基于大學生方程式賽車虛擬儀表系統硬件設計

姜帥琦

（南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031）

0 引言

全國大學生方程式賽車是基于大學生自己設計并制造方程式賽車來進行比賽， 而方程式賽車的儀表盤是方程式賽車的核心部件，也是賽車手了解賽車狀況的一個窗口。利用虛擬儀器技術模擬賽車儀表盤，設計綜合數據采集、信號分析、儀器面板等多項內容的虛擬賽車儀表盤。 利用單片機自身產生轉速、耗油、速度等模擬和數字信號源，然后再進行模擬和數字信號的采集和分析，通過建立轉換函數模型在虛擬儀表盤上顯示發動機轉速、賽車車速、油耗、溫度及轉向燈等信息[1]。利用虛擬儀器技術模擬賽車儀表盤，不僅可以完成先進賽車儀表盤的功能，而且免去賽車機械及電子器件，降低成本,提高可研性，在計算機測控技術、賽車電子技術等課程的教學及開放實驗中具有廣泛的實用價值。 本次試驗就大學生方程式賽車進行虛擬儀表改造，內容包括賽車本次試驗使組員對車載儀數據采集，電路板的設計，源代碼的編寫，基于labview 的儀表設計及其串口通信功能的實現。通過本次創新性實驗， 組員們初步了解如何使用labview 制作虛擬儀表以及電路板的設計，加深了對程序設計的認識，編寫程序的能力也有了很大的提高，也更了解了團隊合作的重要的技巧。

1 賽車儀表盤的總體設計

1.1 賽車儀表及其顯示裝置的作用和組成

在駕駛員前方臺板上都裝有儀表報警燈及電子顯示裝置，用來指示賽車運行以及發動機運轉的狀況，以便駕駛員隨時了解和掌握賽車各系統、各部件的工作狀態，保證賽車可靠而安全地行駛。

賽車上較常用的一般有3 種儀表和3 種相應的傳感器，即發動機轉速表、發動機溫度表、賽車時速表。

儀表板總成分垂直安裝式和傾斜安裝式兩類，二者又各有組合式和分裝式兩種。 分裝式儀表板總成，它是由薄鋼板先沖壓成一塊儀表板，然后將每只單個儀表用夾板及螺栓固裝在儀表板上。

1.2 賽車儀表的使用條件

1.2.1 溫度

賽車是被廣泛使用的交通運輸工具，要在各種環境溫度下都能正常運行，因此要求汽車儀表在-40~+55℃范圍內都能正常工作。溫度傳感器用于監測冷卻液（水箱）溫度。

1.2.2 濕度

由于賽車儀表工作的環境條件所限， 因此它還將受到濕度的影響。 潮濕的空氣將使儀表零件（特別是黑色金屬零件）表面生銹，電氣絕緣件的絕緣性能降低甚至漏電。 還由于潮濕空氣的變冷，使毛細管內的水分凝聚，引起指示誤差以致堵塞。因此，金屬零件尤其是黑色金屬零件要進行表面處理，如電鍍、化學處理、噴漆等工藝。 要求儀表應能在相對濕度為90%的環境下工作，并通過耐潮試驗及絕緣介電強度試驗。

1.2.3 振動

賽車行駛引起的車身振動，發動機高速運轉引起的賽車各部件振動，都會影響儀表指示的準確性，縮短儀表的使用壽命，因此必須在儀表板外面加放橡皮減震墊圈等，以保證儀表零件的足夠強度和緊固件的牢固性。

1.2.4 其他

賽車儀表的工作環境還可能遇到其他氣候條件（如暴雨、灰塵的侵蝕，陽光輻射，油膩的沾污，霉菌的腐蝕，海洋鹽霧的浸蝕以及冰凍等）的影響，因此儀表零件的6 各種金屬材料，非金屬材料以及各種油類、保護層等都要根據不同的氣候條件加以選用。 裝有電子鐘的儀表板總成，要防止賽車電氣設備產生的高頻振蕩對電子鐘走時性能的干擾。

