标定好的控制信号，输出到 指示机构，由指示机构将该信号改变为模拟信号，驱动表盘指针。有些指 示机构采用双线圈电磁方式驱动指针，磁力的大小由通过线圈的平均电流 大小决定。平均电流大小可直接由e c u 输出电平的占空比控制，雨无须专 门的数模转换处理电路。如果是采用数显方式，则e c u 只需将记速信号输 出至显示处理电路。 优点：程控集成电路式车速表的优点是明显的。首先，由于大规模集 成电路技术的成熟，可供选择的单片机种类十分多，可以满足不同功能的 仪表的需要。另外，这些单片机大都能提供功能齐全的开发、仿真系统， 使得新产品的开发方便、稳定，大大缩短了开发过程。集成芯片体积小、 稳定性高、抗干扰能力强、控制灵活，能适应汽车仪表对高可靠性、防震、 防水、宽范围工作温度的要求。通过编程控制表头指针的偏转，可以达到 第4 页 rl 汽车仅表自动测试仪 很高的控制精度，并能消除指针低速抖动现象，清晰便于视认。该类型仪 表在生产和调试过程中很容易实现系统化、自动化，大大提高了生产效率， 适合大批量生产的需求。 测试工具：程控集成电路是汽车仪表种类繁多，其工作原理也不尽相 同，这就给仪表测试标定带来一定困难。想要开发出一种通用的测试工具 是一项十分艰巨的任务，几乎不可能也不必要。一般的汽车仪表生产厂家 都拥有自己固定的系列产品，其设计原理和选材选件都基本相同，这给开 发测试工具带来方便。本课题即是针对大连理工大学汽车电子公司的 d z l z 一1 4 0 2 系列转速表速度表而开发的一种测试标定用工具。 第5 页 汽车仪表自动铡试仪 第二章测试仪总体功能和原理 2 1 脉宽调制( p w m ) 原理 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术是一种通过改变控制信号特 性实现对功率进行精确分配的技术，广泛应用于交流电机的变频调速上。 是一种将功率和控制综合应用的技术。前者处理高压大电流问题，应用新 型的电力电子器件实现对巨大电能的转换和分配；后者以现代控制理论为 指导，开发能实现高度精确控制的软、硬件系统。 对于大电流系统，数字脉宽调制模块控制各项输入参数从而影响 p w m 数据流，获得脉冲系列 驱动开关逆变电路。p w m 数 据流通常由比较器的调制参 考波形和载频波形共同产 生，当两种波形相交时，输 出状态发生跳变。为实现功 率控制，参考波形均为功率 波形。正弦曲线、t r i p l e n 曲 线和d b t r i p l e n 曲线均可用 作参考波形。三种波形如图 2 - 1 ，后两种波形与正弦曲线 相比能提高驱动效率，降低 开关切换次数。 图2 2 给出了异步方式 p w m 的标准波形和双边规 则采样的波形。通常，p w m 源自一个参考波形和一个高 频锯齿波或三角波。在时域， 两种波形的交点被定义成数 字输出的过渡点，由此定义 圈z _ 1 三种调制参考被形 输出脉宽，脉宽直接正比于开关波形的宽度，即脉宽越大，开关波形“开” 状态越长。 现代通用单片机和较专用的可编程逻辑阵列( p l d 及f p g a ) 采用数 字技术完成调制功能，避免了模拟器件的飘移问题。计数器和数字比较器 第6 页 汽车仪表自动测试仪 通过对三角载频波计数比较建立起开关波形的宽度。开关波形在每个载频 波形峰期上升和下降沿都进行采样，称作“双边采样”。( 而对于锯齿波， 在每个p w m 脉冲会导致一个固定沿和一个可变沿) 。调制好的开关波形 可以以数字形式存在电介质存储器内。开关波形增益相乘形成控制波形， 控制开关频率。 图2 2 n 畦顿轳生机理 对于某些功率要求极小的电磁机械，可以直接输出调制好的p w m 信 号驱动该类机械。 