（控制理论与控制工程专业论文）汽车数字仪表总成的研究开发.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要窗口和界面，对汽车的安全与经济行驶 起着重要的作用。随着计算机技术和微电子技术的发展，越来越多的新技术在汽车制造业 得到了广泛应用。步进电机式汽车数字组合仪表是通过单片机控制微型步进电机，带动指 针转动来显示和记录汽车行驶过程中的相关信息。与传统的动磁式和动圈式机芯汽车仪表 相比，它具有体积小、重量轻、指示准确、可靠性高、抗干扰性强等优点，己成为当今世 界汽车仪表的发展趋势。 本论文介绍了汽车行驶过程中主要参数的测量原理，建立了相关数学模型。针对我国 目前汽车仪表的发展现状，寻求一种低成本、高可靠性、采用以微处理器为核心的智能数 字式汽车组合仪表解决方案，该方案不仅能很好地克服了机械式仪表无法回避的缺点，而 且具有外形美观、结构简洁、设计自由度高、体积小、实时性好、反应灵敏、精度高、显 示清晰直观、信息量大、功能扩展方便等优点。本论文在对步进电机的工作原理、控制要 求以及m c 6 8 h c 9 0 8 l j l 2 单片机接口和控制技术进行分析的基础上，结合数字组合仪表对 车速、转速、水温、燃油等汽车信息的显示需求，分析了数字组合仪表系统设计中的重点、 难点、关键问题，给出了相应的技术解决方案，设计并实现了基于m c 6 8 h c 9 0 8 l j l 2 单片 机的步进电机式汽车数字组合仪表系统。该仪表总成捌有步进电机、l c d ，l e d 等多种显示 方式，可对车速、行驶里程、发动机转速、冷却水温度、剩余燃油量、等多个参数进行实 时测量和显示。同时系统还预留了总够的开关量引脚和步进电机模块引脚，以增强该仪表 的通用性及扩展性。 关键词：数字组合仪表；m c 6 8 h c 9 0 8 l j l2 _ ；步进电机 a b s t r a c t t h em e t e ro fa u t o m o b i l ei st h em a i ni n t e r f a c e t h ed r i v e rc a ng e tm e s s a g e 舶mi t a n d t h e 8 em e s s a g el s i m p o r t a n tt ot h es a f e t ya n de c o n o m yo ft h er u n n i n ga u t o m o b i l e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m o f e 锄dm o r ei l e w t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n a u t o m o b i l e s t e p p i n ga u t o m o b i l ec o m b i n e dm e t e r d i s p l a y sa n dr e c o r d st h er e l a t e di n f o r m a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm o t i v em a 印e t i ca i l d m o t l v ec 0 1 im e t e rc o r e ，n e wa u t o m o b i l em e t e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s m a l ls i z e ，l i m w e i 龇，h i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ga n t i - d i s t u r b a n c ea n ds oo n i th a sb e c o m ead e v e l o 呻肌t t r 饥do f a u t o m o b i l em e t e rn o w a d a y si nt h ew o r l d ih ep r i n c i p l eo fh o wt om e a s u r e t h em a i na u t o m o b i l er u n n i n g p a r a m e t e r si sf i r s td i s c u s s e d mt h l 8p a p e ra n dt h ec o r r e l a t i v em a t hm o d e li sg i v e n a c c o r d i n gt ot h es t a t u si no u rc o u n 帆a l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ym e t e rs o l u t i o np r o j e c tb a s e do l lt h em i c r o p c e s s o r sn e e d 幻b e 稻u n d f l a l sp r o j e c tc a nn o to n l yo v e r c o m et h o s ed i s a d v a n t a g e so fm e c h a n i c a lm e t e