電動汽車中控臺控制電路設計

1、電動汽車中控臺控制電路設計 天津電子信息職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計 課題名稱 姓 名 學 號 班 級 專 業(yè) 所 在 系 指導教師 完成日期 天津電子信息職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文）任務書 完成期限：2010年 10 月31日至 2010年12 月31日 姓 名 指導教師 專 業(yè) 職 稱 工程師 所在系 系 主 任 接受任務日期 2011.10.28 批準日期 2011.10.31 1 2 3 畢業(yè)設計（論文）進度計劃表 4 畢業(yè)設計（論文）開題報告 5 畢 業(yè) 設 計（論 文） 6 目 錄 摘要 . 1 一 引 言 . 2 1 課題背景 . 2 2 課題的目的、意義 . 3 3 課題的國

2、內外研究現(xiàn)狀 . 3 二 控制電路的系統(tǒng)設計 . 4 1 組合儀表的總體結構設計 . 4 2 系統(tǒng)的功能和要求 . 5 3 系統(tǒng)的硬件設計 . 6 （1） 微處理器的選型 . 6 （2） 電源電路和掉電保護電路的設計 . 6 （3） 輸入脈沖信號調理電路的設計 . 8 （4） 步進電機驅動模塊的設計 . 9 （5） LED驅動模塊的電路設計 . 11 （6） LCD驅動模塊的電路設計 . 12 （7） CAN通信模塊的電路設計 . 14 （8） 故障診斷電路的設計 . 16 4 系統(tǒng)的軟件設計 . 20 （1) 軟件開發(fā)工具介紹 . 20 （2） 系統(tǒng)軟件的總體設計思路 . 20 （3） 主程

3、序的設計 . 31 7 （4） 輸入脈沖捕捉程序的設計 . 23 （5） Flash擦寫程序的設計 . 25 （6） CAN通信程序的設計 . 26 （7） 本章小結 . 28 三 結 束 語 . 29 四 致 謝 . 29 五 參考文獻 . 30 8 電動汽車中控臺控制電路的設計 摘要 摘要：汽車儀表是駕駛員與汽車進行信息交流的重要接口和界面，對汽車的行 駛安全性和舒適性有很大影響，因而控臺控制電路的設計非常重要。隨著電子技術、計算機和通信技術等的發(fā)展，汽車儀表越來越趨向數(shù)字化。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車在所要顯示的信息方面有所保留但又有一定程度的區(qū)別。本文是以Freescale公司的MC9S

4、12DG128單片機為基礎，進行組合儀表系統(tǒng)控臺控制電路的設計，主要包括硬件設計和軟件設計兩個方面，即進行各典型電路模塊的設計和相關芯片驅動程序的編寫。它采用步進電機式指針儀表、LED和LCD顯示器顯示車速、電機轉速、里程信息以及電機電流、蓄電池電壓、電流和荷電狀態(tài)等相關的信息，同時采用了汽車行業(yè)標準的CAN 通信接口掛接在CAN總線上，實現(xiàn)與車內其它模塊的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)采用模塊化設計，簡化了外部電路、降低了成本，顯示的信息更加直觀、可靠，且具有較高的精度。由于技術標準和相關法規(guī)的不健全，局部功能有所限制。但是，作為新型汽車上的組合儀表系統(tǒng)，該設計展現(xiàn)了很好的應用前景。 關鍵詞：汽車儀表；M

5、C9S12DG128；硬件；軟件；控臺電路。 1 一 引 言 1 課題背景 伴隨汽車工業(yè)的日益發(fā)展，能源危機日益加劇，同時也帶來相關的環(huán)境問題。這使得電動汽車成為當前新一代汽車（混合動力汽車、電動汽車、新能源汽車）發(fā)展的一個趨勢。作為現(xiàn)代汽車的關鍵零部件之一，汽車儀表反映了汽車行駛工況的相關內外部信息，有利于保障汽車的行駛安全性和舒適性。同時，由于新技術的不斷發(fā)展，汽車儀表廣泛采用電子、計算機與通信技術，使之成為現(xiàn)代汽車的信息和控制中心，從而使得汽車組合儀表和相應控制器的開發(fā)設計顯得尤為重要。 一般傳統(tǒng)的汽車組合儀表有：車速里程表、轉速表、機油壓力表、水溫表、燃油表、以及相關的報警和指示儀表。

6、電動汽車因為采用的是電機，沒有使用發(fā)動機， 所以沒有發(fā)動機轉速表、水溫表、燃油表， 但需要相應地增加電機轉速表、電流表、蓄電池電壓表和剩余電量表這些與電動汽車相關的信息表。由于空間及其他因素的限制，傳統(tǒng)的機電式模擬儀表只能給駕駛員提供必要的而又少量的信息，現(xiàn)代汽車儀表則要求所顯示的內容和信息的種類越來越多、精度和可靠性也越來越高，因而汽車儀表的電子化和數(shù)字化成為必然的發(fā)展趨勢。90年代，國外制造商為了克服電氣式儀表的原理誤差和工藝誤差，紛紛推廣采用電子式儀表，首先將傳感器的模擬信號數(shù)字化，如將驅動車速里程表的軟軸或電機變換成霍爾傳感器，將機械傳動或電量轉動變成數(shù)字電信號傳輸。其次，將磁感應指示

