浅谈嵌入式汽车数字仪表设计

1 引言

汽车仪表是驾驶员与汽车的信息交流界面，对汽车安全以及经济行驶具有重要作用。汽车仪表板的仪表不尽相同，但是一般汽车的常规仪表有车速里程表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。 现代汽车上，汽车仪表还需要装置稳压器，专门用来稳定仪表电源的电压，抑制波动幅度，以保证汽车仪表的精确性。另外，大部分仪表显示的依据来自传感器，传感装置根据被监测对象的状态变化而改变其电阻值，通过仪表表述出来。 仪表板中最显眼的是车速里程表，它表示汽车的时速，单位是km/h（公里/小时）。车速里程表实际上由两个表组成，一个是车速表，另一个是里程表。近年来，随着汽车电子技术的发展，汽车仪表显示信息也不断增加，而传统机械指针式汽车组合仪表则无法满足现在使用需求。特别是计算机、微电子和各种现场总线通信技术广泛运用，以嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。本文给出一种嵌入式汽车数字仪表设计方案。

2 硬件设计

传统的车速表是机械式的，典型的机械式里程表连接一根软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。这种车速里程表简单实用，被广泛用于大小型汽车上。不过，随着电子技术的发展，现在很多轿车仪表已经使用电子车速表，常见的一种是从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字。汽车仪表需要处理的信号主要有：车速、发动机转速、水温、油量、以及各种开关量或报警信号。其中，发动机转速信号和前后灯信号是从CAN总线（发动机电控模块和前后灯电控模块）获取，而车速信号、水温、油量和其他开关量信号从相应的传感器获取。

汽车数字仪表系统结构如图1所示，本系统对车速、发动机转速、水温和油量信息采用步进表头显示，里程信息采用LCD显示，LCD（Liquid Crystal Display），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。开关量或报警信号采用LED显示，串口EEPROM用于存储里程信息。采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510与收发器80C250构成CAN节点，用于实现与汽车其他CAN节点间的通信。

2.1 MCU、外扩存储器和里程存储电路

系统采用三星公司的ARM7TDMI器件S3C44BOX作为主控制器。S3C44BOX是16/32位RISC处理器，其工作主频可达75 MHz,内部资源丰富。由于S3C44BOX内部无存储器（内部SRAM用于缓存），因此必须采用总线扩展外部存储器，包括程序存储器和数据存储器，采用16 Mbit的：FlashSST39VF160及64 Mbit的SDRAM HY57V641620分别作为程序存储器和数据存储器。系统还采用一片AT24C04存储器件来存储里程信息。AT24C04是4 Kbit的串行存储器，采用I2C总线方式实现里程信息的存储。I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

2.2 电源和复位电路

该汽车数字仪表系统采用汽车蓄电池供电，汽车蓄电池的电压约为12 V,而该系统需采用5 V、2.5 V和3.3 V工作电压，S3C44BOX内核工作电压是2.5 V,I/O端口的工作电压是3.3 V,调理电路以及一些驱动器件需用5 V的工作电压。因此，系统选用7805稳压器作为5 V电压转换器，选用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分别作为2.5 V和3.3 V电压转换器。掉电时能够及时存储里程信息，电源地需接一只1 000 μF的电容。掉电时，大电容可以确保S3C44BOX工作一段时间，完成里程信息的存储。复位电路采用专用的复位电路IPM811实现系统稳定启动。图2为系统电源电路。

2.3 车速、水温、油量以及开关量的处理电路

由于汽车大多工作在恶劣环境下，将干扰车速传感器信号，因此在输入至中断端口EINT0前需要对车速脉冲信号进行处理，这里采用RC滤波、三极管放大以及斯密特整形方法调理车速脉冲信号。车速脉冲调理电路如图3所示。

水温、油量信号是电阻信号，须转化为电压信号，再将其电压信号输入至S3C44BOX的AD端口。而其他开关量则经过滤波降压后输入至