（车辆工程专业论文）混合动力汽车车载液晶显示仪表系统研究.pdf

摘要 摘要 通过引入电子控制系统来提高车辆的舒适性、安全性和操控性能是当前汽 车发展的热点，许多拥有独立传感器和控制器的电子系统被应用到汽车上，例 如宝马公司的5 系列轿车，最多可装备9 5 个e c u 。冗余的电子硬件增加整车成 本；各系统拥有自己的信号采集器和执行器使得线束连接复杂；系统复杂度的 提高导致电控系统的故障检测和诊断变得困难，系统的可靠性随之下降。为解 决这一问题，1 9 8 6 年2 月b o s c h 公司首先提出了汽车串行控制器局域网的概念， 利用c a n 总线信息共享优势，大大减少电子元件的使用数目。 本文重点涉及了c a n 总线智能节点模块设计和液晶显示模块设计，两个模 块的硬件连接是单片机，软件连接是系统的显示参数。( 1 ) c a n 总线智能节点 模块实现的功能是监听总线上的报文信息，接收仪表系统需要的报文并写入模 块的存储空间，然后通过解码操作将报文信息分离并赋予显示变量。( 2 ) 液晶 显示模块以显示变量的名称为依据，决定实施字符或是图形显示；以显示变量 值的大小为基础，调用显示子函数在液晶显示器上实施显示功能。 本文以同济大学混合动力汽车动力系统c a n 总线网络通信协议为基础，设 计了车载液晶显示仪表系统的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括电源电 路、总线智能节点模块电路和液晶显示模块电路；软件程序主要包括c a n 控制 器初始化子程序、报文发送接收子程序、报文编码解码子程序、液晶显示控制 器初始化程序和字符图形显示子程序。 最后对全文进行总结并讨论了进一步研究的重点。 关键词：汽车串行控制器局域网，c a n 总线，仪表，总线智能节点，液晶显示 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m f o r ta n ds a f e t yp e r f o r m a n c eo fav e h i c l e ， m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cs y s t e m sa r ei n t r o d u c e dt ot h ec h a s s i s d e v e l o p m e n t p r o c e d u r e t h e r e f o r e ，e l e c t r o n i c ss y s t e m sw i t hi n d e p e n d e n ts e n s o r sa n dc o n t r o l l e r s a r ea p p l i e dt ov e h i c l e 5o ft h eb m w m o d e l s ，f o ri n s t a n c e ，a r ee q u i p p e dw i t he c u s u pt 09 5 ，w h i c hr e s u l t si nr e d u n d a n te l e c t r i cc o m p o n e n t sa n dm o r ep r o d u c tc o s t ； c a b l ec o n n e c t i n gi sc o m p l i c a t e dd u et od i f f e r e n ts u b s y s t e ma c t u a t o r s ，w h i c hw i l la l s o l e a dt ot h eu n r e l i a b i l i t yo ff a u l td e t e c t i n ga n dd i a g n o s e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s ， b o s c hl a u n c h e dt h ec o n c e p to fa u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o l l e ra r e an e t w o r kf i r s ti n f e b r u a r y1 9 8 6 i tt a k et h ea d v a n t a g eo ft h ec a n a n dm a k et h ee l e c t r o n i cs y s t e m m o r ec o m p a c t c a n _ i n t e l l i g e n c e _ n o d ea n dl c d d i s p l a ym o d u l e s ，w h i c ha r ec o n n e c t e dt o e a c ho t h e rb yt h em c u ，a r ei n v o l v e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，s o f t w a r