基于MC9S12XHZ512的汽車組合儀表設(shè)計

張東波，朱經(jīng)緯

(湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

汽車儀表是用來顯示和記錄汽車的各種行駛信息及發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況的重要裝置。汽車儀表所顯示的信息有車速、轉(zhuǎn)速、燃油、水溫、氣壓、里程、各種報警和狀態(tài)指示等。傳統(tǒng)的汽車組合式儀表，各種工況和告警信號由傳感器通過線束送到組合儀表和其他需要該信號的模塊。這種儀表線束較多，顯示內(nèi)容單一，無法滿足汽車儀表高抗干擾能力、高可靠性、高集成度、多功能和智能化的需求。

現(xiàn)在的汽車儀表也有以微處理器、針式儀表盤、CAN總線、指示燈、帶記錄存儲功能的儀表，但這種汽車儀表沒有模擬量采樣復(fù)用和步進(jìn)電機。模擬量采樣復(fù)用可以實現(xiàn)電流、電壓、電阻信號采樣的復(fù)用，通過電阻網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整可以設(shè)置單個采樣端口的采樣信號類型，因此可以適應(yīng)多種傳感器，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。而使用步進(jìn)電機可以非常精確地控制電機轉(zhuǎn)動軸位置，而不需要昂貴的傳感器和控制電路，跟蹤所加輸入脈沖數(shù)可知其位置，且步進(jìn)電機具有良好的起動和停止響應(yīng)功能。因此，為了能夠滿足汽車儀表高抗干擾能力、高可靠性、高集成度、多功能和智能化的需求，本文設(shè)計了一種帶有模擬量采樣復(fù)用和帶有步進(jìn)電機的總線式汽車智能組合儀表。

1 儀表結(jié)構(gòu)的組成原理

儀表的組成模塊如圖1所示，由采集控制模塊、顯示模塊和外圍電路模塊組成。顯示模塊和外圍電路模塊均與采集控制模塊相連。采集控制模塊包括主處理器和輸入輸出模塊，輸入輸出模塊與主處理器相連。顯示模塊包括顯示接口模塊和顯示處理器，并且互相連接。采集控制模塊中的模擬量采樣復(fù)用電路，包括電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電路和模擬量復(fù)用輸入信號前級處理電路，經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電路調(diào)整后的輸入信號，經(jīng)模擬量復(fù)用輸入信號前級處理電路選擇，傳輸至采集控制模塊的主處理器。

圖1 儀表的組成模塊

2 步進(jìn)電機驅(qū)動設(shè)計與中斷控制

2.1 步進(jìn)電機的驅(qū)動設(shè)計

車速表、轉(zhuǎn)速表、油位表和水溫表均由步進(jìn)電機驅(qū)動。硬件設(shè)計時只需用引線將單片機與步進(jìn)電機連接即可。圖2為單獨一個步進(jìn)電機工作在雙全橋模式時的連接方法，它由兩個脈寬調(diào)制(PWM)通道控制，通道 X控制線圈0，通道X+1控制線圈1。實際電路的原理圖如圖 3所示，M1、M2、M3和 M4分別為車速表、轉(zhuǎn)速表、油位表和水溫表。

圖2 步進(jìn)電機工作在雙全橋模式時的連接法

圖3 步進(jìn)電機電路原理圖

2.2 利用實時中斷RTI控制步進(jìn)電機

為了解決實時性問題，采用實時中斷RTI來控制步進(jìn)電機。RTI是時鐘和復(fù)位發(fā)生器中的一個子模塊，可以產(chǎn)生實時中斷。本文采用的分頻系數(shù)為3×215，即F=8 M/3×215=81.38 Hz，每次中斷間隔時間 t=1/81.38=12.3 ms。微控制器每12.3 ms改變一次所有步進(jìn)電機的輸出，進(jìn)而改變步進(jìn)電機的指針位置。當(dāng)步進(jìn)電機的控制方式是雙四拍的時候，每次中斷都給指令(永久磁體)使其轉(zhuǎn)動90°(一個分步)，即每經(jīng)過 4次實時中斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周(一個全步)。在RTI實時中斷間隔內(nèi)可以運行另外的程序。

因為油位表、發(fā)動機轉(zhuǎn)速表和水溫表的數(shù)據(jù)都是從CAN總線傳過來的，所以將這三塊表的程序整理到同一個模塊中，轉(zhuǎn)速表和水溫表的函數(shù)功能與油位表相同。程序流程圖如圖4所示。

利用實時中斷控制步進(jìn)電機時，每次中斷步進(jìn)電機只能走一分步，因為一周之內(nèi)的四分步在引腳的輸出不同，所以首先要判斷轉(zhuǎn)子處在哪個位置。每次中斷都要判斷步進(jìn)電機的變量是否更新，并且判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，以決定調(diào)用哪個單步函數(shù)。

圖4 程序流程圖

3 模擬量采樣復(fù)用電路設(shè)計

本儀表設(shè)計的模擬量采集復(fù)用電路能夠通過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)分別實現(xiàn)電壓、電流、電阻信號的測量，如圖5所示。

圖5 模擬量采集復(fù)用電路

(1)當(dāng)接入的模擬量為電壓信號時，電路調(diào)整如圖6所示。

圖6 接入的模擬量為電壓信號時的電路調(diào)整

(2)當(dāng)接入的模擬量為電流信號時，電路調(diào)整如圖7所示。

圖7 接入的模擬量為電流信號時的電路調(diào)整

(3)當(dāng)接入的模擬量信號為電阻時，電路調(diào)整如圖8所示。

圖8 接入的模擬量為電阻時的電路調(diào)整

該電路在實際應(yīng)用過程中，可根據(jù)需要采樣的信號類型、信號范圍以及芯片模擬量接口基準(zhǔn)電壓的值計算并確定電阻網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)電阻的大小。

本設(shè)計是基于飛思卡爾MC9S12XHZ512單片機的智能組合儀表，其中的模擬量采樣復(fù)用技術(shù)可以實現(xiàn)調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)分別接入采樣電流、電壓、電阻信號，可以適用于多種傳感器，提高了儀表系統(tǒng)的靈活性。為了能使步進(jìn)電機實時平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，開發(fā)了步進(jìn)電機的驅(qū)動程序，采用實時中斷控制步進(jìn)電機，很好地滿足了汽車儀表高抗干擾能力、高可靠性、高集成度、多功能和智能化的需求。

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