（车辆工程专业论文）车速发动机转速表在线编程调试系统.pdf

摘要 随着汽车技术和电子计算枫技术的发展以及现代先进制造技术、电子技术和 计算机技术在现代汽车上的广泛应用，现代汽车的机构日趋复杂，各种功能装置 也不断增多，各种信息不断增加，汽车仪表板已经成为汽车信息中心。新的技术 快速发展，促使各生产商家积极进行新型汽车仪表的研究开发和大量生产。然而， 在提高产量的同时如何相应地提高产品调试和标定的速度和精度成了各商家面临 的共同的问题。 本课题是针对大连理工大学汽车电子公司所生产的程控集成电路式车速发 动机转速表开发的一套专用调试系统，能实现在线调试和在线编程的功能。该调 试系统由硬件和软件两大部分组成，硬件电路包括电源模块、键盘模块、显示模 块、外界存储器以及主从控制单片机组成。主从控制单片机采用z i l o g 公司的 z 8 6 e 3 3 。本文详细介绍了硬件的工作原理和功能以及软件的设计思想和编程原理， 最后形成了车速发动机转速表在线编程调试系统。该系统通过了大连理工大学汽 车电子公司的实验测试，所得程序控制数据与实际控制数据的误差相当小，效果 十分理想。 关键字：车速表；发动机转速表；在线编程；调试系统；硬件；软件；z 8 6 e 3 3 z 8 6 e 0 4 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d t h ew i d e a p p l i c a t i o n o fa d v a n c e dm o d e r nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e e h n o l o g yo nc a r s ，s t r u c t u r eo fc a r s b e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p li c a t e d t h ep a n e l o fc a r sh a sb e c o m et h e i n f o r m a t i o nc e n t e rb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n ga m o u n to fi n f o r m a t i o nf r o m v a r i o u sp a r t so fc a r s s op a n e lm a n u f a c t u r e sw o r kh a r dt od e v e l o pn e wp a n e l s a n de n l a r g et h ep r o d u c t i o n b u t ，a 1 1t h ep a n e lm a n u f a c t u r e sa r ef a c i n ga c o m m o np r o b l e m h o wt oe n h a n c et h es p e e da n da c c u r a c yo fp r o d u c td e b u g g i n g a n dd e m a r c a t i n gf o ri n c r e a s i n gp r o d u c t i o n 。 t h ep r o j e c ti st od e v e l o pad e b u g g i n gs y s t e ms p e c i a l l yd e s i g n e df o r t h e i n t e g r a t e d c i r c u i t p r o g r a m m e c o n t r o l l e d s p e e d o m e t e r a n d e n g i n e t a c h o m e t e rm a n u f a c t u r e db yd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya u t oe l e c t r o n i c f a c t o r yt or e a l i z ed e b u g g i n ga n do n l i n ep r o g r a m m i n g t h es y s t e mc o n t a i n s t w o p a r t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e h a r d w a r ec i r c u i tc o n s i s t sp o w e r m o d u l e ，k e y b o a r dm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，e x t e r n a lm e m o r y ，m a i n a n d s e c o n d a r ys i n g l ec h i pp r o c e s s o rm o d u l eu s i n gz 8 6 e 3 3m a d eb yz i l o gc