e so ft h e s y s t e ma r ec o n n e c t e db yp a r a m e t e r so ft h ed i s p l a y ( 1 ) t h ec a n _ i n t e l l i g e n c e _ n o d e m o d u l em o n i t o r s s i g n a l s i nt h e c a n _ b u s ，r e c e i v e s t h ef r a m et h a tt h e l c d _ d i s p l a y _ s y s t e mn e e d sa n dw r i t e si nt h em e m o r i z e ro ft h em o d u l e ，t h ef r a m e w i l lb es e p a r a t e db yt h ed e c o d i n go p e r a t i o na n dt h e ng i v e nt ot h ep a r a m e t e r so ft h e d i s p l a y ( 2 ) t h el c d _ d i s p l a ym o d u l ei sb a s e du p o nt h en a m eo ft h ep a r a m e t e r s ，t o d e c i d et h a tt h es y s t e mw i l la p p l yt h ec h a r a c t e r d i s p l a yo rs k e t c h _ d i s p l a y ；b a s e d u p o nt h es i z eo ft h ep a r a m e t e r s ，t ou s et h ea p p r o p r i a t es o f t w a r et oc o n t r o lt h es h o w f u n c t i o no nt h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h eh e v p r o j e c t o ft o n g i iu n i v e r s i t y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r e s o f t w a r eo f f a s c i a _ s y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r h a r d w a r em a i n l yi n c l u d e sp o w e rs u p p l i e r , c a n _ i n t e l l i g e n c e _ n o d e m o d u l ea n d l e d - d i s p l a ym o d u l e ；s o f t w a r em a i n l y i n c l u d e st h ei n i t i a l i z a t i o no fc a nc o n t r o l l e r , f r a m es e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，f r a m e c o d i n g a n dd e c o d i n g ，t h ei n i t i a l i z a t i o no fl e dc o n t r o l l e ra n d a p p l y i n g t h e c h a r a c t e r d i s p l a yo rs k e t c h _ d i s p l a y s u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dc o m m e n t sf o rf u r t h e rw o r ka r ec o n c l u d e da tt h ee n d o ft h ep a p e r 1 1 a b s t r a c t k e y w o r d ：a u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，c a nb u s ，h s d a ， c a n _ i n t e l l i g e n c e _ n o d e ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：鄂 妒俘g 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校 有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的 的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文侈者签名：壹历 钐咿留月p 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在两年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 1 1 1 混合动力汽车 第一章绪论 面对日益急迫的资源短缺和环境恶化问题，寻求社会、经济、资源和环境 相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。