（计算机应用技术专业论文）面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 由于现有的仪表板通常是把所有的仪表罗列出来，显得没有重点，本文以当前正处 于研发阶段的电动公交车的仪表显示为设计目标，利用液晶显示器代替传统仪表板，采 用智能提示和组合变换的方法把最能反映当前工况的仪表状态显示出来。在此基础上设 计出来了针对电动公交车的删e b i 0 0 1 仪表智能显示系统。 本文简要的介绍了电动公交车整车控制系统的组成，分析了本仪表系统的整体架 构，概括了车载c a n 总线网络的工作原理以及仪表显示在整车系统的地位和作用。通 过对驾驶工况的分析，统计了i 珏也b i 0 0 1 仪表智能显示系统需要采集的信息和需要检 测的数据量和传感器类型。信息通过c a n 总线网络传输到整车e c u ( 电子控制单元) ， 在这里信息经过分析再传输到仪表显示系统。依据驾驶经验和当前的工况来判断电动公 交车所处状态或车辆的动作，从而通过仪表显示区域对驾驶员当前操作给出简单的提 示。 本设计是在三星公司的s 3 c 2 4 1 0 上搭建硬件平台，连接了8 寸液晶显示屏，在其基 础上根据需要对l i 姗x 系统进行了裁减和定制，搭建了嵌入式l i i i u x 操作系统。使用q t 对腿b i 0 0 1 仪表智能显示的软件系统进行了详细的设计。在基本仪表界面中设计出 了速度表、电机转速表、里程表、能量表、冷却水温度表以及状态灯，并且设计了给驾 驶员提示信息的综合显示区域和组合交换区域。为了模拟仪表显示界面的正常工作和汽 车在不同工况下仪表显示的作用，最后进行了模拟仿真验证，设计了工况模拟控制台、 故障控制台。它们的作用是模拟汽车所处的工况和可能发生的故障。通过在控制台或故 障控制台改变选项的状态来模拟工况的改变。经过模拟仿真验证，在指定的工况下仪表 显示界面给出鲜明的提示信息，组合变换区域也显示了相应的仪表状态。 关键词：电动公交车，显示系统，c 圳总线，嵌入式i i 舢x ，o t 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 a d e s i g no fi m e l l i g e n td i s p l a ys y s t 锄f o rf a c i i l gd r i v i n gs t a t u so f e l e c t r i c a lb u si n s t m m e n t a b s 咖c t n 1 0 0 k s e m p h 弱i s t h a ta l l 衄| m 蚰c n t sa ma m n 鲥i n t h ep 柚d l i k c 懿i s t i n g p i o d u c t t 醯p 叩盱t a k 龉t h ei n s t m m e n td i s p l a yo fd c v e l o p i n ge l c c t r i c a lb l 塔勰d e s i 印i n gt a r g e t n e u = dd i s p a yi se m p i o i c dt 0r c p l a c ct r a d 姬o n a lp 卸e 1 h s 咖m c i l t ss t a t cw h i c hr c n o c tm c u r 瑚td r i v i n gs t a t i l si ss h o w e d i tt h r o u g hi n t c l l i g e mb e l pm e t h o da n d 啪b i n a t i o n t r a n s f o i m i n gm e t h o d f l m h 锄。陀咖b i ( ) 0 1i n t c l l i g t i 璐t n 瑚e n t d i s p l a ys y s t 锄i s d 髓i g n e d t h i sp i p 盱b f i e n yi n t m d u c e st h ec 0 恤p 衄t so fe l e c 缸i c a lb u sc o n t r o ls y s t 锄；弛d l y 潞 t h e 协t c m g e n tn i s 咖即ts y s ) r t c ms 虮i c t u f e 锄d 答m e r a l i z 髂b o t ht h eo p c 豫t i o np r i n c i p l eo f c a nb 吣i nv e h i c l e 锄ds t a t u so fi n s t m m e n td i s p l a yi nv e h i c l e 咖恸ls y s t 啪b y 卸a l y s 吨 d r i v i n gs t 咖s ，t h ep a p c rh 弱轴mu pt h ei n f o m a t i o nn c c d e dt ob ec 0 u e c t e da i i dp a r a m e t c 璐 n c c d c db cd l e c k e d 锄d 咖ss t y l 鼯i nh 既b i 一0 0 1 缸e l l i g ti n s t n l m e md i