o m p a n y t h ep a p e re l a b o r a t e st h eh a r d w a r e sw o r k i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o na n d s o f t w a r e sd e s i g ni d e o l o g ya n dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l ea n dt h e ni n t e g r a t e s t h es p e e d o m e t e ra n de n g i n et a c h o m e t e rd e b u g g i n gs y s t e m t h es y s t e ms h o w e d s a t i s f a e t o r yr e s u l tw h e nt e s t e db yd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya u t o e l e c t r o n i cf a c t o r y t h ee r r o rb e t w e e np r o g r a mc o n t r o l l e dd a t aa n da c t u a l d a t ai s a c c e p t a b l e k e y w o r d s ：a u t os p e e d o m e t e r e n g i r e t a c h o m e t e r o n iir e p r o g r a m m i n g d e b u g g i n gs y s t e m ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，z 8 6 e 3 3 ，z 8 6 e 0 4 车速发动机转速表在线编程谪试系统 第一章绪论 1 1 引言 为了正确使用汽车，保证行车安全和提高可靠性，并能随时了解汽车和发动 机的各种参数，汽车上都或多或少地使用各种仪表，汽车仪表是安全行驶和经济 行驶不可缺少的装置。但早期的汽车上没有仪表，后来随着汽车的发展，汽车速 度的提高，汽车的结构和机构日趋复杂而开始安装了仪表。1 9 0 0 年初汽车第一次 安装了车速表，1 9 2 2 年安装了汽车油耗表。在2 0 世纪初至2 0 世纪3 0 年代期间， 汽车安装上了车速里程表、水温表、压力表、电压( 电流) 表等各种仪表。 人们对汽车性能愈来愈高的要求在很大程度上促使汽车仪表内部结构、性能 和功能的不断革新。进入2 0 世纪8 0 年代后，电子技术、新材料技术和信息技术 的不断进步及新型传感器、电子显示器件的出现，汽车仪表板电子化尤其迅速， 已从原封不动地显示传感器信息，发展成为可对传感器信息进行计算、加工处理 的汽车信息显示系统，并向羞人性化、智能化的方向继续发展。 1 2 汽车仪表的发展过程和趋势 根据仪表的工作原理、内部结构和显示方式，汽车仪表的发展过程可以分为 三个阶段：传统仪表阶段，现代电子仪表阶段，智能化信息系统阶段。 l 、传统仪表阶段。这一阶段是从2 0 世纪初到2 0 世纪3 0 年代，在此阶段中 汽车开始安装各种仪表，如车速里程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流表 ( 电压表) 和发动机转速表等，这些确定了现代汽车仪表板的基本结构。 这一阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式电磁机械式的，汽车仪表 功能单一，仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是为 安全性着想，信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视认 性不好，容易使驾驶员疲劳。 2 、现代电子仪表阶段。随着汽车电气设备不断增加，电气系统也变得越来越 复杂，传统仪表已远远不能满足现代汽车新技术、高速度、人性化的要求。因此， 汽车仪表的发展过程中现代电子仪表逐步取代了传统仪表。 汽车仪表的电子化是随着半导体技术的不断进步而获得迅速发展。电子显示 式仪表的开发，始于2 0 世纪6 0 年代，但是电予元器件还达不到装车实用的水平。 7 0 年代后半期，随着半导体及显示器件技术的进步，出现了荧光显示管、发光二 极管，1 9 7 8 年电子显示仪表问世。进入8 0 年代后，各种电子显示器在汽车上不断 得到应用( 见表卜1 ) 。9 0 年代初期世界上已有6 0 种以上的车型使用电子仪表。 从内核上，单片机的广泛应用使汽车仪表由模拟仪表向数字仪表发展；从外观上， 逐渐形成了数字显示为主流的显示方式。外形设计现代派的追求和内部结构、显 示元器件的电子化，大大推进了汽车仪表技术的重大变革。 车速，拉动机转速表在线编程调试系统 现代电子仪表可分为模拟式、数字式和混合式仪表，主要优点如下： ( 1 ) 、电子仪表能提供大量、复杂的信息。