（机械电子工程专业论文）基于arm和can总线的汽车仪表设计.pdf

两华大学硕十学位论文 基于a r m 和c a n 总线的汽车仪表设计 机械电子工程专业 研究生安斌指导老师胡丹 由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子 控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并 通过仪表显示出来，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。 本文以上海汽车荣威5 5 0 的仪表盘为研究对象，对车速表、燃油表和水温 表进行了改进，提出了a r m + l i n u x + m i n i g u i 这样一种系统设计方案，并对其 进行了详细的分析与设计。 首先，论文给出了选题的背景与意义，讨论了汽车仪表目前的状况和发展 趋势，并给出了本文的研究内容。通过分析改进后仪表盘的特点，给出了系统 的总体设计方案。 其次介绍了仪表系统的软硬件平台，其中硬件包括主控制器的选择，存储 器电路等外围电路的设计；软件包括嵌入式l i n u x 开发平台的构建以及驱动程 序的开发。 最后详细讲解了改进后仪表盘的用户界面设计，包括对几种常用的嵌入式 g u i 进行介绍，宿主机开发环境的建立以及使用m i n i g u i 开发应用程序，并简 单介绍了几种软硬件抗干扰技术。 本文采用传感器技术、c a n 总线和嵌入式技术，对荣威5 5 0 汽车仪表进 行合理化和人性化设计，结果表明，改进后的汽车仪表这不仅可以避免精度低、 可靠性差等不足，而且具有精度高、智能化高、扩展性好等优点。 关键词：a r m ，c a n 总线，l i n u x ，仪表，m i n i g u i 两华大学硕士学位论文 a u t o m o t i v ei n s t r u m e n td e s i g nb a s e do na r ma n dc a nb u s m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g m e c a n d i d a t ea nb i n s u p e r v i s o r h ud a n a sar e s u l to fi m p r o v e m e n to fv e h i c l ee m i s s i o n s ，e n e r g ys a v i n g ，s a f e t ya n d c o m f o r t ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o li sb e c o m i n gb e r e ra n db e a e r a u t o m o t i v e e l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c em u s t q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y h a n d l eav a r i e t yo f i n f o r m a t i o n ，a n dd i s p l a yt h r o u g ht h ei n s t r u m e n ts ot h a tt h ed r i v e rh a ss u f f i c i e n t t i m et ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt h eo p e r a t i o no fm o t o rv e h i c l e s ，a n dp r o p e r l yh a n d l e t h ev a r i o u ss i t u a t i o n s i nt h i sp a p e r ，i n s t r u m e n tp a n e lo fs h a n g h a ia u t o m o t i v er o n g w e i5 5 0i st h e s t u d y i n go b j e c t ，i t ss p e e d o m e t e r ，i t sf u e lt a b l ea n dt h e r m o m e t e ra r ei m p r o v e d t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r da na u t o m o t i v ei n s t r u m e n td e s i g no fa r m + l i n u x + m i n i g u i ，a n dt h ep r o g r a mi sc a r r i e do u ts y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a n dd e s i g n f i r s to fa l l ，t h e p a p e rg i v e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft o p i c s ， d i s c u s s e st h ec u r r e n ts i t u m i o n sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fa