（车辆工程专业论文）汽车电子仪表系统研究与开发.pdf

摘要 汽车仪表是驾驶员与车辆进行信息交流的重要界面和接口，是安全行驶和 经济行驶不可缺少的装置。随着计算机技术的日渐成熟以及汽车电子的发展，对 仪表的电子化、数字化已成为一种重要的发展趋势。多功能高精度、高灵敏度、 读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表将不断地在汽车上应用。汽车电子化 仪表将逐步取代常规的机电式仪表。 论文在对国内外汽车电子仪表的现状及其发展趋势进行研究的基础上，开发 了一种汽车电子仪表系统，研究的内容包括：提出了系统的总体方案，开发了仪 表的硬件系统并编制了相应的软件。研发的汽车电子仪表系统具有如下功能：自 检功能；实时时钟、日期的输出显示功能；超速驾驶时的警报功能；车辆行驶速 度的测量、记录功能：车辆行驶里程及里程小计的测量、记录功能；l e d 数码管 显示功能；按键操作功能；数据r s 2 3 2 串口通信功能。该电子仪表系统具有功能 齐备、结构紧凑、价格低廉、高实时性、抗干扰能力强、可靠性高、系统扩展方 便等特点。 抗干扰问题与仪表系统有着密切的联系，论文详细分析了干扰源的产生，并 分别从硬件和软件两个方面提出了抗干扰措施。 论文对该电子仪表系统进行了实验研究。实验结果表明，该电子仪表系统是 可行的。 关键词：汽车；电子仪表；研究开发 a b s t r a c t a u t o m o b i l e i n s t r u m e n ti st h ei m p o r t a n ti n t e r f a c et h a ti su s e dt o e x c h a g ei n f o r m a t i o nb yd r i v e ra n dv e h i c l e i ti si n d i s p e n s a b l ed e v i c et o d r i v es a f e l ya n de c o n o m i c a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i ca n dd i g i t a li n s t r u m e n t h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt r e n do fd e v e l o p m e n t m u l t i f u n c t i o n a lh i g h p r e c i s i o na n dh i g hs e n s i t i v i t y ，i n t u it i r er e a d i n g so ft h ee l e c t r o n i c d i g i t a ld i s p l a ya n di m a g ed i s p l a yo ft h ei n s t r u m e n tw i l lc o n t i n u et ob e u s e di nt h ec a r a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t sw i l lg r a d u a l l yr e p l a c e t h ec o n v e n t i o n a le l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a li n s t r u m e n t s o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h es t a t u so fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c i n s t r u m e n t sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d sa th o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rd e v e l o p s av e h i c l ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n ts y s t e m t h ec o n t e n to ft h es t u d yi n c l u d e ： t h es y s t e m so v e r a l lp l a n ：t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n s t r u m e n th a r d w a r e s y s t e m a n dt h ep r e p a r a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h ea u t o m o t i v e e l e c t r o n i ci n s t r u m e n ts y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：s e l f - c h e c k i n g f u n c t i o n ：r e a l - t i m ec l o c k ，d a t eo ft h eo u t p u tf u n c t i o n ：a l a r mf u n c t i o n w h e ns p e e d i n g ：t r a f f i cs p