随着人们对汽车各方面要求的提高， 汽车行驶和各部分工作状态的信息显著增加，汽车电子化仪表能迅速准确醒目、 直观地以多种方式显示信息，显示的信息量大。 表i - i汽车电子仪表的发展 t a b l e l 一l d e v e l o p m e n to fa u t o e l e c t r o n i cp a n e l ( 2 ) 、电子仪表体积小、重量轻，可以减少占用宝贵的车内空间。电子式仪表 盘不仅能适应各种传感器或控制系统的电子化，而且可实现小型、轻量化，这样 既能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间，还能处理日益增多的信息容量。 ( 3 ) 、显示图形设计的自由度高，可以使汽车仪表盘造型更加美观。电子仪表 盘能够实现数字、文字、图形等多种显示方式，造型设计自由度高，能满足实现 汽车现代化的需要。 ( 4 ) 、具有高精度和高可靠性。由于实现汽车仪表的电子化，可为司乘人员提 供高精度的数据信息，也可免除传统仪表中的那些可动部分，从而改善、并提高 了仪表的可靠性。 ( 5 ) 、具有一表多用的功能。采用数字显示易于用一组数字进行分时显示，并 可同时显示几个参数，不必对每个参数都设置一个指示表，故使仪表盘得以简化。 3 、智能化信息系统。2 0 世纪9 0 年代后半期，先进的计算机技术和电子技术 等高新技术开始进入汽车，3 2 位和4 8 位微机开始广泛应用，汽车仪表的自动化、 智能化程度大大提高：与此同时，显示方式也由单色显示向彩色显示和立体显示 发展过渡，极大地提高了仪表的视认性和美观性，促进了汽车仪表技术的变革。 汽车电子控制装置的增多，汽车故障诊断、地形图显示、导向及各种信息服务装 置都己开始装进汽车，需要显示的信息和功能增多。此时，汽车仪表已经不再是 单纯的信息显示装置，而是逐步拓展为个智能化信息系统。 汽车智能化信息系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括面板、高性能微机 及辅助电器电子元件；软件是实现监测控制、处理各种数据、通信等仪表功能的 程序系统。其具有以下基本功能： ( 1 ) 、信息显示功能。这类驾驶员信息系统包括常规信息显示和监视报警信息。 常规显示的信息有车速、里程、燃油、电压、发动机水温、发动机转速等，同时 还有像瞬时油耗、平均油耗、续驶里程、平均车速等，这可根据驾驶员需要随时 调出显示。为驾驶员及时准确地提供各种信息，以便驾驶员更有效地控制汽车正 车速i 发动机转速表在线编程调试系统 常工作。 ( 2 ) 、自检自诊断功能。在仪表工作的开始，仪表自动对传感器、显示器等进 行检查，如发现异常则自动进行诊断，检查错误，用醒目的方式显示错误代码， 提示驾驶员，并对这些进行自动记录。 ( 3 ) 、智能信息记录( 黑匣子) 功能。具有存储记忆功能，实现汽车行车自动 记录( 黑匣子) ，自动存储相关数据，并能实现数据转换、转储、显示、以不同种 方式输出的功能。 ( 4 ) 、信息再处理功能。实现多种信息处理，对传感器信息进行计算并加工处 理。 ( 5 ) 、自适应功能。根据传感器获得的信息，自动适应外界的环境。 ( 6 ) 、监控报警功能。对车速、发动机转速、水温、油压、燃油量、油耗、蓄 电池电压转向灯、尾灯、制动器液量、车门关严否等一系列参数进行有效监控。 当有不正常现象出现时，立即通过控制发光二级管、数码显示、音响等方式向司 乘人员提供直接的工况和发出各种超限报警等，可有效防范和化解车辆事故的发 生。 4 、未来汽车仪表的发展趋势 毫无疑问，汽车仪表盘的电子化、数字化、智能化是汽车仪表的发展方向， 具体体现在以下几个方面： 多功能化。由于车用多种信息服务的拓展、车用电子系统集中监控的需要日 益增强，为了适应这种信息化社会的需要，多种信息显示方法正在不断研究和开 发，使得显示装置向多功能化方向发展，融导航显示装置、各种信息服务功能的 接受、车用电子装置的集中监控，以及车中的文字、图像等的显示为一体，集机 械、光电一体化，使得未来的汽车效率更高、更为安全。 数字化。利用嵌入式微处理器进行汽车各种信息的采集、分析、处理和警示。 微处理器可以采集多种模式信息，并对这些信息进行分析处理，做出相应的视觉 显示、声音警示或需要的其他多媒体输出。随着数字显示技术的成熟，设计人员 可以设计出各种各样实用而富有特色的汽车仪表。同时，由于微处理器和现代传 感器的使用，还可以大幅度提高汽车仪表的精确度和可靠性。 更好的视觉特性。使汽车仪表赏心悦目而又不刺眼，可以在各种不同的光线 环境下行驶，汽车仪表要达到不论在什么环境中都清晰可见的要求，能够提供多 种亮度可调的自主发光显示方式，包括多种色彩，满足对汽车仪表的苛刻要求。 个性化。现代汽车在追求个性化，仪表信息应可以量身订做。技术的共同化， 并不会使所有的汽车都成为一种模式。成熟的现代数字电子技术为汽车电子仪表 的多样性、个性化设计大开方便之门。 信息化，网络化。汽车电子控制装置的增多，使得连接汽车电子控制装置之 间的导线也变得更为复杂。为了减少布线的数量，解决众多控制装置和电子仪表 之间数据交换问题，车载电子装置间的数据通信变得越来越为重要。为此，需要 一种既造价低廉，又能经受恶劣工作环境的通讯系统。用这样的系统控制装置或 仪表，可以通过网络和其他装置使数据交换变得非常简单。