r b u ta l s o i th a s s o m eo t h e r sa d v a n t a g e s ( b e a u t ya p p e a r a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hd e s i g nd e g r e e ，s m a l l s i z e ， g o o dr e a l - t i m e ，h i g hs e n s i t i v i t y , h i g hp r e c i s i o n ，c l e a ra n dd i r e c td i s p l a y , m o r ei n f o r m a t i o n ，e a s i l y f u n c t i o ne x t e n d e dc a p a c i t y ) i nt h ep a p e r , w o r k i n gp r i n c i p l eo fs t e p p i n gm o t o lt h ei n t e 嘞c e t e c h n o l o g yo fm c 6 8 h c 9 0 8 l j12a n di t sc o n t r o l t e c h n o l o g yw a sa n a l y z e df i r s t l y n e l l ， a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fd i s p l a y i n gi n f o r m a t i o ns u c ha s c a l - s p e e d ，r o t a t es p e e d ，w a t e r t 锄p 盯a t u r e ，r e m a l n m gf u e lt h ep a p e ra n a l y z et h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l t ya n dg e tt h es o l u t i o n p r o j e c t an e wa u t o m o b i l em e t e rb a s e do nm c 6 8 h c 9 0 8 l j l 2a n ds t e p p i n gm o t o rw a sd e s i 舯e d a n dr e a l i z e d t h e r ea r el c d ，l e da n d s t e p p e rm o t o r sd i s p l a yi nt h i ss y s t e m a n dt h es y s t e mi s a b l et om e a s u r ea n dd i s p l a ya l lk i n d so f p a r a m e t e r ( v e h i c l es p e e d ，r u n n i n g m i l e a g e ，e n g i n es p e e d ， w a t e rt e m p e r a t u r e ，r e m a i n i n gf u e l e t c ) i no r d e rt oe x p a n ds y s t e mf u n c t i o n ，t h e r ea r em o r e s w i t c h i n gm o d u l e sa n ds t e p p i n gm o t o rm o d u l e st ob es e t k e y w o r d s ：a u t o m o b i l em e t e r ；m c 6 8 h c 9 0 8 l j12 , s t e p p i n gm o t o r 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 一监作者签名：一么基上日期：型掣夸哥 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：盔兰 指导教师签名：亟显釜 日 期：迦& 牟1 2 丑垒旦 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 前言 汽车仪表是人和汽车的交互界面，它是用来显示和记录汽车的各种行驶信息及发动机 运转状况的重要装置，以便驾驶员随时了解和掌握汽车各系统各部件的工作状况，保证汽 车可靠而安全地行驶。汽车仪表所显示信息有车速、转速、燃油、水温、里程、各种报警 和状态指示等。过去的汽车仪表多为模拟式、动圈式机芯( 线圈连同指针一起转动) 或动磁 式机芯( 磁钢连同指针一起转动) 仪表，主要是利用电磁感应原理来实现仪表的指示，指针 的回转回零则是利用弹簧游丝的弹性实现引。动圈式机芯仪表存在抗震性能差、过载能力 弱、指针易抖动等缺点；而动磁式机芯( 主要是十字交叉机芯) 仪表虽比较先进，但也存在 一致性、通用性差的缺点。同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复 杂等缺点。因此，迫切需要一种一致性好、通用性强、可靠性高的驱动机心来取代。 计算机技术和微步进电机技术的不断发展，给汽车仪表的技术变革带来了可能和机 遇。