2 2 程控集成电路转速表、速度表表头驱动原理 控制周期 占空! e c u 图2 3 e c u 控锖衰头指针偏转原理 弗7 页 根据第一章介绍的程控 集成电路车速表原理，我们 知道提高该类速度表转速表 精度的关键在于方便的修改 e c u 数据存储器里的输出控 制数据，形成精确的p w m 调 制控制信号。如图2 - 3 所示， 驱动表头指针的执行线圈所 消耗的功率极小，可有表头 控制e c u 的i o 输出直接驱 动，故控制e c u 在完成p w m 调制后，将控制信号直接作 为功率信号输出，不用经过 汽车仪表自动捌试仪 额外的放大电路和开关电路。 由于完全由数字信号控制表头指针，p w m 信号调制十分简便。主控e c u 计时器产生一高频计时信号，计时长度为t o ；表头偏转角度信号对应时间 长度为t l 。每一计时周期开始，e c u 将输出端口电平拉高，计数开始。此 时，e c u 不断读出计数器中的数据，与预先写入片内r o m 的控制数据( 对 应t 1 ) 比较，当计时到达t 1 时，立即将输出电平拉低。如此就形成了一 定占空比的调制信号。该信号通过表头执行线圈，形成低功率模拟信号， 从而精确控制表头偏转。 2 3 测试仪表的功能要求和整体模块 2 3 i 对汽车电子仪表测试仪表的功能要求 本课题开发的测试仪表基本原理就是取代单片剂仿真系统，而直接用 仪表本身的仿真输出接口和目标仪表相连，实现仿真控制e c u 的功能，并 将仿真调试的数据结果存储起 来，连同控制程序一起写入到 仪表控制e c u 中。功能实现原 理如图2 - 4 所示。另外，为了 适应工厂实际生产环境，这种 测试仪表还必须满足工业设计 中的各种要求。综合考虑各方 面要求，对测试仪最后实现方 向定下以下目标： 1 、由于仪表是为实际生产 而设计，仪表外观必须适 合工厂生产环境，应具有 防尘、抗震、轻便、性能 稳定等要求。 控制周期 占空 鬻 图2 - d 测试仪表仿真控常4 原理 2 、仪表必须具有良好的用户界面，显示部分包括功能显示、数据显示 等，用于指明操作状态、功能状态和当前修改的数据值；键盘部分 包括1 6 个数字键和其他功能键，完成数据输入和控制功能；其它接 口，包括电源输入、被测仪表仿真接口、读片写片座等。 3 、单片机必须有足够的程序存储空间，用于存储测试程序和被测仪表 控制程序。其中被测仪表控制程序在写片时被读出写入仪表控制芯 片。单片机还必须有足够数量的随机存储器，用于读片时的程序和 第8 页 汽车仪表自动器4 试仪 数据交换暂存，以供测试修改用。 4 、仪表必须有写片功能。这是该测试仪表最熏要的功能之一，在测试 标定过程中，标定准确的数据暂存在数据存储器中，被测仪表表盘 全范围都标定正确以后，这些数据和目标程序一起被写入仪表控制 芯片。该功能是保证测试标定效率的重要环节之一。 5 、做到尽量减小硬件成本、方便实用、易于编程实现。 2 3 2 测试仪攘体功能模块 汽车转速表速度表测试仪主要由电源模块、显示模块、键盘接口模块、 存储模块双机通讯模块及对应外围电路组成。图2 5 给出了测试仪原理模 块示图。 图2 5 测试仪原理慎块示图 电源模块输入为1 5 伏的直流电源，经过内部稳压集成龟路处理，输 出仪器所需的5 伏、6 伏和1 2 5 伏三种电压。5 伏电压用作各集成电路的 电源，并驱动数码管显示，为了给各芯片提供稳定电压，并满足数码管有 足够亮度，要求输出电流必须大于4 0 0 毫安；6 伏和1 2 5 伏电压主要提供 芯片编程用，其输出电流按芯片编程模式下对各管脚的电流要求而设计。 仪器与用户和目标仪表的接口由主芯片管理。主芯片和从芯片均采用 z i l o g 公司的z 8 6 系列单片机z 8 6 e 3 2 。主芯片管理用户的键盘输入，将用 户的数据输入存储到不同的存储器，实现特定的功能要求，并显示出对应 的功能信息和数值信息。