汽车信息系统以清晰、 准确、及时反映汽车行驶时各项信息为目的，不限于信息的显示，还能进行故障 车速发动机转速表在线编程调试系统 自诊断，且能全面反映汽车的工作状况及各种通信联络信息，使驾驶室朝着自动、 智能的方向发展。 汽车电子仪表作为信息处理和显示的系统，随着半导体器件集成度的进一步 提高，电子技术和电子板制造工艺的改进，汽车电子仪表将向着多功能、更高的 智能化的方向发展。汽车技术和数字电子技术的联姻，使汽车技术得到了快速发 展。汽车仪表的电子数字化，也必将促进汽车仪表向高新技术领域迅速发展。种 类繁多、性能卓越的电子数字仪表，会把我们的汽车装点得更现代，更漂亮。 1 3 车速发动机转速表的原理和调试 1 3 1 机械电磁式 机电式车速发动机转速表：这一类型有离心式和永磁式两种类型。永磁式车 速发动机转速表是用软轴与定时齿轮连接，传动轴穿过衬套，上端固定有永久磁 铁，围绕着永久磁铁有碗状的金属感应盘固定在指针轴上，并能在指针轴两端的 轴承内自由旋转。感应盘的外面用隔磁铁壳包着。由于隔磁铁壳起磁屏蔽作用， 减少扩散磁通的损失，因而加强了作用在感应盘上的工作磁通量。传动轴被软轴 所驱动，并与永久磁铁一起旋转。此时由于永久磁铁的磁场穿过感应盘的磁通量 发生变化，便是感应盘感生出感应电流，形成一个新磁场，它的强度随永久磁铁 旋转速度的增加而加强，并成正比例的关系。两个磁场互相吸引作用，使感应盘 也随同永久磁铁一起转动。但它不能自由地旋转下去，因在它的指针轴上连接着 游丝，随着感应盘转动增加转角而逐渐扭紧游丝。当游丝被扭紧的力矩与感应盘 的旋转力矩平衡时，感应盘及指针停止转动。这时感应盘转过的角度与永久磁铁 单位时间内转数成正比，因此在车速发动机转速表的表盘上指针指示的位置，即 标注出相应的车速或发动机转速。 离心式车速发动机转速表的传动轴也是用软轴与定时齿轮是连接的。它通过 机械式离心机构传到指针轴，软轴与传动轴相连，传动轴通过齿轮与固定轴啮合， 在固定轴上安有一个固定环和一个滑动环，两个环通过连杆与二重块相连，滑动 环连接一个离合器。当固定轴转动时，重块旋转产生离心力向外飞开。由于一侧 的固定环不能移动，滑动环拉动离合器，从而拨转扇形齿驱动指针旋转。 调试：对于永磁式和离心式车速发动机转速表的调试均应在带有同步电动机 的实验台上进行。调试时由电机带动软轴，从而使指针偏转，显示速度。调试过 程份高速调试和低速调试，在调式的过程中要均匀地降低转速，为此试验台必须 用无级变速。调试前先用标准表测试试验台转速，然后再把标准表换为待调表， 调试仪表的高速段、低速段和均匀减速三种情况，在调试过程中通过旋紧或放松 游丝对仪表进行调整。整个调试过程十分复杂，工作效率十分低下。 1 3 2 模拟电子式 原理：所谓模拟电子仪表，是通过驱动电路驱动模拟表，其内部电路由模拟 电子电路组成，处理信号为模拟信号。其显示多为指针显示。 4 兰垦! 墨垫! ! 堕望墨垄望塑堡塑堕至堕 这类仪表基本原理都是设法由电子器件代替传动软轴获得汽车运行的车速或 发动机转速信号，进而处理显示出转速或速度信息。从汽油机点火系统获得点火 脉冲，或者通过传感器将发动机转速或车速转换成脉冲信号，输入仪表，经仪表 内部模拟电路处理，将脉冲信号转换为电流信号，通过积分整流，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车速发动机转 速。用该矩形波驱动电流表，即显示出车速发动机转速信息。或根据传感器提供 的脉冲信号，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，进而实现显示车速转速信息。 调试：简易电子式仪表测试标定起来更加困难。对于从点火系统获取脉冲信 号的仪表，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，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。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。对于用齿式电磁转速信号传感器获得信号的仪表，由于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。一 块仪表在生产成型以后其电器特性也固定下来，无法改变，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。 1 3 3 数字电子( 程序控制) 式 原理：所谓数字电子仪表，内部电路一般都由微处理嚣控制，处理的是数字 信号，由单片机通过驱动电路驱动电子显示器件，可以用指针、数字等多种显示 方式来显示。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 系列通用单片机。因其 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。 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，其频率与发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。