（车辆工程专业论文）基于can总线的新一代客车组合仪表研制.pdf

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。 论文作者签名：二虹日期：二型_ 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( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 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学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：圭丝 指导教师签名：杰丕埋 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 汽车仪表是指示车辆信息的重要窗口，对汽车的行驶安全具有重要的作用。随着汽车 电子技术的迅速发展和新能源汽车的出现，原有的汽车仪表已经不能满足现代汽车对车辆 信息的指示要求。本课题所研制的基于c a n 总线的新一代客车组合仪表就是针对新能源 汽车东风e q 6 11 0 h e v 混合动力城市公交车所研制的一款新型仪表。 本文分析了混合动力城市公交车组合仪表系统的主要功能，并根据这些功能制定了组 合仪表的总体设计方案。在硬件设计中，使用两片f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 微控制 器作为控制核心。组合仪表中使用了7 个步进电机来指示车辆的信息；同时使用液晶显示 模块来显示混合动力城市公交车运行中的能量状态和发动机、电动机、电池组的工作参数； 仪表接入整车c a n 网络，采用p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器使组合仪表与整车控制器、 电机控制单元、电池管理单元等电子控制模块之间进行数据通讯，使车辆的数据实时显示 在仪表中。在控制软件设计中，步进电机驱动控制采用了细分控制和模糊调速的方法，使 步进电机的运行更加平稳、快速，减少了步进电机的抖动；同时使用了m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 的 步进电机失步检测模块( s s d ) 对步进电机进行归零操作，使步进电机更快的回到零刻度 点；对液晶模块采用了动态显示和多屏显示的方法，对混合动力的能量状态进行动画效果 显示，增强了液晶显示的可视效果，显示更多的车辆工作状态；系统对脉冲量和模拟量采 样采用了数字滤波法，使获得的采样信息更为准确可靠。仪表系统调试方面，使用l a b v i e w 编写的上位机软件对组合仪表进行标定调试，确定了组合仪表采样值、真实物理量值、步 进电机步进步距值之间的对应关系；组合仪表与混合动力硬件在环仿真系统和整车控制器 组成c a n 网络对组合仪表c a n 总线功能进行调试，调试结果表明步进电机指针指示准确， c a n 网络工作正常。 本课题研制的客车组合仪表具有很好的兼容性，不仅可以作为混合动力城市公交车的 仪表，也可以根据不同的需要更换其中的某些显示设备，对软件程序进行修改就可作为其 它类型客车的仪表使用。 关键词：汽车仪表，c a n 总线，步进电机，液晶显示模块 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ei n s t r u m e n t a t i o ni sn o to n l ya l li m p o r t a n ti n t e r f a c et od i s p l a yt h ei n f o r m a t i o no f t h ev e h i c l e ，b u ta l s oi sa l li m p o r t a n tp a r tf o rt h es a f ed r i v i n g a st h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo ft h en e we n e r g yv e h i c l e s ，t h ef o r m e r a u t o m o t i v ei n s t r u m e n t a t i o nc a nn ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n f o r m a t i o nd i s p l a yi n t h em o d e r nv e h i c l e t h i sp a p e ri st h en e wg e n e r a t i o np a s s e n g e rc a ri n s t r u m e n t a t i o nd e v e l o p m e n t b a s e do nc a nb u sw h i c hi san e wi n s t r u m e n t a t i