电动汽车仪表关键技术分析与研究.doc

电动汽车仪表关键技术分析与研究*曾勇，麻友良，陈典（武汉科技大学 汽车与交通工程学院，武汉 ）摘要：针对目现代液晶仪表开发技术的不足，开发设计了一种基于的电动汽车仪表系统。系统采用模块化设计，包括信号采集，信号处理，数据显示三个模块。采用分层式软件结构，基于优先级调度方式调整运行秩序，使得逻辑简单易行，提高了系统的可靠性。硬件电路设计时采用多种抗干扰措施，增强了系统电磁兼容性。通过实验表明该系统能准确显示电动汽车参数，符合使用要求。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃。关键词：电动汽车仪表；软硬件设计；总线；电磁兼容；中文分类号：文献标识码： 文章编号：() 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸。 , , ( , , , ）)残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭。: ： , . , , . , , . , . .酽锕极額閉镇桧猪訣锥。酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧。：: , , , , 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒。7 / 7引言近年来，汽车业界各个汽车巨头分别制定燃油车禁售预案，给电动汽车行业带来巨大影响，促进电动汽车高速发展。随着电动汽车的高速发展，大量电子器件信息的不断涌入,传统的燃油汽车仪表已不足以满足现代电动汽车的显示需求。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點。电动汽车仪表相对于传统燃油汽车仪表，除了常用的行驶里程、转速、时间、车速等常用信息外，需显示部分高端燃油车型才具备的牵引力控制系统（）、胎压检测、制动系统、安全气囊（）工作状况信息，尤其电动汽车所特有的电机电控单元和电池信息等。其系统参数复杂，显示要求以远超传统燃油汽车仪表的显示范围。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺。电动汽车仪表作为电动汽车上中一关键电子器件，其电磁兼容能力的强弱会对电动汽车整体框架造成一定的影响。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀。为了更准确显示电动汽车各项参数，文中设计了一种新型电动汽车仪表系统。文中采用主控芯片与显示分别控制机制，提高仪表的运算处理仪表，更使得获取有关电池健康状态（）、充电状态（）、及功能状态（）的准确信息，从而早期检测到潜在故障，减小意外发生概率。采用电磁抗干扰设计原理，建立电路保护机制。设计研制出电动汽车仪表样本，并进行测试验证。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈。系统设计及工作原理 系统功能原理根据仪表的设计原则，可将仪表总成分为三个主要模块：数据采集模块，数据处理模块和显示模块。见图，相比较于传统的燃油车，电动汽车最大的不同点在于电动汽车具有动力蓄电池组，电机以及其相关控制部件。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠。图 汽车仪表硬件总体框图 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買。相对于传统燃油汽车，电动汽车具有其特有的电池传感器，运行温度从到不等。由于大信息量的涌入，对的负荷能力要求更高。其显示的数据更为复杂，界面显示增加充电界面状态。充电界面需显示其电池电量、充电剩余时间、充电模式、充电电流、充电是否完成等充电信息。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇。电路以集成模式芯片微处理器为核心，存储器（）、输入输出接口（）、模数转换器（）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。该芯片具有低耗电，低电压的特点；可进行高速操作，高性能外设，低成本开发系统。最低工作电压，监视模式下可达到低漏电电流，最小指令周期,最短转换时间，在芯片内部加入旁路电路，增强了电磁兼容性。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝。硬件电路设计核心板部分主要由 电源转换电路， 接口电路， 电路等组成主要布置主控单元，信息存储单元及其相关电路。而底层板上主要布置信号采集电路，液晶显示电路以及各种外设电路等。信号数据流获取由电动汽车的电机和电池、车速等各电器模块中的传感器利用 总线和信号采集电路传输给微处理器。经运算处理后，调用用户界面应用程序中的图形文字与状态信息进行属性绑定，通过液晶屏，步进电机，段码屏，蜂鸣器等实时显示汽车运行状态，构成完整的数据处理显示过程。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報。电源电压转换电路设计稳定的电源是汽车仪表正常工作的前提，不仅仅为仪表提供相应的电压，也为仪表工作环境起到抗干扰的作用。具有抑制波动幅度，保证汽车仪表精确性的作用。仪表的电源输入为车载电源的 ，由于车上有点火系统、发电机及较多的感性开关负载，其电压值会受浪涌、电压跌落、脉冲群等干扰出现波动。