微型步进电机是一种以脉冲信号作为驱动信号的特殊电机，用它来驱动仪表指针，与 先前的模拟式机芯相比具有体积小、重量轻、指示精确、一致性好、便于控制等特点，特 别适合于用单片机来控制。而单片机具有集成度高，抗干扰能力强，并具有较强的数据处 理能力和接口功能，所有功能由软件实现，应用灵活，系统的扩展、配置较典型、规范， 容易构成各种规模的应用系统。以单片机来控制微型步进电机带动仪表指针来实现仪表指 示的功能已经成功地得到应用，这充分发挥了单片机和步进电机的所有优势，它们的完美 结合构成的步进电机式数字化汽车组合仪表具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强、体积 小、重量轻、生产检测工艺简单、一致性和通用性好等优点，非常适合现代汽车的生产b 。 因此它的发展前景非常广阔。 这里要完成的课题是基于单片机的汽车仪表总成，它是针对目前广泛使用的模拟电子 式汽车仪表机芯存在的多方面不足，在其工作原理上做出技术创新，即彻底放弃了“动磁 式”或“动圈式”模拟电子式汽车仪表通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针工作的形 式。步进电机式汽车仪表由单片机完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接控制步进 电动机，再由步进电机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量。步进电机式汽车仪表在指 示方式上仍然保留了现在普通仪表指示直观、有动感、符合驾驶员习惯等特点，而且批量 生产的成本有望低于同等功能的模拟电子式汽车仪表，更可贵的是在工作原理上的创新和 突破，带来了技术性能质的提高。 本论文共分为5 章。第l 章介绍了汽车仪表技术的发展概况。第2 章介绍了测量对象 的性质、频率信号测量原理、模拟信号测量原理以及各种数据的计算方法。第3 章详细介 绍了本课题的设计方案、各个模块的划分以及课题所涉及的各种芯片资料。第4 5 章则 分别介绍了系统的硬件设计和软件设计。 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 1 1 汽车仪表的基本情况 第一章绪论 纵观汽车仪表的发展历程，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4 个阶段，或称为经过4 代： 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 机芯仪表： 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 代为步进电机式全数字汽车仪表； 目前汽车仪表正在经历由第3 代向第4 代转型时期。第3 代汽车用仪表工作原理与电 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。其出现的时间大致在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) 。经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机芯 ( 线圈连同指针一起转动) 和动磁式机芯( 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。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。虽然，每次较大改进后整体性价比都有所提高，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。现在看来，十字交叉动磁式仪表肯 定是第3 代汽车仪表发展的尽头，必将让位于第4 代全数字式汽车仪表h 1 。严格地说，第 4 代全数字式汽车仪表从其应用的技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表， 但信号处理方式己从模拟变成数字。仅凭信号处理方式的改变还不足以将全数字式汽车仪 表划分成_ 个新阶段一其最显著的特征是工作原理与第3 代汽车仪表完全不同，如果一个 产品在工作原理上有原创新和突破，则其设计思路、组成形式、功能和性能的改变将是根 本性的。 关于全数字式汽车仪表早在2 0 世纪8 0 年代就已经被提出，最初为“数字显示”形式 的汽车仪表1 。虽然该仪表的工作方式是全数字式，并且技术水平和仪表的性能也远远超 过了第3 代汽车仪表，但其致命的缺点是只能显示一组孤立的数字，没有动感，在被测物 理量( 如车速、发动机转速) 发生变化时，只有数字翻动，而没有指示上升、下降直观感， 再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，这种形式的汽车仪表很难被驾驶员 接受，因而国内外都没有普及与推广。为了克服上述不足，后来出现了采用光点、光条或 光带模拟动态显示被测物理量形式的全数字汽车仪表，显示器件主要有l e d 、l c d 和电致 发光材料等。由于受到成本的限制，目前光显示汽车仪表只能选用字段显示方式的显示屏， 无法选用显示分辨率更高的点阵式显示屏晦7 1 。因此，其视觉效果和显示精度还不能令人 武汉科技大学 硕士学位论文第3 页 满意。