【液晶汽车仪表HMI构成与工作原理分析5200字】

液晶汽车仪表HMI构成与工作原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u26684液晶汽车仪表HMI构成与工作原理分析 11781.1HMI基本功能 1315821.2液晶汽车仪表HMI界面结构改进 3324851.1.1图层与场景 468131.1.2场景元素 445411.3液晶仪表HMI工作机制 6220071.3.1液晶仪表信号输入 6130991.3.2HMI信号响应 7270971.3.3信息优先级与显示调度 71.1HMI基本功能传统仪表通过指针的物理旋转角度与指示灯亮灭向驾驶员传达信息，仪表盘布局在产品的生命周期内不会发生改变，信息呈现形式相对固定。与传统仪表不同，液晶仪表由大尺寸液晶显示屏与其他组件构成，车况信息可根据当前信息的类别、优先级或是重要程度以不同大小、不同颜色或是不同层级的方式通过屏幕灵活展现，构成丰富的人机交互体系。液晶汽车仪表与司乘人员产生交互的虚拟界面称之为人机界面（HumanMachineInterface,HMI），人机界面的实时显示是液晶仪表的主要功能，除了具备与传统仪表相同的基本车况信息显示需求之外，还承担ADAS、导航信息提示、新能源汽车电池状态及能量回收情况等信息的显示[50]，表1.1枚举了某款液晶仪表中部分功能的种类、名称与信息表达方式。表1.1液晶汽车仪表HMI界面显示功能枚举（部分）功能种类功能名称信息表达方式单位/格式基本车况信息实时车速虚拟指针、仪表盘、数值或刻度指示器km/h实时发动机转速虚拟指针、仪表盘、数值或刻度指示器x1000rmp平均油耗刻度指示器或数值显示L/100km燃油表刻度指示器或数值显示百分比小计里程(TRIP)图片、数值km总计里程(ODO)图片、数值km档位信息图片、文字--水温信息刻度指示器或数值显示℃辅助信息车外、车内温度数值、文字℃日期数值yyyy-mm-dd时间数值hh-mm-ss报警指示灯蓄电池馈电图片--前、后雾灯图片--远、近光灯图片--左、右转向灯图片--示廓灯图片--总电源图片--驻车制动器图片--发动机故障指示图片--安全气囊故障指示图片--机油报警图片--水温报警图片--刹车故障指示图片--安全带未系指示图片--ABS故障指示图片--自适应巡航状态图片--ADAS自适应巡航限速值图片、数值km/h车道线警示动画--车距保持状态动画--变道辅助动画--车模显示图片--导航指示限速指示图片--道路示意图文字、图片、动画--车道指示标志文字、图片--红绿灯指示文字、图片--胎压监测系统小车模型图片--胎压数据文字、数值kPa、psi胎压低指示动画--弹窗式故障指示巡航系统故障文字、图片--驾驶辅助系统故障文字、图片--胎压监测系统故障文字、图片--防碰撞系统故障文字、图片--车道偏离故障文字、图片--ADAS系统故障文字、图片--盲区监测系统故障文字、图片--菜单及设置背光控制文字、图片--时间设置文字、图片--雨刮模式调节文字、图片--主题设置文字、图片--自定义设置文字、图片--汽车仪表HMI是车况数据的载体，同时也是汽车与司乘人员之间信息交换的媒介。HMI中信息所呈现的数量、内容和方式不仅影响用户体验，甚至会影响驾驶安全性。HMI主界面所呈现信息的内容和数量应相对克制，过滤非必要显示的信息可防止过量信息显示造成的干扰；设计宽松的界面布局和醒目的信息提示方式能显著提升HMI内容的可读性，从而提高信息理解的效率。在信息表达方式上，HMI应根据当前信息的功能需求、重要程度、实时性等因素，以文字、图片、数值、动画效果或高反差对比颜色的方式呈现内容，以丰富的信息呈现方式，进一步减少驾驶员阅读、理解信息所花费的时间，提升驾驶安全性。以某车型整车控制器发往液晶仪表CAN矩阵协议为例，该协议设定了7种不同的信息类别并为每种信息类别设定了如表2-2所示不同的信息呈现方式。司乘人员可根据当前信息的呈现方式直观判定当前信息的重要程度并给予适当的操作，确保行车安全。表1.2信息类别与信息呈现方式信息类别信息呈现方式信息呈现时长(单位：秒)是否可被打断是否播放音频静默提示图标显示根据信号响应否否常显固定区域常显无限制否否弱提示迷你弹窗4是否强提示主弹窗（白）4否否三级报警主弹窗（白）10是是二级报警主弹窗（黄）10是是一级报警主弹窗（红）无限制否是汽车仪表通常包含多种运行模式：初始化模式、驾驶模式、常规模式和休眠模式，有的甚至配备有安全模式。