汽车作为主要交 通工具和国民经济的重要支柱产业，得到了快速发展，但是与此同时，汽车也 带来了能源消耗、环境污染等诸多负面影响。因此，世界各国都将清洁型交通 工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。 日本是进行混合动力汽车实用化、商品化研究最早的国家。1 9 9 2 日本丰田 汽车公司就曾宣布将在2 0 0 0 年以前向美国市场销售混合动力汽车p r i u s 。该消 息一经公布，在美国汽车界引起一片哗然，于是在美国政府的牵头下，美国三 大汽车公司于1 9 9 3 年发布了p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o nv e h i c l e ) 计划，目标为用l o 年时间将汽车的燃油经济性提高2 倍，该计划内容的主要部 分就是针对混合动力汽车的驱动部分进行的总体优化设计 1 。 由于对国民经济的巨大带动作用，我国政府正大力发展汽车工业。而随着 经济的方展，社会对汽车的需求量也会日益提高。据有关专家预测，我国2 0 1 0 年的汽车年保有量将比2 0 0 4 年增长一番，达到5 5 0 0 万辆 2 ，3 。然而，我国从 1 9 9 4 年开始就已经成为石油纯进口国，2 0 0 2 年进口石油超过了7 2 0 0 万吨。在 排放方面，虽然我国到2 0 0 3 年汽车保有量只有1 5 0 0 多万辆，远低于欧美日等 先进国家，但由于车辆排放法规实施较晚，实施程度较低，我国单台轿车的排 污量是日本的5 6 倍，欧洲的1 5 5 倍 4 ，我国很多城市大气污染都大大超过 了这些国家，到2 0 0 5 年，我国汽车保有量急增到3 5 6 3 万辆 2 。因此，为了应 对汽车保有量的迅速增长，开发节能、环保的车辆对我们显得更为重要和紧迫。 而在目前的大环境下，混合动力汽车也应成为我们研究和开发的重点，并且我 们应以此为契机，努力缩小我国汽车技术与国外先进水平的差距。 第一章绪论 1 1 2 车载c a n 控制器局域网络 8 0 年代初，人们在汽车上采用通过中央处理器连接分散的电子元器件的“二 元化结构，减少微处理器数量以降低制造成本，这样的结构有致命的缺点：密 集的数据线；巨大的电功率损失；高数据负荷导致中央处理器快速老化。在微 处理器价格迅速降低以后，人们用单片机生产独立的控制器，在汽车上实现许 多新的功能 5 。装备良好的高级汽车具有4 0 5 0 个控制器，项级车型甚至有 7 0 个以上。根据德国宝马公司提供的数据，包含所有附加功能的最新的宝马5 系列车型拥有9 5 个e c u ，其中，每个e c u 至少包含一个控制器 6 。这么多的控 制器必须采用新的连接方法现场总线技术( c a n 、l i n 、m o s t 等) ，将单个控 制器连接起来，使汽车上的传感器和执行机构能够协同工作。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 总线是1 9 8 2 年德国b o s c h 公司为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行 数据通讯协议网络 7 。相对于点对点的线束控制方法而言，c a n 控制系统强调 集成模块化工作方式，将汽车划分为若干模块：汽车动力总成模块、汽车底盘 模块、汽车车身模块和汽车信息通信模块等。它具有可靠性高、抗干扰能力强、 配置灵活、实时性好、系统错误检测和隔离能力强等优点，同时，c a n 总线各节 点都能够比较独立地工作，任何节点的接入或关闭都不会影响其他节点的正常 工作，从而避免了各节点模块之间的相互干预 8 。 对此，许多世界著名的半导体厂商专门针对c a n 总线在汽车上的应用，提 出了自己的全套解决方案，图1 1 所示是p h i l i p s 半导体公司推出的车载控制 器局域网解决方案 9 。 2 第章绪论 两蔫廿雳【l 甲嚣 囝 。l 二| ：口 良骚卜 一气毒 菌g8 皿口 口回r 圃s 8 量口 。r - - 3 了畸囟 口8j 回 影圈 ：口韫f 口蔼“一o 。血 ：到l 一一 图i1p h i l i p 5 公司的解决方案 o ” i 墨“ h 通过图1 1 可以看到，蓝色较粗线代表c a n 总线，它连接了传动装置控制 单元、灯控单元、门挖单兀、庠椅控制单兀以及仪表盘控制单元等等# 红色较 细线代表i ，j n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ，局域互连网) 总线，由l i 、总线 构成的l i n 网络作为c a n 网络的辅助网络，连接了车窗控制单元、雨刷控制单 兀、大窗控制单兀等低速设备。 