新款宝马7系平视显示屏HUD技术剖析

1、新款宝马7系平视显示屏HUD技术剖析刘春晖， 魏金铭（山东华宇工学院， 山东 德州253034）中 图 分 类 号 ： U463.65文 献 标 识 码 ： B文 章 编 号 ： 10038639（2014）07002904DOI:10.13273/ki.qcdq.2014.07.011车 辆在高速行驶时 ， 特别是夜间高速行车时 ， 驾驶人可能会低头观看仪表显示或观看中控 台 的 音 响等显示， 此时如果前方遇有紧急情况就有 可 能 因 来不及采取有效措施而造成事故 。 为避免这 种 情 况 发生， 有些高档车辆装配了抬头显示系统 ， 它 可 以 将有关信息显示在 前风挡玻璃的驾驶人平视范围

2、 上 ， 且 显 示 位 置 、 显 示 亮 度 可 调 ， 这 样 可 以 避 免 低 头 看 仪 表 ， 从 而 缩短眼球对前方的视觉盲区时 间 。 对减少因低头 走神引起的交通事故有着重要 的 价 值 。HUD是英文Head Up Display的缩写， 意为 “抬 头 显 示 ” 或 者 “ 平 视 显 示 器 ” 。 同许多战争发展出 来 的 技 术 一 样 ， HUD最初的应用就是在战斗机上 ， 最早装备HUD的飞机是法国的幻影战斗机 。 这种由 电子组件、 显示组件、 控制器以及高压电源 等 组 成 的综合电子显示 设 备 ， 能 将 飞 行 参 数 、 瞄 准 攻 击 、 自检

3、测等信息 ， 以图像、 字符的形式， 通过 光 学 部 件投射到座舱正前方组合玻璃或者头盔上的 显 示 装 置上。 下面以宝马新7系F01 F02车型为例， 阐述平 视显示系统在高档车上的应用。从 “ 平 视 显 示 ” 可 直 接 联 想 到 “ 头 部 高 度 ” ，这一名称已经体现出了HUD系统的主要特点 。 平视显示屏HUD将一个虚拟图像投射到驾驶人的视野范围内。 在风挡玻璃上反射出定速巡航控制数 据 或 箭 头导航数据等重要信息 ， 便于驾驶人随时了 解 。 就 像喷气式飞机的飞行员一样 ， 宝马车驾驶人 也 可 以 在视野范围内直接看到重要数据和图像 。宝马的第1套平视显示系统20

4、04年出现 在 宝 马5系车型上， 比其他汽车厂家的同等性能产品 亮 相 要早 。 宝 马7系的平视显示屏HUD最 早 应 用 在2009年 款F01 F02车 上 。 新 款BMW 7系 的 平 视 显 示 屏 可 提 供多种有助于提高 交通安全性和驾驶舒适性的功 能 。 平视显示屏可显示定速巡航控制系统 （DCC）、 导 航 系 统 、 检 查控制信息以及车速等方面的信息 。 新款宝马7系F01 F02平视显示屏HUD如图1所示。图1 新 款 宝 马7系F01 F02平 视 显 示 屏HUD1平视显示屏HUD的功能新宝马7系平视显示系统的电路如图2所示， HUD控制单元上的K-CAN信号功

5、能如表1所示。K-CAN 车身控制器区域网络 LIN-Bus 局域互联网总线 图2 宝 马 新7系 平 视 显 示 屏HUD电 路1.1平视显示屏HUD的工作原理平视显示屏HUD相当于一部投影装置 ， 其 工 作 原 理 如 图 3 所 示 。 需要一个光源来投射 HUD 信 息 ， 使用红 色 和 绿 色2个LED灯 组 作 为 光 源 ， 通 过TFT投 影显示屏产生图 像 内 容 。 TFT投影显示屏相当于一 个滤波器， 允许或阻 止 光 线 通 过 。 由一个图像光学 元件确定HUD显示图像的形状 、 距 离 和 尺 寸 ， 图 像 看起来就好像自由漂浮在道路上方 ， 风 挡 玻 璃

6、的 作用相当于偏光镜 。平视显示 屏HUD投射图像内容距 收 稿 日 期 ： 2012-11-02； 修 回 日 期 ： 2012-11-16作 者 简 介 ： 刘 春 晖（1974）， 男 ， 高 级 工 程 师 ， 山 东 德 州 人 ， 汽车维修高级工程师 ， 现从事汽车电气设 备和汽车电控 方面 的 教 学 、 实 操 工 作 ， 在各级汽车维修类杂志上公开发表论文15篇 ， 出版汽车维修类图书10部 。 汽 车 电 器 2014 年 第 7 期 29 OperationMaintenance 表1 HUD控 制 单 元 上 的K-CAN信 号绪状态， 即HUD可通过K-CAN与车载网