7、模塊變成數(shù)字顯示形式，里程累計由蝸桿傳動變成由步進電機驅動或直接數(shù)字化顯示。隨著信息技術的高度發(fā)展，汽車儀表已從單個儀表電子化邁向集成化和系統(tǒng)化，這也使得汽車儀表的控臺控制電路成為可能和必須。 同時，現(xiàn)在汽車的故障診斷、實時通信、導航和定位等大量復雜信息服務開始應用于汽車上，各個系統(tǒng)之間工作的協(xié)調性、可靠性以及抗干擾性，也需要汽車能夠及時、高效、合理的處理好相關的信息，因而控制電路的正確合理設計對汽車儀表的功能發(fā)揮和未來發(fā)展有著重要作用。 2 2 課題的目的、意義 本課題的目的是：通過儀表與微處理器、局域網(wǎng)通信技術等結合起來，取代原來的純機械式和模擬式儀表，綜合利用電子式、數(shù)字式儀表的特點，更

8、直觀、方便的對汽車的相關信息進行顯示，同時及時準確、可靠的獲得汽車的實時信息。對于可能發(fā)生的故障和不利情況，采用CAN通信技術進行相關模塊的信息交換共享，通過微處理器對整個系統(tǒng)進行控制，并進行相應的處理；預留故障診斷接口，以便對汽車的可能故障實現(xiàn)實時檢測，以確保駕駛過程的安全性和舒適性。此外，汽車儀表的不斷電子化、數(shù)字化，使得其所能顯示的信息更多，也有利于儀表的功耗、可靠性得到提高。 該設計將是汽車儀表的一個發(fā)展階段，也是未來汽車儀表走向全數(shù)字化的一個準備階段。汽車儀表的顯示和相應控制系統(tǒng)技術將會日臻完善，具有高精度和高可靠性、小型化和輕量化的汽車數(shù)字化組合儀表將是未來發(fā)展趨勢。 3 課題的國

9、內外研究現(xiàn)狀 國外的電動汽車的發(fā)展歷史較長，從1834年首輛電動汽車誕生到1900年美國汽車市場上電動汽車、內燃機汽車和蒸汽機車的三分天下，國外的電動汽車有過大規(guī)模的生產(chǎn)和銷售歷史，組合儀表和相關的控制電路設計也較成熟。 汽車儀表發(fā)展，按其工作原理上取得的重大技術創(chuàng)新來分經(jīng)過了4代：第1代汽車儀表是基于機械作用力而工作的機械式儀表，即機械心表；第2代汽車儀表的工作原理基于電測原理，即通過各類傳感器將被測的電量轉換成電信號加以測量，稱之為電氣式儀表；第3代為模擬電路電子式；第4代為步進電動機式全數(shù)字汽車儀表。目前汽車儀表正在經(jīng)歷第3代向第4代轉型時期。 目前國際市場上汽車電子儀表應用主流有三種形

10、式：第一種形式與國內市場上正大力推行的電子式汽車里程表和電子式發(fā)動機轉速表一樣，主要是對車速里程表、轉速表電子化改造。第二種形式是所有汽車儀表機芯統(tǒng)一成一種結構的步進電機，所有的傳感信號經(jīng)AD轉換后，由中央處理器CPU運算處理后發(fā)布指令，使各步進電機運轉，實現(xiàn)儀表指示功能，由于該過程是全數(shù)字化的，因而它不僅指示精度高，加上合適的軟件還能實現(xiàn)自診斷功能。第三種形式即是信息管理系 3 統(tǒng)，也是國際汽車電子儀表的發(fā)展趨勢。 我國汽車儀表的發(fā)展隨汽車工業(yè)一道，自50年代創(chuàng)業(yè)起步。而我國對于電動汽車的研發(fā)，則開始于20世紀80年代，承擔的單位主要是高校和科研院所只有部分企業(yè)涉足這一領域，大部分開發(fā)的屬于

11、功能樣車。目前，市場上雖有一部分電動汽車上市，但還需要市場和時間的檢驗。因此，國內的電動汽車組合儀表的開發(fā)工作尚處于起步階段，生產(chǎn)與發(fā)展速度緩慢，處于電子式和數(shù)字式相結合的發(fā)展階段，正在逐步向全數(shù)字式方向發(fā)展。 二 控制電路的系統(tǒng)設計 1 組合儀表的總體結構設計 汽車組合儀表通常由以下幾部分組成：車速表、里程表、轉速表、水溫表、油量表、照明系統(tǒng)、報警指示系統(tǒng)等。本設計是基于電動汽車，其組合儀表板上主要顯示的信息有：電機轉速、車速、行駛的總里程和臨時里程、電機電流、蓄電池電壓、荷電狀態(tài)以及各種指示燈和報警信號。因而，汽車儀表系統(tǒng)由各種信號采集模塊、處理與控制模塊、驅動電路、顯示模塊和電源模塊組成

12、(各主要功能模塊的結構框圖如圖2.1所示)。其中，采集模塊負責采集電動車行駛時所關心的各種工作狀態(tài)信息參數(shù)，即儀表要顯示的信息量；處理與控制模塊主要負責處理經(jīng)過整形的脈沖信號（車速、電機轉速）、各種模擬信號（蓄電池電壓、制動和加速踏板位置）（對于內部沒有集成A/D轉換模塊的芯片，還要外加相應的A/D轉換模塊）以及一些開關量信號（如點火信號、換擋手柄位置信號、組合開關信號等）送入到主控芯片中，由主控芯片輸出相應的控制信息驅動對應的電路；驅動電路主要完成驅動步進電機顯示車速、電機轉速，驅動LED顯示總里程和臨時里程，驅動LCD顯示電機電流、蓄電池電壓、電流和荷電狀態(tài)；顯示模塊主要對采集的信息進行顯