e e dm e a s u r e m e n t ，r e c o r d i n gf u n c t i o n ：m il e a g ea n d v e h i c l em il e a g es u b t o t a lm e a s u r e m e n t ，r e c o r d i n gf u n c t i o n ：l e dd i g i t a l d i s p l a yf u n c t i o n ：b u t t o n sf u n c t i o n ：r s 2 3 2s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n s t h ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n ts y s t e mh a s t h e f e a t u r e so fc o m p l e t ef u n c t i o n s ， c o m p a c ts t r u c t u r e ，i n e x p e n s i v ep r i c e ，h i g hr e a l t i m e ，a n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s ys y s t e me x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n t i i n t e r f e r e n c ea r ec l o s e l y1i n k e dw it ht h ei n s t r u m e n ts y s t e m t h e p a p e rd e t a il e da n a l y s iso ft h es o u r c eo fi n t e r f e r e n c e ，a n dp r o p o s e st h e t w oa n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sf r o mt w oa s p e c t so ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h ep a p e rh a sb e e ns t u d i e dt h ee x p e r i m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t s y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n ts y s t e m jsf e a s i b 】e k e y w o r d s ：a u t o m o t i v e ；e l e c t r o n i ci n s t r u m e n t ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：形阮刃 日期：砷年q - 月乡日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：卅尚侈才 指导教师签名： 日期：以年争月弓日 日期：沙赂笋月多e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车电子技术及仪表板的发展1 1 2 m m m 川 1 1 1 汽车电子技术的发展及应用n 儿2 】【3 1 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。 其次是由于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：电子 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 用前景十分广阔。 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 乜3 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。因此汽车上许多机械控制 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。 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 排放控制第二次石油危机温室效应问题石油危机 采用晶体管发动机具各更高智能程度人工智能 维修方便智能功能低排放交通系统 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 f i 9 1 1e l e c t r o n i c s ，s o c i a lb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y 第章绪论2 汽车电子技术的形成与发展主要分为如下三个阶段n 1 ，如图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 体积，增加了可靠性。 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“机电一体化”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、巴7 p lo 第三阶段 动力传动总成控制系统 由i 铀聋圭向具衄披仕坊生i i 互纺 o q ，v 、1 - y 月m 7 - 】l r 1 。