用户输入数据调试过程中，仪表仿真头直接在车 速表、转速表上，输入的数据将实时控制表头指针的偏转，正确的数值被 第9 页 汽车仪表自动测试仪 保存起来。在调试结束后，主机发送一信号给从机，从机开始执行写片程 序。需要写入目标芯片的内容有车速表、转速表控制程序及控制表数据。 显示模块由五块七段数码管及驱动电路组成，共可同时显示五位十六 进制数值。其中首位主要用于显示功能状态，后四位主要显示调试过程中 对应四个调试寄存器的数值，即用户的键盘输入值。 键盘为8x3 矩阵键盘，每一个按键都由独立键盘构成，编程灵活、 节省资源。键盘定义为0 一f 十六个数值键，另有8 个功能键定义如下： “一”：减号，实现减任意数和连减功能； “+ ”：加号，实现加任意数和连加功能； “n x ”：下一个，一个偏转角度调试完毕，将该值写入寄存器，调试 下一位置； “s b ”：表头选择，选择调试目标表，车速表转速表； “s c ”：参数选择，选择调试值寄存器； “e t ”：确认，所有调试区调试完毕，将寄存器里的数值插值细分写 入外部存储器； “s p ”：表型选择，选择系列产品中的某一型号，设置插值密度； “w t ”：写片，主机发送写片命令，同时禁止主机一切功能，直到从 机返回写片完成信息。 为了节省接口资源，各模块和单片机以及模块之间的通讯接口主要采 用串行模式实现。接下来的章节将具体介绍该仪器各模块的具体软硬件原 理及操作方法。 第1 0 页 汽车仪表自动测试仅 第三章主从单片机及目标芯片原理 3 1z 8 系列单片机 美国z i l o g 公司的第一代微处理器z 8 0 系列是第一批进入国内市场的 微处理器产品，为我国广大电子工程技术人员所熟悉，在各种行业获得广 泛应用，为我国的工业自动化做出相当贡献。 z 8 八位单片机是在z 8 0 微处理器的基础上发展而来的产品。经过数十 年的发展，z i l o g 公司已推出近百种功能完善、性能优越的z 8 系列单片机。 运用成熟的c m o s n m o s 技术，新的z 8 系列单片机具有执行速度更快、程 序代码更简洁、存储器使用效率更高、中断、输入输出及位操作功能更 完善、系统扩展更为方便等优点。 z 8 6 c 0 4 0 8 3 0 3 l 、z 8 6 e 0 4 0 8 3 0 3 1 系列单片机属于廉价、小封装( 1 8 脚或2 8 脚) 的z 8 控制器，它具有z 8 系列单片机的一般功能，如： 1 、1 k 2 k 4 k 字节片内r o m o p tr o m e p r o m ： 2 、1 4 4 2 5 6 字节片内r a m ，包括通用寄存器、状态及控制寄存器、i o 端口寄存器，z 8 6 c 3 0 3 1 、z 8 6 e 3 0 3 1 还具有扩展寄存器。通过寄存器指针， 用8 位或4 位方式对片内r a m 进行快速访问； 3 、多累加器结构，包括i o 端口在内的通用寄存器都可以作为累加器 使用，消除通常a b 累加器结构中存在的数据通道窄的瓶颈现象； 4 、片内所有寄存器均可进行堆栈操作，在r a m 数据不冲突的情况下， 堆栈的级数不限； 5 、指令系统由4 3 条基本的z 8 指令组成，包括传送、算术运算、逻辑 运算、程序控制、数据块传送、循环和移位及c p u 控制等8 种指令。指令 按6 位寻址方式设计，还具有按位、半字节、b c d 码、8 位字节、1 6 位字 进行操作的能力； 6 、6 种不同中断源的向量优先级中断； 7 、两个带有6 位预置器的8 为定时计数器，多种工作方式。 z 8 6 c 0 4 0 8 3 0 3 l 、z 8 6 e 0 4 0 8 3 0 3 l 局有丰富的功能、灵活的结构， 最适合消费类电子产品、低价工业电子产品中的智能控制和处理，开发周 期短、性价比高。 