13、示；電源模塊則為各模塊和控制電路的正常工作提供電能。 該設計以Freescale公司的16位微控制器MC9S12DG128微主控制器，通過各種傳感器對電機轉速、車速、制動踏板和加速踏板位置信號等進行測量，通過相關的信號處理電路將脈沖信號、模擬信號和開關量信號送入MC9S12DG128中進行計算和處理，輸出驅動步進電機、LED和LCD，從而實現(xiàn)相關信息的實時顯示。 4 圖 2.1 純電動車組合儀表的系統(tǒng)結構圖 2 系統(tǒng)的功能和要求 該設計中的汽車組合儀表和相應的控制電路，用于顯示和記錄汽車行駛過程中的各種狀態(tài)信息，具體應當實現(xiàn)的功能如下： 1）以CAN通信的方式獲取動力電池管理系統(tǒng)的信息（電池的

14、SOC、電池電壓和電流）和電機電流等信息，并傳送給LCD屏進行顯示； 2）用步進電機帶動表盤指針實時指示汽車行駛過程中的電機轉速和車速兩路信號； 3）用數(shù)碼管顯示汽車的總里程和臨時里程。其中，累計總里程具有記憶功能，臨時里程可以被隨時清零。分別選用合適的數(shù)碼管位數(shù)來顯示累計總里程和臨時里程； 4）應具有掉電保護功能，以便發(fā)生掉電時能夠及時對數(shù)據(jù)進行存儲。電源 5 掉電和上電時，表頭指針可以復位回零； 5）系統(tǒng)電源由車載蓄電池提供12V電源； 6）根據(jù)車內照明情況，進行儀表背光調節(jié)。同時還要指示遠光、霧燈、轉向等信號。 7）系統(tǒng)還要求有對電機的狀態(tài)進行監(jiān)測，預留故障診斷接口對汽車的故障進行診斷處

15、理： 8）系統(tǒng)要具有一定程度的抗干擾能力，因此在對系統(tǒng)的軟件和硬件方面進行設計時應當充分考慮； 9）系統(tǒng)要有良好的兼容性，標定和檢測要方便。 3 系統(tǒng)的硬件設計 （1）微處理器的選型 在汽車電子控制系統(tǒng)中，微處理器接收經(jīng)過輸入處理電路處理的信號，然后計算并控制所需的輸出值，按照行駛狀況的要求適時地向執(zhí)行機構發(fā)送控制信號。目前，在ECU中，所采用的微處理器多數(shù)是8位和16位的，只有極少數(shù)采用32 位的。出于安裝空間和儀表板的簡潔性考慮，微處理器的體積應當盡量?。和瑫r，對儀表的實時性和準確性的要求，微處理器要有一定的運算速度和精度。 本設計主要是應用在電動汽車上，屬于新型產(chǎn)品的開發(fā)和應用，因此對于

16、汽車上相關信息的采集以及控制等性能要求較高，故擬采用Freescale公司的16位微處理器MC9S12DG128。MC9S12DG128是Freescale HCS12系列單片機，其主要參數(shù)和功能模塊如下：128K的閃存、8K的、的、個通道位轉換器、控制器、兼容協(xié)議以及定時器/計數(shù)器通道和鍵盤中斷、和通信接口、輸入捕捉、輸出比較與。 （2）電源電路和掉電保護電路的設計 系統(tǒng)的電源來自汽車上的電瓶，而汽車電瓶的電壓是+12V。本系統(tǒng)需要兩路電源供電：12V電源和5V電源。12V主要用來為一般的各種信號指示燈和報警燈以及背光燈提供電源，5V電源主要對微處理器及一些外圍電路和功能芯片（如LED數(shù)碼管

17、顯示、LCD液晶顯示、步進電機驅動芯片等）供電。因此，為了獲得所需的+5V電源，需要采用電源轉換芯片進行電平轉換得到。本設計中，選用的 6 電源轉換芯片為LM2940，其輸入電壓的范圍為6.25V=VIN=26V，輸出電壓的精度較高，誤差在5%以內，穩(wěn)定性好。該芯片具有反向電源保護功能、限制內部短路電流以及產(chǎn)品的增強型測試功能；電源電路的硬件電路圖如下圖2.2所示：輸出電壓為5V。此外，為了降低輸出電壓的紋波和EMI噪聲，電路也可附加相關的處理模塊，進行濾波和抗干擾處理。 圖 2.2 電源電路 圖中的二極管D11的作用是防止輸入電壓接反，對電路起反向保護作用；穩(wěn)壓二極管對電路進行過壓保護；電解

18、電容對輸出的電壓進行濾波。 為了防止系統(tǒng)在正常工作時，由于電源和其他故障而導致電路突然斷電，使得系統(tǒng)來不及保存相關的數(shù)據(jù)而導致數(shù)據(jù)丟失。因此，需要附加掉電保護電路，使得掉電時能及時存儲里程信息，同時車速表、轉速表的指針回零。為此，電源的輸入端必須接入較大容量的電容，可以使用一個1000uF的電解電容，也可以使用兩個470uF的電解電容。本設計采用兩個470uF的電解電容，電源斷開時會在單片機的一個引腳產(chǎn)生一個外部中斷信號，大的電容可以維持單片機電源足夠長的時間，使得單片機可以完成內部數(shù)據(jù)的存儲和外部中斷服務程序。本設計擬采用MC34064電壓監(jiān)控芯片，該芯片的功能是：系統(tǒng)正常工作期間，當電源電

19、壓突然由高電壓下降到足夠低的電壓時，可產(chǎn)生一個復位信號，將此復位信號作為外部中斷信號接入單片機引腳，觸發(fā)單片機的外部中斷引腳產(chǎn)生中斷，進行轉入中斷服務程序進行相關的處理。它與單片機的接口電路圖如下所示： 7 圖 2.3 MC34064的電壓監(jiān)控電路工作圖 由以上分析可知，掉電保護電路圖如下圖所示： 圖 2.4 掉電保護電路 （3）輸入脈沖信號調理電路的設計 車速信號和轉速信號是通過傳感器從汽車電動機和車輪相關位置取出。多以非接觸方式獲取。如用霍爾、電渦流等傳感器獲取，本設計所對應的傳感器類型為霍爾傳感器，車輪每旋轉一周將會產(chǎn)生一個脈沖。來自傳感器的脈沖信號輸入到單片機定時器模塊的管腳，使用輸入