随着电子技术的发展，特别是e c u 性能提高，主要表现在抗强电磁干扰、工作温度 范围和对工作电源稳定性要求等方面的改善，再加上价格的大幅度降低，目前有条件在汽 车仪表上使用e c u 控制的全数字仪表。虽然全数字式汽车仪表曾经出现多种款式，但业内 人士和专家一致看好“e c u 控制步进电动机式汽车仪表”( 以下简称步进电动机式汽车仪 表) 隅一1 。总体来说在以下几个方面体现了优势： ( 1 ) 指示精度远远高于现行国家标准。以汽车里程表为例，在0 - 一2 4 0 km h 的整个指 示值范围内，基本误差的最大值小于1k m h ，而q c t 5 9 4 - 1 9 9 9 汽车、摩托车用电子车 速里程表标准中4 5 条款规定的基本误差为：在3 5k m h - - - 1 0 0k m h 的中速区基本误差为 5k m h ；在1 7 0k m h 的高速区基本误差为9k m h ；在3 5k m h 以下的低速区不作具体要 求。从这里我们可以看到模拟电路电子式汽车仪表在低速区的基本误差相当大，标准不便 于做出硬性规定，这表明模拟电路电子式汽车仪表在低速区的线性是非常差的，模拟电路 电子式汽车转速表、油量表和水温表都有类似的问题。就模拟电路电子式汽车仪表所用的 技术手段而言，无法克服低速区线性差和精度不高的缺点。我国加入了w t o ，标准要与国 际接轨，关于汽车仪表基本误差的规定肯定比现行国标要严格( 现行国标针对模拟电路电 子式汽车仪表制定) ，从这个意义上来说，模拟电路电子式汽车仪表将不能满足国家新标 准要求而被淘汰。 ( 2 ) 重复性好。因取消了游丝，也不需要使用阻尼油，再加上指针由步进电机直接驱 动，而步进电机受单片机控制，彻底克服了模拟电路电子式汽车仪表重复性差的不足。 ( 3 ) 分度均匀。由于模拟电路电子式汽车仪表的指针位置是由合成磁场确定的，其线 性差的问题难以解决。虽然常采用低速区和高速区不均匀分度方法加以纠正，但这样会导 致高速区和低速区指示精度降低和分辨率下降。而步进电机式汽车仪表完全可以实现在整 个指示范围内分度均匀一致。 ( 4 ) 响应速度快、无抖动。由于没有阻尼油，其指针响应速度很快，从初始位置零点 到指示最大值位置，指针转动时间一般小于2 s 。另外，因为步进电机式汽车仪表可采用计 算机数据滤波等多项技术措施，同时也不增加硬件成本，当输入信号恒定时，指针无任何 抖动，这是模拟电路电子式汽车仪表难以做到的。 ( 5 ) 可靠性有根本改善。由于取消了针轴、游丝、线包、磁屏蔽罩和机械零件，所以， 它的故障率很低，几乎可以免维护。 ( 6 ) 产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。由于步进电机式汽车仪表省去了全部机 械零件，不存在模拟电路电子式汽车仪表在装配过程中针轴与轴承间问隙不一致、阻尼油 阻尼不合适等问题。在装配后基本上不需要再调整，也不需要校表j 因此，不仅大大地简 化了装配工艺，而且产品品质易于得到保证。 ( 7 ) 适用范围广。步进电机式汽车仪表机芯是一种基本上能满足所有车型的通用机芯， 只要在软件中针对不同车型，将有关参数作适当修改，硬、软件主体结构并不需要作任何 改动，便能满足其要求。可以省去模拟电路电子式汽车仪表对不同车型需要重新设计电路、 再调试，进而做可靠性实验等复杂过程，能最大限度地缩短产品开发的时间和费用。更重 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 要的是避免了可能出现的技术风险。 发达国家目前已经普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电机式汽车仪 表，并且正向“综合信息系统 的方向发展，其功能不局限于现在的车速、里程、发动机 转速、油量、水温、方向灯指示，还可能增添一些功能，比如带e c u 的智能化汽车仪表， 能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊等n 们。并且在解决汽车仪表 显示系统的方面做了许多有意义的尝试，形成了未来汽车仪表设计的新趋势。未来汽车仪 表的新概念将以创新、超越为理念，更多地融入未来高新技术的最新成果，充分展示汽车 仪表个性和理性的风采。 目前我国的汽车仪表显示装置与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距，主要 表现在产品技术水平低、造型设计单调，产品耐久性和可靠性差，数字化程度低，跟不上 整车发展，传统的模拟显示在中国市场上应用份额还较大，尤其在一些低端车型和卡车上。 数字仪表的研发生产还主要集中在一些合资或独资的企业中如德科、马瑞利、芜湖西门子 v d o 、伟世通、博世等1 。虽然我国在电磁式仪表上有了长足发展，但在目前向全数字式 仪表转变过程中，我国汽车仪表行业仍处于仿n ； i - 国汽车仪表的阶段。尽管国内汽车仪表 界一致看好全数字式汽车仪表，但国内本土企业还缺乏相应的技术条件和开发经验，另一 方面又受到国内基础工业薄弱的制约，这直接影响汽车仪表行业的制造工艺和设计能力， 并缺少同步配套的高、精、尖加工设备和检测设备，这些都严重限制了国内汽车仪表行业 的发展速度引。 1 2 课题研究的主要内容 本课题主要是针对某轻型卡车开发的数字组合仪表总成，同时兼顾其他车型。根据我 国汽车行业标准q c t 5 3 7 1 9 9 9 ，组合仪表选择车速表、发动机转速表、冷却水温度表、燃 油表、液晶显示器及其他相关的指示灯等部分组成。