u t o m o t i v ei n s t r u m e n t , a n dg i v e st h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sa r t i c l e t h es y s t e m so v e r a l ld e s i g np r o g r a mi s p u tf o r w a r db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m p r o v e di n s t r u m e n tp a n e l s e c o n d l 5t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mo fi n s t r u m e n ta r ei n t r o d u c e d ，t h e h a r d w a r ep l a t f o r mi n v o l v e st h ec h o i c eo ft h eh o s tc o n t r o l l e r , m e m o r yc i r c u i t sa n d s oo n ；t h es o f t w a r ep l a t f o r mi n v o l v e s b u i l d i n ge m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n to fd r i v e r s 两华大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ei m p r o v e di n s t r u m e n tp a n e lu s e ri n t e r f a c ed e s i g ni si n t r o d u c e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gd e s c r i b i n gs e v e r a lc o m m o n l ye m b e d d e dg u i ，t h ee s t a b l i s h m e n to f h o s t d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n st h r o u g h t h eu s eo f m i n i g u i s e v e m lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d s i m p l y i nt h i sp a p e r ，w eu s er e a s o n a b l ea n du s e r - f r i e n d l yd e s i g nt o r o n g w e i5 5 0 a u t o m o t i v ei n s t r u m e n tt h r o u g ht h eu s eo fs e n s o rt e c h n o l o g y 、c a nb u sa n d e m b e d d e dt e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e di n s t r u m e n ti sn o to n l y a v o i d i n gl o wa c c u r a c ya n dp o o rr e l i a b i l i t y , b u ta l s ow i t hh i g hp r e c i s i o n ，h i g h i n t e l l i g e n c e ，a n dg o o ds c a l a b i l i t y k e yw o r d s ：a r m ，c a nb u s ，l i n u x ，i n s t r u m e n t ，m i n i g u i l l l 两华大学硕十学位论文 声明 本人声明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：雾斌汐弓年彤月肜日 导师签名：糊a 吵争钼日 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密彤适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：亏划 日期：o 弓- 啪肜 指导教师签名：巾；丹 日强：。o 毛 两华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 我国目前主流的大多数汽车仪表都存在着以下的缺陷：( 1 ) 精度不高。传 统的汽车仪表在低速区的基本误差相当大，在低速区的线性也是很差，而在转 速表、油量表和水温表等都有类似的问题。( 2 ) 分度不均匀。由于传统汽车仪 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，故常采用低速 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。( 3 ) 可靠性差。由于传统的汽车仪表由针轴、游丝、线包、 磁屏蔽罩和机械零件构成，其故障率很高。