仪表根据汽车的电源状态判定当前所处模式并呈现对应的界面与内容以满足用户在不同使用场景下的使用体验[51]，因此HMI软件应按照多层级、多模式、多场景的方式设计和开发，以满足灵活的显示需求。1.2液晶汽车仪表HMI界面结构改进相较于传统仪表，液晶仪表功能规范更为复杂，HMI图形资源更加丰富，对图形资源的管理、存储和加载提出了更高要求。因此液晶仪表HMI软件的开发方式逐渐从针对单一平台的裸机开发方式转为基于操作系统的应用程序开发。在传统的裸机开发方式中，图片文件通常被转换为一维数组与业务代码共同编译固化存储在MCU的外部储存器中，以此种方式存储图形资源将导致过量的空间占用，且图形资源无法在后期单独更新。通过开发基于操作系统的应用程序可解决上述问题，操作系统通常内置文件系统，允许图形资源以文件的形式存储在Flash储存器中且与代码资源隔离，使后期的更新与维护更加便利。HMI软件中的图形资源存在文件体积小、数量庞大的特点，若直接以单个文件的形式储存图片资源将产生较多的文件碎片，不仅浪费储存空间还将导致图形资源加载时对储存器和文件系统造成过高负荷导致界面产生卡顿，因此需对HMI界面结构和资源组成结构进行改进。1.1.1图层与场景HMI主界面一般由如图1.1所示背景图层、仪表盘指针图层、多功能显示图层和指示灯图层组成，每个图层由一个或多个场景组成，场景中包含图片、文字和动画等场景元素，通过图层、场景、场景元素之间的不同搭配，使HMI能更灵活地呈现信息与内容。图1.1汽车仪表HMI图层及场景示意图背景图层用于显示以黑色和主题色组成的背景，通过简单的曲线分割画面区域，规范界面布局。仪表盘指针图层用于显示车速表、转速表、燃油表和水温表，以透明背景辅以主题色设计，与背景图层构成了仪表的基础功能。液晶仪表HMI软件会内置多种主题模式以适配不同的驾驶模式，每种主题模式的主色调和内容呈现风格有所差异，可通过切换背景图层和仪表盘指针图层中的场景更换当前主题。多功能显示图层用于显示当前的汽车运行时产生的重要报警信息，也可在非报警状态下响应用户操作显示菜单界面或提示信息。指示灯图层仅包含指示灯场景，由于燃油车与新能源汽车指示灯种类有所不同，可通过载入不同的指示灯场景资源实现跨车型的HMI设计。1.1.2场景元素场景元素是场景的基本组成单位，单一场景内可包含一个或多个元素，按照设计好的坐标区域和层级顺序排列在场景中，元素有以下四种类型：（1）文字和数值文字提示与数值显示是HMI与用户之间最为直观地传达信息的方式之一，早期的组合式仪表内置液晶屏分辨率较低，仅支持英文字母和数字的组合显示，汽车运行时的报警信息仅能以故障代码或简短字符提示的形式呈现，用户无法直观知晓当前的故障提示内容。现阶段液晶仪表已具备完善的文字提示功能，甚至支持多国语言的文字体系。HMI软件中的文字提示数量较为庞大，在报警信息提示、设置菜单选项、用户交互反馈均有所应用，可帮助司乘人员更好的了解当前车辆的相关信息。（2）图片图片可包含颜色、方位和空间等信息，与单纯的文本信息不同，图片信息具有较高的象征性价值。由于绝大多数人对图像的感知速度比文字更快，因此使用与物理世界中的物体象形相似的图像来传达信息，更能符合用户的直觉[52]。HMI界面中的场景元素通常为PNG（PortableNetworkGraphics）格式图片，该格式使用了从顺序数据压缩通用算法（LZ77算法）中派生出的无损数据压缩算法处理图片数据，使图片能在不损失画面细节的同时以更小的体积储存。PNG格式图片因其高保真性、透明性及文件体积较小等特性，被广泛应用于网页设计、平面设计及嵌入式系统中。（3）动画效果为使用户能自然地将使用习惯从传统仪表过渡到液晶仪表，HMI软件采用基于真实仪表盘设计的拟物化界面，为虚拟指针的运动设计动画效果可以减少由于数值突变带来的顿挫感和不连贯感。HMI中的动画效果涵盖了开机动画、仪表指针、界面切换和信息提示，用以展示产品的功能与操作方式，让用户更直观的了解当前功能的特征、用途和使用方法。HMI常用的动画效果分为两类，一类是数据驱动的动画效果，其原理是通过缓动函数实时计算当前元素的显示坐标、缩放比例、旋转角度及透明度等变换信息，例如仪表指针的旋转和界面切换动画效果；另一类是如图1.2所示的由一组PNG格式的序列帧图片组合而成的动画效果，通过按一定时间间隔切换当前序列帧实现动画的播放，通常用于开机动画效果或信息提示页面。