汽车电子仪表显示装置.ppt

汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 1 第四讲汽车电子仪表显示装置 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 2 一 汽车仪表的发展动向 当今世界 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 并通过电子仪表显示出来 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 现在 汽车的故障诊断 全球导航和定位系统的大量 复杂的信息服务已开始大量装备到汽车上 汽车电子仪表作为信息显示终端能够完成这些任务 汽车电子仪表显示装置不仅具有能提供大量 复杂的信息的优点 而且还具有高精度和高可靠性 一表多用的功能 外形设计美观自由度高 满足小型 轻量化的要求等特点 因此电子仪表显示装置成为现代汽车的发展新潮流 具有非常广阔的发展空间 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 3 1 未来的车用电子仪表化 传统仪表一般是机电式模拟仪表 只能提供汽车运行中必要而又少量的数据信息 已远远不能满足现代汽车新技术 高速度的要求 汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示 而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套 从而达到控制汽车各种运行工况的目的 随着现代电子技术的发展 多功能高精度 高灵敏度 读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断地在汽车上应用 汽车电子化仪表将逐步取代常规的机电仪表 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 4 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 5 2 计算机终端显示器 未来汽车仪表发展趋势 就充分应用光技术和机 电一体化技术 并突出现代信息技术和网络技术的应用 其功能将极大拓宽 指示形式将演变成计算机终端显示器 随着显示器件 如液晶显示器件的性能 特别是工作温度范围的拓宽 在价格进一步降低的前提下 汽车仪表的功能将被极大地拓宽 形式将发生根本改变 外观上就是一个高清晰度的计算机显示器 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 6 3 未来汽车仪表拓宽功能 汽车仪表的功能将不局限于现在的车速 里程 发动机转速 油量 水温 方向灯指示 可能增添一些功能 比如带ECU的汽车仪表智能化 能指示安全系统运行状态 如轮胎气压 制动装置 安全气囊 安全带等 这些信号传输形式 将不再是简单的开关接通和断开直流信号 而是包含反映这些安全装置工作状态较多信息的调制信号 供ECU读取 以便ECU能准确地综合判断这些安全装置的工作状态 并给出故障显示提醒驾驶员 或指导维修人员排除故障 将防盗系统纳入汽车仪表ECU的监管下 如车门 后行李箱等处防盗锁指纹识别开启系统 防撬振动报警装置 防盗点火起动装置等 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 7 4 未来的汽车仪表系统 正向 综合信息系统 的方向发展 这种仪表系统以液晶显示器为基础 车内通信与互联网相连 乘员室内各操纵件通过语音进行控制 汽车收音机 DVD光播放机和音响设备等构成乘员室配置部分 构成信息通信系统的主要部件有 漫游器 移动电话 电子邮件和国际互联网终端 视频或电子游戏中控台等 系统的主要功能有 导航 音响 通信 远程微机通信和信息处理等 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 8 5 电光学技术在汽车仪表上得到广泛应用 仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面 随着现代汽车工业和电子技术的发展 汽车中各种系统和机构日趋复杂 汽车行驶和各部分工作状况的信息量显著增加 同时 出于对汽车环保 安全性 经济性 智能化要求的提高 汽车驾驶员需要更多 更迅速地了解汽车运行的各种信息 使得汽车电子仪表向信息显示中心发展 它是驾驶员信息系统重要的组成部分 汽车电子仪表代替传统机械或电气机械式模拟仪表已成为发展的趋向 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 9 二 电子显示技术 就是薄型平面电子显示器技术做成的汽车平面仪表板显示数字及信息 十分清晰明了 它代替了以往模拟显示的车速和发动机转速表等 使驾驶者在开车的同时 仍然可以清楚地看到仪表数字及其他信息的变动 它反应速度快 指示准确 图形设计灵活 数字清晰 可视性能好 集成化程度高 可靠性强 功耗低等优点 由于没有运动部件 反应快 可靠性高 其布置灵活紧凑 并有最佳显示形式 