7、络的其它连接设备进行通信 ； TFT投 影 显 示 屏 进行初始化并变 为黑屏； LED熄灭。HUD通 过K-CAN接 收 总 线 端15接 通 状 态 信 号 。输 入 输 出信 息来 源 汇 集 点功 能输 入输 入车 速检 查 控 制 信 息组 合 仪 表组 合 仪 表晴 雨 传 感 器 RLS 信 号 通 过 车 顶 功 能 中 心 FZD传 输CIC CIC EHB3CICBEFAS CICHUD显 示HUD显 示总线端15接通后， HUD进入准备就绪状态 ，此 时 可以 通 过 BEFAS 上的按钮接通背景照明装置 ， 调 节HUD高度和亮度， 通过HUD显示信息。车辆起动时处于总

8、线端50状态 。 在 总 线 端50状态期间， 即车灯关闭时 ， HUD进入保持状态 ， 这 种保持状态会一直延续到总线端50状态结束后。输 入调 光 亮 度调 节 亮 度输 入输 入 输 入 输 入 输 入输 入调 节 高 度亮 度 偏 差DCC功 能 选 择打 开 关 闭 按 钮导 航校 准 高 度调 节 亮 度HUD显 示 HUD显 示 内 容 打 开 关 闭HUD HUD显 示关闭条件当总线端R关闭时， 按压BEFAS2）上的按钮就会关闭平视显示屏HUD。3） 亮度偏差 亮度偏差是一项个 性 化 配 置 功能PIA。驾驶人可通过亮度偏差功能自行调节并存 离观察者的眼睛大约2.7 m，

9、如图4所示。储HUD亮 度 设 置 ， 如 图6所 示 。 每 次 接 通HUD时 都会 执 行HUD亮 度 偏 差 设 置 。 通 过 控 制 器 在CID内 进行亮度设置 ，可选择-10至+10之间的设置值 ，中间值为0， 设置值通过K-CAN发送至HUD。图6 平 视 显 示 屏HUD的 亮 度 设 置图3 平 视 显 示 屏HUD的工作原理示意 为了针对不同光线效果进行补 偿 ， 根 据 晴 雨 传感器的信号自动进行亮度调节 。 自动调节亮度时不 会出现HUD亮度跃变情况 。 平视显示屏HUD产生不同光线效果的原因为 ：晚、 阳光、 乌云、 雨、如隧道、 地下车库等；环境条件， 例 如

10、 白 天 、 夜雪、 雾等； 建 筑 情 况 ， 例驾驶人可通过滚花轮调节 仪表照明的亮度 ； 自 总 线 端58g 车 灯 亮 起 后 ， 根据仪表照明亮度设置确定HUD亮度。平 视 显 示 屏 HUD 的亮度大小取决 于 调 光 轮 设置 、 亮度偏差以及晴雨传感器RLS。 HUD内 集 成 了 一个用于HUD和LED灯组的运行计时器。4） 平视显示屏的显示范 围 平视 显 示 屏 HUD尺 寸 大 约 为200 mm×100 mm， 显示屏分辨率为480×图4 平 视 显 示 屏HUD的 投 影 距 离1.2 接通条件当平视显示屏HUD的总线端15接通、驶人辅助系统操

11、作单元 BEFAS上的按钮 （HUD、 图 5） 时 ， 平 视 显 示 屏 HUD才会接通， 允 许 有 光线通过。1） 接通状态 HUD通 过 K -CAN 接 收 总 线并且按压驾240像 素 。 HUD分 为2个 显 示 区 域 ， 如 图7所 示 。为了便于区分， 图7明确划分了2个区域。 上 部 区 域 以符号、 显示条和文字形式 显 示 导 航 信 息 和 CC 信 息 ，下部区 域 以 单 位 、 当 前 车速和定速巡航控制形式显 示与车速有关的内容。5） 平视显示屏HUD颜端30接通 状 态 信 号 。总驾驶人辅助系统操作 单 元BEFAS上 的 打 开 关 闭 按 钮图5线

12、 端 R 接 通 后 ， HUD 在一定程度上处于准备就 色选择由不同的控制单 图7平视显示屏的显示区域 30 汽 车 电 器 2014 年 第 7 期使用维修 OperationMaintenance 元规定相应的显示符号 。 组合仪表针对HUD显示 内容执行相关颜色规定 。 为了达到最佳的 符 号 可 视 效果 ， 使 用2D “平 面 符 号 ”， 橙 色 为 标 准 色 ， 红 色 或3） LED灯 组 平 视 显 示 屏HUD使 用2个LED灯组。 LED灯组在一个平面内布置了8个LED。 LED灯组 为TFT投影显示屏提供背景照明 ， 负 责 产 生 达 到HUD亮度所需的灯光 。