第1 1 页 汽车仪表自动测试仪 3 2z 8 6 e 0 4c m o s8 位1 ko p t 微控制器 z 8 6 e 0 4 微处理器运用c m o s 技术封装成1 8 脚双列直插型式，内部 有1 k b 一次性只读存储器( o p t ) 和1 2 4 字节通用r a m 。该芯片软件开 输入 i ，oi o 图3 dz 8 6 e 0 4 功能模块图 发简便，调试功能完善，采用o p t r o m 大批量生产能极大的降低成本。 z 8 6 e 0 4 提供1 4 个i o 脚，组成三个端口，可由软件控制完成输入， 输出、定时和状态字功能，对i o 端曰进行读写操作时可直接操作端口对 应的寄存器。这些宽范围的配置信息存储在两个基址控制字中：除此之外 另有1 k 程序存储器和1 2 4 字节通用寄存器。 第1 2 页 汽车仪表自动测试仪 z 8 6 e 0 4 还提供可编程e p r o m 保护功能和低噪功能。保护模式下自 动启用低噪模式；低噪模式时e p r o m 保护模式可选。 z 8 6 e 0 4 单片机具有体积小、功能完善、保密性能好、可扩展功能强 大等优点，适合在民用产品、工业、通信等各方面运用。汽车仪表工作环 境恶劣、温度变化大，并对空间要求严 格，z 8 6 e 0 4 是一种非常合适的选择。 下面列出该芯片的特性： 8 位c m o s 微处理器 1 8 脚d i p 封装 低耗低噪 可编程r o m 保护模式 4 4 5 5 v 工作电压，低功耗( 标 准5 0 m w ) 两种待机模式( s t o p 和h a l t ) 1 4 条输入输出脚 3 位c m o s 级数字输入 1 1 位c m o s 级数字输入，史密 特触发 l k bo t p r o m ，1 2 4 b 通用 r a m 双可编程8 位定时计数器，带 6 位可编程预置器 6 个中断源，6 种中断优先权 8 m h z 时钟频率 w d t 看门狗时钟、 双在线比较器 讲 西 啦 r v c c 坼 帕e 1 0 e e p 腿 m g d ，嘲 o _ 0 0 k e l | 强r v p p 图3 _ 2e p r 傩编程模式管脚定义 暇 嘣 嘲 嘟 硐簿 l 1 p ” 瞪2 同匣 怫盈 障 p 2 口 鲫 h 瞄 p 们 p 咐 两曙 图3 _ 3 标准模式管脚定义 片内时钟源，可外接晶振、陶瓷振荡、l c 或外时钟 表3 1 、3 2 分别给出了z 8 6 e 0 4 标准模式和e p r o m 编程模式下的各 管脚的定义。 o p t 编程模式管脚功能定义： i ) 7 - d 0 数据总线，由e p r o m 写入读出的数据经由该总线： v e e 电源输入，e p r o m 读模式为5 v ，其他模式为6 v ； i c e 片选( 低电平选通) ，在e p r o m 读、写和校验模式均应选通； o e 输出选通( 低电平选通) ，该脚直接驱动数据总线，低电平数据 第1 3 页 汽车仪表自动测试仪 输出，高电平数据输入； 表3 1z 8 6 e 0 4 标准模式管脚定义 管脚符号功能方向 1 4p 2 7 j p 2 4 端口2 ，脚4 , 5 ，6 ，7 i o 5v c c 功率源 6x t a l 2 时钟，晶振 o 7x t a l l 时钟，晶振 i 8p 3 1 端口3 ，脚1 i 9p 3 2 端口3 ，脚2 i 1 0p 3 3 端口3 ，脚3 i “1 3p 0 2 p 0 0 端口o ，脚o ，1 ，2 i o 1 4g n d 地 1 5 1 8p 2 3 p 2 0 端口2 ，脚o 123 i o 表3 2z 8 6 e 0 4 编程模式管脚定义 管脚符号功能方向 1 4d 7 d 4 