s p l a ys y s t c m i n f o 皿a t i i st r 嘲m e dt 0e c u ( c l o c t r o n i cc n 试衄i t ) t h m u g hc a nb u s 柚dp a 蹒e dt 0 i 璐m l m 即td i s p l a ys y s t c ma f t c rb c i l l g 卸a l y s c d c u n 鞠t l ys 啪s 卸da c t i o no fe l e c 嫡c a lb 惦 咖b ee s t i n l a t c db yd r i v i n ge x p c r i e n c ca n dc u n c n t i yc o n d i t i 伽a c c o r d i n 醇y ，as i m p l e a 鹃i s t a n td r i v i n gi n f o 咖a t i i s0 1 f c f c dt od r i v c ri ni n s t r i l m e n td i s p l a ya a n i i sd 既i 割i i i l gh a r d w a n a t h 鹤b c f o u n d e d & w s u n g ss 3 c 2 4 1 0 卸dc 0 衄e c t e d t o8i n c h 【c d u n 砥h 鹤b c r e d u c c da n d 锄s t o m i z c d 矗叶代q u i r e d 锄dt h c nt h c 锄b c d e d l i n 慨i sb l l i l d e du p n ed 髓i 弘i n gd e t a i l so f 咖b i 一0 0 1i n t e l l i g t 妇咖m 蛐ti n t e m c ch 蕊 b 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e d “n 峨，凹 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 1 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：蔓整坠日期：鱼! ! z ：z ：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源以及研究的目的和意义 众所周知，仪表板是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面，驾驶员通过它 来了解车辆的当前状况，然后做出恰当的决定。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，并伴随着汽车电子技术的发展而快速发展。 因此仪表板的发展从一个侧面反映了当今汽车电子化水平的发展状况。本课题就是 根据现有汽车特别是公交车的仪表板大多数是使用模拟仪表的状况，在当前正处在研究 阶段的电动公交车上使用液晶显示屏来代替传统仪表板。本课题来源于黄河集团投资的 沈阳骐骥电动车研究所承担的电动公交车开发的项目。其中仪表智能显示系统命名为 h h e b i 0 0 1 。 1 2 汽车仪表的发展状况及发展趋势 1 2 1 汽车仪表的发展历程 按照汽车仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分，经过了4 个时代f 。 第1 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 成电信号加以测最，通常称这类仪表为电气式仪表。 第3 代为模拟电路电子式汽车仪表。 第4 代为步进电动机式全数字汽车仪表。 继全数字汽车仪表后，随着信息技术和计算机技术的不断发展，以及降低汽车仪表 制造成本的要求，汽车仪表逐渐向网络化、智能化和虚拟化方向发展。 1 2 2 国内外当前汽车仪表状况 汽车走过了1 0 0 多年的发展历程，汽车仪表也在不断开发和发展之中。汽车仪表正 在经历由第3 代向第4 代转型时期。第3 代仪表采用各种专用的集成电路，国内汽车仪 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 表目前的主流产品就是这种仪表，其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) 2 个基本阶段。电子器件经历了分立器件 和专用集成电路2 个阶段。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，山动圈式发展成动磁式等。虽然， 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，其线性、精度、 重复性、响应速度等性能指标难以有根本的突破。必将被全数字式仪表所取代。 目前国内车辆仪表数字化水平还不高，绝大部分仪表还是模拟式的，而大多数模拟 仪表表头的体积较大、数量多，使得显示系统拥挤不堪，影响关观。另外一些模拟仪表 故障率高，增加了用户的经济负担，减小了车辆行使的安全系数。而随着电子技术的广 泛应用，传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋 势。