o nm a d ef o r t h en e we n e r g yv e h i c l e sd o n f e n g e q 6110 h e vh y b r i db u s t h ep a p e ra n a l y z e st h em a i nf u n c t i o no ft h eh y b r i db u si n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m ，w h i c ht h e o v e r a l ld e s i g no ft h ei n s t r u m e n t a t i o ni sm a d eb a s e do n i nh a r d w a r ed e s i g n ，t w of r e e s c a l e m c 9 s12 h z 2 5 6m i c r o - c o n t r o l l e r sa r eu s e d 鹤t h ec o n t r o lc o r e s e v e ns t e p p e rm o t o r sa r eu s e dt o s h o wt h ei n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l e a nl c dm o d u l ei su s e dt od i s p l a yt h ee n e r g ys t a t eo ft h e h y b r i dp o w e rs y s t e ma n dt h ep a r a m e t e r so ft h ee n g i n e ，m o t o ra n dt h eb a t t e r y 1 1 1 ec a n t r a n s c e i v e rp c a 8 2 c 2 5 0i su s e dt om a k et h ei n s t r u m e n t a t i o nl i n ki n t ot h ec a nb u so ft h ev e h i c l e , s ot h a tt h ei n s t r u m e n t a t i o nc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ev c 舡c l ec o n t r o lu n i t ，m o t o rc o n t r o lu n i t , b a t t e r ym a n a g e m e n tu n i ta n dd i s p l a yt h ep a r a m e t e r so ft h e s ee l e c t r o n i cm o d u l e s i ns o f t w a r e d e s i g n , t h em i c r o s t e p p i n gm o d ea n dt h ef u z z yc o n t r o lt oc h a n g et h es p e e do ft h es t e p p e rm o t o r s a r eu s e dt od r i v et h es t e p p e rm o t o r s ，w h i c hm a k e st h es t e p p e rm o t o rr u nm o r es m o o t h l y , q u i c k l y a n dr e d u c ed i t h e r s t e p p e rs t a l ld e t e c t o rm o d u l eo fm c 9 sl2 h z 2 5 6i su s e dt om a k et h es t e p p e r m o t o rr e t u r nt oz e r of a s t e r , m o r ea c c u r a t e l y i nl c dm o d u l e ，t h ed y n a m i cd i s p l a ym e t h o da n d m u l t i s c r e e nd i s p l a ym e t h o da r eu s e dt od i s p l a yt h ee n e r g ys t a t e sa n dm o r ew o r k i n gp a r a m e t e r s o ft h eh e v , w h i c he n h a n c e sl c d d i s p l a yv i s u a le f f e c t t h ed i g i t a lf i l t e r i n gm e t h o di su s e di n p u l s es a m p l i n ga n da n a l o gs a m p l i n g , s ot h a tt h ei n f o r m a t