显示和内照明器件选用高效冷光源发光器件 导光系统更多体现出光学领域的新技术 CCD摄像后视系统 改用电子摄像显示后视系统 驾驶员的视野范围将更宽 自动导航和定位系统 它可能也是未来汽车仪表上不可缺少的部分 包括GPS和电子地图等 具备完善的通讯系统 将来汽车上的计算机系统会与公共互连网相连 以便充分共享信息资源 处理通讯作业将是汽车仪表计算机系统工作内容的一部分 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 10 电子仪表有用电子显示器件和高压驱动器集成电路 既提高了测试精度 又可将数字信息输入汽车微机内 实现了车速与里程等参数的数据分析和计算 使汽车具有更多的自控功能 转速表 电压表 燃油表 油压表和水温表则采用线性集成电路 方便配接各类电子传感器件 汽车电子仪表将成为一个集感觉 识别 分析 信息库存 适应和控制六大功能于一体的 提供车辆行驶信息 保障安全驾驶的智能化系统 汽车电子仪表面板 采用微机采集处理不同传感器信号 不仅可把各种传感器检测到信息 如车速 发动机转速等显示出来 而且还能把经微机处理 计算 分析后的信息 如燃油消耗和行车里程等综合信息显示出来 另外 带有诊断程序的汽车微机还能在汽车行驶过程中 根据发动机 传动系及行驶系等各机件的运行情况 及时显示出故障诊断的警告信息 驾驶员想检查时也能随时调出多重显示 或采用按钮开关实现有选择的显示 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 11 国内部分中 高档轿车 如一汽红旗世纪星 上汽帕萨特 赛欧 奇瑞 长安世纪星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 将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品 随着电子技术的进步 新型传感器 新型电子显示器件的出现 汽车电子仪表显示装置得以迅速发展 微机驱动的仪表板采用微机处理来自传感器的信息 并指挥仪表显示器 我国的汽车仪表显示装置技术水平较低 国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表显示装置 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 但其开发还不具备技术条件 全数字式汽车仪表 尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置 是当今和未来一段时间汽车仪表显示装置的主导技术 有着十分广阔的市场前景 现代汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表显示装置 造型新颖别致和功能强大的电子化仪表显示装置 将是今后车用仪表的发展趋势和潮流 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 12 三 微机型车用数字仪表 以MCS51单片机为主控器 以ADC0809为核心 以气压 油压 温度 霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表 VDI 的设计与实现 该仪表系统具有显示直观 准确 使用方便可靠等优点 代表了车用仪表的最新发展趋势 系统组成及工作原理 本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成 硬件部分主要完成各种传感器信号的采集 转换 各种信息的显示等 软件主要完成信号的处理及控制功能等 其工作原理是89C51单片机依次查询各传感器的输出信号 气压 油压等模拟传感器输出的模拟信号需要经过ADC0809进行模数转换 然后89C51对输入信号进行相应处理后通过显示模块44780输出 同时还可输出各种告警信号 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 13 2硬件构成 该系统硬件主要包括以下几个模块 89C51主控模块 传感器模块 ADC0809模 数转换模块 44780显示模块等 其中89C51主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能 传感器完成信号的采样功能 ADC0809完成将模拟信号转换成数字信号的功能 44780显示模块完成字符 数字的显示功能 2 1主控模块系统采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机 它带有4KB闪速式存储器 128B内存 最大工作频率24MHz 同时 具有32条输入输出线 16位定时 计数器 5个中断源 1个串行口 2 2温度传感器DS18B20DS18B20是Dallas公司推出的单线数字式测温芯片 它能在现场采集温度数据 并将温度数据直接转换成数字量输出 DS18B20与AT89C51的接口电路图如图2所示 其中DS18B20工作在外部电源供电方式 单片机89C51采用P2 0和DS18B20通信 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 