当今世界，由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电 子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电 子仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态，妥善处理各种情况 第4 代全数字式汽车仪表由e c u 完成各种被测物理量的的采集，经过计算以后 直接控制显示输出。根据具体示环节上的差别，第4 代全数字式汽车仪表又可以分为 “数字显示式仪表”和“步进电动机式仪表”。前者直接将汽车车速等参数通过l e d 、 v l m 或者是d 直接显示在仪表板上，其特点是显示精确。“步进电动机式仪表” 则保留和第3 代模拟电子电路式仪表一样的显示界面，所不同的是e c u 根据换算出 来的结果控制步进电机，步进电机带动指针工作。不论是“数字显示式仪表”还是“步 进电机式仪表”，相对于第3 代模拟电子电路式仪表都带来了技术性能上质的飞跃。 目前，国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星，上汽帕萨特、赛欧、奇瑞，长 安世纪星等均配套使用步进电动机式汽车仪表。其它型号的轿车也正在配套该类型的仪 表，步进电动式汽车仪表，将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品。 随着电子技术的进步，新型传感器、新型电子显示器件的出现，汽车电子仪表显示 装置得以迅速发展。现代汽车使用微机驱动的电子仪表系统日益普及。微机驱动的仪表 板采用微机处理来自传感器的信息，并指挥仪表显示器。我国的汽车仪表显示装置与国 沈阳工业大学硕士学位论文 外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。如当今国外发达国家普遍使用全数字式汽 车仪表显示装置，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并准备向更高方向发展。 虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但其开发还不具备技术条件。全 数字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置，是当今和未来一段时间汽车 仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的市场前景。现代汽车将会越来越多地装用各 种用途的电子化仪表显示装置。造型新颖别致和功能强大的电子化仪表显示装置，将是 今后车用仪表的发展趋势和潮流。 1 2 3 汽车仪表的未来发展趋势 现在，汽车的故障诊断、全球导航和定位系统的大量、复杂的信息服务已开始大量 装备到汽车上，汽车电子仪表作为信息显示终端能够完成这些任务。汽车电子仪表显示 装置不仅具有能提供大量、复杂的信息的优点，而且还具有高精度和高可靠性、一表多 用的功能、外形设计美观自由度高、满足小型、轻量化的要求等特点，因此电子仪表显 示装置成为现代汽车的发展新潮流，具有非常广阔的发展空间。 传统仪表一般是机电式模拟仪表，只能驾驶员提供汽车运行中必要而又少量的数据 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，从而达到控制汽车各种 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，汽车电子化仪表将逐步取代常规 的机电仪表。 未来的汽车仪表系统，正向“综合信息系统”的方向发展【2 j 。这种仪表系统以液晶 显示器为基础，车内通信与互联网相连，乘员室内各操纵件通过语音进行控制。汽车收 音机、d v d 光播放机和音响设备等构成乘员室配置部分。构成信息通信系统的主要部 件有：漫游器、移动电话、电子邮件和国际互联网终端、视频或电子游戏中控台等。系 统的主要功能有：导航、音响、通信、远程微机通信和信息处理等。 电光学技术在汽车仪表上得到广泛应用。仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要 接口和界面。随着现代汽车工业和电子技术的发展，汽车中各种系统和机构日趋复杂， 汽车行驶和各部分工作状况的信息量显著增加。同时，出于对汽车环保、安全性、经济 3 一 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 性、智能化要求的提高，汽车驾驶员需要更多、更迅速地了解汽车运行的各种信息，使 得汽车电子仪表向信息显示中心发展，它是驾驶员信息系统重要的组成部分。汽车电子 仪表代替传统机械或电气机械式模拟仪表已成为发展的趋向。 利用电子显示技术，也就是薄型平面电子显示器技术做成的汽车平面仪表板显示数 字及信息，十分清晰明了，它代零星了以往采用的模拟显示的车速和发动机转速表等， 使驾驶者在开车的同时，仍然可以清楚地看到仪表数字及其他信息的变动。它具有测试 反应速度快、指示准确、图形设计灵活、数字清晰、可视性能好、集成化程度高、可靠 性强、功耗低等优点。