通过对汽车仪表系统的基本功能的分 析，完成系统的总体设计方案及基本框图的设计；对系统的各个组成部分的具体电路进行 分析和设计；对系统主要功能部分的软件进行分析和设计。具体内容包括以下几方面： c p u 选型及其周边电路设计。 ( 2 ) 车速、发动机转速脉冲信号的获取及处理。 ( 3 ) 冷却水温度、燃油量模拟信号的获取及处理。 ( 4 ) 步迸电机驱动电路的设计。 ( 5 ) 电源系统的设计。 ( 6 ) 开关量电路的设计。 ( 7 ) 系统软件设计。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章数学模型的建立 2 1 测量对象的性质 测量对象主要是汽车行驶速度、发动机转速、冷却液温度、油箱剩余燃油量，行驶里 程等它们具有以下性质： ( 1 ) 利用车速传感器将车速转变为频率与车速成正比的脉冲信号，这样对车速的测量 就转变为对频率的测量。 ( 2 ) 由于车速传感器发出的脉冲数与汽车行驶里程成正比，里程计数又转变为对脉冲 的计数。 ( 3 ) 发动机转速与点火频率成正比，计算点火脉冲信号的频率，可间接计算出发动机 转速。 ( 4 ) 汽车水温传感器有两种：一种是双金属片式，输出信号为占空比随水温下降而增大 的电流脉冲信号。另一种是热敏电阻式传感器，其阻值随温度的升高而减小。 ( 5 ) 一般汽车都是测量油箱液面的高度间接求得剩余油量。液位传感器发出的是电阻 信号，阻值随液面的下降而增加，可通过测量其分压大小计算出液面高度。 综上所述，需测量的对象分为频率量、模拟量两类。 2 2 频率信号测量原理 常见的频率测量方法有频率法、周期法、混合测频法以及频压转换法口引。频率的测量 方法不仅会影响到测量精度，而且也会影响到动态性能。故下面对它们的测量原理进行简 单的介绍。 2 2 1频率法 频率法又叫直接计数法，就是在某一选定时间闸门t 内，对被测量的信号脉冲进行计 数，然后根据计数值m 和闸门时间t 求得所测信号的频率，其硬件原理如图2 1 所示。 时间控制 图2 i 频率法硬件原理图 若在闸门时问t 内计数脉冲值为m ，则被测信号频率为： 第6 页武汉科技大学 硕士学位论文 厂：一m ( 2 1 ) ：f 频率法的测量时间基本恒定，动态性能由闸门时间t 决定，t 越小，动态性能越好。根据 误差传递公式可推出： 篓：掣一坚( 2 2 ) _ l 一一一一i yy l fmt 在式( 2 2 ) 中，可以看出误差是由两部分组成，一部分是由石英晶体振荡器引起的时基误 差，这部分误差通常是在1 0 巧以下，可忽略不计。另外一部分是数字化仪器所特有的误差 称为l 误差，l 误差产生的原理如图2 2 所示，第一个丢失的脉冲是由于开始检测时 脉冲宽度己小于机器周期t ，第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外。 由以上分析可得： 闸门时l e t 输入 丢失 图2 2 测量误差产生原理 笪坐：望( 2 3 ) 一一= 一、厶) ， f m t j 丢失 由式( 2 3 ) 可以看出，在t 固定的情况下，厂即频率越低则误差越大，所以频率法比较适 合用于高频信号测量。实际测量时，一般采用微处理器内部定时器给出一定的时间间隔控 制信号，控制计数器在设定的时间内计数信号脉冲的个数m ，由此可以计算出被测信号脉 冲的频率n 4 1 5 3 。 2 2 2 周期法 基本原理是在被测信号的周期t 内，对某一基准时间进行计数，基准时间与计数值的 乘积便是周期t 。如图2 3 所示，被测信号周期为瓦，参考脉冲的频率为正，被测信号的 周期为： 乃= 篑 汜4 ) 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 测量误差值： 时钟 脉冲 l 脉冲信号 一 一唧厂 图2 3 周期法原理 竖：一a m 一篮( 2 5 )一= 一一；i ， j j l j c m jx 同频率法测量误差相似，式( 2 5 ) 中第二项可以忽略不计，仅考虑l 误差，则式( 2 5 ) 为： 竺旦( 2 z 6 ) 一一1 n j t c t c l 。一 显然，在六一定的条件下，t 越大则测量误差越小，可见周期法适合用于低频信号的频率 测量。图中信号周期数为l ，称为单倍周期法，若信号周期大于1 则称为多倍周期法。 如图2 4 所示，实现周期法测频必须满足两个硬件条件，一是具有使闸门时间等于被 测信号一个周期时间的控制电路，二是具有对时钟信号变化次数进行计数的计数器。用单 片机实现周期测频法不需要任何外加电路，实际测量时，一般将信号脉冲上升沿或下降沿 作为微处理器内部定时器的启停控制信号，控制计数器对微处理器工作时钟计数，从而换 算出信号脉冲周期，由此可以计算信号脉冲的频率6 1 。 信号脉冲 浏 f j 锷处理 卜、 酶 片 卜、 显示 机 时钟脉冲 卜 定时器 卜 2 2 3 混合测频法 图2 4 周期法硬件实现原理 在前面已经介绍过的两种方法罩，频率法在测量低频时的误差较大，周期法在测量高 频时的误差较大，因此这两种方法都不适合用于通频带的测频。但是，如果能够把测试频 段具体划分为高频段和低频段，然后在高频段应用频率法，在低频段则应用周期法，这样 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 显然可以有效的提高测量的准确度。