20、捕捉功能，為改善波形，在輸入捕捉管腳外增加處理電路。包括車速脈沖信號和轉速脈沖信號處理。其調理電路圖如圖2.3所示： 8 圖 2.5 車速、電機轉速信號調理電路 由圖可知，當車速、電機轉速的輸入信號為低電平時，D29、D30兩個二極管導通，則單片機接收到的為低電平；當車速、電機轉速輸入信號為12V高電平時，此時D29、D30兩個二級管截止，此時單片機接收到的電平信號為電阻R23、R26上的分壓，即： V=Vin * R23/(R21+R22+R23)=12V * 47/(10+60+47)=4.82V 為高電平，從而將車速及電機轉速信號轉換成單片機所能識別的邏輯電平信號。同時，此設計可對干擾信

21、號起到較好的抑制作用。 （4）步進電機驅動模塊的設計 步進電機是一個將電脈沖信號轉換為角位移或線位移的機電式數(shù)模轉換器，步進電機的工作原理是建立在被勵磁的定子電磁鐵吸引可選轉的銜鐵產(chǎn)生轉矩而旋轉，即靠磁鐵引力作用把電磁能轉換成機械角位移f211。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。脈沖的個數(shù)決定了轉角的大小，而脈沖的頻率決定了電機的轉速。這一線性關系的存在，加上步迸電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。一般步進電機可分為二相、三相、

22、四相和六相。 該模塊以儀表指針的形式動態(tài)地向駕駛員提供車輛運行時的兩個重要參數(shù)：車速和電機轉速，使信息的顯示更加直觀、具體。因此，該模塊能否準確穩(wěn)定地工作關系到汽車儀表盤的整體性能。 9 本設計采用偉力驅動技術有限公司的VID66-06步進電機驅動芯片和汽車儀表用步進電機VID29-05。 VID66-06是一款專為驅動步進電機而設計的CMOS集成電路，每個驅動芯片可同時驅動四路電機。在驅動芯片的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，輸出端可以控制步進電機的輸出軸以微步轉動，每個脈沖對應電機輸出軸轉動1/12度，最大角速度可達600度/s。該產(chǎn)品適用于相位差為60 度的兩相永磁儀表步進電機。其特

23、點有：以微步驅動；簡單易用，每個電機只需速度F(scx)和方向（CW/CCW）兩個控制端；所有輸入腳都有干擾過濾器；款工作電壓；低電磁干擾輻射。 VID29-05步進電機是偉力公司的VID系列步進電機，其可以工作于510V的脈沖下，最大消耗電流為20mA，內置減速比180/1的齒輪系，輸出軸的步距角最小為112 度，最大角速度為600度/s，其一個整步的步距角為180 度，每一個整步分為3個分步，其微步的工作方式將每一分步再細分成四步走完，即將電機每相繞組的電流分為四個臺階投入或切斷。每一個微步的步距角為15度，繞組的電流波形為一正弦階梯波?？刹捎梅植侥Ｊ交蛭⒉侥Ｊ津寗?。它具有如下優(yōu)勢：精密微

24、步技術、旋轉平穩(wěn)精確、低功耗、寬工作電壓、動靜扭力強勁、降噪抗震性能好和較好的環(huán)境適應性。由于其布距角很小，因此可以將數(shù)字信號很準確地轉為模擬的顯示輸出，但同時，微小的脈沖干擾很容易引起儀表指針的抖動，因而如何防抖使電機正常穩(wěn)定地工作，成了此設計的一個難點。為此，可以推薦采用兩點技術： 第一：在信號的輸入端增加了防抖技術，并上22F和0.1F的電容。 第二：在信號的輸出端增加防抖技術，在步進電機的四個引腳并上四個0.1F 的電容。 從而可使信號的輸入端和輸出端進行濾波，防止外部干擾，保證信號能準確穩(wěn)定的傳輸。 該步進電機驅動芯片的應用原理圖如下所示： 10 圖 2.6 VID66-06的典型應

25、用原理圖 由于本設計中只采用兩路步進電機，故只需選擇其中的兩個來顯示汽車的車速和電機轉速，本設計擬采用A、C兩個端口驅動步進電機。 （5） LED驅動模塊的電路設計 LED因其體積小、耗電量低、使用壽命長、亮度高、熱量低和環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于許多領域。并聯(lián)LED工作方式因其在電源功率應用方面效率較低，且其中任何一個LED發(fā)生故障，都不會影響其他LED的正常工作，所以可以獲得高穩(wěn)定性。本系統(tǒng)擬采用8位8段LED數(shù)碼管來顯示汽車行駛時的總里程和臨時里程信息。其中前五位顯示總里程信息，后三位顯示臨時里程信息。 本設計采用MAX7219/7221 LED顯示驅動芯片驅動數(shù)碼管進行顯示。MAX722

26、1采用3線串口傳送數(shù)據(jù)，占用資源少且硬件簡單，只需一個外部電阻既可以方便的調節(jié)LED的亮度（本設計采用固定阻值電阻）；可以靈活地選擇顯示器的個數(shù)；用戶自己可以根據(jù)情況，選擇進行譯碼顯示或不譯碼顯示；內含硬件動態(tài)掃描控制，可設置低功耗停機方式。其工作原理如下圖所示： SEGA-SEGG和DP分別為LED七段驅動器線和小數(shù)點線，供給顯示器源電流；DIG0-DIG7為8位數(shù)字驅動線，輸出位選信號。DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端。在CLK的上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內部16位移位寄存器中，CLK最高頻率可達10MHZ，在輸入時鐘的每個上升沿均有一位數(shù)據(jù)由DIN端移入到內部寄存器中；LOAD用來裝載 11 數(shù)據(jù)，