由于没有运动部件，反应快，可靠性高，其布置灵活紧凑，并有 最佳显示形式。一般除要求汽车仪表耐用、耐振、指示准确、读数方便，以及受温度、 湿度的影响小之外，还要求轻巧、舒适、美观并具有良好的互换性。汽车电子仪表恰恰 满足了这些要求。 虚拟仪表( v i n u a lh s t m m e m ，简称) 是利用计算机技术同现代检测技术和仪表深 层次结合产生的全新概念的新型仪表，是对传统仪表概念认识的重大突破。传统测量仪 表的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示等4 个部分。虚拟仪表也不例外，但是，实现上述功能的方式与传统仪表截然不同。虚拟仪 表系统是由计算机。应用软件和仪表硬件3 大要素构成的。计算机与仪表硬件又称为 的通用仪表硬件平台。 美国一项研究认为包括智能汽车研究在内的智能运输系统对国家社会经济和交通 运输的影响，可能会超过洲际高速公路1 3 1 。发展智能交通系统已成为世界各国交通研究 领域的热点和重点。1 9 9 5 年3 月美国交通部首次正式出版了”国家智能交通系统项目规 划”，明确规定了智能交通系统的7 大领域和2 9 个用户服务功能，并确定了到2 0 0 5 年 的年度开发计划。智能交通系统( s ) 是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子 传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统 而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理 系统【4 l 。所以n 苫将是未来的交通的趋势，而作为这个系统中的个体单元：汽车将要配 备各种先进的信息通信仪器，例如地理信息系统( g i s ) 。全球定位系统( g p s ) 等，这些 仪器将给驾驶员大量的信息提示，同时也接受玎丐的管理。同时汽车上的检测仪表也越 4 沈阳工业大学硕士学位论文 来越多，这样那种步进电机式的仪表就跟不上整个环境的发展了，而液晶显示器这个显 示终端却能给人提供大量的信息满足未来智能交通系统的需要，特别是在公交车上，由 于其特殊的交通位子和作用更需要这种方便的显示终端，才能给驾驶员的驾驶提供方 便，给乘客提供安全。 1 2 4 电动公交车对仪表板提出的新的要求 随着现代电子技术的进步和多功用高性能电动公交车即将面世，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。要求不仅能够显示传统的信 息，而且还要满足电动车要求，即是对电池信息的显示，电动机信息的显示，和变速器 信息的显示。汽车仪表的功能己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。 由于驾驶员操作是信息处理过程，对信息的处理有一定的限度，各种交通设施和车 载信息终端给驾驶员提供的信息超过了这个限度时，必然对驾驶员操作行为产生负面影 响【5 1 。各种高科技产品在汽车上广泛的应用，在一定程度上，给驾驶员的基本操作一 驾驶是有影响的。因此在仪表显示系统设计中如何以驾驶员为中心，运用人机工程学有 效地，合理地组织仪表在显示屏幕上的显示。给驾驶员提供最简单的提示，而对驾驶员 的操作有所帮助是对现代交通领域中的新问题。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题是以现在国内正在研制的电动客车为目标，鉴于国内电动公交车的发展趋势 和未来智能交通系统的发展方向，针对目前车载仪表板存在的问题和矛盾准备进行以下 工作：首先设计出一套车载仪表显示系统，然后对通常公交车驾驶员的驾驶习惯和看仪 表习惯的分析，结合人体工程学设计仪表的智能性显示策略。最后进行仿真试验。详细 工作如下： ( 1 ) 简要介绍整车系统，对删e b i 0 0 1 仪表系统的整体架构进行了规划，对驾驶员 将会操作的传感器件进行统计，而传感器包括驾驶员操作的开关式传感器和反映车辆工 况变化时的传感器，例如车门的开关等。 ( 2 ) 选区硬件设备( 嵌入式p c ) 。包括中央处理器、显示屏等。 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 ( 3 ) l i n u x 系统的裁剪。通过对本设计的性能要求和软件分析对l i n u x 进行裁剪， 得到适合要求的系统。并且完成操作系统于硬件设备的结合。 ( 4 ) 图形图像的软件设计，得到基本界面和智能显示界面。这里要按照原有驾驶员 习惯的仪表样式完成仪表的显示设计，并且不仅要包括给人以宏观概括的传统仪表显 示，还要对要求精度较高的仪表给出精确的数字显示信息。 ( 5 ) 智能显示策略设计。结合人机工程学根据驾驶员视线范围选择液晶显示器的摆 放位置和角度，针对司机开车习惯和基本操作进行分析和统计，例如：加速、刹车、停 车、开门，转弯等基本操作，通过对这些操作的组合的分析，推断驾驶员意图，得到智 能显示策略，使该系统能够通过车况和驾驶员的操作做出预期的判断自动给驾驶员以必 要的提示画面。同时又要避免信息过多给行车安全带来影响。 ( 6 ) 进行模拟仿真验证得到结论。