目前国内汽车仪表行业在整体上仍 滞后于整车的发展，与国外相比有很大的差距，如产品技术水平低，造型单调， 产品质量可靠性和耐久性差，数字化程度低等。 适应c a n 总线技术、嵌入式系统技术和t f t 液晶显示技术的迅速发展和 广泛应用，汽车仪表必须与汽车上其它装置交换数据，即接入到汽车的网络总 线上，并能够相互通信，这就必然推动了汽车仪表的升级换代。因此，如果能 够研制出智能化的汽车仪表对我国的汽车行业具有重大的现实意义。 1 2 国内外现状和发展趋势 自今汽车走过了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。 汽车仪表发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过4 代 1 】 2 】【3 】：第1 代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，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，称之为电气式仪表；第3 代为模拟电路电子式；第4 代为步进电 动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，只是用电子器件取代原来的电气器件。随着集 成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电路，是 国内汽车仪表目前的主流产品，经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机 两华大学硕士学位论文 心和动磁式机心阶段。电子器件经历了分立器件和专用集成电路阶段。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。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。其最显著的特征是工 作原理与第3 代汽车仪表完全不同。 目前国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星、上汽帕萨特等均配套使 用步进电动机式汽车仪表。其它型号的轿车也正在配套该类型的仪表，步进电 动式汽车仪表将是未来段时间内汽车仪表的主导产品。 我国的汽车仪表与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。如当今 国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车 仪表，并准备向更高方向发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表， 特别是步进电动机式汽车仪表，但其开发还不具备技术条件。全数字式汽车仪 表，特别是步进电动机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技 术，有着十分广阔的市场前景。 随着科学技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多，从发动机控制到 传动系控制，从行驶、制动、转向系控制到安全保证系统及仪表报警系统，使 汽车电气系统形成了一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。参照国外 汽车行业的现状，选择c a n 作为汽车的通信总线，是解决上述问题的良好途 径。 嵌入式系统作为一个热门领域，涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算 机软件和硬件等多项技术领域的应用。在全球半导体市场快速复苏，消费电子、 通信以及嵌入式系统各个应用领域快速发展，嵌入式微处理器技术不断进步的 情况下，全球嵌入式系统产业规模继续保持稳步增长，2 0 0 7 年达到4 0 8 1 6 亿 美元，而国内的嵌入式系统产业规模也达到了2 2 1 8 1 亿元，在未来两三年还将 持续增长。 嵌入式计算技术的进步，正在以前所未有的程度影响和改变着我们的生 活。迄今为止，只要我们目之能及，嵌入式系统已经“无处不在”、“无所不能”。 其中“无所不能”是指嵌入式系统将人工智能技术和超级计算技术有机结合，而 “无所不在”则是指嵌入式系统存在着广阔的应用天地，如人们平常用的手机、 2 两华大学硕十学位论文 摄像机、医疗仪器、汽车、以至工业控制、航天、航空等设备都嵌有嵌入式系 统。事实上，这些都只是嵌入式应用的冰山一角。由于迅速发展的i n t e m e t 和 非常廉价的微处理器的出现，不远的将来嵌入式设备将会嵌入在桌子、椅子、 餐具、窗帘等各种日常用品中，全面走入人类的生活，而且还会在人类的工业、 军事、自然探索等各方面广泛应用。而我国信息化与全面小康社会建设更是对 嵌入式系统市场提出巨大需求，信息家电产品年需求量已达到几亿台，每类 数字化家电产品都有几千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台 ( 套) 需求量，商用嵌入式系统需求量突破几百万台。 