因此需在电源转换电路前加入抗干扰电路。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛。如图，汽车电子仪表的车载电源为输入，可分别有汽车发电机点火，和汽车蓄电池的电源供给。当汽车处于未发动状态时，车载电源由蓄电池电源供电，汽车启动后，车载电源由发电机和蓄电池共同供给。点火操作，易产生浪涌，电压跌落等干扰波动，需在电源电路前增设抗电磁干扰电路。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻。图 电源电路 电源抗干扰电路如图 所示。通过共模电感过滤共模的电磁干扰信号。在滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。在经过电压转换器转化输出电压。在通过同步降压转换器降电压为。从而为仪表提供 三种不同伏值电压。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜。图 降压电路 信号采集电路设计汽车信号采集模块将汽车仪表的信息以模拟量信号、开关量信号、脉冲信号三种形式通过不同的传感器进行采集。主要由传感器和后续的调理电路组成。传感器主要包括速度传感器，转动传感器等，分别测量车辆的速度，轴承的转速。模拟量信号通过转换电路转换成微处理器所需的数字信号，脉冲信号直接通过中的计数器进行接收处理。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届。 电平接口信号采集电路设计电动汽车人机界面上往往需要显示转向灯，位置灯，车门报警灯等开关量信号，其中大部分来源于接口电路控制，通过接受信号电平的高低，对信号处理。电路通过两个芯片提供*个接口控制信号灯的开启与关闭，如图所示。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙。图 电平接口信号采集电路 信号通讯电路设计汽车电子外部传感器获取数据信号通过一系列的处理后，显示在液晶显示屏上。通过收发器通过总线和发送和接收数据。通过改变脚的和来改变引脚的高低状态，切换工作模式。当为状态，为正常工作模式，差动接收器将总线上的模拟数据转换为数字数据，通过多路转换器输出到。当为状态，这种模式下，发送器和接收器都关断，只用低功耗的差动接收器监控低功耗。即使将上的电流调到最小，仍能保证抗电磁干扰，并能识别出总线上的唤醒事件。总线经过共模电感过滤电磁干扰信号，即抑制外部的传入，又衰减线路自身工作时产生的信号，有效地降低干扰强度。保证网络的快速数据通信，如图所示。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑。图 信号通讯电路 脉冲整型电路设计步进电机作为转速与车速的重要显示装置，仍具有其必要性。步进电机控制电路为脉冲整型电路的重要组成部分。此步进电机控制系统有两个步进电机组成，分别用于显示车速和发动机转速。作为汽车仪表最为直接的显示模块，在组合仪表中起到关键性作用。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑献。汽车仪表中的转速表，车速表均采用步进电机进行驱动。主芯片上具有步进电机驱动模块，只需通过引线将步进电机引脚与芯片引脚相连，通过通道实时采集电机线圈的信号参数，通过程序控制将这些信号参数转换为输出数据，以占空比的模式实现对电机的控制。如图所示，该图为步进电机驱动电路原理图。、分别驱动车速表和转速表。工作中通过改变、线路上的电压差，达到控制线圈的目的，通过脉冲数，控制步进电机角位移，使得步进电机精确定位。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔嗚。图步进电机控制电路 抗干扰设计电源部分是以仪表的主要干扰源之一。电源接口部分采用防护后滤波，在电源输入端滤波电路前和滤波电路中无采样电路和其它分叉电路；电源输出部分用磁珠进行滤波，防止开关电源的噪声串到整个单板的电源、地上；长距离电源走线是否预留足够电容组或，应考虑板每间隔放置一对。当电源模块有多路电源输出时，比如提供给通讯接口的通讯电源、地，均会存在长距离走线问题，为了使电源、地之间的阻抗最小，且回路最小，应每隔增加一对电容。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。構氽頑黉碩饨荠龈话骛門。转换电路易产生辐射和传导干扰。电源转换芯片输入输出端并联电容和去耦电容，可采用在电源输入端并联多个电容；开关转换芯片输出应考虑磁珠进行滤波。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。輒峄陽檉簖疖網儂號泶蛴。显示驱动滤波采用在芯片接口端在并联电容的同时，连接一个差模电感。有效的抑制差模干扰。在高速通信的仪表电路中，信号易被干扰。采用在信号上加上较小电容后共模电感来抑制干扰。现场总线主要有两种一般情况下，以下时，采用单点接地；采用多点接地或者单点接地与多点接地相结合的方式来抑制电磁干扰。在高速通信的仪表电路中，信号易被干扰。在信号上加上较小电容后共模电感来抑制干扰。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅瀝。在软件上，系统由于干扰源或的影响，出现死机或跑飞现象。根本原因是执行指令时受到干扰，使得操作码或地址码发生错误改变。