这种对高低频具体划界，分别运用频率法、周期法进 行测量的方法就是混合测频法。 2 2 4 频压转换法 频压转换法又称v f 法，其硬件原理如图2 5 所示，利用频压转换芯片，设置好参考 电压对应的信号频率，然后通过对转换后的信号电压的测量来计算出脉冲信号的频率： f = v ，f j l h - 一f , ：心、 式中：v 脉冲信号转换后的电压值； a d 芯片j 下压参考值； 圪a d 芯片负压参考值； 以对应的脉冲频率； z 圪对应的脉冲频率。 这种方法实际应用中比较复杂，经过芯片转换后的精度也很难保证，所以在实际应用中很 少使用。 图2 5 频压转换法硬件实现原理 2 2 5 关于本课题的测频方法选择 设主减速器的减速比为f ，车速传感器每转一周产生的脉冲数为z ，传感器转子与车轮 的转速比为k ，车轮的直径为d m m ，汽车的速度为矿k m h ，车速脉冲信号频率为f h z ，则 有： 厂：掣矿( 2 8 )。 3 6 z d 取上述参数f = 8 ，z = 4 ，k = 4 ，d = 5 0 r a m ，考虑到实际车速，同时为了使误差分析更具普遍适 应性，选取矿= 0 2 0 0 k m h ，则有： f2 0 4 5 2 7 h z 可见车速脉冲信号的频率分布不是很宽，且汽车绝大部分时间试运行在低中速状态 下，其频率主要处于低频带，从全局来看车速脉冲的测量选用测量周期法，为保证测量精 度决定采用多倍周期法( w = 4 ) 进行测量。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 2 6 车速信号的计算方法 因为车速传感器输出的脉冲信号的频率是与车速成正比的，所以测得输出脉冲信号的 频率后就可计算出车速的大小： v = 3 6 x 万x d 上( 2 9 ) zi k 1 0 式中：厂一频率； i 一主减速器减速比； k 一传感器转子与车轮的转速比； d 一车轮外径； z 一车轮每转一圈传感器输出的脉冲信号数。 在式( 2 9 ) 中可见，除频率外的其他参数都是车辆的具体参数，随着车型的不同而确定“7 。 2 2 7 转速信号的计算方法 发动机转速测量可取自飞轮齿信号，设飞轮齿数为z ，各校验点转速为拜，则发动机 的转速频率信号可表示为： 厂：里兰( 2 1 0 ) ，= 一么i uj 。 6 0 2 2 8 行驶里程计算方法 汽车行驶总里程可由下式求得： s = f 瞅= 喜矾馘= c 芸m ，c 2 ，- ) 令m = m ，则：s = c - m 式中：s 一里程( k m ) ； c 一车型系数； m 车速传感器发出脉冲数。 2 3 模拟信号测量原理 2 3 1 电压信号的测量原理 随着数字技术的快速发展，尤其是计算机在控制领域和数字信号处理领域的广泛应 用，用数字技术来处理模拟信号的情况越来越多。为了实现模拟信号的数字处理，首先必 须将其转换为数字信号，计算机力能进行处理，实现这种功能的是模数转换电路( a n a l o gt o d i g i t a lc o n v e r t e r 即a d c ) 。广义地说，将输入的任何一种模拟量转变成数字量输出的装 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 置，都称为模数转换器。但在实际应用中，一般都已经将模拟量转换成直流电压，因此通 常说的“模数转换”多指直流电压到数字量的转换，本系统应用的就是这种a d 转换。模 拟信号是一种幅度和时间都是连续的信号，而数字信号是一种幅度和时间均为离散的信 号。要将模拟信号转换为数字信号需要完成两个方面的转换：首先将时间进行离散化处理， 这一步是通过取样来实现的，然后将信号的幅度进行离散化，该功能是通过量化来实现的。 这仅是一个理论的过程，实际分为取样、保持、量化、编码四个过程。 ( 1 ) 取样 取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。具体来说，就 是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，各个脉冲是等距离的，其幅度取决于输入的 模拟量。其工作过程如图2 6 所示 嘞 0 图2 6 取样工作过程 如果取样频率较低，其输出波形将不能严格保留输入信号的信息；如果取样频率较高， 其转换的输出与输入波形能做到较好的一致，但输出的脉冲次数也就较多，这又是不希望 的。那么取样的频率如何确定呢? 选择的原则是根据一个著名的定理，即取样定理。取样 定理描述了将模拟信号转变成离散信号并且从离散信号中可以恢复其原始信号所需要的 最低取样频率。如果原始信号的最高频率为n ，则取样频率f 应遵循下列公式： f 2 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 保持 从以上取样输出波形可以看出，两个取样点之间的时间段没有输出信号，由于取样脉 冲的宽度一般都比较窄，在这个较短的时间内有信号输出是不便于进行量化和编码的，故 需要将两个取样点之间的信号连接起来。这样，两个取样点之间的时间间隔对应的幅度保 持不变，可以稳定地进行量化编码。保持电路实际上是利用电容器的存储特性。在实际应 用中，取样和保持两个过程是合二为一的。图2 7 给出了一个典型的取样保持电路的 工作波形。 