基于MC9S12HY32的電動汽車儀表盤設計

劉源楊，馬建輝，王知學，李研強

（山東省汽車電子重點實驗室山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014）

電動汽車儀表盤是一種集LED、LCD顯示技術、步進電機控制技術于一體，適應電動汽車電子化、數字化、信息化發展的高新技術產品，它是駕駛員與汽車進行信息交流的窗口，是一個多信息顯示平臺，顯示電機狀態、電池組狀態、行駛信息、底盤信息、指示報警等其它信息。Freescale的S12HY32是汽車儀表盤設計專用16位MCU，筆者以S12HY32為核心設計了一款電動汽車儀表盤，它采用步進電機進行指針的指示，具有很好的數據控制特性，并能及時反映汽車加減速、電壓電流上升與下降等各種工況，提高了整個系統的平穩性和定位精度，同時保留了機械指針指示的直觀、有動感、符合駕駛員習慣等優點。采用LED顯示轉向燈、遠近光變換、車門狀態、安全帶未系提示、充電指示、報警等狀態[1]，采用LCD數字顯示里程表和故障狀態。文中介紹S12HY32的功能特性和應用要點，并剖析電動汽車儀表盤的設計原理和軟硬件結構。

1 硬件設計

1.1 MC9S12HY32簡介

MC9S12HY32是一款可擴展入門級的汽車儀表盤應用16位微控制器，集16位性能和許多專用功能于一身[2]，如LCD驅動和步進電機驅動，同時服務于需要CAN/LIN的應用，非常適合經濟高效的汽車儀表盤應用。其芯片資源及特性如下[3]：

1）32 MHz總線頻率的HCS12 CPU內核；

2）帶有ECC（錯誤校正碼）的32 kB程序閃存和4 kB數據閃存，4 kB片內SRAM；

3）字段式LCD控制器，最多可配置為40x4段；

4）4個步進電機控制器，可以進行電機失速檢測；

5）兩個16位定時器模塊，可提供16位輸入捕捉、輸出比較、計數和脈沖累加器功能；

6）8通道10位逐次逼近型ADC；

7）SPI/I2C 模塊，一個 SCI模塊，支持 LIN 2.0、2.1和 SAE J2602通信；

8）MSCAN模塊，支持 CAN協議 2.0A/B。

1.2 系統結構

儀表盤由CAN總線接口、信號采集電路、步進電機、LCD、LED、報警裝置組成，用于各種工況下汽車運行信息的采集和顯示，圖1給出了儀表盤硬件結構，下面結合S12HY32的內部資源介紹下儀表盤的硬件設計。

S12HY32內部資源專為儀表應用而設計，4個步進電機驅動器可以進行車速、電機轉速、電流和電池組電壓的指針指示，LCD控制器可以控制字段式LCD顯示總里程、小計里程和電機故障信息，內部有MSCAN模塊支持CAN總線應用，可以通過CAN總線獲取一些關鍵信息，同時保留直接進行信息采集的能力：內置定時捕捉模塊可以進行車速/電機轉速脈沖的捕捉與統計，內置ADC進行電機溫度等模擬量的采集。下面以車速信號檢測為例介紹下儀表盤電路設計。

1.3 車速信號檢測

車速是儀表盤需要顯示的關鍵信息，根據汽車原理和拓撲結構，車速信號來源是CAN總線或者車速傳感器。車速傳感器輸出0～12 V的脈沖信號，其信號頻率大小與車速值大小成線性關系，隨車速增加而增加[4]，通過圖2所示的整形電路將車速傳感器信號轉換為TTL電平，然后通過定時捕捉模塊捕捉脈沖信號的上升沿或下降沿，進行統計分析即可得到車速大小。

2 軟件設計

2.1 軟件流程設計

因為沒有采用操作系統，軟件設計采用循環體+中斷的軟件結構[5]，主循環體完成主體功能，中斷服務程序進行底層協議設計和驅動管理，軟件流程圖如圖3所示，下面簡單介紹一下該流程。首先進行全局變量和所用外設 （包括IO、PWM、TIMER、SCI、CAN、LCD、MOTOR CONTROLLER） 的 初始化，初始化完成后，進入主循環，然后在循環體內依次進行定時器管理、開關信號檢測、車速檢測、CAN通訊管理、里程計算及存儲、報警控制、LCD控制和步進電機控制。各軟件模塊次序如圖3所示。下面以車速檢測為例介紹下軟件的詳細設計。

