車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 雷躍 摘 要本文介紹以 SPCE061ASPCE061A 單片機(jī)為主控器，以氣壓、油壓、溫度、霍爾元件等傳感器為主要 外圍元件、以HS12864HS12864- -1 1 液晶模塊為顯示屏的新型車用數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，說明此儀表系統(tǒng)顯示 直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠，信息語音播報(bào)、告警等突出的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)車用儀表系統(tǒng)未來的發(fā)展趨 勢和廣闊的開發(fā)空間。 關(guān)鍵詞SPCE061A 單片機(jī) DS18B20 HS12864-1 車用數(shù)字儀表 一、引言 傳統(tǒng)的汽車儀表一般是機(jī)電式模擬儀表，只能給駕駛員提供汽車行駛中必要而又少量的數(shù)據(jù)信息，已 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車新技術(shù)、高速度發(fā)展

2、的要求。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，多功能、高精度、高靈敏 度、讀數(shù)直觀的智能數(shù)字儀表是汽車儀表發(fā)展趨勢。下面對(duì)以單片機(jī)為核心的新型全數(shù)字車用儀表系統(tǒng)設(shè) 計(jì)作詳細(xì)介紹。 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部組成。硬件部分主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換，各種信息的顯 示等；軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。設(shè)計(jì)的整體框圖如圖 SP CE061A單片機(jī)依次查詢各傳感器 的輸岀信號(hào)（氣壓、油壓等模擬傳感器輸 岀的模擬信號(hào)需要經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換）；然后 過HS12864-1液晶模塊輸岀，同時(shí)還可 輸岀各種告警信號(hào)。利用單片機(jī)內(nèi)部的 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把各種告警信號(hào)事先設(shè) 置好的語音信號(hào)經(jīng)過該數(shù)

3、模轉(zhuǎn)換通道送 到揚(yáng)聲器，利用 SP CE061A勺語音功能實(shí) 現(xiàn)語音播報(bào)告警。 1系統(tǒng)框圖 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)模塊： SP CE061A主控模塊、傳感器模塊、 HS12864-1 SP CE061A主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能，傳感器完成信號(hào)的采樣功能， 完成字符、數(shù)字的顯示功能。 （一） 主控模塊 系統(tǒng)中采用的 SPCE061A單片機(jī)，是凌陽公司繼 卩nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后推岀的又一款 16 位單片機(jī)。SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH，較高的處理速度使 卩 nSPTM能夠非常容易地、快 速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)部具有七

4、通道 10位電壓A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè) 10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道， 這樣節(jié)省電路板面積，簡化了硬件電路。具體應(yīng)用時(shí)，只需在編寫程序中加入啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換的指令即可完 成操作。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換通道，比較容易實(shí)現(xiàn)語音功能。 （二） 溫度傳感器 DS18B20DS18B20 DS18B20DS18B20 是美國 DallasDallas 公司推出的數(shù)字式智能溫度傳感器，它是單線數(shù)字式測溫芯片，能在現(xiàn)場 采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。它能夠直接讀出被測溫度并可根據(jù)實(shí)際要求通 過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9 92 2位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 而且采用了三線制與單片機(jī)相連，

5、將測溫部分與1所示。 SP CE061A寸輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后通 液晶模塊等。其中 HS12864-1液晶模塊 A/DA/D 轉(zhuǎn) 圖 2 2 8B208B20 與單片機(jī)接口電路 （三）HS12864HS12864- -1 1 液晶模塊 HS12864-1是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器 成?？蓪?shí)現(xiàn)圖形顯示，也可以顯示 8X 4個(gè)（16 X 16點(diǎn)陣）漢字。 示模塊，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)是由 /列驅(qū)動(dòng)器及 HS12864-1 HS12864HS12864- -1 1 的結(jié)構(gòu) 128 X 64全點(diǎn)陣液晶顯示器組 液晶內(nèi)置HD61102圖形液晶顯 理電路和與MCU接口電路，可以直接與 MCU

