基于MB90F428的汽車儀表設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué) 劉浩 王向周

引言
汽車儀表是人和汽車的交互界面，為駕駛員提供所需的汽車運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件。它經(jīng)歷了機(jī)械式、電氣式、模擬電路電子式的發(fā)展過程，隨著汽車電子的網(wǎng)絡(luò)化，CAN總線技術(shù)在汽車領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此，CAN總線、嵌入式就成為了汽車儀表未來發(fā)展的必然趨勢。

汽車儀表的基本結(jié)構(gòu)和功能

汽車上較常用的有四種指示儀表，即車速里程表、發(fā)動機(jī)水溫表、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表、燃油表等。分別顯示汽車行駛速度、單里程和總里程數(shù)、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、汽車行駛時(shí)發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度及汽車油箱內(nèi)的油量。在汽車儀表板上往往還同時(shí)裝有十幾種之多的指示和報(bào)警訊號燈，如左右轉(zhuǎn)向信號、剎車信號、遠(yuǎn)光信號、ABS、電池充電、電池壽命報(bào)警、油壓報(bào)警、油量報(bào)警、水溫報(bào)警等等，這些指示燈在不同的儀表板中有所不同，通常用LED顯示。

CAN總線的優(yōu)點(diǎn)及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是德國Bosch公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率可達(dá)1Mbit/s。CAN網(wǎng)絡(luò)正在不斷地應(yīng)用在汽車電子的各個方面。CAN總線具有下列主要特征：（1）多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問；（2）無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁；（3）借助接收濾波的多地址幀傳送；（4）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求；（5）配置靈活性；（6）全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；（7）錯誤檢測和出錯信令；（8）發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重發(fā)送。

汽車儀表板軟硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合汽車儀表的技術(shù)和性能指標(biāo)，以及簡化硬件電路的要求，選擇富士通公司的MB90F428芯片為微控制器進(jìn)行汽車儀表的設(shè)計(jì)。MB90F428芯片是16 位單片機(jī)，內(nèi)部有CAN總線接口，F(xiàn)LASH ROM，主要應(yīng)用于汽車與工業(yè)等；其CAN 總線符合V2.0 Part A、Part B，能支持更靈活的信息緩沖處理。支持語言，可擴(kuò)展地址模式，有增強(qiáng)乘除指令，增強(qiáng)位操作指令等； 微控制器有32 位累加器（長字處理）；周邊資源有：8通道的8/10Bit A/D轉(zhuǎn)換器，UART，擴(kuò)展I/O串行接口，8/16Bit定時(shí)器，I/O定時(shí)器（輸入捕獲，輸出比較）、8路外部中斷、CANBUS接口、 4路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、LCD模塊（可驅(qū)動24 4 的筆段式液晶模塊）等。 4路16位輸入捕捉通道可以捕捉汽車車速傳感器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸入的脈沖信號，A/D轉(zhuǎn)換器可以用來轉(zhuǎn)換水溫、油量傳感器輸入的電壓信號，I/O口則進(jìn)行諸多信號指示燈的信號輸入，CAN接口主要和CAN總線收發(fā)器PCA82C250芯片收發(fā)CAN信號，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和LCD顯示模塊用于驅(qū)動儀表盤上的4個步進(jìn)電機(jī)指示、里程時(shí)間的顯示。這種片上自帶驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)方法，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。
本設(shè)計(jì)主要分兩大模塊：檢測電路控制模塊和儀表驅(qū)動模塊，如圖1所示。檢測電路模塊主要由輸入信號采集、信號處理、以及信號轉(zhuǎn)換電路組成。首先，汽車狀況通過相應(yīng)的傳感器檢測，轉(zhuǎn)換為電壓、脈沖信號，進(jìn)行濾波放大，然后再輸入MB90F428芯片進(jìn)行內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理，獲得所需要的數(shù)字量信號，并實(shí)時(shí)地將所處理好的數(shù)字量送到CAN總線。