13、 LED灯组内安装红色 和 绿 色LED， 根据主印刷电路板的控制情况 达 到 所 需HUD亮度。4） 主 印 刷 电 路 板 主 印 刷 电 路 板 （ 图 11） 上黄 色 用 于 报 警 信 息 ，HUD背景为透明色。绿色用于定速巡航控制系统 ，2平视显示屏HUD部件安装位置及结构平视显示屏HUD安装在转向柱上方 ，紧靠 在 组安 装 了 K -CAN 接 口 、处 理 器（ CPU） 、 LVDS 控 制合 仪 表 后 部 。 通 过3个六角螺栓将其固定在前围板 支撑结构上， 如图8所示。 平视显示屏由玻 璃 盖 板 、器 、 EEPROM存储器以及供电装置等组件 。 组 合 仪表通过

14、LVDS导线将图像信号发送到显示屏上。反射镜、2个LED灯组、 TFT投 影 显 示 屏 、主 印 刷 电壳 体 壳 体（ 图12）由 铝 合 金 制 成 ， 包 括5）路板及壳体等部件构成 ， 还包括风挡玻 璃 、 车 灯 模块 和 BEFAS、 晴 雨 传 感 器 、 车 顶 功 能 中 心 和 接 线下 端 部 件 和 塑 料 盖 板 。 散 热 装 置 （ 铝 合 金 散 热 片 ）和供电装置固定在下端部件上 ， 玻璃盖 板 集 成 在 盖板内。盒、HUD挡板等附属部件 。 HUD系 统 通 过BEFAS上的 打 开 关 闭 按 钮 、 车灯开关中心内的车灯开关 、仪表照明调光器以及控

15、制器等部件进行操作 。图11 主 印 刷 电 路 板图12壳 体2.2风挡玻璃所用风挡玻璃是一种特殊玻璃 （ 图 13） ， 它 是 反射显示内容的重要部件 。 与批量生产 风 挡 玻 璃 一 样， 外层和内层车窗玻璃也粘有一层塑 料 膜 。 但 与 批量生产风挡玻璃不同的是 ， 该塑料膜 并 非 以 平 行 分布方式而是以楔形分布方式覆盖在整 个 风 挡 玻 璃 上 。 这 种 楔 形分布方式可防止HUD显 示 内 容 重 影 。 楔 形 尖 端 向 下 ， 从距离风挡玻璃下边缘大约 10 cm 处开始向上加厚 。 楔形末端大约位于风 挡 玻 璃 高 度2 3处。 在风挡玻璃上部1 3区域内

16、， 外 层 和 内 层 车窗玻璃间的塑料 膜 平 行 分 布 。 楔形尖端的厚度为 图8 平视显示屏的安装位置 2.1组成部件1） 玻 璃 盖 板玻璃盖板由防划涂层聚碳酸 脂 （ PC） 材 料 制 成（ 图 9） ， 它 是 HUD 的 上部盖板。 玻璃盖板可防止灰尘和无意放到显示屏上的物体进入HUD内图9HUD玻 璃 盖 板部 。玻 璃 盖 板 和 HUD0.8 mm， 末端 的 厚 度 为1 mm。风挡玻璃下边缘的总 挡板都采用曲面设计 ， 以免无法将射入 的 光 线 反 射给驾驶人。 此外还通过散光效果等方式 ， 确 保 顺 利将显示屏上的信息投射到风挡玻璃上。厚度为4.5 mm， 上

17、边缘的总厚度为4.7 mm。2） 反射镜 平视显示屏内装有2个 反 射 镜 ，图10所示。 反射镜将显示屏上的信息反射到风挡玻璃上。 曲面镜负责 对风挡玻璃上的图像进行补偿调节， 即调节图 像尺寸和距离。 平面镜 是负责确保光线在特定 空间内传输的偏光镜 。如图13 风 挡 玻 璃曲面镜由塑料制成，面镜由玻璃制成。平1） 未安装正确风挡玻 璃正常风挡玻璃的成 像 ， 反 射 到HUD风 挡 玻 璃 上 的2个图像会在楔角作 图10 HUD内 的 反 光 镜 汽 车 电 器 2014 年 第 7 期 31 使用维修 OperationMaintenance 用下相互重叠 ， 因此驾驶人只会看到一

18、 个 图 像 ， 其机理如图14所示。 HUD图像始终反射到风挡玻璃 的内 侧 和 外 侧 。 由于批量生产风挡玻璃存在倾斜角 2.3组合仪表为了选择车速进行显示 ， 分为 加 速 、 制 动 和 滑行 阶 段 。 车辆处于滑行阶段时 ， 取3个 连 续 数 值 的平 均值并更新车速读数 。 所 有 CC 信息也都显示在 度 ，像，因 此2个反射图像会彼此错开而形成重影的图 如图15所示。HUD内，组合仪表针对这些信息执行主控 功 能 ， 符号和相关文字由组合仪表传输。 CC信息先于其它显示内容显示， 例如导航信息等。 一条CC信息显示8 s，同时显示多条CC信息时， 每条CC信息显示3 s。