6、HD61102作為64路行驅(qū)動(dòng)器，同時(shí) HD61102配備了一套顯示存儲(chǔ)器的管 的總線連接。HS12864-1的結(jié)構(gòu)見圖3。 HS12864-1具有簡單而功能較強(qiáng)的指令 集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等顯示功能，共 有7條指令，單片機(jī)只需通過 D/I、R/W、 DB0DB7送入數(shù)據(jù)或指令便可顯示其指定內(nèi) 容或顯示方式。HS12864-1與SPCE061A單片 機(jī)的硬件接口電路見圖 4。圖中采用并行通信 方式，單片機(jī)的IOA0-IOA7 口與液晶模塊的 DB0-DB7 口相連作為數(shù)據(jù)輸入輸岀用；即 IOB0- IOB 4 口與液晶模組的 CS1、CS2、 D/I、R/W、E相連作為單片機(jī)對(duì)液晶 圖4

7、HS12864-1 與單片機(jī)接口電路 的控制口。 （四）測速傳感器及其他模擬傳感器 速度傳感器是車輛傳感器中的易損器件，所以該系統(tǒng)測速傳感器由霍爾開關(guān)、磁鐵組成。其工作原理 是將霍爾開關(guān)和磁鐵分別安裝在車架、車輪的適當(dāng)位置，車輛行駛時(shí)，在磁鐵的作用下，霍爾開關(guān)產(chǎn)生開 關(guān)信號(hào)，通過在單位時(shí)間對(duì)其計(jì)數(shù)可計(jì)算岀車輛的行駛的瞬時(shí)速度，累計(jì)開關(guān)信號(hào)可計(jì)算岀車輛行使的距 離。它具有靈敏度高、價(jià)格低廉、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。 氣壓、油壓、油量等參數(shù)的測量采用模擬傳感器，其輸岀的模擬信號(hào)通過 經(jīng)過相應(yīng)軟件處理后輸岀。 四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與 SP CE061A單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換

8、后 A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、告警子程序等六 大模塊組成，因?yàn)?C語言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好，所以 本系統(tǒng)的軟件采用 C語言編寫。 主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能，主程序流程圖如圖 5 5 所示。數(shù)據(jù)采集與 A/DA/D 轉(zhuǎn) 換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號(hào)的數(shù)值返回主程序。 顯示子程序完成符號(hào)、數(shù)值的顯示輸出。中斷子程序有三種中斷源：鍵盤、車輪（車輪每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生 測速功能和掉電保護(hù)。本系統(tǒng)中斷源共有 6 6 1010 余個(gè)中斷源。告警子程序主要實(shí)現(xiàn)異常情 （例如 95959898C）時(shí)，或燃油箱內(nèi)

9、的燃油量少 一個(gè)中斷脈沖）及掉電保護(hù)電路， 分別完成面板功能設(shè)置、 個(gè)，而 SPCE061SPCE061/單片的中斷系統(tǒng)支持 1010 個(gè)中斷向量及 況下控制告警信號(hào)輸出。如當(dāng)冷卻液溫度升高到接近沸點(diǎn) 于某一規(guī)定值時(shí)，音頻告警裝置會(huì)發(fā)出語音告警信號(hào)，同時(shí)相應(yīng)的指示燈發(fā)亮（點(diǎn)亮告警指示燈的任 務(wù)由顯示子程序來完成），以引起駕駛員的注意。 圖 5 5 主程 序流程圖 換于一起，減少了外部硬件電路， 具有低成本和易使用的特點(diǎn)。 DS18B20DS18B20 測溫范圍為- -5555125125C，精度 為 2 2C，而在- -10108585C范圍內(nèi)，其精度為C。 DS18B20DS18B20 與

10、SPCE061ASPCE061A 單片機(jī)的接口電路圖如圖 2 2 所示， SPCE061ASPCE061A 單片機(jī)采用 IOB6IOB6 和 DS18B20DS18B20 通信。 其中 DS18B20DS18B20 工作在外部電源供電方式, 五、語音功能的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的語音功能的實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在當(dāng)告警信號(hào)輸出的同時(shí) 液溫度異?！?、“燃油量異?！钡鹊?。 語音處理大致可以分為 A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理以及 D/A轉(zhuǎn)換等步驟。SPCE061A單片機(jī) 具有內(nèi)置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式，同時(shí)具備雙通道 10位DAC方式的音頻輸岀功能，因此可以 解決上述語音處理問題。 SPCE061A的