儀表驅(qū)動模塊主要由信號接收、存儲數(shù)據(jù)、以及設(shè)備驅(qū)動電路等組成。當(dāng)驅(qū)動板接收到CAN信號，將通過MB90428芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、LCD、LED等。點(diǎn)火開關(guān)打開時(shí)，儀表監(jiān)測到這一信號后，首先對自身進(jìn)行檢測（此過程中診斷指示燈常亮），并由FLASH RAM里記錄的歷史工況確定當(dāng)前的儀表是否需要修正，經(jīng)過幾道程序?qū)x表初始化。自檢程序通過之后，儀表開始由非工作狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，將對車速、轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，并通過指針和指示燈將當(dāng)前工況表現(xiàn)出來。

儀表板硬件設(shè)計(jì)

電源電路

汽車蓄電池提供12V左右的電源，而該儀表板需要兩路電源：+5V和+12電源。5V電源用于給MB90F428、CAN接口芯片（PCA82C250）和EEPROM等供電，12V電源給LED、蜂鳴器等供電?？紤]到成本和易購性，我們選用7805芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。為了在掉電的時(shí)候可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個1000 F的電解電容，當(dāng)電源斷開的時(shí)候，大電容可以維持單片機(jī)電源足夠長的時(shí)間，使得單片機(jī)可以完成外部中斷的服務(wù)程序。如圖 2 所示。

調(diào)理電路

汽車車速傳感器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器通常采用霍爾器件。當(dāng)車輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器開始產(chǎn)生一連串脈沖信號，脈沖的個數(shù)將隨著車速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不變。為了改善波形，在輸入捕獲定時(shí)器管腳外添加調(diào)理電路，對脈沖信號進(jìn)行整形放大，這里我們通過RC濾波和三級管放大的方法處理。如圖3、圖4所示。

我們選用CAN收發(fā)器PCA82C250芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，它初就是為汽車高速通信（達(dá)1Mbps）應(yīng)用設(shè)計(jì)的，該器件可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，它與ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，CANH和CANL雙線也防止在汽車環(huán)境下可能發(fā)生的電氣瞬變現(xiàn)象。由于汽車經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下工作，因此對收發(fā)器進(jìn)行一定的抗干擾處理，這里選用光電耦合器（6N137芯片），如圖 5 所示。

其他電路

除了以上這些電路以外，本次硬件設(shè)計(jì)還包括EEPROM電路、LED驅(qū)動電路、LCD顯示電路、步進(jìn)電機(jī)電路，由于MB90F428芯片是專為汽車設(shè)計(jì)的芯片，片上自帶了大部分驅(qū)動，因此簡化了硬件驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

儀表板軟件設(shè)計(jì)

圖6 所示為儀表板主程序的軟件流程圖，程序由點(diǎn)火信號控制，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打開時(shí)，儀表板進(jìn)入主程序循環(huán)。整個系統(tǒng)軟件由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、CAN通訊子程序、LCD/LED顯示子程序、步進(jìn)電機(jī)工作子程序等組成。

結(jié)論

隨著汽車電氣系統(tǒng)的總線化，高集成、嵌入式、總線化是汽車儀表發(fā)展的必然趨勢。本文提出了一種總線思想的汽車儀表設(shè)計(jì)，包括了信號采集處理部分和驅(qū)動顯示部分。從總體及軟硬件方面詳細(xì)介紹了帶有CAN通訊的嵌入式汽車儀表的設(shè)計(jì)，該方案已經(jīng)經(jīng)過了工程調(diào)試，各方面性能良好，儀表的和反應(yīng)速度以及抗干擾方面均達(dá)到了國內(nèi)水平。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. MB90F428 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MB90F428_1095783.html.
[2]. PCA82C250 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PCA82C250_542618.html.
[3]. 6N137 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/6N137_91364.html.