27、在LOAD的上升沿，16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中，LOAD必須在第16個時鐘上升沿的同時或之后，在下一個時鐘上升沿之前變高，否則數(shù)據(jù)將會丟失。其應用電路圖如下圖所示： 圖 2.7 MAX7219/7221的典型應用電路 由驅動芯片MAX7219/7221的應用原理圖，設計的LED驅動電路圖如下圖所示： 圖 2.8 LED驅動電路 （6）LCD驅動模塊的電路設計 LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)

28、生畫面。液晶是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機化合物。在不同電流電場作用下，液晶分子會做規(guī)則旋轉90度排列，產(chǎn)生透光度的差別，如此在電 12 源ON/OFF下產(chǎn)生明暗的區(qū)別，依此原理控制每個像素，便可構成所需圖像。液晶因其低壓微功耗、顯示的信息量大、為被動顯示型、易于彩色化等優(yōu)點，而被廣泛應用作一種顯示工具。 本設計中，利用液晶主要來顯示電機電流、蓄電池電壓、電流和荷電狀態(tài)信息。由于顯示的信息量較少，故采用較小的LCD點陣式顯示屏（如要顯示其他的信息，可適當增加點陣式LCD的行、列數(shù)）。 綜合考慮，本設計擬采用HT1621B LCD驅動器和相應的LCD顯示屏。HT1621B是3

29、2x 4點、內存映像和多功能的LCD驅動器。HT1621B內嵌256KHzRC振蕩器、可外接32KHz晶片和256KHz頻率源輸入，內嵌時基發(fā)生器和看門狗定時器、節(jié)電命令下可降低功耗。同時，HT1621B的軟件配置特性、可以配置成1/2或1/3的LCD驅動器偏壓和2、3、和4個公共端口，這使它適用于多種LCD應用場合，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)。HT1621B的內部結構和引腳圖如下圖所示： 圖 2.9 HT1621B的方框圖 微處理器與HT1621B驅動芯片之間采用SPI串行通信技術，利用串行接口技術簡化了模塊和微處理器間的布線，大大提高了模塊和儀表系統(tǒng)的線束和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r降低了成本

30、。此方案，對于液晶生產(chǎn)廠家的設計和工藝有一定的 13 通信。 （7） CAN通信模塊的電路設計 應用。本設計該模塊的電路圖如下所示： 缺陷。串行通信技術（SPI）的合理應用可以降低部件（整車）線束復雜度，提 圖 2.10 LCD驅動顯示電路 制模塊、運動控制模塊、導航模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊等）之間設計采用CAN 總線仲裁機制，使得總線能以最高優(yōu)先權訪問報文而沒有任何延時。其最大傳輸速率適合工業(yè)設備內的模塊間數(shù)據(jù)互連。因此在機器人內部各模塊（通信模塊、主控通訊協(xié)議，是一種支持分布、實時控制的串行通信總線網(wǎng)絡，其基礎是無破壞性現(xiàn)代汽車眾多的控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)高可靠

31、性和工藝性。由于采用了模塊化技術、串行接口等技術和工藝，液晶模塊服了汽車儀表運用液晶驅動技術中遇到的布線困難、可靠性低和壽命低等一系列促進。由于采用接口技術，使得汽車組合儀表使用液晶面板顯示的技術方案，克的綜合技術優(yōu)勢非常明顯，可作為高檔的配置方案在汽車行業(yè)內得到一定程度的 CANController Area Network 是20 世紀BOSCH 公司開發(fā)的解決可以達到lMbps(40m)。由于CAN 總線卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，14 CAN屬于總線形式串行通信網(wǎng)絡，采用了許多新技術及獨特的設計。CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有高穩(wěn)定性、高靈活性、高可靠性的特點。一個由CAN總線構

32、成的單一網(wǎng)絡中，理論上可以掛無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡硬件的電器特性所限制。 CAN 總線有很多特性： 采用了雙線差分信號。通信協(xié)議本身對節(jié)點的數(shù)量沒有限制，而且總線上節(jié)點的數(shù)量可以動態(tài)改變。 廣播發(fā)送報文的形式，即報文可以被所有的節(jié)點同時接收。 多主站結構，各節(jié)點平等，優(yōu)先權由報文ID 所決定。 每個報文的內容通過標識符，標識符在網(wǎng)絡中是唯一的。 具有一套復雜的錯誤檢測與錯誤處理機制，如CRC檢測、接口的抗電磁干擾、錯誤報文的自動重發(fā)、臨時錯誤的恢復以及永久錯誤的關閉。 采用了雙絞線作為總線介質，傳輸速率可達1Mbps,總線長度<=40 米。 采用了NRZ 與位填充的位編碼

33、方式，減小了報文的誤碼率。 系統(tǒng)內 CAN 總線結構拓撲圖： 圖 2.11 CAN總線結構拓撲圖 對于本設計，由于所選取的微處理器MC9S12DG128內部集成了3個CAN模塊，符合CAN2.0A/B協(xié)議標準，故外圍只需連接CAN收發(fā)器即可。本設計擬采用高速CAN收發(fā)器MCP2551.MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足24V電壓要求。它的工作速率高達1 Mbps.它還具有上電復位和電壓事件欠壓保護、自動檢測TXD輸入端的接地錯誤功能，可連接的 15 節(jié)