数据4 , 5 ，6 ，7 l o 5v o c 功率源 6n ，c 不联结 7c e 片选 i 80 e 输出使能 i 9e p m e p r o m 保护模式 i 1 0 v p p 编程电压 i 1 1c l e a r 时钟清零 i 1 2c l o c k 地址 i 1 3伊g m 编程模式 i 1 4g n d 地 1 5 1 8d 3 d 0 数据o ，1 ，2 ，3 i o e p me p r o m 编程模式，该脚提供不同的电压，则选择不同的e p r o m 编程模式； v p p 编程电压，该脚提供编程电压( 1 2 5 v ) ： c l e a r 清空，该脚将内部地址计数器置位到高端： c l o c k 地址时钟，该脚为时钟输入脚，内部地址计数器经历一个时钟 信号便自动增一； ，p g m 编程模式( 低电平) ，该脚低电平时数据通过数据总线写入 e p r o m 。 第1 4 页 汽车仪表自动测试仪 采用z 8 6 e 0 4 单片机作为汽车仪表主控制器，调试仪器将调试好的控 制数据及控制程序一并写入片内e p r o m 。此时z 8 6 e 0 4 工作在e p r o m 编 程模式下，具体的写片遣程在后面的章节具体介绍。 3 3z 8 6 e 3 0c m o s8 位o t pc c p 微控制器 输入翩出 啦 m l 力 出i n _ 口帕 图3 叫z 8 6 e 3 0 功能模块图 z 8 6 e 3 0c c p 微处理器采用c m o s 制造，封装为2 8 脚双列直插型式， 内部有4 k bo p te p r o m 和2 3 7 字节通用r a m 。z 8 6 e 3 0 由z 8 微处理器 核心和扩展寄存器组成，能够方便的处理寄存器映射和外围i o 电路。2 4 个i 0 脚，组成三个端口，每个端口由8 个管脚组成，可由软件控制定制 输入输出、定时和状态字功能。这些宽范围的配置信息存储在三个基址空 问：程序存储器、寄存器表和扩展寄存器表( e r f ) ：寄存器表包含2 3 7 字节通用寄存器，3 个i o 端口寄存器和1 4 个控制和状态字寄存器。为了 第1 5 页 汽车仪表自动测试仪 减轻实时编程( 如计时计数，数据通信等操作) 负担，z 8 6 e 3 0 提供两个 片内定时计数器，可由用户设定多种工作模式，两个板内比较器，通过参 考电压来处理模拟信号。 z 8 6 e 3 0 同样提供可编程e p r o m 保护功能和低噪功能。保护模式下 自动启用低噪模式；低噪模式时e p r o m 保护模式可选。 z 8 6 e 3 0 单片机功能完善、保密性能好、i o 资源丰富、可扩展功能强 大。适合在民用产品、工业自动化、通信等各方面运用。汽车仪表调试仪 需要消耗大量i o 资源，实现灵活可靠的控制，并要求有足够的存储空间 来保存控制数据和控制程序。z 8 6 e 3 0 单片机基本满足以上要求，并能和 仪表的控制芯片很好的兼容。 下面列出该芯片的特性： 8 位c m o s 微处理器 2 8 脚d i p 封装 低耗 可编程r a m 保护模式和可编程e p r o m 保护模式 可编程低e m i 模式 4 4 5 5 v 工作电压，低功耗( 标准6 0 m w ) 端口0 和端口2 可编程选择上 拉开源方式 两种待机模式( s t o p 和h a l l ) 3 位c m o s 级数字输入 1 7 位c m o s 级数字输入，史密 特触发 4 k bo t p r o m ，2 3 7 b 通用 r a m 3 个扩展控制寄存器表 两个8 位可编程定时计数器， 带6 位可编程预置器 6 个中断源，6 种中断优先权 最高1 2 m h z 时钟频率 w d t 看门狗时钟 自动电源复位 