以下为最值得关注的5 个主要嵌入式产品市场 4 】【5 】【”】： 嵌入式系统的应用覆盖航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智 能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、智能 i c 卡、第二代身份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及军事等等各种领 域，但目前最值得关注的嵌入式产品市场主要有如下几类： 第一、家庭信息网络：家用电器已经开始向数字化和网络化发展，电视机、 微波炉、数字电话等都将嵌入微处理机并通过家庭网关与i n t e m e t 连接，构成 家庭信息网络。但不论是高度集成的智能数字终端，还是各类数字融合产品， 都离不开嵌入式系统的支持，可以说，嵌入式系统是家庭信息网络、i t 融合的 重要技术基础。具有丰富功能，高度集成的智能数字终端将是未来的发展方向。 第二、移动计算设备：移动计算设备包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移 动设备。中国拥有最大规模的手机用户，而掌上电脑或p d a 由于易于使用、 携带方便、价格便宜，未来几年将在我国得到快速发展。p d a 与手机也已呈现 融合趋势。使用掌上电脑或p d a 上网，人们可以随时随地获取信息。 第三、网络设备：随着下一代i n t e m e t 的研发成功和投入使用，必然要有 更多更强的嵌入式网络设备和产品面世，这意味着巨大的嵌入式网络设备和产 品市场需求。嵌入式系统也在向无线网络w l a n 发展，它有望部署到住宅及 商用建筑自动化、工业设备监测以及其他无线传感和控制应用中。 第四、自动化与测控仪器仪表：测控仪器仪表种类繁多，而新型的测控仪 器仪表无一不是嵌入式系统。此外，在工控和仿真领域，嵌入式设备也早已得 到广泛应用。中国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，而智能控制设备、 两华大学硕十学位论文 智能仪表、自动控制等，这些都为嵌入式系统提供了巨大的市场。 第五、交通电子设备：汽车智能驾驶设备、汽车模拟驾驶器、汽车喷油泵 调试台、轮船智能驾驶设备等都面临更新换代，而这类新型设备都离不开嵌入 式系统。中国汽车业的发展必然为汽车电子的嵌入式系统应用带来良好商机。 因此，嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收费监控、汽车自导航、g p s 车 载终端、电子警察和汽车检测中的将会拥有良好的市场前景。 c a n 总线以及嵌入式系统的引入，不仅可以大大简化布线，实现数据共 享，提高可靠性，而且为汽车的智能化提供了无可比拟的拓展空间，是汽车发 展史上划时代的革命。 1 3 课题研究内容 本文以上海汽车荣威5 5 01 8 a t 启臻版的仪表盘为研究对象，对其进行了 部分改进：车速、发动机转速通过指针仪表显示；燃油量、冷却水温度以及其 它信息通过液晶屏显示；附加了一个导航功能。改进后的仪表界面显示内容更 加丰富，更能方便驾驶员的操作。 通过对国内外相关产品的现状与发展趋势的了解以及对相关资料的收集 与整理，本文对改进后的荣威5 5 0 汽车仪表进行了相关设计，主要研究内容如 下： 1 汽车仪表的整体方案设计 对荣威5 5 0 汽车仪表的现状与发展趋势进行了全面论述，通过分析给出了 系统的整体原理图。 2 嵌入式系统软硬件平台设计 其中硬件包括主控制器的选择，电源电路、时钟电路、存储器电路的设计， 以及音频电路、液晶屏电路、c a n 接口电路等外围电路的设计；软件包括交 叉开发环境的构建、l i n u x 内核和根文件系统的建立、b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核 和文件系统的下载，以及驱动程序的开发。 3 基于m i n i g u i 的图形用户界面的开发 根据系统需求，选定m i n i g u i ，并较为详细的介绍了基于m i n i g u i 的应用 程序的开发以及图形界面的设计。 4 西华大学硕十学位论文 4 系统的抗干扰设计 分别从硬件和软件两方面简单介绍了几种抗干扰方法。 两华大学硕+ 学位论文 2 系统总体方案设计 2 1 系统总体方案 进入2 1 世纪以来，随着电子技术的进步，新型传感器和电子显示器件不 断涌现，汽车仪表电子化的发展尤为迅速，可以把各种仪表、报警装置以及舒 适性控制器组合到一起，形成综合信息系统。 本文以上海汽车荣威5 5 01 8 a t 启臻版为例进行说明，仪表界面如图2 - 1 所示。它的车速表和发动机转速表分别由数字和指针显示，燃油表和水温表由 刻度表显示。用数字来显示车速容易让人在驾驶中产生视觉疲劳，存在安全隐 患：而用刻度值表示燃油和水温显得不够准确，不够直观。 f i g2 1r o n g w e i5 5 0 i n s l n l l n e n li n t e r f a c e 图2 1 荣威5 5 0 仪表界面 针对荣威汽车的以上缺点，我们对其进行了如下改进： 1 将车速仪表改成指针式仪表 2 将燃油表和冷却液温度表改为数字显示 3 拟增加一个g p s 汽车导航系统显示 4 完善多功能显示菜单 改进后的仪表界面如图2 - 2 所示。此界面不仅可以显示车速等常规信息 西华大学硕士学位论文 而且可以显示报警信息和导航信息，是一个综合的信息系统，它可显示如下信 息： i 常规信息 燃油量、冷却液温度、室外温度、平均油耗。 2 报警信息 当未系安全带、车门未锁、时速超过1 2 0 k n g h 、水温和机油压力异常以及 燃油不足时，系统会自动报警。 3 导航信息 显示汽车行驶方向、广播和距离目的地距离。驾驶员只要将起始和目的地 输入汽车导航系统，系统会根据电子地图自动计算出最合适的路线，而且在行 驶的过程中提醒驾驶员按照计算的路线行驶。 