11、開發(fā)軟件具有一個(gè) SACS LI庫，可以將 A/D、編碼、解碼、存儲(chǔ)、 D/A做成相應(yīng)的模塊,對(duì)于每個(gè)模塊都有其應(yīng)用程序接口 API，在了解每個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能及其參數(shù)的 內(nèi)容后，調(diào)用該 API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語音處理功能。對(duì)于常用的 SACS A2000和SACS 480兩種放音算法則 要涉及到語音資源的添加問題，即將所需要的 WAV文件按照需要的壓縮比進(jìn)行壓縮 ，變成資源表形式在程序 中調(diào)用。這樣 , 當(dāng)把錄制好的語音文件經(jīng)過壓縮存入存儲(chǔ)器后，在程序執(zhí)行過程中調(diào)用該語音模塊的 API 函 數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語音輸岀功能了。 六、系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 由于本儀表系統(tǒng)是為汽車、摩托車設(shè)計(jì)的，而汽車、摩托車的點(diǎn)

12、火系統(tǒng)有較強(qiáng)的電磁干擾，另外車輛 移動(dòng)性大，有可能處于較強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，因此必須采取抗干擾措施，否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定、可靠運(yùn) 行。本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。 （一）采用抗干擾電源 單片機(jī)系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來源，本系統(tǒng)的電源由車載電瓶提供，車輛的點(diǎn)火系統(tǒng)、音響設(shè)備 等都可能對(duì)本系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，為此，可將車載電瓶 12V電源經(jīng)磁珠和電容組成 n形濾波電路后，再經(jīng)過 UA7805C穩(wěn)壓、濾波得到本系統(tǒng)電源。另外給每個(gè)集成電路芯片都安置一個(gè)的陶瓷電容器，來消除大部分 高頻干擾。同時(shí)，良好接地是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要條件，由于本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此設(shè) 計(jì)時(shí)將數(shù)字地與模擬

13、地要分開，最后只在一點(diǎn)相連。 （二）光電隔離 在 I/O 通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電氣上隔離開來，很大一部分干 擾可被阻擋。 （三）過壓保護(hù)電路 本系統(tǒng)在輸入輸出通道上也設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)電路，它由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，以防止引入高電壓， 損害單片機(jī)系統(tǒng)。 另外，本系統(tǒng)中，為消除按鈕動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)干擾，在按鍵與 74HC14。 （四） CPU 抗干擾措施 當(dāng)干擾信號(hào)作用到單片機(jī)本身時(shí)，單片機(jī)將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。為此本系統(tǒng)采 用了以下方法： 人工復(fù)位：當(dāng)微處理器失控時(shí)，可使用復(fù)位方法處理，使程序自動(dòng)從 0000H 開始執(zhí)行。為此系統(tǒng)設(shè)置 了復(fù)位鍵，當(dāng)

14、微處理器失控時(shí)，只要按下復(fù)位鍵，并持續(xù) 10ms以上即可。 掉電保護(hù)：因?yàn)楫?dāng)車輛顛簸的路況時(shí)，可能引起電源等接觸不良，使系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電源電壓恢 復(fù)正常后，系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)。掉電信號(hào)由硬件電路檢測到，加到單片機(jī)的外 部中斷輸入端。將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使系統(tǒng)及時(shí)對(duì)掉電做出反應(yīng)。在掉電中斷子程序中，首先進(jìn) 行現(xiàn)場保護(hù)，當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，單片機(jī)重新復(fù)位，恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)工作。至于程序跑飛，可以用軟件陷 阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在 RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時(shí)，通過這些 標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行連續(xù)可靠。 七、結(jié)語 隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，車用儀表顯示屏的液晶化必將成為一種