i o no b t a i n e db ys a m p l i n gi sm o r e a c c u r a t ea n dr e l i a b l e i ni n s t r u m e n t a t i o ns y s t e md e b u g g i n g ，ah o s tc o m p u t e rs o f t w a r ei sm a d eo n t h ep l a t f o r mo fl a b v i e wt od e t e r m i n et h er e l a t i o n s h i po ft h es a m p l ev a l u e ，t h er e a lp h y s i c a l v a l u ea n dt h es t e p so f t h es t e p p e rm o t o r r o t a t i n g ；t h ei n s t r u m e n t a t i o n , t h eh e vh a r d w a r e - i n - l o o p s i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ev e h i c l ec o n t r o lu n i ta r ec o m p o s e do ft h ec a nb u sn e t w o r k sw h i c h d e b u gt h ec a n f u n c t i o no ft h ei n s t r u m e n t a t i o n t h ed e b u g g i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es t e p p e r m o t o rp o i n t e r si n d i c a t ea c c u r a t e l ya n dt h ec a nn e t w o r k 、o r k sw e l l t h ei n s t r u m e n t a t i o nt h a ti sd e v e l o p e di nt h es u b j e c th a sag o o dc o m p a t i b i l i t y i tc a l ln o to n l y u s ei nt h eh e vb u s ，b u ti tc a na l s ou s ei no t h e rb u s e sb yc h a n g i n gs o m eh a r d w a r ea n dm a k i n g s o m ec h a n g e so ft h es y s t e ms o f t w a r e k e yw o r d ：a u t o m o t i v ei n s t r u m e n t a t i o n , c a nb u s ，s t e p p e rm o t o r , l c dm o d u l e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 新一代汽车仪表概述l 1 2 课题的研究背景和意义3 1 3 课题来源及研究的主要内容3 第二章系统总体方案设计5 2 1 系统主要功能5 2 2 系统总体方案5 2 3 系统关键技术6 第三章系统硬件设计。7 3 1 系统主要器件选择7 3 1 1 主控制器( m c u ) 选型。7 3 1 2 步进电机选型9 3 1 3 液晶显示模块选择1 0 3 2 系统硬件电路设计1 1 3 2 1 系统电源电路1 2 3 2 2 单片机最小系统1 4 3 2 3s c i 串行通讯接口电路l6 3 2 4 液晶模块接口电路1 6 3 2 5 步进电机接口电路一18 3 2 6c a n 模块电路1 9 3 2 7 系统采样电路2 5 第四章系统软件设计2 8 4 1 主程序模块2 8 4 2 步进电机控制模块2 9 4 2 1 步进电机驱动控制3 0 4 2 2 步进电机归零控制3 8 4 3 液晶显示模块4 1 4 4c a n 模块4 5 4 5 采样模块4 7 第五章系统调试5 0 第页武汉科技大学硕士学位论文 5 1 仪表刻度盘的标定5 0 5 2 组合仪表c a n 总线调试5 2 5 2 1 混合动力多能源控制器检测系统5 3 5 2 2c a n 总线调试结果5 6 第六章全文工作总结5 9 参考文献6 1 致谢6 4 硕士学习阶段发表的学术论文6 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 汽车仪表是安装在汽车上，用以指示或显示汽车行驶状态及其发动机工作状态的仪表， 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【1 1 。随着现代汽车工业和电子技术的发展，汽车中的各种系统和机构日趋复杂，汽车行 驶和各个部分工作状况的信息量显著增加。