l i n 网络由汽车厂商为汽车开发，作为c a n 网络的辅助网络，目标应用在低 端系统，不需要c a n 的高性能、特宽以及复杂性。l i n 总线的上作方式是主多 从，单线双向低速传送数据( 最高2 0 k h l t ) ，与c a n 总线相比具有更低的成本， 且基卜u a r t 接口，无需硬件协议控制器，使系统成本更低。 1 1 3 车载液晶显示仪表系统 为翮对来自车内车外甚至远程服务器的n 益庞大的数据流，车载c a n 控制 器局域| 捌络作为混合动力汽车的标准配件被采用，这就要求具有更大的存储空 间和更高的上作频率的车用微控制器以及更加强人完备的车载显示设备。 与传统的车用仪表相比，基于单片机以及液晶显示的车载液晶显不仪表系 统最明显的优势就是强大的数据显示能力和集成了可用于汽车剐络的c a n 控制 器。这样该系统作为总线智能节点可以与汽车动力系统网络、辅助系统网络以 1 第一章绪论 及车身底盘网络连接，形成一个相互关联的有机整体，即可以减少车内线束长 度和信号采集器件，提高汽车的集成度，又可以大大改善汽车的行车安全性。 1 2 国内外的研究现状 目前车载控制技术主要还是以单片机控制系统为主，各种功能模块互相独 立，操作烦琐，没法实现资源共享、信息共享，扩展性极差。随着计算机技术、 汽车技术以及多媒体技术、信息技术的高速发展，特别是在线故障自诊断系统、 智能交通系统、全球定位导航系统和电子巡航系统的发展，汽车仪表所需要显 示的数据量迅速增加，也对数据的精确度提出更高的要求，传统的机械式仪表 越来越不能满足汽车发展的需要 1 0 1 1 1 2 。 自上世纪8 0 年代以来，国外开始在汽车上使用汽车电子组合仪表，采用 微处理器为核心，通过接口电路接收和处理各种传感器信号，通过相应的处理 和计算得出汽车的行驶参数，如车速、发动机转速、行驶里程、燃油量等 9 1 0 1 1 1 ，并完成显示和报警。据不完全统计，在日本装有电子仪表的车型 有3 3 种，在美国有2 4 种 1 3 。 目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，”散、乱、差”的状 况尚未改变，与国外相比有很大的差距，表现在产品技术水平低、造型单调、 产量较少、产品质量可靠性和耐久性差，制造工艺落后，产品检测不完善，数 字化程度低等方面。汽车电子组合仪表在国内还是处于刚刚发展阶段，如浙江 绍兴怡东仪表有限公司于1 9 9 8 年为一汽红旗轿车研制了电子组合仪表，1 9 9 9 年 该产品被科技部列入国家级重点产品 1 4 。 1 9 6 0 年以来，由于液晶显示器的性能没有达到汽车所要求的水平，液晶显 示仪表在很长一段时间内无法装车投入实际的应用。近年来随着液晶显示器制 造技术的逐步成熟，液晶显示器在颜色鲜艳度、刷新速度、成本等方面的缺点 得到了不同程度的改善，车载液晶显示仪表系统成为世界各大汽车公司和研究 机构努力开发的对象。 现代先进汽车仪表设计充分应用电光技术和机电一体化技术，并突出实现 信息技术和网络技术的应用，极大拓宽汽车仪表功能，特别是在进一步降低硬 件成本的同时大大提高汽车仪表的可靠性、经济性。 现代先进汽车仪表有以下几个特点： 4 第一章绪论 1 汽车仪表体现体积小型化、显示界面人性化、信息高度集成化。 2 仪表显示终端越来越趋向于一个高清晰度的液晶显示屏。 3 电光学技术在汽车仪表上得到广泛应用。 4 定位系统变成汽车仪表不可缺少的组成部分，定位系统包括全球卫星定 位系统和电子地图等。 5 具备完善的通讯系统及故障诊断系统。 在微电子技术飞速发展、现代车用仪表新材料日新月异以及车用仪表精细 加工技术日趋成熟的今天，汽车仪表正不断融入当今各学科、各领域的新技术、 新材料成果，向功能多元化、机电一体化、系统工程化、高度集成化方向发展。 1 3 研究内容和主要工作 本论文的主要研究内容是：在c a n 总线上接入一个智能节点( 智能节点由 c a n 驱动器、c a n 控制器和单片机构成) 参与总线报文数据通信，当c a n 控制器 检测到总线上有报文时自动接收并存入接收缓冲区，同时向单片机发送接收中 断信号来启动接收中断服务程序，单片机通过执行中断接收服务程序，从c a n 控制器的接收缓冲区读取报文数据，并对该数据进行识别、分离和解码处理， 进而控制液晶显示模块将各汽车参数以图形、字符和声响的方式直观显示出来。 以同济大学混合动力汽车c a n 控制局域网络系统为基础，在该c a n 总线上 接入液晶显示模块智能节点，液晶显示模块要显示的汽车参数有：车辆速度、 行驶里程、发动机转速、发动机冷却水温度、汽车状态信息、s s g 电机功率、轮 毂电机输出功率、蓄电池端电压、蓄电池s o c 均值、电池故障报警等十个。 设计该液晶显示仪表系统，不仅可以掌握c a n 总线、c a n 通信协议、c a n 控 制器及c a n 驱动器的应用知识，为研究其他基于c a n 总线的控制器单元提供参 考；也能学习和使用液晶显示器模块，灵活运用软件程序控制液晶点阵显示； 并且彻底领会车载总线式仪表的工作原理，为国内先进汽车仪表开发提供理论 依据。 