对获得的该脉冲信号进行放大，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。 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，而无须专门的数摸转换处理电路。如果是采用 数显方式，则e c u 只需将显示信号输出至显示电路。 调试：数字电子( 程控) 式仪表种类繁多，其硬件电路和控制软件不尽相同， 一般生产厂家都有自己固定的系列产品，产品的设计原理和材料器件都基本相同， 车逮7 发动机转速表在线编程调试系统 这为开发调试系统带来方便。由于硬件的电器特性很难改变，调试的主要是软件 的控制数据部分，所以调试的工作量相对很小，工作效率也就很高，十分利于产 品的大批量生产。 1 4 课题提出的背景和意义 汽车数字电子( 程控) 式仪表以其在显示精度、抗震性、抗干扰性、使用寿 命、节省空间等各方面的优点而被越来越多的生产厂家使用。由于数字电子汽车 车速里程表和发动机转速表的类型不同。其调试所用的系统也不同而成为批量生 产中提高生产效率和产品质量的瓶颈。本文所阐述的调试系统是针对大连理工大 学汽车电子公司的d z l z 型z 8 单片机程控数字表开发的。按目前生产中的调试方 法，调试仪表需要的设备很多，有p c 机，直流电源，z i l o g 开发系统( 包括开发 软件z i l o gd e v e l o p e rs t u d i o3 2 和z 8c c pe m u l a t o r ) ，信号发生器等。调试时 要根据信号发生器的输入，以2k m 为一个点，逐个调试。在有输入的情况下，观 察表头指针的偏转，如果指针偏转过大或过小，则观察控制数据的增减规律，修 改数据，如此反复，直到调试好各个点，再用调试好的数据逐个替换控制程序中 的数据，编译后用开发系统写入控制芯片。 这种调试方法需要的设备比较多且比较庞大，不宜搬动或携带，对交付客户 实际应用中偏差大的仪表调试比较费周折；生产调试中对每个点都要用逐步求精 的方法寻找最佳控制数据，因此比较慢；将调试好的数据经过重新编译烧录到控 制芯片中，过程也十分复杂。且调试中很多是重复的劳动，浪费人力物力。因此， 开发一个功耗低、体积小、重量轻、智能程度高、扩展性能好的车速发动机转速 表调试系统，对于提高生产效率，节省资源，促进产品更新换代等各方面，都有 积极的意义。 车速发动机转速表在线编程调试系统 第二章调试系统的工作原理及调试过程 2 1 脉宽调制的原理 脉宽调制( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a r i o n ) 是用脉冲宽度不等的一系列矩形 脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号，从而达到对功率精确分配的一种数字 控制技术。实际上，p w m 就是按某一固定频率来接通或断开恒定电压的直流电源， 并据外加控制信号来改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，使输出电 压的“占空比”改变。 从原理上讲，p 1 ；y m 的调制方法可有面积法、图解法、计算法、优化法、采样法、 斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等。 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， 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。 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，其原理如图2 - i 。 p 开关常量 兰角我频没形 图2 一l三角载波p w m 产生原理 f i g 2 1 g e n e r a t e dp r i n c i p l eb yt r i a n g l ew a v eo fp w m 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 车速发动机转速表在线编程调试系统 关波形增益相乘形成控制波形，控制开关频率。 2 2 p w m 仪表的工作原理 根据前面介绍的程控集成电路车速表原理可知，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锘4 数据，形成精确的p y n 调制 控制信号。驱动表头指针的执行线圈所消耗的功率极小，可由表头控制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，不用经过额外的放大电路和开关电路。 由于芫全由数孚信号控制表头疆计， p w m 信号调制十分简便，p 硼仪表的指示原 理如图2 2 。主控e c u 计时器产生一个高 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 1 。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 对，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。 