2.2 車速信號檢測軟件設計

車速信號整形后得到TTL脈沖，S12HY32的定時捕捉模塊以中斷的方式捕捉脈沖的沿變化[6]，在中斷處理函數中進行脈沖個數累加。設計脈沖統計結構體和一200 ms的周期定時器，采用“滑動時間窗口脈沖統計法”進行車速的計算，脈沖統計結構體設計如下：

typedef struct{

uint8_t bank；

uint16_t cnt；

}s_PulseCnt；

在上述結構體中，cnt表示脈沖個數，bank表示數據是否有效。滑動時間窗口脈沖統計法設計如下：

定義成員個數為6的脈沖統計結構體數組Speed_pulse[6]，周期性存儲車速脈沖個數，脈沖率等價于一秒內的脈沖個數，則有公式如下：

FACTOR由變速比和輪胎直徑共同決定。

當下計算的車速表示過去1 s內的平均車速，在下一個200 ms到達后，將下標為1到5的結構體變量依次“滑動復制”到下標為0到4的結構體變量中，然后更新下標為5的結構體變量，此時根據公式（1）和公式（2）進行計算得到的車速為0.2～1.2 s之間的平均速度。這種方式計算得到的車速實時性更強，而且車速變化更加平滑，反映在指針的變化上也更加平穩平滑，能得到更佳的視覺體驗，其代碼實現如下：

void SpeedDetect（void）

{

uint16_t i，j；

uint16_t Carspeed_pulse_frequency=0；

if（1==Speed_detect_enable）{

if（1==Timer[SPEED_PULSE_ACCUMU_200MS].overflow_flag）{

for（i=0；i＜=5；i++）{

if（0==Speed_pulse[i].bank）{

Speed_pulse[i].cnt=Car_speed_pulses；

Speed_pulse[i].bank=1；

if（5==i）{

Carspeed_pulse_frequency=Speed_pulse[5].cnt－Speed_pulse[0].cnt；

Ev_speed =（float32_t）Carspeed_pulse_frequency*CAR_PULSE_FACTOR；

EvSpeedRangeCheck（）；

for（j=0；j＜5；j++）{

Speed_pulse[j].cnt=Speed_pulse[j+1].cnt；

}

Speed_pulse[i].bank=0；

}

break；

}

}

}

}

}

3 結束語

筆者采用MC9S12HY32設計實現了一款電動汽車儀表盤，從處理器特性、硬件結構、車速信號檢測等方面描述了儀表盤的硬件設計，從軟件流程設計，車速信號檢測的軟件實現上描述了儀表盤的軟件設計。該儀表盤經裝車試驗，運行穩定，功能可靠，已經進入小批量預生產階段，具有很高的實用價值。

[1]戴方全，王建.基于μC/OS－Ⅱ的全數字汽車儀表[J].汽車科技，2007（4）:43－46.DAI Fang-quan，WANG Jian.Study of digital dashboard based on μC/OS－Ⅱ[J].Auto Mobile Science&Technology，2007（4）:43－46.

[2]朱維杰，于湘珍.基于MC9S12HZ的智能汽車組合儀表[J].儀器儀表用戶，2009（2）:46－48.ZHU Wei-jie，YU Xiang-zhen.Design of intelligent automotive dashboard based on MC9S12HZ[J].Electronic Instrumentation Customer，2009（2）:46－48.

[3]Freescale semiconductor.MC9S12HY64 Reference Manual Covers MC9S12HY/HA Family[EB/OL].（2010 －11）.http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/MC9 S12HY64RMV1.pdf.

[4]王知學，馬建輝，車曉波，等.基于MC9S12XS128的汽車BCM的設計與實現[J].電子設計工程，2011（3）:190－192.WANG Zhi-xue，MA Jian-hui，CHE Xiao-bo，et al.Design and implementation of vehicle BCM based on MC9S12XS128[J].Electronic Design Engineering，2011（3）:190－192.

[5]鐘龍平，陳建清，繆傳杰，等.基于CAN總線的組合汽車儀表盤的設計[J].傳感器世界，2010（4）:32－36.ZHONG Long-ping，CHEN Jian-qing，MIAO Chuan-jie，et al.Design a combined-type car dashboard based on CAN bus[J].Sensor World，2010（4）:32－36.

[6]王春武，姜文龍，劉春玲，等.霍爾車速傳感器檢測系統設計新方法[J].微計算機信息，2009（29）:198－199.WANG Chun-wu，JIANG Wen-long，LIU Chun-ling，et al.The new design method of a detecting system for hall vehicle speed sensor[J].Microcomputer Information，2009（29）:198－199.