在液晶显示器中显示图形或字符时，废弃了传统液晶显示器调用显示存储 器中事先编写好的图片库来实现显示的做法，本论文自行研究并设计了一种显 示计算公式，可以实时控制液晶点阵进行显示。较调用图片库的做法，该算法 程序更加灵活，能够大大节省单片机的存储空间，对显示参数数据变化的动态 5 第一章绪论 反应更加灵敏。 本论文的主要工作有： 1 电子元件选型并设计硬件电路， 2 编写单片机、c a n 控制器、液晶显示控制器的初始化程序， 3 编写发送接收报文程序， 4 编写报文识别、分离、解码处理程序， 5 编写液晶显示点阵算法程序 6 系统防干扰处理，进行最后调试、验证。 6 第二章汽车仪表史 第二章汽车仪表史 自1 8 8 6 年卡尔苯茨发明汽车以来，汽车走过了1 0 0 多年的发展历程，汽 车的出现和发展，使汽车仪表也在不断开发和发展之中。近代光学、电子技术 的迅速发展，特别是计算机技术在汽车仪表中的广泛应用，汽车仪表正向数字 化和智能化方向发展。 初期的汽车是不装仪表板的，后来随着汽车结构的复杂，功能的增多，汽 车仪表板于上世纪初问世，汽车仪表按在工作原理上取得的重大技术创新来分， 可以划分为四个阶段，或称为经过四代 1 5 ： 第一代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称 这类仪表为机械机心仪表。 第二代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测 的非电量转换成电量信号加以测量，人们称这类仪表为电气式仪表。 第三代为模拟电路电子式仪表。 第四代汽车仪表是借助高性能的e c u 拓展仪表的功能，步进电动机为 机心的指针式和液晶显示式进行数据组合显示，使之除具有传统参数 的显示功能外还可以增加许多附加显示功能的全数字智能汽车仪表。 2 1 机械机心仪表 最早的车速表是机械式的，典型的机械式车速表连接一根软轴，软轴内有 一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋 转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针连接并通过游丝将指 针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因 此被带动 1 6 e 1 7 3 。这种车速表简单实用，曾经被广泛用于大小型汽车上。 但是机械式车速表的显示精度不高，产品质量无法保证，随着电子技术的 发展，机械式车速表逐步被电子式车速表所代替，常见的一种电子式车速表是 从变速器上的速度传感器获取信号，通过信号脉冲频率的变化控制指针偏转。 7 第一章汽车仪表史 2 2 电气式仪表 传统的转速表、机油压力表、水温表、燃油表和充电表是电气式的，通过 各类传感器将被测的非电量转换成电量信号以控制仪表指针转动。 转速表一般设置在仪表板内与车速里程表对称地放置在一起。转速表是按 照磁性原理工作的，它接收点火线圈中初级电流中断时产生的脉冲信号，并将 此信号转换为可显示的转速值。发动机转速越快，点火线圈产生的脉冲次数越 多，表上显示的转速值就越大。电气式转速表的工作原理如图2 1 所示 1 8 。 至电媳 t 蛾罔转速表 图2 1 电气式转速表 机油压力衰传感器是一种压阻式传感器，用螺纹固连在发动机机油管路上。 由机油压力推动接触片在电阻上移动，使阻值变化从而影响到通过仪表到地的 电流量，驱动指针摆动。 水温表的传感器是种热敏电阻式传感器，片 螺纹固定在发动机冷却水道 上。热敏电阻决定了流经水温袁线圈绕组的电流大小从而驱动表头指针摆动。 燃油表是显示油箱内的油量的仪表，指针指向“f ”，表示满油，指向“e ”， 表示无油；也有用i i 、i 2 、0 分别表示满油、半箱油和无油。燃油表内有两 个线圈，分别在f 与“e ”一侧，传感器足一个 i 浮子高度控制的可变电阻， 阻值变化决定两个线圈的磁力线强弱，也就决定r 指针的偏转方向。 充电表显示发电机与蓄电池之间的充放电状奄，使用的是电流表，它有 块永久磁铁，使固定在支点上的指针保持中可位置，有线圈环绕在支点周围， 当有电流通过线圈时会感应出磁场，指针在磁场作用下左右摆动，摆动方向决 定于电流流经线圈的方向。电流表串联存蓄电池与发电机之间，当发电机向蓄 电池充电时，仪表显示正( + ) 极，若蓄电池向负载放电量大于发电机的充电量， 则显示负( 一) 极。 第二章汽车仪表史 2 3 模拟电路电子式仪表 电子式仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原 来的电气器件。电子式仪表出现的时间大致在2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，随着集成电 路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用各种专用集成电路( 为汽车仪表 专门设计的集成电路) ，国内汽车仪表目前的主流产品就是这种仪表。