j l - h v ，j 、哼o 第二阶段 车身电子控制系统 发动机电子管理系统 综合信息显示系统 自动变速系统 在线故障诊断系统 k i 生i 扣4 士_ 1 ：c ：l f z o 制动防抱歹匕系统 大容量r 0 - i s 第一阶段 - 软硬悬架 车载收音机 巡航控制灵巧传感器 发电机硅整流器 电子仪表群 晶体管无触点点火 灵巧电源 小气候榨制 1 6 位微型计算机 4 8 位微型计算机 数字模拟i c 晶体管t r o s 二极管 、 芒n l 启亡 图1 2 汽车电子技术的形成与发展 f i 9 1 2 t h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y 第一章绪论3 1 1 2 汽车仪表板的发展n 2 儿伽 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中枢显得越来越重要。并且伴 随着光学、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。按汽车仪表在工作原理上取得的重大技 术创新来分，可以划分为如下五个阶段： 第1 代汽车仪表是基于机械作用力而工作的，人们习惯于称这类仪表为机械 式仪表： 第2 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 量变换成电信号加以测量，通常称这类仪表为电气式仪表； 第3 代为模拟电路电子式； 第4 代为步进电动机式全数字汽车仪表； 第5 代为充分应用光技术和机电一体化技术，并突出信息技术和网络技术的 应用，通过计算机终端显示的数字化、智能化汽车仪表。从功能上看，也正从单 一的提供车况信息，向能对驾驶员提供车况、驾驶决策、娱乐为一体的车载信息 系统方向发展。 由于国外的嵌入式计算机技术、通信技术、汽车电子技术开展得比较早，发 展也比较完善，所以车载信息系统和综合显示技术也比较成熟。在国外，将计算 机系统与组合仪表和汽车监视系统共同构成一套功能齐全的驾驶员信息系统是很 普遍的事情。例如德国的奥迪系列、日本的丰田和日产汽车都能为驾驶员提供时 钟、车内外温度、行驶时间、平均车速、平均耗油量、燃油储备、行驶里程、发 动机转速、冷却水温等。实现了对汽车主要质量状态参数的实时采集、显示和记 录，并进行实时的故障诊断。国外车载信息设备的应用速度很快，日本1 9 9 5 年各 类车载信息装车量为4 9 万套，1 9 9 9 年就有4 2 4 万套。目前国外的汽车信息系统是 包括了汽车数字仪表显示系统、汽车故障诊断与“黑匣子 记录系统、语音提示 与告警系统、汽车导向与全球定位系统( g p s ) 、汽车无线通信技术( g s m ) 、汽车地 理信息系统( g i s ) 、汽车娱乐视听系统在内的多功能智能系统。 纵观汽车仪表的发展，电子化仪表取代机械式仪表已经是大势所趋，另外， 由于汽车装用的电子控制机构和相关的临近项目不断增加，采用电子化仪表，不 仅可以改进驾驶员的目视性，还有助于汽车仪表的多样化。电子化仪表总的发展 趋势为如下几点： 仪表电子化 传统仪表一般是机电式模拟仪表，只能为驾驶员提供汽车运行中必要而又少 第一章绪论 4 量的数据信息，已远远不能满足现代汽车新技术、高速度的要求。汽车仪表的功 能已不仅仅是单纯的指示，而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套， 达到控制汽车各种运行工况的目的。 随着现代电子技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字 显示及图像显示的仪表已不断地在汽车上应用。因此，汽车电子化仪表将逐步取 代常规的机电式仪表。未来车用电子化仪表具有以下优点： 1 ) 电子化仪表能提供大量复杂的信息 为了提高汽车的使用性能，汽车的电子控制程度越来越高。电子控制装置必 须能迅速、准确处理各种复杂的信息，并通过汽车仪表盘以数字、文字或图形等 方式显示出来，使驾驶员了解与掌握汽车的当前状态，以便及时处理各种复杂的 情况。目前，汽车的故障诊断、地形图显示、导航及各种信息服务装置都已开始 装备汽车，汽车仪表盘作为信息显示终端已经是大势所趋。 2 ) 满足小型、轻量化的要求 为了使有限的驾驶空间尽可能宽敞些，用于汽车的各种仪表及附件都必须小 型轻量化。电子化仪表不仅能适应各种传感器或控制系统的电子化，而且可实现 小、轻、薄，既能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间，增加一定的仪表数量，还可 处理日益增多的信息量。 3 ) 高精度和高可靠性 实现汽车仪表的电子化，可为汽车驾驶员提供高精度的数据信息，同时，由 于没有机械仪表中的那些机械传动部分，可减少故障的发生率，大大提高仪表的 可靠性。 4 ) 一表多用 汽车电子化仪表可采用数字显示，可用一组数字进行分时显示，也可以同时 显示多个参数，这样，汽车就不必为每个参数设置一个指示表，故使仪表盘得以 简化，实现一表多用。 5 ) 外形设计自由度高 汽车仪表盘造型美观，这对一辆汽车来说非常重要，推出最流行的仪表新款 式，选用外形设计自由度特别高的电子显示器件则是实现汽车现代化、提高产品 竞争力的有力措施。 基于以上优点，汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表。造型新颖 别致和功能强大的电子化仪表，将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。 