基于MB90428GA单片机的汽车组合仪表设计

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    引言
　　汽车仪表是驾驶员和汽车进行信息交流的重要接口和界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。仪表显示的直观与美观是驾驶生活舒适的一部分，而参数传递的准确与可靠则直接关系到汽车行驶的安全。近年来，随着汽车电子技术的不断发展，汽车仪表板上显示的信息不断增加，传统的机械指针式汽车组合仪表越来越无法满足使用的需要，特别是计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，出现适合汽车仪表的单片机以及汽车仪表用的步进电机等新技术产品，这导致了智能化数字式现代汽车组合仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。
　　
　　组合仪表的基本构成
　　组合仪表通常由以下几部分组成：车速表、里程表、转速表、水温表、油量表、照明系统、报警指示系统等。里程表采用数码显示，车速表、转速表、水温表、油量表等大多采用传统的指针式指示方式。本文所设计的组合仪表主要由车速表、里程表、发动机转速表、水温表、燃油表组成。同时还有许多指示和报警讯号灯，如左右转向信号、驻车信号、刹车信号、远光信号、ABS、照明、发电机指示、机油压力报警、制动器故障、油量报警、水温报警、发动机故障等。图1为该组合仪表的构成原理框图。



　　汽车仪表使用的步进电机
　　这是新一代汽车组合仪表最显著的特点。由于一般动圈式指示仪表抗震性能差、过载能力差、指针易抖动等弱点，而电磁式十字线圈指示仪表机芯也存在一致性、通用性差的缺点，急需一种一致性好、通用性、可靠性好的驱动机芯。业内人士和专家普遍看好适用于汽车仪表的步进电机。它在工作原理上作出技术创新，通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针工作的形式[5]。基于该步进电机的汽车组合仪表由微控制器完成各种被测物理量的采集，经过运算后直接驱动控制步进电机，再由步进电机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量，同时辅以被测物理量LCD显示。步进电机式汽车仪表与先前的模拟式(动圈式或动磁式十字交叉线圈)汽车仪表相比有显著的特点：指示精度高、一致性好、重复性和通用性好、可靠性和稳定性高、驱动与控制也相对简单，可以用独立的步进电机驱动控制器，如PMM8713、PMM8723、PMM8714，也可选用带步进电机驱动的微控制器，如uPD780823、MB90420/425G系列等。本设计采用的是带步进电机驱动的微控制器MB90428GA。
　　目前国内部分中高档轿车，如一汽红旗世纪星，上汽帕沙特、塞欧，安徽奇瑞，长安世纪星等均配备使用了步进电机式汽车仪表，其他型号的轿车也急需配套该类型的仪表。有充足的理由认为步进电机式仪表将是未来一段时间汽车仪表的主导趋势。
　　
　　硬件原理设计
　　该组合仪表的硬件电路主要有以下几个模块组成：1、输入脉冲信号(里程和转速)处理电路；2、模拟量(水温与燃油)输入电路；3、开关量电路：主要是一些指示报警信号灯及背光灯电路；4、仪表驱动显示电路：有转速表、里程表、水温表、燃油表，他们由步进电机来驱动，还有一块LCD液晶用来显示时钟、总里程以及小计里程；5、电源电路。下面主要介绍其中的一些电路。
　　MB90428GA单片机的特点
　　MB90428GA是富士通(Fujitsu)公司专门为汽车电子仪表及步进马达的工业控制开发的一款十六位单片机。具有以下特点：4路大电流输出的步进电机驱动控制，还可用于驱动十字交叉线圈的驱动控制；可直接驱动24×4的LCD液晶显示；自身带有128KB的在线可编程Flash Rom，6KB SRAM存储器；具有低电压CPU复位检测功能， 1个系统时钟；一路CAN通道；8通道8/10位A/D转换；4路16位输入捕捉通道等[1]。
　　电源电路及掉电保护
　　电源电路：由于汽车蓄电池提供的是12V电源，因此要进行电压转换及滤波处理。电源电路如图2所示。其中+5V为模拟量电源，VCC为数字量及单片机工作电源。



　　掉电保护电路：为在掉电的时候也可以及时地记录汽车行驶的里程数据，使用掉电保护电路。在掉电时可以维持一段时间的电压，保证单片机完成里程数据的保存，并调整指针位置使之回零。为了在掉电的时候也可以及时地保存里程数据，在电源地输入端加一个1000uF的电解电容，电源断开时在IRQ管脚会产生一个中断信号，大电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成外部中断的服务程序。
输入脉冲信号处理电路
　　来自传感器的脉冲信号输入到单片机定时器模块的管脚，使用输入捕捉功能，为改善波形，在输入捕捉管脚外增加处理电路。包括车速脉冲信号和转速脉冲信号处理。电路图如图3和图4所示。其它电路除以上电路外，还有EEPROM电路、LCD液晶驱动电路、LED驱动电路和步进电机驱动电路等。 EEPROM用来存储行驶中的里程数据(小计、总计)；LCD液晶则显示行驶的里程数据； LED显示指示和报警信号；步进电机驱动用来驱动4个步进电机式仪表，分别为行车时速、发动机转速、发动机水温和燃油量。