电子式仪 表的结构形式经历了动圈式机心( 线圈连同指针一起转动) 和动磁式机心( 磁 钢连同指针一起转动) 两个基本阶段，电子器件经历了分立器件和专用集成电 路两个阶段 1 9 2 0 。 在整个发展过程中，国内外工程技术人员一直从未停止对其进行改进：如 围绕降低成本，不断改进制作工艺，机械零件起初以金属件为主，发展到今天 以塑料件为主；围绕提高指示精度和指针平稳性，由动圈式发展成动磁式等。 每次较大改进后整体性能价格比都有所提高，但受其工作原理的限制，其 线形、精度、重复性、响应速度等性能指标难以有根本的突破。专家预测，十 字交叉动磁式模拟仪表将是第三代电子式汽车仪表发展的尽头。 2 4 全数字智能仪表 9 0 年代初，m c u ( 微处理器) 的价格迅速降低以及汽车显示信息量的逐渐增 加，促进全数字智能仪表的兴起和蓬勃发展。m c u 使得汽车仪表设计更加灵活， 仪表的功能由硬件和软件共同实现，许多电子电路能够通过软件程序来实现， 可以降低汽车仪表的设计成本和仪表重量。全数字智能仪表采用的是数字信号， 代替了电子式仪表的模拟信号，可以优化信号采集、处理过程，提高信号精度， 提高系统可靠性。 全数字智能仪表的机构形式有步进电动机式仪表和电子显示式仪表：步进 电机式仪表是针对目前广泛使用的模拟电子式汽车仪表机心存在多方面不足， 在工作原理上作出的技术创新，通过m c u 控制步进电机实现仪表指针摆动；汽 车显示信息量不断扩大，但汽车内饰设计限定了仪表板的空间范围，使得步进 电动机式仪表越来越显得占用空间过大，薄型平面电子显示仪表近几年成为开 发的热点。平面仪表主要采用真空萤光管显示、液晶显示、电致发光显示和高 压驱动器集成电路等技术，具有测试反应速度快、指示准确、图形设计灵活、 9 第二章汽卞仪表尘 数。 清晰、可观性能好、集成化程度高、可靠性强、功耗年低等优点 2 1 。圈 22 所示为液品显不仪表。 目22 渡品罹示仪表 按照m c u 获得数字信弓的来源柬划分，仝数字智能仪表义可以分为汽车电 子组合式智能仪表和汽车总线式智能仪表。 241 汽车电子组合式智能仪表 汽车 乜子组合式智能仪表的丁作功能框图如图23 所示 午述传搏器+ 1 述，：号处理学元卜_ + 转速似醇器叫# 坦7 ；呼处理单兀卜+ 微显 水洲传感器一水黼信寸处胖单几 卜 处 小 理 m 器元 i 赢十刚刷姗怃r 。卜1 对越信号处j _ = _ 单元卜 姐f 接+ ： - j p 倒2 3 【uj 。纠卉式智能仪表的功能榧摆i 其qz ，车述传感揣安装舟变速箱输出轴旁，是磁电，的，输；信号是糊率 忙号，转速传感器是磁电式的，输出信号也是捌：簪信号；水温传感器是负温度 系数的热咀阻式传感器，渝度值的变化反兜为电m 值的变化，冉通过 l 桥变缺 r 也路转换为i b 【、信号输，放人后冉山转换 i i 蹄转换为频率信0 输；- j 传 感器足证温腰系数的热电m t 化堪擀，i 、力数值的娈化反映为，乜川值的变化， 1 l 第二章汽车仪表史 再通过电桥变换电路转换为电压信号输出，放大后再由转换电路转换为频率信 号输出。各路频率信号分时传送给m c u 的计数器，对它们的数据进行记数，得 到各参数的数字信号，m c u 依据仪表板显示要求预先编写好的程序对各路数字信 号进行实时处理后输出给显示单元，以控制仪表板各部分的显示 2 2 2 3 。 2 4 2 汽车总线式智能仪表 汽车总线式智能仪表尚未被广泛使用在汽车上，但近两年推出的几款汽车 都使用了该种形式的汽车仪表，其工作功能框图如图2 4 所示 2 4 2 5 2 6 2 7 。 图2 4 总线式智能仪表的功能框图 总 线 第二章汽车仪表史 如果单从实现汽车仪表功能角度来说，总线式电子智能仪表较电子组合式 智能仪表多配备了车载总线系统，有画蛇添足的嫌疑；如果从汽车电子整体设 计角度来考虑，总线式电子智能仪表较电子组合式智能省略了信号采集、信号 处理硬件电路，可以降低汽车仪表的设计成本。 汽车总线式智能仪表正是利用车载c a n 总线信息共享的特点，汽车仪表单 元与其他控制器单元公用一套信号采集硬件电路。仪表单元直接从总线读取报 文信息，经解码后提供给m c u 使用，进而控制仪表板各部分的显示。 为能够和电子组合式仪表形象比较，此处给出的只是功能框图。本着利用 现有汽车电子技术和硬件结构的目的，在实际汽车电子设计时，并没有独立布 置出信号采集控制器单元，例如车速信号多通过a b s 控制器单元来采集，发动 机转速信号通过发动机控制器来获得等等。 硬件电路得到简化，减少电子元件的数目，可以降低车载电子设备的故障 概率，提高行车安全性；但是汽车电子工程师在实际汽车总线方案设计时，对 于关系到行车安全的信号数据，一般布置两套信号采集电路，当一套失灵时另 外一套还能够工作，真正保护乘驾者的安全。 2 5 全章小结 本章介绍了汽车仪表的发展历史，随着科学技术的进步，汽车仪表共经历 了四代：机械式仪表、电气式仪表、模拟电路电子式仪表和现在兴起的全数字 智能仪表。每代仪表都是当时汽车工程师智慧的结晶，仪表的发展进程，其工 作原理逐渐复杂的同时显示数据不断精确、响应速度不断提高、设计更加灵活、 稳定性和可靠性逐渐加强，仪表智能化是其必然趋势。 