图1.2“轻踩刹车踏板”动画序列帧以多功能显示图层中的ADAS车距保持警告场景为例，场景的在液晶仪表中的综合显示效果如图1.3所示，该场景由文本、图片和动画元素组成，各元素在场景中的布局和层级顺序等参数经由HMI设计工具导出为配置文件，当场景对应的绘制回调函数被调用后，图形库将依据配置文件中的参数，由下至上依次绘制场景元素，再通过像素堆叠计算完成当前场景绘制。图1.3ADAS车距保持警告场景1.3液晶仪表HMI工作机制1.3.1液晶仪表信号输入所有具有人机交互功能的GUI应用程序均内置信号响应单元用于处理人机交互时产生的信号数据，传统的GUI应用程序针对鼠标、键盘或触摸屏设计交互逻辑，应用程序调用操作系统的消息接口监听捕获用户操作，再根据当前用户操作执行相关的具体任务。与传统GUI应用程序不同，液晶汽车仪表HMI不仅需要响应用户操作，更重要的是作为组态软件实时显示汽车运行时的各种信号与各项数据。与汽车其他电控单元或电子设备相关的信号及数据经由汽车总线或硬线信号输入仪表的微控制器（MicroControllerUnit,MCU），同时MCU还会与汽车仪表自身主板上的电可擦编程只读存储器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,EEPROM)、实时时钟等外设芯片产生数据交换，随后MCU根据事先设定好的程序逻辑综合解析所有的输入数据，整理、打包后通过通用异步收发传输（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,UART）总线发送给HMI模块，信号传输拓扑图如图1.4所示。图1.4HMI信号传输拓扑图1.3.2HMI信号响应为确保仪表能实时响应总线信号，MCU模块需以较低的时间间隔向HMI模块周期性发送数据包，HMI模块通过UART总线驱动的中断处理函数接收数据包，并填充至数据缓冲区。HMI软件会不间断扫描缓冲区内数据的异动情况，对产生异动的数据进行有效性检查和触发条件检查。若异动数据有效且满足相关信息的触发条件，缓冲区扫描程序将为异动数据生成队列插入请求，请求参数包含当前数据的内容、优先级等信息属性，传递至HMI场景队列的相关接口完成入队操作。若当前异动信号所对应的属性值满足当前的显示条件，HMI软件将根据当前属性值查找与之匹配的场景并调用相关函数绘制场景。1.3.3信息优先级与显示调度当前汽车电子电控单元数量众多，单位时间内仪表从汽车总线接收到的数据量较大，而HMI界面能呈现的信息数量有限，为避免过量信息干扰司乘人员行车安全，HMI在非用户干预的默认运行模式下，主界面仅显示当前最为重要的信息，同时允许用户通过相关操作切换其他次重要信息的显示。为实现上述功能，需针对汽车液晶仪表的使用环境与使用场景优化并调整HMI软件信息调度机制。液晶仪表的功能规范文档、CAN矩阵文档和信号资源说明文档中包含所有需要显示内容的信息类别、作用、呈现方式、特殊说明等属性，需基于上述信息为全部显示触发信号进行优先级分级。为避免信息显示冲突的情况发生，需为所有显示触发信号同时设定主优先级和子优先级。其中主优先级按照本章第一小结中的信号类别进行分级，子优先级则规定了同一主优先级下不同信息的优先级排序，优先级设定时需确保所有场景没有遗漏且不存在优先级完全相同的情况。为触发信号设定优先级有助于HMI软件进行准确的信息调度，确保当前最为重要信息的及时呈现。信息调度通常由逻辑控制法、系统中断法和消息队列法三种方式构建。逻辑控制法是最为基础的信息调度实现方法，通过在代码中使用多层逻辑判定语句嵌套组成，此方法仅适合信号数量较少且逻辑较为简单的场景，在复杂场景下使用逻辑控制法可能会造成不可控的判定情况，使软件运行出现错误。系统中断法则是通过扫描和检测信号池中的数据异动情况，调用相关函数查询异动信息的优先级等属性值，再调用系统中断接口触发系统中断，若中断触发成功，则自行调用当前信号响应的回调函数实现当前信号的显示处理。系统中断法依赖操作系统提供系统中断接口，对系统资源占用较高，且仅能显示最为重要的信息内容，无法响应用户切换次重要内容显示的操作。消息队列法在数据扫描上与系统中断法类似，当数据缓冲区扫描到