同时，由于对汽车环保、安全性、经济性、智 能化要求的提高，汽车驾驶员需要更多、更为迅速的了解汽车运行的各种信息，使得汽车 仪表向车辆信息显示中心发展，成为驾驶员信息系统重要的组成部分。 1 1 新一代汽车仪表概述 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。汽车仪表的发 展按其工作原理上取得的重大技术创新来分，经过4 代： 第l 代汽车仪表是应用机械作用力工作的机械式仪表，即机械机心表； 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仪表； 第4 代为步进电机式全数字汽车仪表【2 儿引。 第3 代汽车仪表工作原理与第2 代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。步进电机式汽车仪表作为新一代汽车仪表，严格地说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 4 1 。但 仅凭信号处理方式的改变还不足以将步进电机全数字式汽车仪表划分成一个新阶段，其最 显著的特征是工作原理与第3 代汽车仪表完全不同，主要表现在全数字式汽车仪表的控制 核心、信息显示方式和整车通讯方面。新一代汽车仪表采用单片机进行对车辆信息进行采 样分析，并通过仪表的数字显示装置向驾驶员反映车辆的信息；在显示方式上新一代汽车 仪表采用了步进电机、点阵液晶显示屏等数字显示设备，可极大的增加所显示的信息量； 在通讯方面，新一代汽车仪表采用总线技术可以将汽车各个电子设备的信息传输到仪表中 显示，使驾驶员对车辆情况有更加全面的了解。 电子显示式仪表的开发，始于2 0 世纪6 0 年代，但当时电子元器件达不到装备汽车使 用的水平【5 】。汽车仪表电子化的时代在2 0 世纪7 0 年代到来，随着半导体技术及显示设备 技术不断进步和成本的下降，汽车电子显示仪表问世【6 】。但是这种电子式仪表只是“数字 显示形式的汽车仪表，虽然该种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 的直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，并没有大量的在各类汽 车中普及使用【4 】。本文所研制的新一代客车组合仪表是在传统的指针式仪表的基础上采用 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 步进电机作为指针驱动设备用以指示车速、发动机转速等信息，符合驾驶员的对汽车仪表 的观察习惯【3 】，同时辅助以液晶显示设备对大量的车辆信息进行数字化、图形化显示，使 汽车仪表的交互界面既符合驾驶员的习惯，同时又能对车辆信息进行精确显示。本课题所 研制的新一代客车组合仪表相对于第3 代汽车仪表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【1 1 。例如，在( 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规定了车速在各个范围内的误差值，要求在3 5k m h - 1 0 0 k 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。由于传统的模拟电路电子式汽车仪表在低速区的线性度很差，因此在 低速区内标准，没有对其精度做出具体的要求。新一代客车组合仪表采用步进电机作为指 针驱动设备，有良好的线性度，可在准确的指示车速传感器采样的车速值。以汽车车速里 程表为例，在本课题研制的组合仪表的后期调试中车速的实际误差为l k m h ，其精度高 于现行的国家标准。 ( 2 ) 分度均匀，重复性好。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。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。新一代客车组合仪表采用步进电机驱动仪表指针， 放弃了游丝、阻尼油的驱动方式【3 】，并且步进电机是一种数字器件，其转动的角度与控制 器发出的脉冲数成正比，有良好的线性度，因此可以均匀分度仪表盘。 ( 3 ) 响应速度快、无抖动。由于新一代客车组合仪表采用步进电机为指针驱动器件， 且现代汽车仪表专用的两相混合式步进电机的最大转速大多在6 0 0 - - - 8 0 0 。s ，其应用在仪表 中的转速也在1 0 0 。s 左右，仪表指针从初始零点到指示最大值位置，指针转动时间一般 小于2 s 。另外，新一代客车组合仪表采用单片机对步进电机进行控制，在数据处理方面可 采用多种数字滤波方法对采用信号进行滤波，当输入信号恒定时，仪表指针指向采样值对 应的实际值在仪表盘中的指示值，没有任何的抖动。 ( 4 ) 适用范围广，可满足多种不同车型的需要。新一代客车组合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。更重要的是避免了可能出现的技术风险【3 1 。 ( 5 ) 连接入整车c a n 网络，显示信息更为丰富。新一代客车组合仪表配备了c a n 控制器和c a n 收发器，根据仪表软件设置，可接收到汽车上其它的电子设备的信息，作 为车辆信息显示和故障指示的综合平台。 步进电动机式汽车仪表在欧、美、日本等汽车工业发达国家应用已相当普及，其仪表 的发展向全液晶显示式的仪表发展，乘用车的仪表板也向着多媒体综合娱乐中心的方向发 展【1 2 】【1 3 】。在国内虽然大多数的乘用车都采用了第4 代的全数字汽车仪表，但是大多数的客 车仍旧是采用第3 代的机电式模拟仪表。汽车仪表的更新换代就为数字汽车仪表的发展提 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 供了良好的机遇。新一代客车组合仪表有着广阔的市场前景。 1 2 课题的研究背景和意义 当今世界，随着汽车工业和电子技术的发展和现代汽车电子技术的普遍应用，汽车排 放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，汽车的各个系统都日趋复杂且都增加了电 子控制的内容，使得汽车电子控制程度也越来越耐f 丌。现代汽车已经广泛采用a b s 、 a s r 、e p s 、安全气囊、发动机电控燃油喷射等电子控制技术，使各种信息数据的处理量 不断增加，不同电子设备之间需要数据的交换，而且对所需各项信息的精度和信息种类也 提出了更高要求【1 8 1 。混合动力汽车的发展使汽车的传动系统有了多种能量的输出来源，使 汽车上的电子控制设备更为复杂，对混合动力能量管理的实时性也有很高的要求，各个控 制单元之间的数据传输更为迅速准确【1 1 1 。因此，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。汽车总线技术的发展使汽车上诸如a b s 、e p s 、a s r 、发动机电控燃油喷 射系统等电子设备之间的通讯成为可能，也为新一代汽车仪表更为全面的显示各个电子设 备的工作状况提供了条件，使仪表为驾驶员提供了更为丰富的车辆信息，同时也为信息的 快速响应提供了保障。传统仪表一般是机电式模拟仪表，只能给驾驶员提供汽车运行中如 行车速度、发动机转速等一些必要而又少量的数据信息，这已经不能满足现代汽车仪表提 供车辆行驶状态大信息量和快速响应的要求。新一代数字仪表相对目前使用的模拟电子式 汽车仪表的优点是对方面的，主要表现在采用单片机完成各种被测物理量的采集，能够在 车辆的各个电子设备之间的通讯，及时了解各个电子设备的工作状况和判断车辆的行驶状 况，经过换算后直接控制步进电动机，再由步进电动机驱动指针，在刻度盘上指示被测物 理量，同时辅以l c d 数字显示各电子设备工作状况和车辆行驶状况。 新一代数字汽车仪表比较传统的模拟仪表有着无可比拟的优势。新一代数字汽车仪表 采用c a n 总线技术完成汽车仪表与汽车各电子设备之间的通讯，可以掌握大量的有关车 辆状况的信息，其所显示的信息量是传统仪表无法完成的。新一代数字汽车仪表采用步进 电机控制技术，其指示精度远远高于现行国家或行业标准。新一代数字汽车仪表采用步进 电机驱动指针，其在响应速度、均匀分度、可靠性方面都有很好的提高，同时也减少了指 针的抖动。新一代数字汽车仪表使用液晶显示，使显示的信息内容更加丰富，给驾驶员一 个很好的了解车辆状况的窗口。因此对新一代的数字汽车仪表的开发和研制对汽车信息化 发展有着重要意义。 1 3 课题来源及研究的主要内容 随着汽车技术的飞速发展，尤其是以应用燃料电池、混合动力等高新技术为代表的新 车型陆续开发成功，对仪表的智能化程度提出了较高的要求，如东风公司e q 6 1 1 0 h e v 混 合动力城市公交车的仪表总成中，需要根据接收到的数字化信息或采集到的传感器信号， 自动分析当前能量状态并实现动态指示功能，采用传统的汽车仪表方案远远不能达到应用 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 要求，且根据e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车的总体控制需求，各单元模块全部实现了 电子化和智能化控制，如整车控制器、电机控制单元、电池管理单元等，相互间构建了c a n 总线网络信息平台，实现了大流量的数据信息交互，开发具备标准c a n 总线接口的客车 仪表总成，可彻底改善传统汽车仪表中因大量线束造成的信号传输线路多、电磁干扰大、 系统接口复杂等缺点，并具备可靠性高、兼容性好、系统扩展能力强等特点。 本课题是针对e q 6 11 0 h e v 混合动力城市公交车所研制的汽车组合仪表系统，通过对 混合动力客车仪表系统的基本功能的分析，其仪表的主要结构应包含步进电机驱动的指针 仪表盘，点阵液晶显示设备，c a n 网络通讯端口，里程表等。本课题研制的客车组合仪表 系统采用两片美国f r e e s c a l e 公司的1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 为主控芯片，主要研究 内容包括： ( 1 ) 车速表、燃油量表、机油压力表、水温表等7 个步进电机指针仪表的控制。 ( 2 ) 3 2 0 2 4 0 点阵液晶显示模块l m 2 0 6 8 r 的控制，实现行车信息的数字化和图形化 显示。 ( 3 ) 车速、油压等脉冲量、模拟量的采样，并实现采样值和仪表刻度值之间的转换 和指针指示或液晶数字显示；l e d 背光、指示灯灯光等一些开关量的检测和控 制。 ( 4 ) c a n 网络通讯。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章系统总体方案设计 组合仪表系统的总体方案设计要以实现车辆要求的功能为基础，不同的车辆对汽车组 合仪表的要求有所不同，因此分析汽车对仪表的实际功能要求是制定仪表总体方案的最基 本条件。在组合仪表主要功能的分析和仪表的总体方案确定后，应该对整个仪表的研制中 所出现的关键问题有清晰的判断，以主要的精力解决这些关键性的问题。 2 1 系统主要功能 不同类型汽车的仪表设计功能也不完全相同，本课题所要研制的组合仪表主要应用于 东风e q 6 l1 0 h e v 混合动力城市公交车上，因此其主要功能也为满足东风e q 6 11 0 h e v 的 车辆状态参数的显示。组合仪表系统的主要功能包括： ( 1 ) 实现传统的指针式仪表的基本功能，实现车速表、水温表、机油压力表、蓄电 池电压表、燃油量表、前、后制动储气罐气压表等7 个指针式仪表的准确指示； ( 2 ) 实现液晶显示混合动力公交车的车辆能量流动方向，实现液晶显示翻页设计实 现对采集到的数据进行数字显示； ( 3 ) 完成c a n 总线通讯功能，和车辆上的其它电子控制设备通讯，采集车辆信息； ( 4 ) 实现车辆里程计算，采用数字l c d 进行里程显示； ( 5 ) 通过一系列指示灯的指示，实现对车辆系统故障的警示功能； ( 6 ) 仪表界面人性化设计，方便驾驶员对车辆信息的了解。 本课题所要研制的客车组合仪表的大部分数据是通过c a n 总线与整车控制器和其它 的客车电控单元进行数据交换，获得这些数据。为了使该款仪表能适应不同类型客车的要 求具有更为广泛的适应性，该款组合仪表还要具有直接从传感器获得其它的一些信息的能 力。根据车辆中所采集数据的数据类型不同，可以将信号量分为以下几种类型： ( 1 ) 模拟量：这类信号主要包括水温信号、机油压力信号、蓄电池电压信号、燃油 量信号、气压信号等。这类信号主要通过a d 采样进行信号采集。 ( 2 ) 脉冲量：这类信号主要包括发动机转速信号、车速信号。这种信号类型主要通 过单片机的脉冲累加器完成引号的采集，并通过单片机计算脉冲信号的频率。 ( 3 ) 开关量：这类信号主要为各种车灯状态、车辆系统的警示信号。通过仪表控制 器的f o 口来完成开关量的检测和指示。 2 2 系统总体方案 根据组合仪表系统所要完成的主要功能和兼容其它类型客车仪表的需要等方面的考虑 进行仪表系统总体方案的设计。仪表系统总体结构框图如图2 1 所示。组合仪表系统需要 控制对7 个步进电机进行控制，分别用于指示车速、水温、燃油量、蓄电池电压、油压、 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 储气罐压力等信息。采用一片f r c e s c a l c 公司的m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 单片机无法满足应用要求， 因此采用两片m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 单片机为主控单元，对传感器信号进行采集，其中，脉冲量 通过脉冲累加器采集，模拟信号通过1 0 位a d 采集，开关量采集通过i o 采集，同时配 合c a n 总线完成对所需的各类信号和信息的采集和传输工作。主控制器对所采集到的信 号进行处理通过步进电机实现传统的指针式仪表的驱动，通过液晶显示模块实现图形化和 数字化的信息输出，增强信息显示效果。 电源系统 步进电机控制 指示灯控制 液晶屏控制 传感器信号输入 开关信号输入 s c i 调试 c a n 总线 步进电机控制 指示灯控制 数字里程表 传感器信号输入 开关信号输入 s c i 调试 c a n 总线 2 3 系统关键技术 图2 1仪表系统总体结构框图 新一代客车组合仪表研制中需要解决的关键技术问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 组合仪表中用于指针控制的步进电机驱动技术：两片单片机对7 个步进电机的 实时控制。采用步进电机细分驱动技术，使步进电机运转平稳无抖动；断电指 针归零；通电指针归零检测；步进电机驱动过程中进行调速，使步进电机达到 较为理想的运行模式。 ( 2 ) 液晶屏显示控制及车辆实时工况的分析和状态指示：对微控制器采集到的数据 进行数字化或图像化显示，对混合动力公交车的动力状态能量流动状态实现图 形化显示，使显示效果更加直观，显示信息量更加丰富。 ( 3 ) 数据采样和仪表盘标度：对脉冲量、模拟量、开关量进行准确的采样并把采样 数据根据仪表盘刻度转换为步进电机步距值。 ( 4 ) 组合仪表的c a n 总线通讯：使组合仪表能与e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车 的各个电子模块( 整车控制器、电池管理单元、发动机e c u 等) 进行通讯，准 确反映车辆的信息。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第三章系统硬件设计 组合仪表硬件是实现组合仪表功能的基础。组合仪表系统的软件设计也是建立在硬件 的基础之上的，因此好的系统硬件设计可以大大的减少系统软件的代码，使组合仪表工作 的更有效率。在系统硬件设计中，主要为系统主要器件的选择和各个主要电路接口的设计。 对组合仪表系统中主要器件的选择决定了各主要电路和接口的设计。 3 1 系统主要器件选择 本课题所研制的客车组合仪表系统中的主要器件包括：微控制器、步进电机、液晶显 示模块等。微控制器作为主控单元控制仪表的数据采集、步进电机驱动、液晶模块控制、 c a n 网络通讯；步进电机是仪表的指针驱动设备，用来驱动车速表等仪表指针；液晶显示 模块是仪表信息显示的另一个重要窗口对仪表采集的信息进行图形化、数字化显示，增强 仪表与驾驶员交互效果。 3 1 1 主控制器( m c u ) 选型 在客车组合仪表中，汽车仪表系统的主控制器( 单片机) 是最主要的器件。汽车仪表 的绝大部分外围器件都是为单片机服务的。选择一款适合数字汽车仪表系统使用的单片机 可以极大的简化系统外围电路的设计，降低系统成本。 针对汽车仪表的使用环境，世界上各大微控制器生产商都推出了功能强大的汽车仪表 用芯片。这些汽车仪表用控制器主要有：美国飞思卡尔( f r e c s c a l e ) 公司的1 6 位m c 9 s 1 2 h z 系列单片机；富士通公司的1 6 位m b 9 0 4 2 8 g a 单片机；美国m i e r o n a s 公司的1 6 位c d c 1 6 x y f 系列单片机；n e c 电子公司的3 2 位v 8 5 0 e d x 3 单片机；德州仪器( t i ) 的m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机；瑞萨公司的基本型h 8 s 2 2 8 2 以及高端的h 8 s x 1 5 4 4 系列单片机；意法半导体( s t ) 公司的m 2 9 w 3 2 0 单片机。 针对本系统要完成的各种功能，要在众多的汽车仪表专用单片机中选择一款，就需要 考虑到该款汽车仪表用单片机的经济性和实用性，既能完整的实现要汽车仪表系统要实现 的各种功能又要考虑到系统的开发成本和开发的方便性。以上所述的几种微控制器都可以 满足系统的使用要求，但从经济性上考虑1 6 位单片机既能满足本课题研制的客车组合仪 表系统的各项功能又较3 2 位单片机的成本更低，因此选用1 6 位微控制器。美国飞思卡尔 ( f r e e s e a l e ) 公司的1 6 位m c 9 s 1 2 h z 系列单片机性能强大，而且价格适中，又有f r e e s c a l e 单片机开发软件c o d e w a r r i o r 使f r e e s c a l e 系列单片机开发方便。根据m c 9 s 1 2 h z 系列的片 内资源选择了m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 单片机作为系统的主控制器。 m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 是飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司专为汽车仪表设计的微控制器，是由标准外 围设备组成的1 6 位微控制器，包括1 6 位的中央处理器( c p u l 2 ) ，2 5 6 k 的f l a s he e p r o m ， 一 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 1 2 k b y t e 的r a m ，4 k b y t e 的e e p r o m ，两个异步串行通信接口( s c d ，一个同步串行接口 ( s p i ) ，一个i i c 总线接口( i i c ) ，一个8 通道1 6 位计数器模块( t i m ) ，一个1 6 通道1 0 位模数转换器( a d c ) ，一个6 通道脉宽调制器( p w m ) ，两个c a n 2 0 a 、b ( m s c a n ) 软件兼容模块。此外，还具有一个3 2 x 4 液晶显示器( l c d ) 控制器驱动器，电机控制模 块( m c ) 可输出1 6 通道高电流的脉宽调制，可驱动多达4 个步进电机，四个步进电机失 步检测模块( s s d ) 同时校准每个电机指针的位置。系统资源映射，时钟产生，中断控制 和外部总线接口的管理由h c s l 2 的核心进行。m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 有完整的1 6 位数据通道。 