通过模拟设计的虚拟控制台和故障控制台模拟工 况的改变，然后看基本仪表显示界面是否能够得到提示信息，得出相应的试验结果。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电动公交车仪表系统体系架构 2 1 仪表显示系统的设计原则 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；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。本论文设计的电动公交车仪表显 示系统是驾驶员车辆进行信息交流的界面。它牵涉到了人( 驾驶员) 与机( 电动公 交车仪表板) 之间的关系。因此在电动公交车仪表智能显示系统设计中涉及了人机工程 问题。 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【6 】。它在美国称为：”h 咖卸e n g i n e e r i n g ，在西欧称为： e 增o n 岫i 器”。 2 1 1 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。本论文提出的电动公交车仪表智能显示 系统是为提高我国公交车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 出了电动公交车仪表信息显示系统的设计原则如下： ( 1 ) 作为驾驶员一车辆进行信息交流的界面即仪表智能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。同时电动公交车仪表板对电动 公交车内部造型也有美化作用，因此要求带有仪表智能显示系统的电动公交车仪表板具 有美观、舒适的特性。 ( 2 ) 电动公交车仪表智能显示系统必须能及时准确地为驾驶员提供丰富的信息。电 动公交车结构的复杂，功能的增多，人们对电动公交车使用性能的提高，以及出于环保、 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 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电动公交车行驶工况，如车速、里程、水 温等项目：而且驾驶员也需知道电动公交车燃料电池系统的状态等。通过这些信息，驾 驶员可以更加有效地控制电动公交车正常工作。 ( 3 ) 电动公交车仪表智能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，电动公交车 仪表智能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。 ( 4 ) 电动公交车仪表智能显示系统要求显示信息响应速度快。仪表智能显示系统的 响应速度如果不快，那么对于在高速行驶中的电动公交车，驾驶员获取到信息就不能保 证其有效地控制电动公交车正常、安全地工作。 ( 5 ) 电动公交车仪表智能显示系统要满足舒适性要求。电动公交车仪表智能显示系 统是驾驶员获取各种信息的地方，因此电动公交车仪表智能显示系统不仅要求操作方 便，而且要求观看舒服。 ( 6 ) 电动公交车仪表智能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，人们对电动公交车高性能的要求，未来电动公交车仪表智能显示系统将能显示地图、 维修、电视和电话等信息。 ( 7 ) 电动公交车仪表智能显示系统应具有良好的经济性。 2 2 瑚矩b i 0 0 1 仪表智能显示信息的采集系统 仪表智能显示信息的采集系统包括了信息的检测、传送、分析。这些过程都离不开 电动公交车的整车系统，而仪表显示系统同时也是整车系统中一个重要组成部分。因此 在这一节有必要首先介绍一下电动公交车的整车系统。 2 2 1 电动公交车的整车系统简介 与燃油汽车不一样，燃料电池电动公交车没有传统的发动机，而是用燃料电池系统 和电动机控制系统取代了发动机的作用，燃料电池电动公交车典型的组成包括整车智能 控制系统、燃料电池控制系统、电机控制系统、仪表显示系统、便携电脑监控系统等。 沈阳工业大学硕士学位论文 整车智能控制系统是电动公交车的最高管理与控制层，它综合并分析加速踏板、减速踏 板、燃料电池、锌空电池、左右驱动电机等各零部件的状态信息，以及上一步控制策略 执行后的实际效果与计算值之问的偏差，决策出当前应采取的控制策略；并预报当前控 制策略执行后可能能出现的非正常现象。在车辆减速和制动时，它发指令使系统工作在 能量回馈状态，只有在紧急情况下才使用机械制动。整车智能控制系统使车辆起、制动 高效运行r 玎。 2 2 2 仪表智能显示信息的采集 仪表显示系统在整车系统中主要是在代替传统仪表板作用的基础上增加了电动公 交车特有的显示信息和智能性提示功能。仪表面板里显示的信息都是从整车e c u ( 电子 控制单元) 获得的，如图2 1 所示： 图2 1 信息流图 f i 昌2 1h 五咖a t i n o wc h a f t 由上图可以看出信息的显示处于整车控制的最后一个环节，信息的直接来源是整车 e c u 。因此显示系统于信息的采集和信息的分析是密不可分的。以下将简要介绍信息的 采集和分析，以及c a n 总线网络。 仪表板上所显示的信息最初来源于电动公交车上的传感器。