控制周期 占：空驱动线圈ll4 7 = 剐 ii 叫 吲 图2 - 2p w m 仪表工作原理 f i g 2 - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fp v c mm e t e r 2 ，3 调试系统的功能要求和整体模块 2 3 1 对调试系统的功熊要求 本课题开发的调试系统以大连理工大学汽车电子公司的d z l z 程控式汽车电子 仪表的工作原理为基本原理，取代单片机仿真系统，而直接用调试系统的仿真输 出接口和目标仪表相连，实现仿真仪表控制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。另外，为了适应工厂实 际生产环境，调试系统还必须满足工业设计中的各种要求。综合考虑各方面要求， 对调试系统最后实现方向定下以下目标： l 、由于此系统是为实际生产而设计，所以外观形状必须适合工厂生产环境， 体积小，工作条件简单；应具有防尘、抗震、轻便、性能稳定等要求。 、 2 、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、 读片烧录芯片插座等；操作方便，易学易用。 3 、调试系统必须有足够的程序存储空间，用于存储测试程序和被调试仪表的 兰i 型墨塑垫壁望墨垄垡塑翌塑釜墨竺 控制程序。其中被调试仪表控制程序在烧录芯片时被读出写入仪表控制e c u 。调试 系统还必须有足够数量的随机存储器，用于存储调试过程中的各种中间数据以及 最终的控制数据，以供测试修改用。 4 、调试系统必须有烧录控制芯片功能。这是该调试系统最重要的功能之一， 在调试标定过程中，标定准确的数据暂存在数据存储器中，被调试仪表表盘全范 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e c u 。该功能是保证 调试标定效率和调试成功的重要环节之一。 5 、做到尽量减小硬件成本、方便实用、易于编程实现。 2 3 2 调试系统的整体模块 调试系统总体上由硬件和软件两部分组成的。硬件电路原理在第三章作以详 细介绍，第四章主要讲述软件的编程原理及程序代码。其整体模块如图2 3 所示。 图2 - 3调试系统整体模块 f i g 2 - 3i n t e g r a lm o d u l eo fd e b u g g i n gs y s t e m 2 4 调试系统的使用方法 调试系统的工作电压为1 5 伏直流电，在调试前，首先要用仿真线将要调的目 标仪表的单片机口与仿真驱动口连接起来，给仪表加2 4 v 直流电，然后给调试系 统上电，系统单片机复位并开始运行控制程序，主控制单片机进入调试状态，从 控制单片机初始化后进入等待主单片机的调试完毕信号，目标仪表指针根据显示 的控制数据实时偏转指示刻度。此时，系统在默认工作方式下工作，显示为0 f f f f ， 表明现在所调试的是车速里程表，控制数据( r 6 、r 7 ) 为0 f f f f h ，系统响应键盘 为直接设置模式，所操作的为高位寄存器( r 6 ) 的高四位。这时可根据经验直接 给r 6 和r 7 赋值。在设置模式下，当给高四位输入数值后，系统自动转为给低四 位赋值。同样，当给低四位输入数值后，系统自动转为给高四位赋值。如此循环 兰婆! 垄垫塑! 茎婆壅堡竺塑堡塑苎至竺 直至按下s c 键或+ 、一键。然后，按下+ ( ) 键，系统进入连续运算状态，所操作 的寄存器加( 减) 键盘输入的数字。根据指针的偏转，得到合适的控制数据。调 好一个点后，按下n x 键，系统将调试所得的控制数据写入缓冲区，并开始下一个 点的调试。调试过程中，按下s c 键，可实现在高低位寄存器间的操作转换，并在 按下此键后最左端的l e d 显示“h ”或“l ”。按下s p 键，进行插值参数的设置， 在接下来输入的数字为插值个数，并存到s p f l g 的低四位。按下s b 键实现调试表 头的选择转换，最左端的l e d 显示0 或1 ，0 表示正在调试的是车速里程表，控制 数据寄存器为r f r 7 ；l 表示正在调试的是发动机转速表，控制数据寄存器为r 1 4 r 1 5 。 在所有点均调试完毕后，按下e t 键，系统将缓冲区的控制数据写到外接存储器 e 2 p r o m 中指定的地址。然后，按下w t 键，向从单片机发送调试完毕信号。主控制 单片机进入等待状态，从控制单片机开始工作。 从单片机收到主单片机发送的调试完毕信号后，根据约定，读相应车速里程 表和发动机转速表的控制数据，并根据s p f l g 低四位的插值个数对控制数据进行 插值计算并在此存入外接存储器，从而细分控制点。插值计算结束后，将控制程 序和控制数据烧录到插在编程芯片座上的目标控制单片机。如果烧录失败，指示 灯( 绿灯) 以1 h z 的频率闪烁，并转向等待主单片机信号状态。如果烧录成功， 指示灯( 绿灯) 连续点亮，从单片机转入等待主单片机信号状态。如果按下w t 键， 从单片机将直接执行烧录程序。这样可以重新烧录或重复烧录同样控制数据的目 标单片机。 整个系统的复位方式是断电复位。 