双可编程中断级别比较器 片内时钟源，可外接晶振、陶瓷振荡、l c 或外时钟 第1 6 页 汽车仪表自动测试仪 表3 3 、3 4 分别给出了z 8 6 e 3 0 标准模式和e p r o m 编程模式下的各 管脚的定义： 表3 3z 8 6 e 3 0 标准模式管脚定义 管脚 符号 功能方向 1 3p 2 5 p 2 7 端口2 ，脚5 , 6 l f o 4 7p 0 4 p 0 7 端口o ，脚4 , 5 ，6 ，7 i o 8 v c c 功率源 9x t a l 2 时钟，晶振 o 1 0x t a l l 时钟，晶振 i 1 1 1 3p 3 l _ p 3 3 端口3 ，脚1 , 2 ，3 i 1 4 1 5 p 3 4 - p 3 5 端口3 ，脚4 , 5 o 1 6p 3 7 端口3 脚7 o 1 7p 3 6 端口3 ，脚6 o 1 8p 3 0 端口3 ，脚0 i 1 9 2 1p o o p 0 2 端口0 ，脚o ，1 ，2 i o 2 2v s s 地 2 3p 0 3 端口o ，脚3 i 0 2 4 2 8p 2 0 p 2 4 端口2 ，脚o ，1 ，2 ，3 i o 表3 4z 8 6 e 3 0 编程模式管脚定义 管脚符号功能方向 1 3d 5 d 7 数据5 , 6 ，7 i o 4 7a 4 a 7 地址4 ，5 ，6 ，7 i 8v c c 功率源 9n c 不联结 1 0c e 片选 i 1 1，o e 输出使能 i 1 2 e p m e p r o m 保护模式 i 1 3 v p p编程电压 i 1 4 1 5a 8 a 9 地址8 , 9 i 1 6a 1 1 地址1 1 i 1 7a 1 0 地址1 0 i 1 8p g m 编程模式 i 1 9 2 1a o 。a 2 地址o ，1 ，2 i 2 2v s s 地 2 3 a 3 地址3 i 2 4 2 8d o d 4 数据0 ，1 , 2 ，3 ，4 i o 第1 7 页 汽车仪表自动测试仪 标准模式管脚功能定义： x t a l l晶体1 ( 基于时间输入) ， 振荡器、l c 、r c 网络或者外接时钟。 x t a l 2 晶体2 ( 基于时问输出) ， 振荡器、l c 、r c 网络或者外接时钟。 该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷 该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷 p o r t o ( p 0 7 p 0 0 ) 端口0 为8 位双向c m o s 兼容i o 端口。可以独 立的编程设定p 0 0 p 0 3 ，p 0 4 p 0 7 为输入输出口。输入缓存为史密特触发， 输出可编程设定为上拉，开源方式。可通过软件编程实现输出低e m i 。端 口0 也可用于握手i o 端口。 握手方式下，端口3 的p 3 2 、p 3 5 脚作为握手控制脚。握手方向由端 口0 的高位设定。低位必须和高位的方向一直。 p o r t 2 ( p 2 7 。p 2 0 )端臼2 为8 位双向c m o s 兼容i 0 端口。各脚可 以独立的编程设定为输入输出口。所有输入缓存均为史密特触发。位便成 为输出方式时可编程设定为上拉开源方式。可通过软件编程实现输出低 e m i 。端口2 也可用于握手i o 端口。握手方式下，端口3 的p 3 1 、p 3 6 脚作为握手控制脚。握手方向由端口2 的的第7 位设定。 p o r t 3 ( p 3 7 p 3 0 ) 端口3 为8 位双向c m o s 兼容i o 端口。p 3 3 p 3 0 脚固定为输入，p 3 7 p 3 4 固定为输出口，可通过软件设定为中断和握手方 式。