仪表指示形式将演变成计算机终端显示器 未来汽车仪表发展趋势，就是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出 现代信息技术和网络技术的应用，仪表的形式将发生根本改变，指示形式将演变 第一章绪论 5 成一个高清晰度的计算机显示器。 仪表功能拓宽 未来汽车仪表的功能将不再仅仅局限于现在的车速、里程、发动机转速、油 量、水温、方向灯指示，还可能增添如下功能。 1 ) 带e c u ( 电子控制装置) 的汽车仪表智能化 能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等， 这些信号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开等直流信号，而是包含反映 这些安全装置工作状态较多信息的调制信号，供e c u 读取，以便e c u 能准确地综 合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导维修人员 排除故障。 2 ) 将防盗系统纳入汽车仪表e c u 的监管下 如在车门、后行李箱等处安装防盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置， 防盗点火启动装置等。 仪表将广泛应用电光学技术 显示和内照明器件不再用白炽灯泡，而是选用高效冷光源发光器件，导光系 统更多体现出光学领域的新技术。 1 2 我国汽车电子及仪表板的发展雎儿伽 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。汽车电子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，我国在汽车电子技术方 面加大了引进国外先进技术力度，但主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，我国的车载仪表目前主要处于第3 代和第4 代，一些中高 档汽车第四代配置的较多。车载信息设备的开发起步也较国外慢很多，并且在功 能设置、性价比、与交通大系统的兼容性以及与整车的匹配设计等方面，和国外 产品存在着明显差距。国产的车载信息设备功能单一，几乎清一色用于商业车队 调度，市场容量大的基础车辆的车载信息设备的开发还比较少。有些国产的车载 设备集成了g s m ，g p s ，却仅用于反劫防盗，性价比较低。这与我国智能车载信息 系统的开发起步较晚有关，也与我国的智能交通系统的开发和建设的不完善有关。 经过这几年的发展，国内也有一些相关的产品。如北京森泰克数据通信技术有限 公司推出的多功能行车记录系统，依托该公司建设的奥星天网全国统- - , 日t 务台， 能够记录车辆行使过程中的基本信息，还可以与远端的管理中心实现实时信息交 互。管理中心可在奥星的网络台支持下，根据反馈信息为目标车辆选择行使路线、 第一章绪论 6 确定目的地方向和距离，并提供各类相关服务。近年来，国内在检测和显示方面 也有了长足的进步。2 0 世纪9 0 年代中期，北京航空航天大学成功的研制出用于飞 机上的虚拟式仪表。该仪表的突出特点是：可对虚拟仪表任意布局，并根据需要进 行放大、缩小、改变亮度、全部显示或部分显示等。当时，作为虚拟仪表显示的 主体显示器，由于受到低温环境下使用的限制以及色彩上尚有缺陷，在实际应用 上遇到了一些困难。近年来，随着液晶显示技术的发展，上述问题己得到了解决， 而且用于汽车仪表开发的软件系统更加丰富、更加成熟了。目前，大连理工汽车 电子有限公司也研制出一种智能化车载信息系统，并在辽宁省大连市问世。该系 统能实现车辆行驶数据实时显示和全球定位等功能。 从目前来看，我国的汽车电子产业，包括正在起步发展中的汽车仪表产业， 还有很长的路要走。 1 3 课题研究的意义 重庆市经济委员会文件“在关于印发重庆市重点扶持的汽车零部件和关键技 术指南的通知”中，第9 0 点指出：重点发展车载信息系统：如车辆行驶自身显示系 统、车载通讯系统、语音信息系统、车载娱乐设备、上网系统。国家发展改革委 办公厅关于组织实施汽车电子产业专项的通知( 2 0 0 4 5 2 4 ) 中指出：在2 0 0 4 - 2 0 0 5 年重点支持：车载信息系统、车载网络系统、车载智能多媒体系统等。 由此可见，国家对于车载信息系统，包括汽车仪表系统的发展非常重视。 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。 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。其中，汽车仪表板的 电子化技术作为汽车电子技术的一部分，起到不可忽视的作用。对我国来说，汽 车电子仪表系统的快速发展，对于推动我国汽车电子化的进程，缩短与国外汽车 电子技术水平的差距，具有重要的战略意义。 1 4 课题研究的目标、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。由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。 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 第一章绪论7 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 其间距：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，所以汽车的仪 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系 统。