　　软件设计
　　该仪表软件设计采用模块化设计思想。主要由以下几个模块组成：
　　里程表软件设计思想：该里程表采用霍尔型非接触式转速传感器，表的转轴每转一圈，霍尔传感器将感应发出8个脉冲。里程表速比表示的是：里程表转轴(软轴)在汽车行驶1公里时所转过的转数。现以速比为1：624的车型为例；汽车行驶1公里霍尔传感器发出的脉冲数共为8×624=4992个，或每个脉冲代表1/4992公里的里程，将这些脉冲信号作外部中断输入给单片机，使每个脉冲产生一个中断，并通过中断服务程序对每个脉冲计数，当计数满4992 时，表明汽车行驶1公里，然后在给累计单元加1，并存入EEPROM，最后通过刷新LCD液晶显示器，即可实现里程计数。LCD显示总里程数。中断1次(每隔10ms)送1位显示。外部中断INT1为：脉冲计数，判断计数是否达到1公里，否则返回。T0中断是否显示总里程，每经过1公里向EEPROM中写入1次，在停车等待时， CPU停止写入总里程。
　　车速表软件设计思想：在里程表程序中，每计数1次，汽车行驶0.0016025641KM，每10ms中断1次，送显示，其中断1000次时间为1秒，计算1秒计数次数，乘3600再乘0.0016025641即可求出时速：时速=次数X5.7692.车速表指针偏转位置与输入量成线性关系：即 θ=K·Vin。其中θ为指针偏转角；K为常数；Vin为输入电压。时速与频率的对应关系比如为：20Km/h =11.9-14Hz；60Km/h =39.8-41.9Hz；120Km/h =79.6-83.9Hz (速比1：624)。
　　转速表软件设计思想：转速表是用来测量发动机转速的一种指示仪表。在本设计中是把转速传感器传送的频率信号传送到单片机，经过计算后输出方波信号来驱动步进电机，在刻度盘上指示发动机相应的转速值。转速与频率的对应关系比如为：500r/min=121.5Hz；1000r/min= 243Hz；2000r/min=486Hz；3000r/min=729Hz。
　　水温表与燃油表：水温表是显示冷切水温度的仪表，单位是℃(摄氏度度)。它的传感器是一种热敏电阻式传感器，用螺纹固定在发电机冷切水道上，热敏电阻决定了流经水温表线圈绕组的电流大小，从而驱动表头指针摆动。
　　燃油表是显示油箱内的油量的仪表，单位是L(升)，指针指向“F”表示满油，指线“E”表示无油；也有用1/1，1/2，0分别表示满油，半箱油和无油，燃油表内有两个线圈，分别在“F”与“E”一侧，传感器是一个由浮子高度控制的可变电阻，阻值变化决定两个线圈的磁力线强弱，也就决定了指针的偏转方向。
　　主函数程序：当A/D中断到来时改变激活的A/D通道，定时读取里程数据，并在LCD上显示，每一次主循环结束时重起WATCGDIG。主程序流程图如图5所示。



　　结语
　　本文介绍了一种步进电机式的组合仪表盘。该仪表盘以富士通(Fujitsu)公司的MB90428GA单片机为微处理器，设计了一种以步进电机来驱动表针的组合仪表，给出了硬件原理和软件设计。该组合仪表盘已经在某车型上调试成功，各方面表现良好，表指针可以平滑转动，在低速情况下精度和线性度良好。
　　参考文献：
　　1.FUJITSU SEMICONDUCTOR.F2MC-16LX 16-BIT MICROCONtrOLLER MB90420G/425G Series HARDWARE MANUAL.2002(4): The  First  Edition
　　2.南光群.基于PIC16F877的汽车用车速表和里程表的设计.电脑开发与应用.2005(11):56
　　3.刘清波,蔡树珍,孙业歧,史 楠.基于单片机的汽车里程表设计.河北大学学报(自然科学版).2002(9):276-278
　　4.陈子明.汽车车速里程表及其速比的计算方法.汽车电器.2005(3):9-11
　　5.仪表步进马达用户手册.伟力电子有限公司.2005.03
         
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