p 3 0 为史密特触发，p 3 1 、p 3 2 和p 3 3 为标准c m o s 输入，p 3 4 、p 3 5 、 p 3 6 、p 3 7 为上拉开源方式输出脚。可通过软件编程实现输出低e m i 。两 个板内比较器可处理模拟信号，由p 3 3 输入比较电压，p 3 1 和p 3 2 输入模 拟信号。 模拟功能由端口3 的模式寄存器( p 3 m ) 的d 1 位设定。相应中断时， p 3 0 和p 3 3 在中断脉冲下降沿触发。而p 3 1 、p 3 2 可编程设定在上升沿、 下降沿或者两个沿都触发。p 3 l ( t i n ) 和p 3 6 ( t o u t ) 还处理定时计数响 应。 第1 8 页 汽车仪表自动测试仪 第四章电源模块 电源模块功能是提供位控制器正常工作所需的稳定电压，提供标准的 电平电压和提供显示、写片时所需的功率。 电源模块输出三种电压：集成i c 电源，5 v ；写片控制电压，6 v ；写 片功率电压，1 2 5 v 。测试仪工作环境固定，故采用单一电源给一起供电， 由仪器内部电路分配输出这三种电压。图4 1 给出了电源模块电气原理图， 图中p o w e r 为外电源输入接口，采用1 5 v 直流电源，功率大于4 0 0 m a 。在 外电源输入端加有熔断保护线路f u s e ，外电源正常时红色指示灯r e d 发光 二极管点亮。 电源模块的电压分配由可调稳压集成块l m 3 1 7 t 完成。l m 3 1 7 t 是一种 可调三端稳压集成元件，封装成d p a k t o 一2 5 5 形式。其输出电压可在 1 2 - 3 7 v 之间调整，输出电流可达5 0 0 m a 。元件仅通过两个外接电阻即可 改变输出电压的大小，使用非常方便。并且其线性特性和负载特性均优于 第1 9 页 汽车仪表自动测试仪 固定稳压块。 l m 3 1 7 t 优于固定稳压块的地方在于包含了片内电流限制功能，实现过 载保护和安全工作区保护。即使调整管脚a d j 悬空，保护功能依然起作用。 通常元件不需要外接电容，但元件里电源滤波电容超过6 英寸的时候必须 额外的增加一滤波电容。正输出电压端也应加一电容以增加输出电压稳定 性。调整脚a d j 接地能滤掉高频冲击，该功能是标准三端稳压块所不具备 的。 图4 _ 2l i l 3 1 7 t 的标准外围电路 f 图4 2 给出了l m 3 1 7 t 的标准工作方式外围电路图。可以同过调节电位 器r 2 获得需要的电压输出v o u t 。各参数的关系如下式： v , , a 1 + 鲁r 2 实际操作中为了获得精确的电压输出，先大致算出所需的电阻值，实 际使用中采用精密电位器实现。如图4 1 ，三个调压电阻分别为：取r 1 = 2 4 0 欧，v o u t = 1 2 5 v ，r 2 ：i m 欧：y o u t = 6 y ，r 2 = 1 2 0 欧+ 1 0 0 欧电位器；y o u t = 5 v ， r 2 = 5 0 欧+ 1 0 0 欧电位器。 第2 0 页 汽车仪表自动测试仪 第五章显示模块 5 1 单片机系统常用显示装置 在单片机系统中，常用的信息显示方式有：发光二极管显示器l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ：液晶显示器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ；荧光 显示器。近年来随着电子器件集成度增高、速度加快和1 1 0 能力增强，也 开始使用小型c r t 显示器，来显示大量字符信息和图形( 如收款机) 。运 用更广泛的还是前三种传统显示方式。这三种显示器都有两种显示结构： 段显示和点阵显示。下面简要介绍一下数码管显示器件的原理和运用。 