这种信息系统不仅显示直观、清晰、稳定、响应速度快、显示精度蒿毛而 且体积小、质量小、便于装配和维护。 f i g2 - 2i m p r o v e dr o n g w e i5 5 0i n s t r u m e n ti n t e r f a c e 图2 - 2 改进后的荣威5 5 0 仪表界面 两华大学硕士学位论文 本文基于a r m 嵌入式技术、传感器技术和c a n 总线技术，提出了在嵌 入式l i n u x 平台上显示车载仪表参数的方法。系统作为汽车c a n 总线网络上 的一个智能节点，首先通过传感器对发动机转速、车速、燃油量、冷却水温度 等车况信息进行采集，为了与其它节点实现信息共享，采用c a n 总线进行数 据传输，然后通过c a n 总线接口接收来自发动机、自动变速器、a b s 、导航 系统等节点的信息，以a r m $ 3 c 2 4 1 0 处理器为控制主体，在l i n u x 操作系统 的管理下，利用m i n i g u i 实现对车载信息的显示，实现一个友好的人机交互界 面，同时为驾驶员方便行车提供了有力的保证。系统原理图如图2 3 所示。 f i g 2 - 3s y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 图2 3 系统原理图 本着成本低、性能高、易于开发等原则，本文选定s a m s u n g 公司的a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 作为核心c p u ；“ms d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ) 和2 m n o rf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) 为程序存储器：6 4 mn a n df l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 u o b ) 两华大学硕七学位论文 为数据存储器；s j a l 0 0 0c a n 控制器负责c a n 报文的接收与发送；8 英寸t f t 液晶屏进行m i n i g u i 图形界面的显示；选用l i n u x 作为嵌入式操作系统。 2 2 系统主要功能 2 2 1 本文做了改进之后，主要实现以下功能： 1 完成传统仪表具有的功能； 2 当车况出现异常时，液晶屏给出报警信号； 3 除了显示常规信息外，还可显示附加信息，如导航信息等； 4 仪表设计更加人性化； 为完成上述功能，需要实时采集汽车在工作时的各种参数，这些参数分为 以下五类，具体为： ( 1 ) 脉冲信号 ( 2 ) 传感器信号 ( 3 ) 车灯状态信号 ( 4 ) 车内报警信号 未系安全带车门未锁时速超过12 0 k m h 水温过高或过低机油压力过高或过低燃油不足 9 两华大学硕十学位论文 ( 5 ) 其它信号 时钟平均耗油量档位 广播方向距离目的地距离 2 2 2 信号采集模块设计 改进后的车载仪表信号采集模块如图2 - 4 所示。 叫车速传感器卜_ 呻 汽 车 一发动机转速传感器卜_ 一 输 i 入工 况信s 3 c 2 4 1 0 信 _ - 县 息 - 冷却液温度传感器 处 。 a 砌处理器 采理 集模 现 叫燃油量传感器卜- 呻 块 场 叫室外温度传感器卜- f i g 2 4a u t o m o t i v ei n s t r u m e n ts i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e 图2 - 4 车载仪表信号采集模块 汽车工况信息通常分为模拟量、频率量和开关量三类。 ( 1 ) 模拟量：汽车工况信息中的发动机冷却液温度、油箱燃油量等，经过 各自的传感器转换成模拟电压量，经放大处理后，再由模数转换器转换成微 处理器能够处理的二进制数字量，输入微处理器进行处理。 1 0 两华大学硕士学位论文 ( 2 ) 频率量：汽车工况信息中的发动机转速和汽车速度等，经过各自的传 感器转换成脉冲信号，再输入微处理器进行处理。 ( 3 ) 开关量：汽车工况信息中的由开关控制的汽车左转、右转、制动、倒 车、各种灯光控制等，经电平转换和抗干扰处理后，输入微处理器进行处理。 1 脉冲信号采集模块设计 ( 1 ) 车速里程表 仪表板中最显眼的是车速里程表【1 】【3 1 ，它表示汽车的时速，单位是1 ( 1 】伽( 公 里j 、时) 。车速里程表实际上由两个表组成，一个是车速表，另一个是里程表。 上海汽车荣威5 5 0 仪表盘上的车速表和里程表都是采用数字显示的，用数 字来显示车速容易让人在驾驶中产生视觉疲劳，存在安全隐患，本文对其进行 改进，改为使用指针表示；伎用数字表示里程表很直观，很具体，本文予以保 留。 本文设计的里程表是一种数字式仪表，系统从速度传感器获取里程信号， 经过滤波和耦合处理后，送入a r m 微控制器，经过a r m 分析和处理后，最 后通过液晶屏显示出来。 随着电子技术的发展，很多轿车都在使用指针式车速表，本文也采用这科 车速表，它从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使步进电 机驱动指针偏转。 由于车速传感器输出的信号附加了许多的干扰信号，这就要对现场输入的 状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成微控制器能够接收的逻辑电 平信号，此过程称为信号调理f 9 】 1 0 1 。 