车速发动机转速表在线编程调试系统 第三章调试系统的硬件组成 3 1总体电路 调试系统的硬件是整个系统的基础，主要包括电源部分、显示部分、键盘部 分以及单片机，实现调试控制程序的运行、人机对话、信息显示和控制信息输出 等调试功能。所用到的主要元器件有：集成稳压电源l m 3 1 7 、7 8 0 5 ，单片机z 8 6 e 3 3 ( 4 t ( r o w l ) ，模拟开关i t t 5 0 4 3 ，e - p r o yb t 9 3 c 6 6 ，集成与门、或门、非门，8 为串 行移位寄存器7 4 h c l 6 4 ，8 位数码显示管，按键等。由于版面限制，整个电路原理 图看附录。 3 2 系统电源部分 调试系统工作需要5 v 直流电源，此外，对目标芯片进行编程即烧录芯片时还 需要6 v 和1 2 v 电压，这均由调试系统的电源部分提供。显示模块的工作电压和编 程时需要的6 v 和1 2 v 电压的电源分别由三端可调稳压集成电路l m 3 1 7 组成，其他 部分的工作电源使用的是7 8 0 5 。 l m 3 1 7 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大 集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。 l m 3 1 7 的输出电压范围是1 2 v 至3 7 v ，负载电流最大为1 5 a 。它的使用非常 简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也 比标准的固定稳压器好。l m 3 k 7 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 通常l m 3 1 7 不需要外接电容，除非输入滤波电容到l m 3 1 7 输入端的连线超过6 英寸( 约1 5 厘米) 。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到 比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。 l m 3 1 7 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以 用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过l m 3 1 7 的极限就行。当然 还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电 源输出。 特性简介：o i h r r t o 一2 0 2 塑料封装 可调整输出电压低到1 2 v 保证1 5 a 输出电流 典型线性调整率0 0 1 典型负载调整率0 1 8 0 d b 纹波抑制比 输出短路保护 过流、过热保护 调整管安全工作区保护 图3 1l m 3 1 7 的封装形 f i g3 lp a c k a g eo f l m 3 1 7 i 闷既 0 i r i h r r 蛐j 标准三端晶体管封装：t o 一2 2 0 、t o 一2 0 2 塑料封装，t o 一3 铝壳封装，封装 车速发动目l 转速表在线编程调试系统 t o 一3 9 金属封装 极限参数 表3 1l m 3 1 7 极限参数 t a b l e 3 一lu 1 t i m a t ep a r a m e t e ro fl m 3 1 7 耗散功率内部限制 输入输出压差 + 4 0 v ，一0 3 v 工作温度范围0 。c 至+ 1 2 5 c 储藏温度范围一6 5 。c 至+ 1 5 0 静电级别 2 k v 典型电路 v 缸兰2 8 u l l m 3 1 7l2 5 v 2 5 v 可调 g n d 图3 2l m 3 1 7 的典型电路 f i g 3 - 2t y p i c a lc i r c u i to fl m 3 1 7 g n d l m 3 1 7 电压输出端y o u r 和电压调整端a d j 间的电压称之为参考电压，一般为 1 2 5 v ，根据下面的公式： 脚= v r e f ( 1 + 静+ 血够删 ( 公式3 啊1 ) 可以计算出，当输出电压为5 v 、6 v 和1 2 v 时的r 2 的大致电阻值，但在实际的使 用中，因为调整端电流i a d j 会随着负载阻值的变化而变化，因此要用精密的电位 器进行调整，所以本系统中的三个调压电组分别为：5 0q + 1 0 0q 电位器、1 2 0q + 1 0 0 q 电位器和1 m q 电阻。 由公式3 1 可以看出，输出电压会随着负载电流的增大而减小，当数码显示 管工作时，l m 3 1 7 两端的电压下降，无法保证其他器件的正常工作。为避免电路中 车速，发动机转速表在线编程调试系统 其他部分不受此影响，故采用分开提供电源的方式，其他的5 v 电源用7 8 0 5 提供。 7 8 0 5 是较常用的集成稳压模块，在此不再介绍。 图3 3 电源电路图 3 3 主从调试单片机z 8 6 e 3 3 3 3 ，1概述 美国z i l o g 公司的z 8 a 位高性能单片机系列以其与众不同的新颖设计思想、适 应各种应用场合的标准产品、各种可以选择的封装形式、迅速而又不断地推出一 个又一个的新品种，迅速地被人们所认识并接受。