34、點數(shù)高達112個，未上電的節(jié)點和欠壓保護不會影響CAN總線，采用差分總線、具有很強的抗噪特性。其內部結構框圖和測試電路如下所示： 圖 2.12 MCP2551的內部結構框圖 圖 2.13 MCP2551的測試電路 由MC9S12DG128和MCP2551的結構和電氣特性可知，CAN通信模塊的電路圖可按照下圖所示進行設計： 圖 2.14 CAN通信模塊的電路 （8）故障診斷電路的設計 隨著電子技術的發(fā)展，大量電控單元在車輛上使用，這一方面使得汽車的使用性能有所提高，另一方面也使得檢測和維護越來越復雜。若不能及時有效的 16 檢測出汽車上的故障，汽車的性能將會惡化，使用壽命將會降低，同時對行駛的安

35、全性和舒適性帶來一定的影響。車輛故障診斷就是順應這種形式的要求出現(xiàn)的，診斷設備一般通過專用診斷接口與車輛總線進行數(shù)據(jù)交換。診斷設備由第三方開發(fā)，并符合SAE標準規(guī)定，診斷口主要完成診斷設備與車輛ECU通訊信號轉換。由于車輛使用環(huán)境的特殊性，通常ECU的標準串行通訊口不能滿足使用要求。為此，本設計擬在電控ECU的基礎上，在電控系統(tǒng)診斷平臺上，對汽車進行故障診斷。根據(jù)SAE規(guī)定的OBD標準，車輛行業(yè)使用K、L線制進行診斷或標定。通過K線對某個控制單元進行查詢，通過K線、測試儀和控制單元可進行數(shù)據(jù)交換，即通過K線數(shù)據(jù)被雙向傳送。最近生產(chǎn)的車上都裝有K線。而L線則是用來對控制單元進行查詢的導線，此線在

36、目前生產(chǎn)的車輛中已不存在。同時，由于串口的普及，K線實現(xiàn)起來更容易。而邏輯電平的改變，只需要轉換電路。因此，本系統(tǒng)采用K線的通信方式。由于K線只是一根線，PC機與控制單元都要向對方發(fā)出信息，故為半雙工串行通訊。 K線通訊主要有以下特點： 1）工作電壓范圍8 V18 V; 2）使用環(huán)境溫度為- 40 125 ; 3）與單片機CMOS 電平無縫連接; 4）具有對地線短路保護; 5）最大傳輸速率超過50 K; 6）支持大電流; 7）抗8. 0 kV 靜電保護; 8）工作時電源電壓無電流輸出。 9）雙方采用半雙工異步串行通訊 為了保證準確、可靠數(shù)據(jù)通信，ECU和K線必須都有正確的電平，由于K線電平和常

37、用的串口電平不一致。因此，必須設計專門的K線接口電路，以滿足車輛K線診斷的要求，常用的MC33290與MCU的接口電路如下圖所示： 17 圖 2.15 電控單元與K線接口電路 一般情況下，采用上圖MC33290接口芯片對汽車進行進行故障診斷。本設計借鑒了MC33290的接口電路，采用TLE6258接口芯片對汽車進行故障診斷。單線收發(fā)器TLE6258在協(xié)議控制器和物理總線之間起到接口的作用，它特別適合在汽車LIN系統(tǒng)中驅動總線，而且它可以被用在標準的ISO9141系統(tǒng)當中。TlE6258提供一種等待模式，它可以降低電流消耗；一個由總線信息所引起的喚醒狀態(tài)將使RxD引腳輸出低電平，直到設備轉換到正

38、常工作模式。TLE6258-2是專門為承受汽車使用時的惡劣條件而設計的。它具有以下特點： 1）單線收發(fā)器，適用于LIN協(xié)議； 2）與LIN協(xié)議1.2,1.3和2.0兼容； 3）與ISO9141功能相兼容； 4）數(shù)據(jù)傳送速率可以達到20K； 5）在等待模式下，有很低的電流消耗； 6）來自總線的喚醒功能； 7）對地和電源的短路保護； 8）過溫保護功能。 其進行故障診斷的原理圖如圖2.16所示： 18 圖 2.16 故障診斷原理電路 由上述可得，故障診斷電路如下所示： 圖 2.17 故障診斷電路 19 4 系統(tǒng)的軟件設計 （1） 軟件開發(fā)工具介紹 本設計采用的是Freescale公司的CodeWar

39、rior軟件，CodeWarrior Development Studio（開發(fā)工作室）是完整的用于編程應用中硬件bring-up的集成開發(fā)環(huán)境。 采用CodeWarrior IDE，開發(fā)人員可以得益于采用各種處理器和平臺（從Motorola到TI到Intel）間的通用功能性。CodeWarrior包括構建平臺和應用所必需的所有主要工具 - IDE、編譯器、調試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等，滿足大多數(shù)嵌入式開發(fā)項目的工具需要。另外，CodeWarrior IDE支持開發(fā)人員插入他們所喜愛的工具。它是一個單一的開發(fā)環(huán)境，在每一個所支持的平臺上，性能及使用均是相同的。 在CodeWarrior

40、IDE開發(fā)平臺下進行微處理器的選型和相關接口的定義（本設計采用HCS12系列CPU），經(jīng)過編譯和鏈接后，即可生成項目文件，從而進行軟件程序的編寫，最終生成可執(zhí)行文件。然后使用BDM和P&E來下載程序，把編譯好的程序下載到單片機里調試運行，檢驗實驗結果并進行論證。 （2） 系統(tǒng)軟件的總體設計思路 系統(tǒng)程序有主程序和子程序。主程序顯示整個系統(tǒng)的算法流程；子程序負責各個功能模塊的顯示和驅動。程序的設計應按照軟件工程的相關規(guī)則和步驟來實現(xiàn)的，采用結構化、模塊化的程序設計方法，對整體功能進行劃分，確定主從程序的模塊組成以及這些模塊之間的聯(lián)系，明確各個模塊的功能、處理過程和數(shù)據(jù)流等。 本設計中軟件