本系统采用设置看门狗程序，是系统异常时正常复位。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒侬。系统软件设计采取分层式结构设计，将程序的驱动层与应用层分开，使程序更加简洁,采用了模块化设计,增强系统的抗干扰功能。当仪表接入蓄电池长电，系统运行，外设初始化，进入主循环。如图所示。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴铍。图 程序逻辑框图 主程序采用状态量切换选择，经过模块初始化后，循环进去各个模块，步进电机通过中断控制，上述流程如图所示。如今主流技术在仲裁机制上一般采用固定优先级发。各节点向总线发送电平的同时，也对总线电平进行读取，并与自身电平进行比较。相同则发送下一位；不同则退出总线竞争。剩余节点重复上述过程，直至剩下一个节点，总线竞争结束，优先级高获得总线控制权。仲裁逻辑如图所示。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦聰。图 数据仲裁逻辑 如图所示，为标准帧格式下总线仲裁示意图。、同时向总线发送仲裁，假定小报文优先级高。总线相当于线与结构，只有总线上所有节点发出的数据都为时，总线状态才为，只要有一个节点发送，则总线上的状态为。如果一个节点发送了，而总线状态为，节点在回读的时候发现总线上的电平与自己发送的不一致，则节点会采取相应措施。从而赢得仲裁，发出报文。本系统故障报警界面，规定优先级，请系安全带同时踩下制动踏板门开显示倒车雷达电量不足提示超速报警定速巡航行车电脑。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫摇。图 总线仲裁示意图 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹鸶。测试验证采用为处理芯片为核心搭建总线测试平台，实物图如图所示，使用在实车上采用采集报文数据，进行报文回放，实现实车环境模拟。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖輛。图 总线仪表测试平台 发送总线仪表所需的通信信号和模拟信号，对总线仪表的总体性能进行测试检测。测试台通过上位机模块，对仪表的、电阻、硬线三类数据的脚本进行读取并通过串口程序将数据输出，如图所示。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩纷。图 测试原理框图 信号通过选用盒子，利用上位机解读实车获取的数据信号，通过调用的封装库函数，利用自己开发的上位机程序，严格按照时间戳间隔延时，使数据严格按照实车数据回放。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘慶。硬线信号通过引脚控制三极管基极的高低控制高低电压的输出。在硬线输出端加装灯，以显示输出端的电平状态。仪表电源信号通过硬线平台提供，通过芯片引脚控制仪表常电和点火电，在提供点火电和常电电路中加装功率管。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉馴。实验结果表明，经过小时测试试验，文中所设计的总线仪表检测系统模拟仪表在工作状态下所能收到的发动机电控单元，电池管理系统控制单元所发出的报文信号；经过验证，车速，转速，电池信息，里程等指示准确，网络管理报文反馈时间准确。如表所示，为车速试验指示数据，指示车速误差在允许范围内，符合车速脉冲设计要求，且符合指示车速不高于实际车速的百分之的标准，符合现实要求，显示精度高，从而验证了汽车仪表系统设计的正确性。谚辞調担鈧谄动禪泻類。谚辞調担鈧谄动禪泻類谨。表仪表部分车速测试实例 标准车速允许误差输出频率显示速度结束语文中以某公司的作为核心介绍了一种电动汽车组合仪表系统方案，符合新能源汽车发展的发展需求，介绍了多个驱动模块的电路原理，并开发了配套应用控制软件。说明了总线冲突仲裁机制，并通过基于优先级调度控制界面显示；最后通过多功用检测台多汽车仪表功能进行验证，增强了数据传输的实时性；通过对系统电路改进，提高了汽车仪表的抗干扰能力。整个布局简洁，控制系统易于维护和更新，具有实际应用价值。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩癱。参考文献顾雨. 车用电子显示装置及数字仪表技术与现状. 汽车实用技术,(). . , ,().熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库圆。曹晓琳,王登峰,车晓镭, 等. 汽车总线数字组合仪表设计. 汽车工程().鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞阕。 , , , . . , ().纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛覲。 . . , .颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷涨。程昌南. 硬件设计. 北京:北京航空航天大学出版社, .濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減。 . . : , .銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。銚銻縵哜鳗鸿锓