14 2 344780显示模块 本系统采用44780驱动的LCD HD44780 KS0062 是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器 兼带驱动器 和4bit 8bit微处理器相连 它能使点阵LCD显示大小写英文字母 数字和符号等丰富的信息 同时有较强的通用性应用 使用方便 用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统 送入相关的数据和指令就可实现所需的显示 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 15 2 4A D转换模块 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 16 2 5步进电机驱动模块 TA8435H是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片 电路简单 工作可靠 如图是TA8435H的一个典型应用电路 该电路用一片TA8435H来驱动一个步进电机 输入信号有使能控制 正反转控制和时钟输入 通过光耦可将驱动器与输入级进行电隔离 以起到逻辑电平隔离和保护作用 该电路工作在1 8细分模式 M1接高电平 可减小低速时的振动 R8和C1组成复位电路 D1 D4快恢复二极管可用来泄放绕组电流 由于REFIN引脚接高电平 因此VNF为0 8 输出级斩波电流为VNFF RNF 0 8 0 8 1A 选用不同的二相步进电机时 应根据其电流大小选择合适的R13和R14 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 17 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 18 2 6测速传感器 速度传感器是车辆传感器中的易损器件 所以测速传感器可以选用霍尔式 由霍尔开关 磁铁组成 其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架 车轮的适当位置 车辆行驶时 在磁铁的作用下 霍尔开关产生开关信号 通过在单位时间对其计数可计算出车辆的行驶的瞬时速度 累计开关信号可计算出车辆行使的距离 它具有灵敏度高 价格低廉 不易损坏等优点 2 7其他模拟传感器气压 油压 油量等参数的测量采用模拟传感器 其输出的模拟信号通过ADC0809模数转换后输入单片机89C51 经过相应软件处理后输出 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 19 2 8抗干扰设计 汽车 摩托车的点火系统有较强的电磁干扰 另外车辆移动性大 有可能处于较强电磁干扰的环境中 因此必须采取抗干扰措施 否则系统难以稳定 可靠运行 本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施 系统主要采用了以下五个方面的抗干扰措施 采用抗干扰电源 单片机系统经过UA7805C变压 然后经过稳压 滤波得到系统电源 另外给每个集成电路芯片都安置一个0 01mF的陶瓷电容器 同时 要有良好接地 数字地与模拟地要分开 最后只在一点相连 光电隔离 在I O通道上采用光电隔离器 将单片机系统与各种传感器 开关从电气上隔离开来 很大一部分干扰可被阻挡 过压保护电路 由限流电阻和稳压管组成 以防止引入高电压 损害单片机系统 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 20 为消除按钮动作时产生抖动干扰 在按键与89C51间加入一个Schmitt触发器74HC14 模 数转换电路的抗干扰措施 A D转换输出信号经锁存器锁存后传送给单片机 CPU抗干扰措施 人工复位 当微处理器失控时 可使用复位方法处理 使程序自动从0000H开始执行 掉电保护 因车辆颠簸可能引起电源等接触不良 使系统陷入混乱状态 电源电压恢复正常后 系统难以恢复正常 系统应该设计掉电保护 将掉电中断规定为高级中断 首先进行现场保护 当电源恢复正常时 单片机重新复位 恢复现场 继续工作 至于程序跑飞 可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 21 3软件设计 系统软件主要由主程序 中断子程序 数据采集与A D转换子程序 显示子程序 告警子程序等六大模块组成 因为C语言编写的软件易于实现模块化 生成的机器代码质量高 可读性强 移植好 所以本系统的软件可采用C语言编写 在KeilVision3Demo版本的集成开发环境下进行编译连接 3 1主程序设计主程序主要完成硬件初始化 子程序调用等功能 主程序流程图如图5所 3 2数据采集子程序设计数据采集与A D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样 量化及处理 并将相应信号的数值返回主程序 3 3显示子程序设计显示子程序完成符号 数值的显示输出 3 4中断子程序设计中断子程序有三种中断源 