武汉科技大学 硕士学位论文第1 1 页 训国 0 哟 0 图2 7 保持电路工作波形 ( 3 ) 量化和编码 取样和保持之后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它的取样信号取值是任意 的，而数字信号的取值只能是某个规定的最小数量单位的整数倍，例如，用4 位二进制数 来表示，只有0 0 0 0 到1 1 1 1 共1 6 种状态。为将模拟信号转换为数字量，在进行模数转换 时，还必须将取样一保持电路的输出电压按照某种近似方法，用一个最小单位的整数倍表 示出来，这个过程称为量化。量化的结果根据不同的目的，其输出的格式不同，即输出编 码的形式不同，这就需要进行编码。编码就是将量化的结果转换为需要的编码形式，这也 就是模数转换最后所得到的数字量的结果。 a d 转换可分为直接转换和间接转换两类。直接转换以并行比较和逐次逼近比较两种 电路为主；间接转换有双积分型和v f 型a d 转换电路。这些a o 转换电路中以并行比 较的速度最快，双积分型转换速度较慢，最大的优点是可以消除工频干扰对测量的影响。 但是并行转换由于比较器属于模拟电路，集成度不是很高，给制造带来不便，价格也比较 高，所以应用很少。实际应用较多的是结构比较简单的逐次逼近式a d 转换电路，尤其是 在一般中速的a d 转换的场合。 2 3 2 本系统的a d 转换过程 本系统的电压测量模块硬件原理如图2 8 所示，将传感器信号经前置处理后输入到单 片机的a d 转换的输入端，利用芯片内部的a d 转换器完成测量。 堕 片 机 图2 8 d 转换硬件原理 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 3 燃油量的计算方法 通常，人们只需知道剩余燃油大致的量而无须了解其具体数值，所以油量的测量相对 比较简单。根据浮子式传感器原理，液位与电阻成反比，只要测得其即时电压与油箱充满 时的电压对比即可得到大致的油量，其计算方法如下： c ：生1 0 0 ( 2 1 3 ) v f 式中：c 一剩余燃油量占油箱容积的百分比； 圪一当前液位时传感器输出的信号电压； 矿，一油箱充满时的传感器输出信号电压。 2 3 4 冷却液温度的计算方法 通过a d 转换将温度传感器和液位传感器测得的模拟量转换为数字信号，计算公式为： 。丧川汜 式中：乇。，冷却液温度( ) ： 圪当前温度传感器输出信号电压( v ) ； 1 0 0 时温度传感器输出信号电压( v ) 。 2 4 本章小结 本章简要分析了各测量对象的性质，通过对目前常用测量原理的分析为本课题确立了 较为切合实际的数学模型，为下一步的系统软硬件详细设计打下了坚实的基础。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章系统设计方案 论文研究的是基于单片机的步进电机式汽车组合仪表的解决方案。单片机是整个系统 核心；微型步进电机是最直接最根本的控制对象；与汽车仪表密切相关的一些汽车基本行 驶信息( 车速、转速、水温、燃油，还包括车载电源) ，是单片机所需要处理的信息；系统 软件是实现系统功能根本手段；系统的抗干扰能力是系统能否稳定可靠工作的基本保证。 通过对它们作理论分析和研究，可以对系统方案做出一个总体的设计。 3 1 系统的功能与要求 设计一套车载仪表总成，用于显示和记录汽车行驶过程中的各种状态信息，具体实现 功能应达到如下要求： 1 采用通用单片机，用软件实现对系统的控制。 2 用步进电机带动表盘指针实时指示汽车在行驶中的车速、转速、水温、燃油量四路 信号。其中燃油量要有记忆功能，并且摆动稍有滞后。 3 用l c d 来显示时钟，汽车行驶总里程( 累计) 和日罩程( 日计) 。其中，累计总里程具 有记忆功能，日计里程可随时直接清零n 8 “9 2 0 l 。 4 表盘展开角：水温和燃油的展开角为9 0 度，车速展开角为2 4 5 度，转速的展开角 为1 8 0 度。在程序设计时，展开角作为变量来处理，根据实际需要，可以随时调整。 5 电源掉电和上电时，表头指针能复位回零，燃油表除外。 6 系统电源由车载蓄电池提供+ 1 2 v 电压。 7 系统要具有较强的抗干扰能力，硬件设计和软件设计都必须考虑。 8 j 下确显示各种报警、状态信息。 9 系统要有较好的兼容性和通用性，标定和检测方便。 另外，为了提高该仪表系统的通用性与灵活性，在设计硬件电路时要预留足够的开关 量引脚以及步进电机模块，当车型改变或测量参数增加时，仅需要添加相应的模块即可达 到测量要求。这不仅可以提高工作效率，而且节约了资源。图3 1 为系统结构图。 3 2 系统组成 本数字仪表系统由硬件和软件两部份组成，下面首先介绍硬件部分。本系统的硬件部 分主要包括一下几个模块：步进电机模块，车载信号输入模块，c p u 模块，电源 模块，开关量模块。下面来详细介绍这些电路。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 1 系统结构图 3 2 1 步进电机模块 1 步进电机的结构及分类 步进电机是微型电机的重要分支，是一种新型的电动机，是数字控制系统的一种执行 元件。它是将电脉冲信号转换成相应的角位移( 或线位移) 的变换器，它的转速n ( 或线速度 v ) 与脉冲频率f 成j 下比。它可以用脉冲信号直接进行开环定位控制，而无需位置或速度传 感器，并且控制线路简单，使用方便、可靠。步进电机可以在宽广的频率范围内通过改变 脉冲频率来实现调速，快速起、停，正、反转控制及制动等，这是步进电机最突出的优点。 