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车用智能数字仪表系统的设计

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1.引言


传统的汽车仪表一般是机电式模拟仪表,只能给驾驶员提供汽车行驶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、高速度发展的要求。随着现代电子技术的发展,多功能、高精度、高灵敏度、读数直观的智能数字仪表是汽车仪表发展趋势。下面对以单片机为核心的新型全数字车用仪表系统设计作详细介绍。


2.系统设计思想


系统功能由硬件和软件两大部组成。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。设计的整体框图如图1所示。1 系统框图


 


SPCE061A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A/D转换); 然后SPCE061A对输入信号进行相应处理后通过HS12864-1液晶模块输出,同时还可输出各种告警信号。 利用单片机内部的D/A数模转换器,把各种告警信号事先设置好的语音信号经过该数模转换通道送到扬声器,利用SPCE061A语音功能实现语音播报告警。


 


3.系统硬件设计


系统硬件主要包括以下几个模块: SPCE061A主控模块、传感器模块、HS12864-1液晶模块等。其中 SPCE061A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,HS12864-1液晶模块完成字符、数字的显示功能。


 


3.1主控模块


系统中采用的SPCE061A单片机,是凌阳公司继μ’nSPTM系列产品SPCE500A等之后推出的又一款16位单片机。SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH),较高的处理速度使μ’nSPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号其内部具有七通道10位电压A/D模数转换器和两个10D/A数模转换通道,这样节省电路板面积,简化了硬件电路。具体应用时,只需在编写程序中加入启动A/D转换的指令即可完成操作。SPCE061A内部自带两个10D/A转换通道,比较容易实现语音功能。


3.2 温度传感器DS18B20


DS18B20是美国Dallas公司推出的数字式智能温度传感器,它是单线数字式测温芯片,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。它能够直接读出被测温度并可根据实际要求通过简单的编程实现92位的数字值读数方式。而且采用了三线制与单片机相连,将测温部分与A/D转换于一起,减少了外部硬件电路,具有低成本和易使用的特点。DS18B20测温范围为-55125,精度为±2,而在-1085范围内,其精度为0.52 8B20单片机接口电路


DS18B20SPCE061A单片机的接口电路图如图2所示,其中DS18B20工作在外部电源供电方式,SPCE061A单片机采用IOB6DS18B20通信。 


33 HS12864-1液晶模块


HS12864-1是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可实现图形显示,也可以显示8×4(16×16点阵)汉字。HS12864-1液晶内置HD61102图形液晶显示模块,驱动和控制系统是由1HD61102 作为64 路行驱动器,同时HD61102 配备了一套显示存储器的管理电路和与MCU接口电路,可以直接与MCU的总线连接。HS12864-1的结构见图33  HS12864-1的结构


HS12864-1具有简单而功能较强的指令集,可实现字符移动、闪烁等显示功能,共有7 条指令,单片机只需通过D/IR/WDB0~DB7送入数据或指令便可显示其指定内容或显示方式。HS12864-1SPCE061A单片机的硬件接口电路见图4。图中采用并行通信方式,单片机的IOA0-IOA7口与液晶模块的DB0-DB7口相连作为数据输入输出用;即IOB0- IOB 4口与液晶模组的CS1CS2D/IR/WE相连作为单片机对液晶的控制口。


 



4  HS12864-1与单片机接口电路


 


3.4 测速传感器及其他模拟传感器


速度传感器是车辆传感器中的易损器件,所以该系统测速传感器由霍尔开关、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。


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SPCE061A单片机模数转换后经过相应软件处理后输出。


 


4 . 系统软件设计


该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,所以本系统的软件采用C语言编写。


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所示。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。显示子程序完成符号、数值的显示输出。中断子程序有三种中断源:键盘、车轮(车轮每转一圈产生一个中断脉冲)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。本系统中断源共有6个, 而SPCE061A单片的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源。告警子程序主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当冷却液温度升高到接近沸点(例如9598℃)时,或燃油箱内的燃油量少于某一规定值时,音频告警装置会发出语音告警信号,同时相应的指示灯发亮(点亮告警指示灯的任务由显示子程序来完成),以引起驾驶员的注意。
5 主程序流程图


5.语音功能的实现


系统的语音功能的实现,主要体现在当告警信号输出的同时, 扬声器中会发出语音提示,如“ 冷却液温度异常”、“燃油量异常”等等。


语音处理大致可以分为A/D转换、编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等步骤。SPCE061A单片机具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式,同时具备双通道10 DAC方式的音频输出功能,因此可以解决上述语音处理问题。SPCE061A的开发软件具有一个SACM–LI库,可以将A/D、编码、解码、存储、D/A做成相应的模块, 对于每个模块都有其应用程序接口API,在了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容后,调用该API函数即可实现语音处理功能。对于常用的SACM–A2000SACM–480两种放音算法则要涉及到语音资源的添加问题,即将所需要的WAV文件按照需要的压缩比进行压缩,变成资源表形式在程序中调用。这样,当把录制好的语音文件经过压缩存入存储器后,在程序执行过程中调用该语音模块的API函数即可实现语音输出功能了。


6系统抗干扰设计


由于本仪表系统是为汽车、摩托车设计的,而汽车、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。


61 采用抗干扰电源


单片机系统供电线路是干扰的主要来源,本系统的电源由车载电瓶提供,车辆的点火系统、音响设备等都可能对本系统产生干扰,为此,可将车载电瓶12V电源经磁珠和电容组成π形滤波电路后,再经过UA7805C稳压、滤波得到本系统电源。另外给每个集成电路芯片都安置一个0.01mF的陶瓷电容器,来消除大部分高频干扰。同时,良好接地是系统稳定工作的重要条件,由于本系统既有模拟电路又有数字电路,因此设计时将数字地与模拟地要分开,最后只在一点相连。


62 光电隔离


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。


63过压保护电路


本系统在输入输出通道上也设计了过压保护电路,它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。


另外,本系统中,为消除按钮动作时产生抖动干扰,在按键与SPCE061A间加入一个Schmitt触发器74HC14。 


64 CPU抗干扰措施


当干扰信号作用到单片机本身时,单片机将不能按正常状态执行程序,从而引起混乱。为此本系统采用了以下方法:


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。为此系统设置了复位键,当微处理器失控时,只要按下复位键,并持续10ms以上即可。


掉电保护:因为当车辆颠簸的路况时,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。为此系统设计了掉电保护。掉电信号由硬件电路检测到,加到单片机的外部中断输入端。将掉电中断规定为高级中断,使系统及时对掉电做出反应。在掉电中断子程序中,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。具体的讲,可以在RAM中埋一些标志,在每次程序复位时,通过这些标志,可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行连续可靠。


7.结语


随着电子技术的广泛应用,车用仪表显示屏的液晶化必将成为一种发展趋势。文中通过采用SPCE061A单片机、新型传感器和宽屏的液晶显示等对车用仪表系统进行整体性改进设计,使新型数字仪表系统显示功能更强大、可靠性更高、使用更便捷;同时,也为今后车用仪表显示系统扩充显示和控制的信息种类,进一步丰富其综合信息显示内容,打开了广阔的空间。

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