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) 按一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【8 l 。 信息是以信号的形式进行交换的。电动公交车仪表显示系统的信息采集依靠车用传 感器完成。可以形象地说车甩传感器是汽车感知外界和感知自身的“神经”和“触手”。 电动公交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再输入到 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 电子控制单元。传感器是电动公交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。 由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各 国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都都非常重视。未来的汽车用传感器技术， 总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 表2 1 列出了本设计中所要采集的主要信息，以及相应传感器的类型和检测量。还 有一些是开关量信号例如：启动、熄火、刹车信号等。 表2 1 需要采集的信息和传感器的类型 1 曲2 1t h e n rt y p e sa n dt h es i g l l a l st ob e l k c t e d 2 2 3 仪表显示信息的分析 信息的分析是在电动公交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 是电动公交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 构或其他e c u 沈阳工业大学硕士学位论文 e c u 模拟信黾11 输 由 7 i 加l 7入 央 j 粤l 一 数字信号 处 处 理 理 刖装 电源 置 l 电源电路 图2 2 e c u 原理图 f 皤2 2 t h e f i g u r eo fe ( = u p 删岬 典型e ( ：u 的组成如图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 及黜w 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 路工作在十5 v 的电压下，一般带有电池和内置电源电路。 根据工作过程的需要而编写的软件，构成了e ( 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。电动公交车 的各个系统中有自己的e c u 通过总线网络实现信息的传递。 2 2 4 电动公交车上的c a n 总线网络原理 ( 1 ) c a n 总线网络简介 c a n 全称“c c m t r o l l c fa 糟an e 础”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的 现场总线之一。c a n 最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司 最先提出。目的是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加 的信号线。c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。所有信息都沿着总线传输，与所连接的控制单 元数及所涉及的信息量的大小无关，这样就解决了随着新增信息量的加大，线路及控制 单元上插头数目也增加的问题，并且使不同信息需要不同线路的问题也得以解决。 ( 2 ) - n 总线的组成 面向驾驶丁：况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 a l n 数据总线由一个控制器，一个收发器，两个数据传输终端以及两条数据传输 线组成。 1 ) c a n 控制器 c a n 控制器的作用是接受控制单元中微电脑传来的数据，对这些数据进行处理并 将其传往。气n 收发器。同样，c a n 控制器也接受由。气n 收发器传来的数据，对这些 数据进行处理，并将其传往控制单元中的电脑。 2 ) c a n 收发器 它将c a n 控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线，它也为c a n 控 制器接受和转发数据。 3 ) 数据传输终端 它是一个电阻器，其作用是防止数据在线端被反射，并以回声的形式返回。数据在 线端反射回影响数据的传输。 4 ) 数据传输线 数据传输线为双线，两条线分别称为c a n 高线和a 悄底线。为了防止外界电磁波 的干扰和向外辐射，q 埘总线将两条线缠绕在一起( 双绞线) ，这两条线的电位总相 反，如果一条是5 v ，另一条就是o v ，始终保持电压总和为一常数。通过这种方法c a n 数据总线得到了保护而免受外界电磁场的干扰，同时c a n 数据总线向外辐射也保持中 性，即无辐射。 ( 3 ) 电动公交车c a n 总线原理 电动公交车的c a n 总线网络包括中央控制器、电池管理系统、电机控制系统、制 动控制系统、仪表控制系统组成。各个控制器之间通过。蛾总线进行通信，以实现传 感器测量数据的共享以及控制指令的发送和接收等。并使各自的控制性能有所提高，从 而提高系统的控制性能。它们之间的通信与信息类型为信息类和命令类。信息类主要是 发送一些信息，如传感器信号、诊断信息、系统的状态。命令类则主要是发送给其他执 行器的命令。图2 3 为电动公交车的c a n 总线原理图【9 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 i 功拳受撩器卜叫电浊li 中辆系绕ii 倪袭|l 朔荚馋蟮嚣i ii | 娃一：数错l i 棚黄参数 ：， 电缝拄l 器巾l 太控鞫器 甏袭稚削器 i 摹 l l 荇制系缵i ； l lc a n 档银| 搿llc a n 襁制器l 。 | c a n 事譬铡猫l ：争粤 _ 终端嘏雕 cn瓶缀线 终端峨_ l粤 ：毒 llc a n 榨 磷嚣llc a n 榨铡器l ! 。，j ! 图2 3 电动公交车的c a n 总线原理图 h g 2 31 kc a n 印加t y | p eo f 也ee i e c t i i lb 惦 2 3 眦b i 。0 0 1 仪表智能显示系统在硬件、软件系统上的选择 2 3 1 仪表智能显示系统的硬件选择 选择最好的硬件是一个复杂的工作，需要事先对产品的功能和需求作详尽的分析， 获得尽可能完整或精确的信息。成本经常是关键的议题。当考虑成本时、要着重考虑产 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 品的整个成本，不仅是a u 。有时快的、便宜的c p u 一旦加上总线逻辑和时延使之与 外设一起工作，可能变成一个非常昂贵的产品。 由于a r m 公司自成立以来，在3 2 位r l s c ( r c d u c c dh l s t n l c t i 彻s e tc c 衄p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。一直以口( k t c n i g c n c cp o p e n y ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加 上其设计的芯核具有底功耗、成本低等显著特点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂 商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的 3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式嵌入式应有领域确立了市场领 导地位。目前非常流行韵a r m 芯核有删7 i d m i ，s 虹o n g a r m ，a r m 7 2 0 ，删9 r l d m i ， a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 0 ，a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 ，r ，a r m 2 叭d m i 等i 埘。鉴于此本设计选用 了a r m 芯片。但是a r m 系列的芯片如此众多。并不是越高端、功能越强大越好，只 要能够适合系统要求就可以了。为了缩短软件的开发时间希望使用比较熟悉盼w i n c e 或i 缸呱因此需要选择a r m 7 2 0 以上带有m m u ( m e m o r ym 锄赡伽tu l l i t ) 功能的 a r m 芯片。本仪表智能显示系统需要有液晶显示器，因此带有内置l c d 控制器的a r m 芯片更加合适本设计要求。综上所述选择了三星公司的s 3 c 2 4 1 0 芯片。液晶显示器选用 三洋公司的1 m 0 8 0 s v - 2 2 l 0 3 型号的8 寸显示屏。 2 3 2 仪表智能显示系统的嵌入式操作系统选择 从踯年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式操作系统和专用操作系统 的开发，目前应用比较广泛的嵌入式操作系统有i l l l 。 ( 1 ) w i i l c ew i n c e 是一个简洁的、高效率的多平台操作系统。它的模块化设计允 许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。w i n c e 的缺点是价 格高、不开放源码、而且缺乏实时性。 ( 2 ) v x w o f k sv 】跚破s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系 统。它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s 加s 口a 优、m o t 0 1 o l am c 6 8 蕊x 、m 口s 砌( 0 0 0 、 p o w e rp c 、a r m 等使用的是和u n i 】【不兼容的环境，大多数人的v x w o r k sa p i 是专有 的，采用g n u 的编译和调试器。