1 2 第三章车载仪表系统显示参数设计 第三章车载仪表系统显示参数设计 汽车仪表是驾驶员与汽车间进行信息交流的重要接口和界面，在人机对话 中扮演着重要的角色，对汽车的安全性和经济性起着重要的作用。与传统燃油 汽车相比，混合动力汽车带入了更多与汽车行驶安全性、经济性和舒适性等密 切相关的、必须被显示的参数，人们也尝试在混合动力汽车上使用液晶显示屏 来代替传统的机械指针式仪表。 如第二章2 4 2 节所述，该车载仪表系统显示数据来自c a n 总线报文信息， 仪表系统的工作原理重大改变要求在本论文设计时对关键技术进行深入研究和 具体解决。 3 1 混合动力汽车仪表显示参数 混合动力汽车是在传统汽车平台上发展起来的，必然保留传统汽车的显示 参数；又由于混合动力汽车较传统汽车新添加了重要设备：电机、蓄电池组等， 仪表系统需要增加一些新的重要显示参数。 3 1 1 传统汽车带入的显示参数 传统燃油汽车仪表盘显示参数包括发动机转速、机油压力、发动机冷却水 温度、油箱燃油量、发动机工作状态、车辆速度、车辆行驶累计里程、车辆单 次行驶里程、蓄电池充电状态、变速档位指示、时钟、车内温度和近期推出的 百公里油耗等，高档汽车还配置了路面倾斜表和地面高度表 2 8 。 发动机转速、机油压力、发动机冷却水温度、油箱燃油量、车辆速度这些 显示参数对汽车驾驶者的即时操作有非常重要的指导意义，关系到行车安全性， 所以在混合动力汽车仪表设计时必须保留。 发动机工作状态、车辆行驶累计里程、车辆单次行驶里程、蓄电池充电状 态、变速档位指示、时钟和车内温度这些参数主要出于驾驶舒适性考虑，混合 动力汽车作为现代先进科学技术的结晶，更是要提高汽车驾驶者的行车质量， 所以在混合动力汽车仪表设计时继续保留。 1 3 第三章车载仪表系统显示参数设计 混合动力汽车是世界能源危机的产物，燃油消耗率必然低于传统汽车，百 公里燃油油耗信息又能够向驾驶者直观反映汽车的燃油消耗情况，为增加竞争 力，直观表达混合动力汽车的节油性能，百公里油耗信息显示是非常必要的。 3 1 2 混合动力汽车特有的显示参数 电机、电机控制器、蓄电池组、蓄电池管理器是混合动力汽车非常重要的 配件，作为汽车仪表，有必要向驾驶者显示相关信息。 3 1 2 1 电机和电机控制器 同济大学混合动力汽车在设计时，对电机的要求是具有较大范围内的调速 性能、能通过四相限工作实现制动能回收、高效率、低损耗、低噪声、可靠性 好、耐温和耐湿性能强；要求电机能适应频繁的起停和电动发电状态的切换。 目前适合混合动力汽车使用的电机主要是异步电机( 感应电机) 和永磁同步电机 2 9 。 电机包括轮毂电机和发动机剩余功率给蓄电池充电的发电机( s s g 电机) 。 在电机控制器作用下，轮毂电机在汽车驱动时给驱动轮提供附加的驱动扭矩， 在汽车制动时作为发电机回收制动能；在发动机功率大于所需驱动功率时s s g 电机作为发电机给蓄电池充电。电机的重要技术参数有电机扭矩、电机功率和 电机电压，在考虑多方面因素，作者偏向于将电机扭矩、电机功率作为混合动 力汽车电机部件的重要显示参数。 3 1 2 2 蓄电池组和蓄电池管理器 。 蓄电池的容量要根据车辆运行条件和设计的混合动力系统控制策略来确 定。如果对纯电动行驶没有特殊要求，则要求在有利于提高工作效率和寿命的 蓄电池荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 区间内的电量能够满足行驶循环或车 辆运行条件下的电能需求。 一定行驶循环中蓄电池能量的变化既为其瞬时充放电功率忍，对时间的 积分，即 r e 6 一f a ，。d t ( 3 - 4 ) 奄 h s o c 。为行驶循环中单次蓄电池s o c 状态变化的最大值，如图3 1 所示， 一1 4 第三章车载仪表系统显示参数设计 a e b 曲为相应的能量变化值，则对于完全使用车载充电的混合动力汽车，在 有利于提高工作效率和寿命的蓄电池荷电状态区间a s o c 脚内应能够提供 皈一哪的能量。 时间( s ) 图3 1 某次n e d c 行驶循环中蓄电池的s o c 变化情况 因此蓄电池的总容量需求g 为 g 苫割 ( 2 1 2 ) 蓄电池管理器的工作主要包括以下两个方面 3 0 ： ( 1 ) 准确地获得蓄电池的s o c 状态，防止电池的过充电和过放电。蓄电池s o c 状态是不能直接得到的，只能通过对电池外特性电池电压、电池电流、电 池内阻、温度等参数的检测来推断。由于这些参数与s o c 的关系随电池的老化 过程而改变，其中含有很多不确定因素，且蓄电池工作状态及环境随车辆的行 驶而随机改变，因此s o c 状态的准确获得是比较困难的，目前最常见的方法是 通过研究电池复杂的外特性如开路电压、恒流放电时电压的变化规律、电 池内阻特性等来获得s o c 状态。 ( 2 ) 保障蓄电池容量的一致性并及时诊断电池出现的问题。由于制造过程中 的工艺和材质问题、安装使用过程中的温度、通风条件和自放电程度差别以及 不规则充放电循环工作状态带来的局部充放电量不一致会造成蓄电池组中各蓄 电池电压、内阻和电荷量等参数的不致性，这种不一致性将造成某些单体电 池性能状态的迅速恶化并进而影响到整个蓄电池组的工作效率和使用寿命，因 此必须通过一定的监测和控制系统保障蓄电池容量的一致性，当出现问题时， 应该及时诊断出来并进行报警。 