键盘 车轮 一圈一个中断脉冲 及掉电保护电路 分别完成面板功能设置 测速功能和掉电保护 3 5告警子程序主要实现异常情况下发出警告信号 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 22 四 虚拟数字式汽车仪表信息系统 汽车仪表正逐步向数字化和智能化方向发展 用数字化的虚拟仪表取代我国现阶段普遍采用的电器式或电子式仪表已成为实现车辆自动化的一个重要课题 虚拟数字式汽车仪表信息系统不但能完成普通智能仪表的监视显示功能 还能实现车辆的定位导航 后视摄影 网络通讯 影音娱乐及汽车黑匣子等功能 下面介绍虚拟数字式汽车仪表信息系统的硬件构成 人机界面及基于LabVIEW的软件实现 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 23 一 虚拟数字式汽车仪表信息系统的关键技术 数据采集技术采集的汽车数据除导航用的陀螺仪和里程计等数据外 为了解车辆的状况还需采集汽车主轴转速 轮胎气压及温度等汽车性能参数的数据 GSM通讯技术要实现车辆的智能化 必须在车辆上建立网络通讯功能 通讯网络的选择是关键 它决定系统的容量 可靠性和信息中心监控覆盖的范围 通讯技术的实现可实现车辆无线通讯 移动办公及网上冲浪等 数据转储模块汽车各个主要设备的状态信息 位置信息 速度信息及负荷等是判断事故发生原因的重要信息 需要将停车前的历史数据保存 为便于数据的输出 采用非接触的IC卡或移动硬盘USB存储数据 这就是汽车黑匣子要实现的功能 虚拟数字式仪表的显示技术虚拟数字式仪表的信息量非常大 如采用传统仪表的显示方法显示 车载的仪表数目将会不断增多 使车辆仪表板显得很拥挤 也会加大驾驶员的操作难度 分散驾驶员的注意力 车载虚拟数字式仪表将所有的信息显示集合在一个屏幕上 并以分界面的方法显示 这样将便于查看信息 取消众多的仪表 也使仪表板更加美观 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 24 二 系统的硬件组成及人机界面 虚拟数字式汽车仪表信息系统的硬件构成系统硬件的选用和组合原则为 充分考虑各硬件的兼容性和性价比 充分考虑系统的电磁兼容性 保证系统能够在比较恶劣的电磁环境下正常工作 满足系统的基本功能要求 并充分考虑系统的可扩展性和精简性 预留若干可扩展接口 信息系统由PC机 外围硬件设备 操作系统及用户的应用程序4部分组成 外围硬件设备主要由液晶显示器 触摸屏 数字I 0数据采集卡 车轮转速传感器 蓄电池监测系统 CCD摄像头 电视卡 GPS接收器及无线上网卡等组成 虚拟数字式汽车仪表硬件系统结构如图所示 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 25 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 26 虚拟数字式汽车仪表信息系统的人机界面 集成了虚拟技术和数字技术 具备虚拟仪表 电子后视镜 故障监测 运行记录 GPS车载定位 多媒体影音 上网通讯及移动办公等多种功能 功能界面如图2所示 仪表与指示灯区显示车速表 蓄电池电荷状态表 蓄电池温度表 照明与信号指示灯 警报信号指示灯及档位指示灯 当车速超过某一限定速度时 将发出超速语音提示 运行记录区带复位按钮的单程里程表 累计里程表 日期与时间及运行记录按钮 按下运行记录按钮 则显示汽车运行的车速 里程 故障与报警历史记录 汽车黑匣子功能 程序控制区显示如下程序的运行按钮 电子后视境 车载定位导航 互联网浏览器 MP3播放器 无线电视和调频收音机构成的车载影音娱乐系统 电子后视境区定位导航定位导航区显示电子地图 它利用GPS接收器接收的汽车定位信息在电子地图上描绘汽车运行轨迹 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 27 虚拟数字仪表显示系统人机界面 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 28 三 虚拟数字式汽车仪表信息系统的软件实现 虚拟数字式汽车仪表信息系统的软件设计总体流程图如图3所示 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 29 对计算机内的各功能板进行驱动和初始化 数据采集卡的驱动数据采集参数初始设置必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置 参数主要有采集卡的设备号及地址码 此外还有模拟信号输入部分的设置项 A D转换部分的设置项 D A转换部分的设置项及DIO和计数器部分的设置项 对各种传感器信号进行转换和处理数据采集和处理将通过传感器转换的模拟电压信号或脉冲信号及开关量信号采集到数据采集卡的相应通道 并进行数字滤波 格式转换 当量运算及单位换算等 将数据转换成能直接在显示屏上显示的数据 数据处理部分相对来说比较简单 而数据采集是软件编程的关键 数据采集的信号有模拟量 开关数字量和脉冲数字量 数据采集的总体流程如图4所示 汽车电子仪表 重庆大学汽车系张伟 30 数据采集的总体流程图