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) p s o sp s o s 是一个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式处理器设计， 提供一个完全多任务环境，在定制的或商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让 开发者将操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它 来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 ( q n xq n x 是一个实时的、可扩充的操作系统。它提供了一个微内核以及一些 可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中 断处理。q n x 内核小巧而且允许速度极快。 ( p a l mo s p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开发的操作系统 应用程序接口，设计者可以根据需要自行开发所需要的应用程序。目前有3 0 0 0 多个应 用程序可以运行在p a l m0 s 上，其中大多数应用程序均为其它厂商和个人所开发。 目前有近一半的公司在自己的产品中己经采用或即将采用u n u x 作为操作系统。 i j n 慨备受青睐，致使除微软以外的知名硬、软件厂商都毫无例外地与之结盟、捆绑， 甚至连i b m 也要全面支持i j 舢x 。因此本设计选用了i j n 慨操作系统。l j n u x 之所以受 欢迎主要有两个原因： ( 1 ) i j n 呱作为自由软件有两个特点：一是它免费提供源码，二是爱好者可以按照自 己的需要自由修改、复制和发布程序的源码，并公布在h l t 锄e t 上。这就吸引了世界各 地的操作系统高手为l j n 驭编写各种各样的驱动程序和应用软件，使得u 加x 不仅只是 一个内核，而是一个包括系统管理工具、完整的开发环境、开发工具及应用软件在内的 操作系统，用户可以非常方便地获得它。 ( 2 ) 由于可以得到u n 憾的源码，所以操作系统的内部逻辑可见，这样就可以准确 地查明故障原因，及时采取相应对策，在必要的情况下，用户还可以随时为l i l l 暇打“补 丁”，并根据操作系统的特点构建安全保障系统。 面向驾驶工况的电动公交车仪表智能显示系统的设计 3h h e b i 一0 0 1 仪表智能显示嵌入式系统的构建 3 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般定义为：以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式 系统是面向应用的，这一点和通用计算机有着本质的区别。在满足应用功能的前提下尽 可能的缩小体积，提高系统反映的速度。嵌入式系统主要由嵌入式处理器，相关支撑硬 件，嵌入式操作系统和应用软件等组成【1 2 1 。 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制 器形式的系统，同时具有与监游、伺服、指示设备相配合的功能；第二阶段是以嵌入式 c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标 志的嵌入式系统；第四阶段是以基于h l t 啪c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速 发展的阶段f 1 3 】。目前大多数嵌入式系统还孤立于n e m c t 之外，但随着1 1 1 l c m c t 的发展 以及i n t 锄c t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与k t c m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来f 1 4 l 。 一个嵌入式i j 那x 从软件的角度看通常分为4 个层次： ( 1 ) 引导加载程序。包括固化( 丘m 唧a 陀) 中的b o o t 代码( 可选) 和b il d a d 盯 两大部分。 ( 2 ) n u x 内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 ( 3 ) 文件系统。包括根文件系统和建立于f i 鹊h 内存设备之上的文件系统。通常用 i l a m d i s k 来作为根文件系统。 ( 4 ) 用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户程序和内核层之间可能还 会包括一个嵌入式图形用户界面( g u l ) 。 3 2 嵌入式硬件系统构建 3 2 1a r m 处理器简介及a r m 9 处理器的特点 a r m 即加l v ：删列r i s cm a c h i n 鹤的缩写。既是一个公司的名字，也是一类微处理 器的通称，还可