可以看出，蓄电池模块是混合动力汽车非常重要的组成部分，该模块的重 1 5 第三章车载仪表系统显示参数设计 要技术参数有蓄电池电压、蓄电池s o c 均值、蓄电池冲放电功率、蓄电池故障。 蓄电池冲放电功率与电机功率有关，因效率问题，数值大小不等但存在稳定的 比例关系，所以作者认为仪表不需要显示蓄电池冲放电功率，这里确定蓄电池 电压、蓄电池s o c 均值、蓄电池故障报警作为混合动力汽车蓄电池模块的显示 参数。 3 2 本论文拟显示的参数 较传统燃油汽车，混合动力汽车具有更多的参数信息需要通过仪表向驾驶 员显示，但本论文设计的车载液晶仪表旨在研究车载c a n 总线式智能仪表的工 作原理，为其产业化生产提供理论依据，所以不打算将3 1 节提炼的所有参数 信息进行显示，只选择了部分有代表性的。 考虑传统汽车仪表的显示参数、混合动力汽车的重要部件以及现有车载c a n 总线能提供的报文信息，选择了十个参数作为本论文的显示内容：由传统燃油 汽车带入的车辆速度、行驶里程、发动机转速、发动机冷却水温度、汽车状态 信息五个数据，以及混合动力汽车特有的s s g 电机功率、轮毂电机输出功率、 蓄电池端电压、蓄电池s o c 均值、电池故障报警五个数据。显示参数在车载液 晶显示仪表系统中的具体实现将在第四章和第五章具体讨论。 3 3 显示参数的报文协议 3 1 论文拟显示的参数以同济大学混合动力汽车动力系统网络通信协议为基 础，本协议用于混合动力汽车动力系统的电子控制单元之间进行控制器局域网 络数字信息交换，传输速率为5 0 0 k b i t s 。 涉及到项目的保密性，以下叙述的报文协议均做了处理，与实际同济大学 混合动力汽车动力系统网络通信协议有很大差异，但是已经能够满足本论文车 载液晶显示仪表系统的设计需要。 3 3 1 网络拓扑结构 网络模拟系统由1 2 个控制单元组成，结构框图如图3 2 所示： 1 6 第三章车载仪表系统显示参数设计 整车j 工巾。酋膏 发动机控制器 蓄电池管理系统 左轮毂电机控制器单元 右轮毂电机控制器单元 自动变速箱控制器 电机控制器 高压电安全控制器 电动空调控制器 电动助力转向控制器 电子油f 节气门控制器 信息状态显示控制器 3 3 2 网络协议通信策略 图3 2 网络拓扑结构 协议的目标是实现汽车网络系统的相互连通，使控制系统能正常工作，并 且要构成汽车网络的基本框架，为今后混合动力汽车网络的功能扩展打下基础。 网络周期性正常通信方式：各零部件控制单元目前只与整车控制器之间进 行周期性通信，各零部件e c u 间不进行相互通信。 当汽车零部件发生故障时，各相关控制器应具备故障数据记录功能，对于 相应故障，应以数据触发的方式在线通知整车控制器，并通过整车控制器发送 到显示模块进行故障指示。 1 7 s u s c c u g m ：s c l邢聊|量眦眦删跚删触聃眦吼 第三章车载仪表系统显示参数设计 3 3 3 网络协议通信报文 前面已经讲到，各零部件e c u 间不进行通信，通信只在各零部件控制单元 与整车控制器之间进行。所以液晶显示仪表单元要获得十个显示参数的信息， 就必须在整车控制器发送的报文中识别并分离出来。 3 3 3 1 报文格式 报文名称 l d 数据长度 通信周期 字节位置数据 总线上发布的报文信息很多，报文名称可以方便使用者理解报文内容； 各个报文都被赋予不同的i d 地址，总线智能节点是通过报文i d 来进 行通信报文识别的； 除整车状态广播帧报文外，数据长度均为8 个字节，整车状态广播帧 报文数据长度为1 个字节； 通信周期按设计时连接到总线的控制器最多个数来设定，一个通信周 期内连接到总线的所有控制器都能够实施一次报文发送； 最后是数据区域，也就是报文通信中传递的数字信号。 3 3 3 2 整车控制器发送的数据帧i 报文名称i i d 簟幸宰 数据长度8 字节 通信周期 宰宰宰 字节位置数据 4 字节发动机转速低字节 5 字节发动机转速高字节 3 3 3 3 整车控制器发送的数据帧i i 1 8 第三章车载仪表系统显示参数设计 报文名称 i d 幸木宰 数据长度8 字节 通信周期 字节位置数据 3 字节汽车状态信息 汽车状态信息 7b i t6b i t5b i t4b i t3b i t2b i t f 1b i t0 b i t ( l s b ) 制动能回收状态换档信息正在换入的档位 保留0 1 - 回收0 1 ：正在换档0 0 1 ：1 档 1 0 - 未回收1 0 - 未换档 0 1 0 ：2 档 0 1 1 ：3 档 1 0 0 ：4 档 1 0 1 ：n 档 1 1 0 ：r 档 3 3 3 4 整车控制器发送的数据帧 报文名称 i d 簟 数据长度8 字节 通信周期 窜 字节位置数据 1 字节s s g i s g 电机功率 2 字节左轮毂电机功率 3 字节右轮毂电机功率 4 字节车辆速度 5 字节蓄电池端电压 6 字节蓄电池s o c 均值 7 字节 8 字节发动机冷却水温度 在液晶仪表上显示的轮毂电机功率是左轮毂电机功率与右轮毂电机功 率之和的平均值。 3 3 3 5 整车控制器发送的数据帧 1 9 第三章车载仪表系统显示参数设计 报文名称 i d 搴宰 数据长度8 字节 通信周期