一个p l l 电路列入允许功耗性能调整，以适应各种不同操作的需要。除了在每个模块可用 的i o 端口，8 个通用i o 引脚可以在停止和等待模式下进行中断和唤醒。图3 1 是 m c 9 s1 2 h z 2 5 6 的 啊x v 謦璐l j 蹿 v 眦 铭0 舭 e 耳“l 7 r 臣耵 r e s t 蕾 憋l 嘲 魁 嘲 黼：嘲 蓉磁麓 警避鬯b l 潞 i 口鳓l ：6 墩 ： r 一一一： l 蝴l 嘲! ，鼢 i 晰 ：io 融口i o 瑚l 鼢”l 涮l 船，：l ie 船嗨l 凸酲 1 善： ：器| d a t j , i 复。 撬融卿袖喇l ：器盟j 功能模块框刚2 2 1 。 蛳k 2 e k6 4 k1 2 k 骱f 诒骱o f m a b 庸0 兰e p q o 嶙 张钒“ g 婵5 r 雏 鑫，2 c i p w b w c i 孵o 竹电” 蜷 z 乱 乏 霜 1 譬 e 0 k ”0 c ”二0 孽 即 斜 蹄伯 # p f p 2 # p ，- - l a l 4 印1 5 辟l q 畸7 即蟑 器臻 t - 哟 # i 均 p 摹 嘲 f p 2 f p 2 2 姚 嘲 q 氆 嘲 f p 2 7 v - j t 。 1 0 铸 蝴 啦7 嚣耋 户咿3矗 a 0 0 0 景l 。) 搴跬 a 0 粥 伽 0 僦 0 0 舶 脚 斌嬲 虻e j # 鼯 ) 0 鬻 口 0 0 努 l k 衍： a 0 0 收1 ； ：o 箨 i 0 幢 乩1 t o c 0 r o c l 瓣 l o c ； 黼 ，甑 艟 “， 埘幢 托 删1 l 枷 酬2 甜劓 删1 3 n ： ；列1 , 4 硅 v o “ v 泓 v 黼 帆 舟嘲 - f 蕞口i - 鼬 。弹 - 乒盎0 - r 嘞 r 黠瓣 纠岍 矗焉0 1 如j e ： 二c j a d , t c 辱 办 c 够 0 ， l 一警嚣鬟矧戛。 l 洲，；：黜：吲蠡 i s 锶矗 _ 一一 差 呐 乱 l 辨笺巨 o 燃 跨 p 呓 嘲 聃 陷 嘲 嘲 嗍 嘴 嚼 鹎t 搿 翳 煳 p 懿 图3 1m c 9 s 1 2 h z 2 5 6 功能模块框图 q 5 4 爱 艘 霉基害0嚣k嚣鼍蛩譬蕾蛋墨墓 热 嘲纠瞅聊嘶晰嗽啊帆鹎喁晰 g戛。一一 亳。 凸l 上艮 基o 1 篓酬o =i=髫ofl_，i基(1 1 工k 晰嗽暾晰獬嗽嘲嘲舯洲撇獬泓眦獬肿舢咐m附吣附附 攀&=匿 j _ 蓝。口 卜1| 屯田咐 咐 哪嘲啊m m 孵麒m 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 1 2 步进电机选型 步进电机是纯粹的数字控制电动机2 3 之5 】。它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲 信号，步进电机就转动一个固定的角度( 即一个步距角) 。脉冲输入越多，电机转子转过 的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快f 1 7 】。因此可以通过控制脉冲个数 来控制步进电机的转动角度，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控 制步进电机转动的速度，从而达到调速的目的。 步进电机有以下特点【2 m 5 】： ( 1 ) 位置及速度控制简便：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做 固定角度的旋转而得到灵活的角度控制( 位置控制) 。因为速度和输入脉冲的频率 成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。 ( 2 ) 可以直接进行开环控制：因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以 及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系 统。 ( 3 ) 高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 ( 4 ) 具有定位保持力矩：永磁式、混合式步进电机在停止状态下( 无脉冲信号输入时) ，1 仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 ( 5 ) 中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服 电机提供更大的扭力输出。 步进电机可以分为3 大类： ( 1 ) 反应式步进电动机。反应式步进电机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，v r ) ，其转子是由 软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步进角可以做得 一 很小，但是动态性能较差。 ( 2 ) 永磁式步进电动机。永磁式步进