41、部分的應實現(xiàn)的主要功能有：車速、電機轉速脈沖信號的采集，駕駛踏板、制動踏板位置和背光調節(jié)等模擬信號的采集，檔位、電機故障、門開報警等開關信號的采集和處理，步進電機驅動，LED的驅動顯示和LCD的驅動顯示等。所用到的單片機模塊有：A/D轉換模塊、ECT模塊、PWM模塊、模塊、定時器/計數(shù)器模塊、SPI模塊和通信模塊等。 微處理器的相關模塊和引腳在主程序文件生成時，就已經(jīng)由軟件初始化了，包含在 PE_low_level_init()；中，因此只需要將微處理器和一些外圍驅動芯片的初始化放在main函數(shù)的for循環(huán)之前進行。對各驅動芯片的子程序，如里程信息的讀取、發(fā)送和顯示；SPI發(fā)送臨時里程信息和L

42、CD顯示信息；SCI查詢、 20 收發(fā)汽車的故障信息；A/D轉換，輸入輸出口的控制；總里程信息的Flash擦寫程序；車速信息的捕獲、步進電機的步進的脈沖計數(shù)、CAN通信的定時發(fā)送以及掉電時總里程信息及時存儲，則采用中斷處理程序來實現(xiàn)，分別在相應的中斷服務程序中完成。 （3）主程序的設計 主程序中我們主要完成的功能:對單片機和外圍驅動芯片的初始化，總里程的讀取、發(fā)送、顯示和存儲，A/D轉換，輸入口信息的采集和輸出口的控制，SCI查詢收發(fā)汽車故障信息，SPI發(fā)送相應的臨時里程信息和LCD所要顯示的信息等操作。 微處理器的初始化包括基本初始化（這在本設計軟件生成主程序時已經(jīng)完成，如定時器/計數(shù)器、S

43、CI、SPI、PWM和CAN模塊及各端口的初始化）和各模塊的初始化（即各外圍驅動芯片的初始化）。本設計中需要初始化的外圍驅動芯片有：LED顯示的驅動芯片MAX7219/7221，LCD的顯示驅動芯片HT1621B，步進電機的驅動芯片VID66-06.此外，總里程信息每次開機時刷新一次，臨時里程信息每達到一個計數(shù)值刷新一次（如每行駛50m或100m）。這些初始化的操作主要在循環(huán)程序開始前進行。 由于本設計所使用的外部模塊較多，相應的外部中斷服務子程序也較多，這可能對系統(tǒng)的正常工作有一定的影響。因此，A/D轉換、SPI的發(fā)送、SCI的收發(fā)等可擬采用查詢方式，將其放在循環(huán)程序中完成。此外，循環(huán)程序中

44、還要檢測輸入口的信號，來判斷是否發(fā)生故障、置于何檔位等以及根據(jù)輸入信號來控制某些輸出，如是否發(fā)出相關的報警信號、信號燈指示信號、調節(jié)占空比來進行背光調節(jié)等。主程序的流程圖如下所示： 21 22 圖 2.18 主程序流程圖 （4） 輸入脈沖捕捉程序的設計 輸入脈沖捕捉程序主要完成對車速、脈沖信號的采集，并利用車速對時間的累加得到里程信息。首先檢測電機轉速、車速的脈沖頻率信號，由測得的頻率計算步進電機應走的微步數(shù)，然后對指針進行刷新顯示。對于頻率的測量常用的有兩種方法：一種是測頻法，另一種是測周法。 （1）測頻法又稱 M算法, 該方法是將被測得頻率信號加到計數(shù)器的計數(shù)輸人端, 讓計數(shù)器在標準時間T

45、s內進行計數(shù), 若測得的脈沖個數(shù)為N, 則測得的頻率為： fx?N （3） Ts 測頻法產(chǎn)生的相對誤差為： ?1?fx?fc? （4） ?|?fxfc?fx?Ts 式中：fc為單片機內部計數(shù)的基準頻率, 第二項誤差一般小于10e-6, 因此可忽略此項, 由式（4）可知當被測頻率越高, 標準時間越大則誤差越小, 因此測高頻信號適合用直接測頻法。 （2）測周法又稱T算法，該方法是將標準頻率信號fc進行計數(shù), 而讓被測頻率信號fx控制計數(shù)器的計數(shù)時間；測周法產(chǎn)生的相對誤差為： ?1?fc?Tx （5） ?|?Txfc?Tx?fc 同樣, 第二項誤差一般可忽略。由公式可知當被測頻率越?。粗芷谠酱螅?