光耦合器 6 】 7 】，又称光隔离器，是控制系统中常用的器件，它能实现输入 与输出之间的隔离。光耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光敏晶体管。 当发光二极管中通过一定值的电流时发出一定的光，被光敏晶体管接收，使其 导通，而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，晶体管截止，利用这种特性即可 达到开关控制的目的。光耦合器的输入端和输出端不能公用电源，否则达不到 隔离目的。 光耦合器的优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通 道上的信噪比大大提高，原因如下： 西华大学硕士学位论文 1 光耦合器的输入阻抗很小，一般为1 0 0 q 1 k q 之间，而干扰源的内阻 很大，通常为1 0 5 1 0 8q ，因此能分压到光耦合器输入端的噪声很小。 2 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光耦 合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，即使有很高电平幅值的干 扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。 3 光耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合，不会受到 外界光的干扰。 4 输入回路与输出回路之间分布电容很小，一般仅为o 5 一- 2 p f ，而且绝 缘电阻很大，通常为1 0 1 1 1 0 1 2q ，因此回路一边的干扰很难通过光耦合器馈 送到另一边去。 本文选用a g i l e n t 公司的高速光耦合器6 n 1 3 7 ，该光耦合器为高c m r ， 高速t t l 兼容的光耦合器，工作电压是+ 5 v ，传输速度为1 0 m 波特。主要应 用于以下几方面： 微处理器系统接口。 a d 、d a 转换器的数字隔离。 开关电源。 仪器输入输出隔离。 车速表的硬件主要由车速传感器、r c 滤波电路、光耦合器、a r m 微控制 器、步进电机和指针仪表组成。系统从速度传感器获取速度信号，经过滤波电 路和光耦合器处理后，进入a r m 微控制器，转化为驱动步进电机的脉冲信号， 通过指针指示速度。车速表的设计思路如图2 5 所示。 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p e e d o m e t e r 图2 - 5 车速表框图 西华大学硕七学位论文 ( 2 ) 转速表 上海汽车荣威5 5 0 仪表盘上的转速表是用指针指示的，本文予以保留。 转速表能够直观地显示发动机在各个工况下的转速，驾驶员可以随时知道 发动机的运转情况，配合变速器档位和油门位置，使之保持最佳的工作状态， 对减少油耗，延长发动机寿命有好处。 转速表【1 】【3 】【6 】【7 一般设置在仪表板内，与车速里程表对称地放置在一起。转 速表是按照磁性原理工作的，它接收点火线圈中初级电流中断时产生的脉冲信 号，并将此信号转换为可显示的转速值。发动机转速越快，点火线圈产生的脉 冲次数越多，表上显示的转速值就越大。它从转速传感器获取信号，通过脉冲 频率的变化使步进电机驱动指针偏转。 转速表的设计思路与车速表相类似，在此不再叙述。 2 模拟信号采集模块设计 ( 1 ) 冷却液温度 荣威5 5 0 汽车仪表上的水温表用刻度值指示，这样不够具体，本文对其进 行改进，采用数字显示。 发动机冷却液温度传感器【i l 】【1 2 1 1 4 8 1 即水温传感器大多用负温度系数热敏电 阻制成，它具有负温度系数。水温低时，电阻值大，水温高时，电阻值小。它 一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器内并伸入水套中。水温传感器接 头有两端子与z c u ( 电控单元) 连接，其中一条是信号线，输出电压随热敏电阻 值的变化而变化，e c u ( 控单元) 根据电压的变化测得发动机的水温：另一根 是地线。 蓄电池电压的正常值为+ 1 2 v ，波动范围在+ 1 0 v + 1 5 v 。因a r m 中的a d 输入端要求输入电压为+ 3 3 v ，故需将蓄电池电压分压、进行低通滤波后再送 入a r m 的a d 输入引脚。 水温传感器输出一般为变化的电阻信号，在前置处理中先将电阻信号转换 为电压，并将电压信号调整到3 3 v ，然后经过相应的信号处理模块处理后，送 入a r m 控制器的1 0 位a d 转换输入端，进行相应的a d 转换。其信号处理 电路【7 】【8 】如图2 - 6 所示。 西华大学硕十学位论文 1 2 v f i g 2 - 6a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 图2 - 6 模拟量信号处理电路 r l 是温度传感器( 其相应的温度的变化反应为阻值的变化) ，它与电阻r 2 ， r 3 ，r 4 构成电桥电路，该电桥电路作用是把传感器的电阻变化转换为电桥的 电压变化。当电桥平衡时( r i = r 2 ，r 3 = r 4 ) ，此时电桥的输出u 2 等于0 。当所 测的参数发生变化引起r 1 阻值发生变化时，电桥的输出u 2 不为0 ，其为 u 2 = 页丢焉u 丽而( 1 u 。