作为汽车信息中枢的仪表板，不仅要显示如车速、里程、水温、油压、日期 等常规数据，而且逐渐向全面反映车辆行驶动态等功能的方向发展，如瞬时耗油 量、平均耗油量、平均车速、行驶里程等，乃至集成g p s 全球定位、g i s 地理信息 系统等，功能大大扩展。 本课题在充分了解了国内外相关产品的开发现状和发展趋势，认真研究了当 前国内外市场上同类型产品的优点和不足，并且很好地结合国内用户的使用环境 及需求后，进行了相关开发与研究。同时进行了充分市场调查，认为该产品具有 良好的市场前景和可观的经济利益。依靠当前的技术力量，和系统的硬件软件平 台，系统具有强大的可扩展能力。 本课题的目标是开发一个完整的汽车电子仪表系统。考虑到系统的扩展性、 实时性以及大量数据处理能力等因素，主机模块的处理器采用带c a n 控制器的单 片8 位微控制器- - p 8 7 c 5 9 1 ，它通过与外围电路进行合理的交互来完成如下主要功 能：自检功能，自检结束后能够对结果予以提示；实时时钟、日期的采集及显示功 能；对模拟信号输入、数字信号输入以及开关量输入信号的采集、处理功能：车辆 行驶速度、里程以及里程小计的测量、记录功能：数据通信功能，具备r s 2 3 2 串口 通信、c a n 总线通信接口；数据打印输出功能，能够通过微型打印机打印出车辆信 息等：报警功能，对水温过高、油压过大、车辆超速等情况予以报警提示。 本课题研究的主要内容如下： 研究了国内外汽车电子仪表的发展现状，在此基础上提出了系统的总体方 案，并对车载仪表系统进行了软硬件开发。深入研究了各个硬件模块及软件模块， 对仪表板进行调试。该仪表系统统具有车辆各个行驶参数的采集、显示功能，还 可对超速等不当状况进行报警。 研究了汽车行驶过程中各状态参量的数据采集方法。主要包括以下三类： 1 ) 3 路模拟信号量分别是：油压、油量、温度。 2 ) 车上常用开关量：括车门、车灯、雨刷等。 3 ) 数字信号量分别是：车速、发动机转速。 第一章绪论 研究了各个信号输入量的数据处理，例如模拟信号前置调理电路等。 研究了仪表系统的抗干扰问题，包括干扰源的产生、软硬件抗干扰措施。 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 9 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 2 1 开发原则4 1 嘲7 1 嗍 随着机动车辆用途的日益扩大，形态的日益多样化，功率和工作速度的不断 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 驶车辆并观察车辆的工作情况，监控它们的技术状态，并做出正确反应。本课题 所开发的汽车电子仪表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。因此在汽车电子仪表系统设计中涉及了 人机工程问题。 2 1 1 车辆人机工程5 1 3 7 删 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“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 。e j m 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 i n e e r i n ga n dd e s i g n ) 口刀给出了人机工程学的简要定义 为：“为人的使用而设计 和“工作和生活条件的最优化”。k h ek r o e m e r ， h b k r o e m e r ，k h e k r o e m e r e l b e r t 等人在e r g o n o m ic s h o wt od e s ig n f o re a s e a n de f f i c i e n c y ) 嘲一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。我国的赖维铁在人机工 程学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。著名科学家钱学森曾经指出：“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，这在今后会引起广泛重视”。 人机关系的基本原则归纳为以下两方面： 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： 控制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式均适合操作者的需要等等。 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 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 l o 制和训练，尽量发挥人的因素有一定可塑性这一特点，让人去适应机器的要求， 以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。在汽车电子仪表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 本仪表系统开发原则“】 5 】 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 观、清晰、稳定，而且要求响应速度快，显示精度高。本论文提出的汽车电子仪 表系统是为了满足我国国内轿车的仪表板电子化需要而开发的。