在自动控制系统或者汽车电装产品中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电 磁装置，步迸电机的工作特点恰好符合此要求，可以说它是和现代数字控制技术结合的最 好的一类电机，并且很容易和其它数字器件进行接口。随着微处理器在数控技术中的推广 应用，步进电机的发展前景正在一步一步拓宽。因此，第四代汽车仪表驱动电机大多选择 了微型的步进电机。可以说，步进电机天生就是一种离散运动的装置。由步进电机组成的 步进传动系统具有以下优点： 首先，步进电机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内在的联系， 很容易和其它数字器件进行接口。 其次，对于步进电机，位置误差无积累。 第三，步进电机可以位置开环方式进行控制，位置丌环不需要任何位置反馈环节，系 统结构简单，不存在系统不稳定问题。 第四，采用永磁式或混合式步进电机，除停转期间消耗的电能较小外，它们还具有记 忆转矩功能，可以在停电的条件下将转子锁定在特定的位置上。现在比较常用的步进电机 包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进电机( h b ) 、和单相式步进 电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用 磁导的变化产生转矩，反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家8 0 年代已被淘汰，在国内的应用也亦趋减 少。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或1 5 度，由于 永磁式步进电动机高精密性及其他一些方面的优势而被广泛应用于用于打印机等办公自 动化设备、医疗器械及舞台灯光等自动化控制系统、空调器等家用电器和部分航空航天设 备上。混合式步进电机又叫做感应子式同步电动机，它混合了永磁式和反应式的优点，而 且效率很高。两相和五相为最常用的两种，两相步进角一般为1 8 度而五相步进角一般为 o 7 2 度。由于混和式步进电机可以实现细分控制，因此应用最为广泛。步进电机和一般 交、直流电动机不一样，后者的电源常常是一个标准的交流或者直流电源，只要电压等级 和容量与电机额定参数相符，电机基本上就有一确定的性能。步进电机的电源在许多情况 下是一个直流开关电源。步进电机的性能很大程度上依赖于驱动电源的特性，因此讨论步 进电机的驱动原理及其驱动方式就显得尤为重要。 2 步进电机的工作原理 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而 不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。当步进驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 及步进角) 。 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的乜1 2 引。 当电流信号经由四个触点输入时，引起电机线圈的磁场变化，从而引起转动轴的转动， 而后再通过齿轮差速比装置带动针轴的旋转。步进电机可以作顺时针和逆时针两个方向运 动，顺时针运动和逆时针运动，取决于电流信号的给定与变化。电机的正反转是由电平的 高低末决定的。当输入高电平时，电机正转；当输入低电平时，电机反转乜引。如图3 2 所 示。 3 步进电机的特点 步进电机的一个最显著特点就是步距角固定。保持转矩是指步进电机通电但没有转动 时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力 矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度 的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。一般步进电机的 精度为步进角的3 5 ，且不累积。汽车仪表在实际应用中要求精度高、功能全，微型步进 电机正好具备这些要求，除此之外，它还具有体积小、控制操作方便的优点。 系统选用伟力驱动技术有限公司生产的v i d 2 9 系列步进电机。它是一种精密的微型步 进电机，内置减速比1 1 8 0 的齿轮系，主要应用于车辆的仪表指示盘j 也可以用于其它仪 器仪表装置中，将数字信号直接准确地转为模拟的显示输出。已分别获得中国专利 ( n o z l 0 2 2 8 9 1 0 7 2 ) 和美国专利( n o u s 6 9 0 3 4 6 9 8 2 ) 。v i d 2 9 系列步进电机需要两路逻辑脉冲 信号驱动，可以工作于5 v 到l o v 的脉冲下，输出轴的步距角最小可以达到1 1 2 。，最大角 速度6 0 0 。s ，可用分步模式或微步模式驱动心圳。电机在设计上选用高级铁磁材料和特种耐 磨塑料，同时兼顾到防火等安全性能，采用具有消声和耐磨效果的特殊齿形，保证了电机 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 的长期运转寿命和性能。 脉冲序列 l 1 ：j 3 l_ l 一 十， 上，i j + j 朝 ： 萨 t 卜- 转子 齿轮系马达输出 图32 电机工作原理 由c p ui 加端发山脉冲信号不能直接驰动表头步进屯