19、2.4操作元件1） 驾 驶 人 辅 助 系 统 操 作 单 元 BEFASHUD 打开 关 闭 按 钮 位 于 BEFAS 内 。该 按 钮 以 电 阻 方 式 设码， 直接连接至HUD。 HUD可根据电阻设码识别出按钮信号或按钮故障。仪 表 照 明 调 光启 用行车灯时会针对 HUD2）图14 风挡玻璃的成像机理 执行调光器设置， 由车灯模块发出调光器信号。3） 控制器 可在CID内使用控制器调节HUD的亮度和高度， 亮度调节又称为亮度偏 差 ， 也 可 以 使用 控 制 器 在 “ 功 能 选 择 ” 菜单内设置导航等功能 。因此这些设置会间接影响到HUD显示效果。3维修信息1） 调节HU

20、D亮度可 单 独 调 节HUD的 亮 度 。 CID是亮度调节的显 图15 HUD显 示 重 影2） 有效视线范围 有效视线范围指 的 是 驾 驶人可以自由移动而且不会影响HUD图像可视效果 的移动空间。 在有效视线范围内的自由移 动 空 间 大 致为： 130 mm水平移动距离 （图16）， 70 mm垂直移动 距 离±30 mm调 节 范 围 （图17）。 超出有效视线范围 时将无法看到完整的HUD显示内容。示仪表，骤如下：控制器，控制器是亮度调节的操作元 件 。 调 节 的 步通过按压菜单按钮调出主 菜 单 ； 按 压调出 “设置” 菜单选项； 转 动 控 制 器 直至 选 中

21、 菜 单 栏 内 的 “ 平 视 显 示 屏 ” ， 随 后 按 压 控 制器 进 行 确 认 ； 转动控制器直至选中 “ 亮 度 ” ， 随即进行确认； 通过转动控制器设置 所 需 亮 度 ， 并按压控制器进行确认。2） 调节HUD水平高度新宝马7系F01 F02的驾驶人可根据需要 ， 使用iDrive控制器调节图像 位置和有效视线范围 。 有 效视线范围最多可上下偏移±30 mm。其步骤如下：通过按压菜单按钮调出主菜单 ； 按 压 控 制 器 ， 调出 “设置” 菜单选项； 转动控制器 直 至 选 中 “平视 显 示 屏 ” ， 随后按压控制器进行确认 ；转 动 控制 器 直 至

22、 选 中 “ 调 节 高 度 ” ， 随后按压控制器进行 确认； 转动控制器设置所需高度 ， 并 按 压 控 制 器进行确认。3） 使HUD垂直旋转HUD出厂时使用规定的基本设置 。 在进 行 更 换风挡玻璃等工作时 ， 维修人员可通过垂直旋转功能 使HUD图像水平转动， 通过电机在-3 °至+3 °范围内调节显示屏。4） 调出 退出测试功能某些测试功能可按照以下方式直接通 过HUD调（下转第36页）图16 HUD的有效视线范围 （向 左 向 右 偏 移 ）图17 HUD的有效视线范围 （向 上 向 下 偏 移 ） 32 汽 车 电 器 2014 年 第 7 期使用维修 O

23、perationMaintenance 线 ， 现 已 开 始 在 先 进的汽车上得到广 泛 应 用 ， 因 此 各 汽 车 电 控单 元 能 够 通 过 CAN总 线共享所有的 信 息 和资 源 ， 以 达 到 简 化 布 线 、 减 少 传 感 器 数量 、 避 免 控 制 功 能 重 复 、 提 高 系 统 可 靠 性图12 仪 表 与 诊 断CAN总 线图10 智 能 前 照 灯CAN总 线和可维护性、 降低成本、 更好地匹配和协调各个控 制系统之目的 。 随着汽车电子技术的 发 展 ， 具 有 高 度灵活性、 简单的扩展性 、 优良的抗干扰性和纠错 能力的CAN总线通信协议必将在汽车电控系统中得 到更广泛的应用。参考文献：1 张 平 均 ， 孙 棣 华. 汽 车 电 气 系统网络化技术及车身系统 总 线 结 构 研 究 J. 汽 车 电 器 ， 2003 （1）： 8-10.2 徐 进 ， 刘 德 营 ， 张 红 军. 基 于CAN总线的开放式数控系 统的研究和实现 J. 机 床 与 液 压 ， 2004 （2）： 60-61.3 王 文 海. CAN总线在