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，提出了汽车电子仪表系统的开发原则如下： 作为驾驶员一车辆进行信息交流的界面，即仪表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下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功能的汽车仪表板具有美观、 舒适的特性。 汽车电子仪表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 情况：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。 汽车电子仪表系统必须具有较高的可靠性。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，汽车电子 仪表系统给驾驶员提供的信息必须可靠性很高。否则，驾驶员若收到一个不可靠 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。 汽车电子仪表系统要求显示信息响应速度快。仪表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。 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 汽车电子仪表系统要满足舒适性要求。仪表系统是驾驶员获取各种信息的 地方，因此汽车电子仪表系统不仅要求操作方便，而且要求观看舒服。 汽车电子仪表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越来越强烈，未来汽车仪表系统要具备显示常规信息和监 视报警、日历、时间等信息的强大功能。 汽车电子仪表系统应具有良好的经济性。现在的汽车厂商竞争日趋激烈， 在具备了基本的功能前提下，汽车的部件成本越少越好，本方案所采用的电子元 器件，比如微处理器芯片等都经过了严格的筛选，具有良好的经济性。 2 2 仪表板系统的主要功能 2 2 1 仪表板的功能 自检功能 仪表板在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应以红色l e d 信号 显示方式指示工作正常，如有故障则应以红闪信号显示方式指示故障信息。 数据采集、记录功能 能够对实时时间、车辆行驶速度、行驶里程、温度、压力等数据进行测量。 需要被采集的输入信号包括三类：模拟信号输入、数字信号输入以及开关量信号输 入，其中模拟信号有水温、油量和油压3 路，数字信号有车速和发动机转速2 路， 而开关量信号有1 1 路：前门、后门、大灯、左灯、右灯、倒车灯、远光灯、近光 灯、点火、刹车、中控锁。 1 ) 八路传感器参量，需要a d 采样： 表2 1 传感器信号 t a b l e2 1s e n s o rs i g n a l 车速油量水温车内温度 发动机转速油压电压车外温度 2 ) 车灯故障：车灯故障返回均为开关量。 表2 2 车灯故障信号 t a b l e2 2f a u l ts i g n a lo fl i g h t s 刹车灯转向灯远光灯仪表灯 倒车灯示宽灯近光灯雾灯 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 1 2 3 ) 控制开关： 表2 3 控制信号 t a b l e2 3c o n t r o ls i g n a l s 数据处理功能 对采集到的数据进行处理，判断是否需要报警。数据正常则将数据送到显示 模块进行显示。 数据显示功能 仪表板显示面板能准确显示各类信息，包括实时时间、实时日期、实时车速 以及各类报警提示等。 数据通信功能 仪表板能够通过多种方式( 包括r s 2 3 2 串行接口以及c a n - b u s 接口) 与外部环 境进行通信，实现数据的交互。 掉电保护功能 数据的及时处理与显示对仪表系统至关重要，如果由于某些意外情况导致该 仪表系统板掉电，系统应能及时检测，并做好当前数据的保存工作。 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 2 3 系统总体方案 图2 1 系统总体方案 f i 9 2 1t h eo v e r a l lp r o g r a m m eo f t h es y s t e m 从上图可以看出，该仪表系统以一个8 位的微处理器为核心，对外部模拟输 入、数字输入以及开关量输入三种信号分别进行采集。采集到的数据要首先经过 处理，实时数据( 如实时车速、实时时间) 及报警信号等可通过显示面板输出显示。 复位电路不仅能够复位系统，同时还借用专用微处理器电源监控芯片来提高系 统的可靠性，从而保证微处理器对电源、时钟源等诸多方面提出的较高要求。 掉电保护电路为实时数据的保存提供了一种安全机制。当系统供电电压低于某 个特定值时，掉电保护电路认为掉电发生，于是触发相应的中断。在中断处理程 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 1 4 序中，处理器将对当前尚未保存的实时数据分别处理和存储，避免数据的丢失。 系统具备r s - 2 3 2 串行接口，可利用此串行接口将微处理器中的数据导入上位 机中。上位机软件可利用此串行接口，与处理器通信，在约定的串口通信协议下， 以特定的格式将存储器内部的数据通过串口线传入p c 机，再将采集到的数据进行 数据分析和车辆管理。 系统提供的c a n - b u s 接口可以方便仪表板与车内其他带有c a n - b u s 接口的部 件进行通信，是系统的扩展功能。 上位机管理分析软件是提供给车辆管理中心人员使用，它具备管理和分析两大 功能。一方面它可以采集车辆信息，进行统一管理；另一方面它可以分析车辆行 驶的实时数据，方便驾驶员掌握驾驶情况。 