该电压再经过由一个差动放大电路放大输出，这里 的差动放大器差模放大倍数是a d = ( 1 + 墨善笋) 等，这里通过调节相应的电 阻值使其最大量程对应的模拟量接近3 3 v ，然后与a r m $ 3 c 2 4 1 0 的a d 脚连 接，进行a d 转换。 水温表的硬件主要由水温传感器、信号调理电路、采样保持器、a r m 微 控制器和它自带的a d 转换器、液晶屏组成。系统从水温传感器获取温度信号， 1 4 两华大学硕士学位论文 经过信号调理电路和采样保持器处理后，送入a r m 微控制器的1 0 位a d 转 换输入端，进行相应的a d 转换，最后水温通过液晶屏显示出来。水温表的设 计思路如图2 7 所示。 f i g 2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e r m o m e t e r 图2 7 水温表框图 ( 2 ) 燃油表 荣威5 5 0 汽车仪表上的燃油表用刻度值指示，这样不够具体，本文对其进 行改进，采用数字显示。 燃油表是显示油箱内的油量的仪表，单位是l ( 升) ，本文选用浮子可变电 阻式液位传感器【7 】【1 3 1 作为燃油表的传感器。这种液位传感器由浮子、内装滑动 电阻的本体以及连接这两者的浮子臂组成，它的浮子可以随液位上、下移动， 滑动臂可在电阻上滑动，从而改变了搭铁与浮子间电阻值，利用这一特性控制 回路中电流大小，在仪表上显示出来，表示油箱内的存油量。 燃油表的设计思路与水温表相类似，在此不再叙述。 ( 3 ) 室外温度 荣威5 5 0 汽车仪表没有显示室外温度的功能，本文为其增加了这个功能， 使仪表显示信息更加丰富。 室外空气温度传感器【7 】【1 4 】用于测量室外的空气温度，为汽车空调控制系统 工作温度的控制提供信息。它用负温度系数热敏电阻制成，当室外温度发生变 化时，传感器的电阻值发生变化，温度升高时，电阻值减小；温度降低时，电 阻值增大。 温度表的设计思路与水温表相类似，在此不再叙述。 西华大学硕士学位论文 3 其它信号采集模块设计 改进后的荣威5 5 0 汽车仪表除了可以显示以上信息外，还具有以下功能： ( 1 ) 显示油耗信息 仪表系统与汽车电气系统的接头连接，当点火开关接通时，它收到来自蓄 电池电压、燃油箱传感器和车速传感器的信号，经过计算与处理，可在仪表盘 上显示出瞬时燃油消耗、平均燃油消耗等信息。 ( 2 ) 报警 仪表系统接收来自点火开关、车灯继电器、门窗开关、车速传感器、水温 传感器、燃油传感器和机油压力传感器的信号，经过逻辑判断和分析，如果有 异常现象发生就会在仪表盘上报警。 ( 3 ) 显示方向和距离 1 】【3 】【6 】【7 】 仪表系统接收来自方位传感器和行驶距离传感器的信号，经过分析和判 断，在仪表盘上显示汽车的行驶方向和距离目的地的距离。 方位传感器是利用地磁进行检测的传感器，它用在汽车的导航系统，以指 示方向的偏差。方位传感器上的励磁线圈在环状磁心上产生强度、方向周期变 化的磁场，测定与磁场交链的检测线圈x 、y 的输出电压，即可知道汽车所在 的方位了。 车用导航系统由显示部分、操纵部分、地磁方位传感器及行驶距离传感器 组成。它的原理是：先从地图上找出从出发地到目的地的东西方向距离a ，南 北方向距离b ，输入到系统的操纵部分，同时把目的地的直线距离i 输入到微 控制器中。当车辆行驶后，无论车辆在哪个方向上移动，地磁方位传感器都能 检测出绝对方向口1 ，距目的地的方向口2 及距离1 ，并在仪表盘上显示出来。 2 3 关键技术分析 本文设计的改进后的荣威5 5 0 汽车仪表的关键技术主要有以下几个方面： ( 1 ) 仪表系统除了显示车速、发动机转速、油量、冷却液温度等常规参数 外，还要显示其它工况信息，比如室外温度，平均油耗量等，这在硬件设计时， 对单片机的选型及传感器选择要求较高。 ( 2 ) 软件是车载仪表的重要组成部分，在液晶屏上需要分屏显示多种信息， 1 6 两华大学硕士学位论文 且要求数字清晰、可视性能好、显示准确，所以在选择嵌入式图形界面和设计 出质量高的程序方面有一定的难度。 ( 3 ) 本文考虑到汽车仪表工作环境恶劣，需要承受高温、低温、电磁等多 种干扰，因此需要采取相应的软硬件抗干扰措施。 两华大学硕士学位论文 3 嵌入式系统软硬件平台设计 3 1 嵌入式系统硬件平台设计 本文所设计的改进后的荣威5 5 0 汽车仪表硬件主要由3 2 位微控制器 a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 、电源电路、复位电路、系统时钟、系统存储器、音频电路、 c a n 接口、液晶显示器等组成。仪表显示由两部分组成，一部分为传统指针 仪表，主要显示发动机转速、车速等脉冲信号；另一部分为液晶显示仪表，主 要显示冷却液温度、燃油量等模拟量信号，车辆的故障信息以及导航信息等。 系统的硬件框图如图3 一l 所示： 广 广 l 彩色掖晶屏il 音频电路l 圈 圆 圃 f i g 3 1t h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a mo fs y s t e mh a r d w a r e 图3 - 1系统硬件总体框图 3 1 1 微控制器的选择 本文设计的改进型智能组合仪表系统中，微控制器是核心部分。它首先完 成对传感器送来的模拟信号的a d 转换、脉冲信号的测量和其它有关汽车行驶 状态信号的输入处理，然后计算并控制所需的输出值，通过c a n 总线向其他 节点发送信号。