46、 計數(shù)基準頻率越大, 則測周產(chǎn)生的誤差越小, 因此測周法適合測低頻信號。這樣在測頻與測周之間存在一個中介頻率, 該頻率可由下面公式計算得出： fxm?fs?fc （6） 1；fc為測Ts式中大為測頻時選用的頻標信號頻率, 即標準時間的倒數(shù)fs? 周時選用的基準頻率。本設計中選擇Ts=0.2s，fc=4MHz，由式（6）得中介頻率fxm=4.47kHz，而轉速及車速頻率信號一般均小于此頻率, 因此本設計采用測周法測量電機轉速和車速信號。根據(jù)式（5）可知當被測信號頻率為50Hz時的相對誤差為?1.25e-5, 當被測信號頻率為1kHz時的相對誤差為?2.5e-4, 由此知采用該方法具有較高的測頻精

47、度。故本設計中采用此種測量方法。 23 通過單片機的PWM端口進行車速脈沖信號的采集，同時利用計數(shù)器進行輸入脈沖信號的計數(shù)。同時利用單片機的輸入捕獲中斷功能，計算車速脈沖的周期：每次中斷讀取主定時器的值，相鄰兩次主定時器的值相減，再加上主定時器的溢出次數(shù)，即可得到相鄰兩次捕獲中斷之間的主時鐘信號的個數(shù)，從而得到車速脈沖的周期。由以上所獲取的信息，計算出對應的車速。最后，利用車速對時間的累加，求出臨時里程和總里程信息。 設V為車速，W為車輪轉速，T為車速信號的周期，tc為時鐘脈沖，Nc為周期T內的時鐘脈沖數(shù)，則 2*?K? V?*?*D S?V*T TNc*tc? 其中：K為常數(shù)，等于2；為車速

48、常數(shù)；S為行駛的里程。 在本設計中，車速、轉速信息的顯示是由步進電機實現(xiàn)的，然而車速、轉速捕獲的時間間隔有可能小于步進電機一次控制的執(zhí)行時間，故在程序編寫過程中應注意，在程序設計中加入一個標志符號，每次步進電機步數(shù)走完后將其清零，從而允許下一次當前車速、轉速的賦值。 車速（轉速）的捕捉程序流程圖如下所示： 24 圖 2.19 車速捕捉程序流程圖 （5）Flash擦寫程序的設計 本設計中，系統(tǒng)需要在掉電時或正常停車時，將總里程信息及時保存。以 前，一般采用EEPROM來實現(xiàn)。S12系列MCU提供了對Flash存儲器在用戶模式下的在線編程功能，來實現(xiàn)EEPROM的功能，從而簡化電路設計、降低成本。

49、 Flash存儲器的讀/寫不同于一般的RAM讀/寫，需要專門的編程過程來完成 25 Flash的擦除和寫入。擦除及寫入過程中，一般需要高于電源的電壓。在執(zhí)行寫入操作之前，要確保該寫入?yún)^(qū)在上一次擦除后沒有被寫過，即寫入?yún)^(qū)是空白的。因此，在寫入之前一般都要先執(zhí)行擦除操作。 Flash存儲器的編程模式有寫入器模式（或監(jiān)控模式）和在線編程模式（或用戶模式）兩種。這兩種模式對Flash存儲器的擦/寫操作程序是一致的，而差別在于調用這些程序的方式和環(huán)境。在DG128中，與Flash編程有關的寄存器分為通用寄存器和專用寄存器。擦除和寫入操作主要用到的寄存器有5個：Flash存儲器的時鐘分頻寄存器、配置寄存器

50、、保護寄存器、狀態(tài)寄存器和命令寄存器。 Flash擦寫程序包括擦寫公共操作子程序、擦除子程序和寫入子程序三部分，其中公共操作子程序部分主要完成時鐘分頻的設置、錯誤標志位的清除以及塊號和PPAGE寄存器的設置等；而擦除與寫入子程序的步驟大致為：擦寫公共操作、定位要操作的扇區(qū)、向命令寄存器寫入相應的操作命令、啟動命令以及等待命令的完成。 （6） CAN通信程序的設計 CAN通信程序中，主要完成的功能：故障診斷時，診斷設備單片機之間數(shù)據(jù)的傳送；電機電流、蓄電池電壓、電流和荷電狀態(tài)等信息的收發(fā)。為了保證CAN通信的實現(xiàn)和穩(wěn)定，信息的發(fā)送是在定時器中斷服務程序中完成的，即周期性地與外部發(fā)送信息，而信息的

51、接收是靠CAN接收中斷實現(xiàn)的。 利用CAN報文接收程序。接收來自CAN總線的報文信息，在本設計中報文的接收采用的是中斷的方式，即當MSCAN接收到有效的報文時，系統(tǒng)就進入CAN接收中斷子程序讀出MSCAN緩沖區(qū)中存儲的信息并將其放入指定位置。這樣可以使得儀表的顯示有更好的實時性。根據(jù)CAN協(xié)議的規(guī)定，報文的路由是由標識符指定而非站地址，因此，同一節(jié)點可以通過設置接收不同路由的報文。為了方便系統(tǒng)的處理，儀表接收兩種不同的報文標識符的報文，一種報文包含的是車速、電機轉速等信息。另一種報文包含的是各種指示燈的信息，由MSCAN的標識符濾波器來過濾驗收。 CAN通信程序主要包括CAN初始化程序、CAN

52、發(fā)送數(shù)據(jù)程序和CAN接收數(shù)據(jù)程序3個部分。其中CAN初始化程序用來實現(xiàn)CAN工作時的參數(shù)設置，主要包括工作方式的設置、時鐘輸出寄存器的設置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的 26 設置、總線定時器的設置、中斷允許寄存器的設置和總線波特率的設置等等。實際上，這3個程序都已被封裝成子程序，位于CAN模塊的C文件中，要用時直接調用即可。 另外，在CAN接收中斷服務程序中主要完成數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)的判斷和讀出以及根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)信息作一些相應的后續(xù)操作。如果判斷接收到的數(shù)據(jù)為電機溫度信息時，就將此數(shù)據(jù)與最大極限溫度相比較，若大于最大極限溫度，則置相應故障位為1，產(chǎn)生電機過熱警報；若判斷接收到的數(shù)據(jù)為電機電流，電池電量或電壓信息時，就要啟動相應的PWM通道，從而控制對應的步進電機動作，在儀表上指示出相應的值。 CAN接收中斷