2 3 1 主处理器的选择嘲啊n 2 珀羽 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 l e c t r o n i c c o 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 s ，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。 模拟信号 a d 转换 输 i 0 入 接 数字信号 处 口 理 各类信号 电源 电源电路 图2 2e c u 的组成 f i 醇2t h ec o m p o s i t i o no fe c u 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 微处理器是e c u 的核心部件，对于整个系统来说至关重要，如果将系统比作一 个人，那么微处理器就是人脑，它指挥身体的各个部分协调工作，顺利完成一切 行为。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。 目前汽车仪表系统的微处理器一般采用的是8 位m c s 5 1 单片机，这类单片机 应用广泛，价格相对较低，发展较成熟，是汽车电子仪表系统低端方案的首选。 市场上的微处理芯片有多达数十种结构，几十家生产厂商，各类芯片还有千 变万化的内部功能配置组合，如何选对款微处理芯片是系统开发前期需要考虑 的重要问题。 以下几点就是芯片选型的依据n 2 1 ： 系统时钟控制器 系统时钟决定了微处理芯片的处理速度。p h i l i p s 公司出品的p 8 7 c 5 9 1 完全能 满足系统对处理速度的要求。它的时钟主频有1 2 m h z 、2 4 m h z 可供选择。 g p i o 的数量 本系统需要连接的外围芯片较多，必须提供足够的管脚。p 8 7 c 5 9 1 芯片作为标 准8 0 c 5 1 引脚时有3 2 个i 0 口，完全可以满足系统对管脚数目的要求。 内置a d c 模块 本系统的模拟输入信号共有3 路，分别是水温、油压、油量。如果采用内置 的a d c 可以减少外围模数转换电路，缩短开发周期。本系统所选用的p 8 7 c 5 9 1 芯 片，带6 路模拟输入的1 0 位a d c ，可选择快速8 位a d c ，因此完全可以满足系统 要求。 内置c a n 总线接口 c a n b u s 为本系统扩展功能，它可以使得系统与车内其他带c a n 接口的部件进 行通信。所以选用的芯片必须具备c a n 总线接口。本系统所选用的p 8 7 c 5 9 1 芯片， 包含增强型p e l i c a n 内核( 取自s j a i 0 0 0 独立c a n 2 o b 控制器) ，8 m h z 时钟可实现 i m b i t s c a n 总线速率，6 4 字节接收f i f o ，4 个独立可配置的筛选器( 验收滤波 器) ，完全可以满足本系统的特殊要求。 具有1 2 c 接口 1 2 c 接口可应用于存储器和实时时钟的外扩，p 8 7 c 5 9 1 芯片带字节方式主和从 功能的1 2 c 总线串行i o 口，可以具备此功能。 总线开放 总线不开放的芯片扩展外围电路时，需要进行时序的模拟，这将增加开发的 工作量和复杂性。选择总线开放式处理器可以大大提高系统的开发速度。 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 1 6 根据如上要求，本方案所采用的微处理器是由p h i l i p s 公司出品的带c a n 控 制器的单片8 位微控制器：p 8 7 c 5 9 1 。p 8 7 c 5 9 1 是一个单片8 位高性能微控制器， 具有片内c a n 控制器，不仅能够实现系统的基本功能，而且可以保证系统对实时 性、大量数据的处理能力、扩展接口等各方面的要求。 2 3 2 信号采集方案的确定 本系统的输入信号较多，大致可分成三类：模拟信号、数字信号以及开关量信 号。不同种类的信号采用不同的采集方式： 模拟信号采集方案 模拟信号包括：水温、油量和油压，共3 路输入信号。一般对模拟信号的采集 和处理是采用a d 转换器进行的，由于微处理器p 8 7 c 5 9 1 内置了6 路1 0 位精度的 a d 转换器，而且可选择快速8 位a d c ，故无需扩展外围电路即可满足模拟信号的 采集需求。 鉴于实验经费等问题，本系统在采集模拟信号这一问题上，采用的是滑动变阻 器模拟的方式，如图2 3 所示，通过变阻器滑片的上下移动，可以改变变阻器的 阻值，随之改变了输出电压，从而模拟出了水温、油压等模拟量信号，同样可以 达到预期的目的。在真正的工业生产中，只需要将滑动变阻器替换成各类温度、 压力等传感器即可。 、c c 图2 。3 模拟信号采集方案 f i 9 2 3a n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o np r o g r a m m e 数字信号采集处理方案 数字信号包括车速和发动机转速2 路信号。这两路信号通过各自相应的传感器 转换成车速脉冲和发动机转速脉冲输出，由此可以利用p 8 7 c 5 9 1 的定时计数器的 脉冲捕捉功能进行采集。通过记录脉冲的输出间隔，从而可以计算出里程、车速 等实时数据，用以保存和报警输出，也无需外扩电路。 第二章汽车电子仪表系统的开发方案 1 7 鉴于实验经费等原因，本系统在采集数字信号这一问题上，采用了信号发生器 的方法。即通过设定信号发生器的发射频率来模拟出车速脉冲和发动机脉冲，将 这个脉冲输入给p 8 7 c 5 9 1 芯片的定时计数器，然后通过p 8 7 c 5 9 1 定时计数器的脉 冲捕捉