综合以上因素，本设计采用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器 嚣圊 两华大学硕十学位论文 ( a r m 9 2 0 t 内核) 作为系统的微控制器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 1 8 】【3 2 】【3 9 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器( a r m 9 2 0 t 内核) ，适用于手持设备、p o s 机、数字多媒体播放设备等，具有低价格、低功 耗、高性能等特点。 s 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器 件的需要，大大减少了整个系统的成本。$ 3 c 2 4 1 0 a 主要的特征如下： 2 0 3 m 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； 1 6 l 的i - c a c h e 和1 6 l 的d c a c h e ： 具有m m u ，支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 等操作系统； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，l 通道l c d 专用 d m a ： 4 通道d m a ，有外部请求引脚； 3 个u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o ，1 6 字节r _ xf i f o ) ； 2 个s p i 总线接口； 1 个多主，2 c 总线接口； 1 个i i s 总线接口： 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； n a n df l a s h s m 卡接口，支持n a n df l a s h 系统引导： 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口( v 1 1 ) ； 4 个p w m 定时器和一个内部定时器； 看门狗定时器； 1 17 个通用i o 口； 2 4 个外部中断； 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口； 具有日历和时钟功能的r t c ； 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 功耗控制模式：普通，慢速，空闲和掉电模式； 具有片内p l l 时钟发生器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片内部结构框图如图3 2 所示。 两华大学硕十学位论文 f i g 3 - 2d i a g r a mo f t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f $ 3 c 2 4 1 0 a 3 1 2 电源电路设计 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部结构框图 由于系统的电源来源于汽车上的电瓶，汽车电瓶是+ 1 2 v ，而本文所用 $ 3 c 2 4 1 0 a 的内核电压为1 8 v ，存储器电压和外部i o 电压为3 3 v ，彩色液晶 屏采用5 v 电源供电。根据以上分析，电源系统需要如下器件【1 5 】【3 0 】【3 9 】【5 0 】： 2 0 两华大学硕十学位论文 1 + 1 2 v 转+ 5 v 的低压差稳压器s p x l l1 7 5 0 ， 2 + 5 v 转+ 3 3 v 的低压差稳压器s p x l l l 7 3 3 ， 3 + 3 3 v 转+ 1 8 v 的低压差稳压器s p x l1 17 1 8 。 彩色液晶屏所需的+ 5 v 电压由低压差稳压器s p x l l l 7 5 0 产生，其电路原 理如图3 3 所示。存储器和内核所需电压也由s p x l1 1 7 系列l d o 芯片产生， 电路原理也与前面相似，在此不再叙述。 该芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在1 以内，还具有电流 限制和热保护功能，广泛应用于手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。 f i g 3 3d e s i g no f12 vt o5 vc o n v e r s i o nc i r c u i t 图3 31 2 v 转5 v 电路图 3 1 3 复位电路设计 系统的复位电路使用了内置e 2p r o m 存储器的电源监控复位芯片 c a t l 0 2 5 j i 3 0 16 】 3 0 】( 复位门槛电压为3 0 3 1 5 v ) ，提高了系统的可靠性， 电路原理如图3 - 4 所示。 2 1 西华大学硕士学位论文 f 。培3 - 4r e s e tc l r c u l t 图3 - 4 复位电路 3 1 4 系统时钟电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 a 采用了1 2m h z 外部晶振，所以将它的o m 2 、o m 3 引脚接为低 电平，将外部时钟输入引脚e x t c l k 接为高电平( 3 3 v ) ，电路原理如图3 5 所示。通过$ 3 c 2 4 1 0 a 内部的锁相环，可以将时钟