z 8 系列产品早就广泛被应用于 世界各国的各种电子产品：工业控制，计算机的接口和外部设备，尤其是家用消 费类产品的智能化，产品的升级换代。近年来亦逐步被我国的工程技术人员和科 研人员所推荐、采用，并已越来越多地用于各种大批量投产的产品，充分体现了 z 8 系列产品较高的性能价格比。、 a s s p s ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t s ) 特殊应用标准产品是z i l o g 公司在z 8 系列单片机中的总体设计思想，z 8 系列单片机的最大特点就是无累加器 ( 亦即多累加器的核存在于没一个z 8 单片机) ，也是z 8 系列单片机区别于其他各种 同类8 位单片机的最大的优点。多累加器实质上是一个寄存器阵列，既可以作为 车运发动机转速表在线编程调试系统 r a m ，又可以作为累加器集成于同一芯片。这样大大方便了应用软件的编写，又可 减少应用软件的长度，提高内存的利用率。其另一个特点是功能模块设计，针对 不同的应用设计的功能模块，也为用户的应用提供了更多的选择和方便a z 8 系列单片机有4 3 条基本指令，4 7 种指令形式，6 种寻址方式，尤其有一种寄 存器间接寻址方式，更可缩短指令的寻址译码、执行过程，因此可做位操作，4 位、 8 位、1 6 位等操作，亦可b c d 码操作，组成了一组最有效的机器码，其指令有单字 节、双字节、三字节。 3 3 2z 8 6 e 3 3 调试系统中的主从控制单片机采用z 8 6 e 3 3 ，它是z i l o g 公司8 位一次性可编程 单片为控制器系列中的一种。封装为2 8 脚双列直插型式，内部有4 k b 的一次性可编 程e 2 p r o m 和2 3 7 字节通用r a m 。z 8 6 e 3 3 结构是基于z i l o g8 位微控制器，带有一个扩 充寄存器阵列以允许访问随机存取寄存器映射的外设与i o 线路。带有增强唉醒功 能电路、可编程看门狗计时器、低噪e m i 选项和方便的软硬件扩展能力等特性。四 个基址空间支持更大范围的存贮器配置，设计者可以访问三个附加的寄存器以能 够方便地访问周围的映像寄存器和i o 电路。对需要强大的i o 能力的设备，z 8 6 e 3 3 有2 4 个引脚用来输入输出。这些引脚被分为3 个端口，每个口8 线，在软件的设置 下可以用来提供计时信号、状态信号、握手或不握手并行i o 或作为与外部存储器 接口的数据地址线。 z 8 6 e 3 3 单片机功能更加完善，i o 资源丰富，可以进行很多功能的扩展，适合 在民用产品、工业自动化、通信等各方面应用。在本调试系统中，因为显示、键 盘及数据存储、实时驱动等功能的需要，i o 资源消耗需求量大，灵活可靠的控制、 完善的调试功能、友好的人机对话需要复杂的程序来完成，这就需要电片机内部 有足够的程序存储空间和数据存储空间。选用z 8 6 e 3 3 单片机能很好地满足系统要 求，并能够兼容仪表的控制单片机。 单片机特性： 工作电压：4 5 v 5 5 v系统时钟速度可达1 2 m h z 8 位c m o s 微控制器e p r o m 保护 封装形式：2 8 脚双列直插自动锁存 软件激活看门狗计数定时器永久激活w t d p o 口、p 2 口可编程选择上拉r a m 保护 开环i o 方式低功耗6 0 m w 2 4 条i o 口线快速指令指针0 7 5 m s w d t 时钟自由复位两种等待模式：s t o p 和h a l t 上电自动复位数字输入c o m s 标准，施密特触发器 可编程的0 t p 选项软件可编程 氐e m i 模式 r c 振荡器两个比较器 六个带优先级的矢量中断，来自6 个不同源 两个8 位可编程计数定时器，每个带有6 位可编程预置器 片内振荡器可采用一个石英晶振、陶瓷谐振器、l c 或外部时钟驱动 d 车速，发动机转速表在线编程调试系统 封装外形及管脚功能表 表3 2管脚功能表 t a b l e 3 2f u n c t i o nl i s to fp i n s 图3 - - 4z 8 6 e 3 3 管脚图 f i g 。3 - 4f i g u r eo fz 8 6 e 3 3p i n s 标准模式管脚功能定义： x t a l l ：晶体1 ( 基于时间输入) ，该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷振荡器、l c 、 r c 网络或者外接时钟。 x t a l 2 ：晶体2 ( 基于时间输出) ，该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷振荡器、l c 、 r c 网络或者外接时钟。 p o r t o ( p 0 7 一p 0 0 ) ：端口o 为8 位双向c m o s 兼容i 0 端口。可以独立的编程设定 p 0 0 一p 0 3 ，p 0 4 一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o 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o 的高位设定。