l e d 显示器 l e d 显示块由发光二极管显示字段组成，有7 段型和“米”字型之分。 根据其公接端不同又可分为共阳极和共阴极两种。如图5 - 1 所示，共阴极 l e d 显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某 一个发光二极管阳极为高电平时，该段二极管就被点亮，显示相应段信息。 同样，共阳极l e d 显示块的所有发光二极管的阳极共接在一起，通常该 公共阳极接高电平，当某一阴极接通低电平时，对应发光二极管被点亮， 显示相应段信息。 上图中共阴和共阳极显示块都有d p 极，用于显示小数点，没有小数 位时可以不接。7 段显示块封装尺寸有很多种，适应不同的使用场合，并 且可以显示红、橙、绿等多种颜色，可以根据使用要求自由选择。为了显 示出特定的字符，需给显示块对应的管教加载特定的电平信息，所有管教 第2 l 页 汽车仪表自动测试仪 的电平信息既显示字符的字符码。7 段显示块一共只有8 个显示段，故只 需要一个字节字型码。而“米”字型显示块则需要两个字节字型码。下表 给出了共阴和共阳7 段显示块的部分字型码。 表5 17 段l e d 字型码 显示字符 共阴字型共阳字型显示共阴字型码共阳字型码 码码 字符 oo f c h0 0 3 h8o f e h0 0 1 h 10 6 0 h0 9 f h90 e 6 h0 1 9 h 2o d a h0 2 5 hao e e h0 1 1 h 3o f 2 h0 0 d hb0 3 e ho c l h 40 6 6 h0 9 9 hc0 9 c h0 6 3 h 5o b 6 h0 4 9 hd0 7 a h0 8 5 h 6o b e h0 4 l h e0 9 e h 0 6 l h 7o e o h0 1 b hf0 6 e h0 7 l h 需要显示多位字符的时候，需要将多片显示块拼接起来。对于7 段显 示块，n 位l e d 显示块就有n 条位选线和8 x n 条段选线。段选线控制字 符的字型，而位选线控制某个显示块的亮、暗。根据显示方式的不同，位 选线和段选线的连接方式也不同。l e d 显示器有静态显示和动态显示两种 显示方式。 一、l e d 静态显示方式 l e d 显示器工作在静态显示方式时，各位的公共极连接在一起；每位 的段选线( a - d p ) 分别与一个8 位的显示数据输出相连接。显示其中各位 相互独立，而且各位显示的字符一经确定，各位显示数据输出就保持不变 直到下一个显示字符到来。显示过程每段发光二极管电流恒定，显示无闪 烁、亮度高。 第2 2 页 汽车仪表自动测试仪 上图为一4 位静态l e d 显示器电力原理图。在每一片的显示块的8 根段选线上加载不同的电平，就能显示出不同的字符。每一位字符都由8 位i o 数据线控制字型码，故在同一时间，每一位显示的字符可以不同。 这种接口方式编程简便，管理方式简单，但消耗的i ( 9 资源也较多。4 位 显示器就需要4 x 8 条i o 口线，若使用锁存器则需要4 片锁存器芯片。故 显示位数过多时通常不选用静态显示方式。 二、 动态显示方式 有多位l e d 显示的时候，为了节省i o 资源，通常将所有位的段选线 相应的并联在一起，由一个位i 0 控制，形成段选的多路复用。而公共极 分别由各自的i o 控制，实现各位的分时选遥。下图给出了一个4 位动态 l e d 显示器的原理电路。其中8 个段选占用8 位i o ，4 个线选各占用一 个i o ，一共只占用1 2 个i o 口线。与静态显示不同的，由于各位段选线 并联，各位显示块上段选码输入相同。因此在同一时刻，如果各位都选通 的话，显示出的字符将也相同。为了避免这种情况，必须采用扫描方式， 分时选通各个