2 界面模塊

圖1

3 虛擬儀表的硬件設計

傳感器簡介：

3.1 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 數字溫度傳感器接線方便， 封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874 等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。

3.2 CR-6061-1 數字油位傳感器

CR-606 系列電容式油位變送器，是為鐵路機車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測量而量身定做的專門儀表，整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價格比好。 可安裝在各種場合對汽油、柴油、液壓油等油位進行準確的測控。也適用于各種非導電液體的測量。

3.3 OHG-01 霍爾效應齒輪傳感器

霍爾效應齒輪齒傳感器（GTS）是一種重要的自動化檢測元件，尤其是在汽車上的應用日益增加，主要實現位置、速度和方向的檢測。近年來， 國外關于環保和安全保障的一些立法已對GTS 技術提出了新的更高要求。 為適應這些要求，技術人員正集中精力開發研制GTS 自校準技術。

4 虛擬儀表數據采集卡

霍爾效應齒輪齒傳感器（GTS）是一種重要的自動化檢測元件，尤其是在汽車上的應用日益增加，主要實現位置、速度和方向的檢測。近年來， 國外關于環保和安全保障的一些立法已對GTS 技術提出了新的更高要求。 為適應這些要求，技術人員正集中精力開發研制GTS 自校準技術。

5 單片機模塊

5.1 單片機AT89S52 概述

AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位微控制器，內部具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。 使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。 片內Flash 存儲器可在線重新編程，亦適于通用的編程器。 通用的8 位CPU 與在系統可編程Flash 集成在一塊芯片上，從而使AT89S52 功能更加完善，應用更加靈活；具有較高的性價比，使其在嵌入式控制系統中有著廣泛的應用前景。

5.2 AT89S52 的引腳排列及功能

AT89S52 具有 PDIP，PLCC 和 TQFP 三種封裝形式，其中 PDIP 封裝的引腳排列如圖2 所示。

圖2 AT89S52 的封裝引腳圖

5.2.1 P0 口

P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 即地址/數據總線復用口。

作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅動8 個TTL 邏輯門電路，對端口P0 口寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時， 此組口線分時轉換地址和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在FLASH 編程時P0 口接收指令字節，而在程序校驗時輸出指令字節，校驗時要求外接上拉電阻。

5.2.2 P1 口

P1 口是一組帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P1 口的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。 對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 與 AT89S51 不同之處是，P1.0 和 P1.1 還可分別作為定時器/計數器 2 的外部計數輸入 （P1.0/T2） 和觸發器輸入（P1.1/T2EX）。在flash 編程和校驗時，P1 口接收低8 位地址字節。P1 口除了作為一般的I/O 口線外，部分引腳還具有第二功能，如表1 所列。

表1 P1 口的第二功能

5.2.3 P2 口

P2 口是一組具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P2 口輸出緩沖器能驅動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 作為輸入使用時，被外部拉低的引腳經由內部上拉向外輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16 位地址讀取外部數據存儲器 （例如執行MOVX@DPTR）時，P2 口送出高8 位地址數據。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發送1。 在使用8 位地址（如MOVX@RI）訪問外部數據存儲器時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。FLASH 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。

5.2.4 P3 口

P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。

P3 口輸出緩沖級可驅動 （吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。 對P3 口寫入1 時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可作為輸入端口使用。若外部負載將P3 口拉低，則經過內部上拉電阻而向外輸出電流（IIL）。P3 口可接收一些用于FLASH 閃存編程和程序校驗的控制信號。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外，還具有第二功能，如表2 所列。

表2 P3 口的第二功能

5.2.5 其他

1）電平將使單片機復位。 特殊寄存器AUXR（輔助寄存器）(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能無效。DISRTO 默認狀態下，復位高電平有效。

2）ALE 為地址鎖存允許信號， 當單片機上電正常工作后，ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。在訪問單片機外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的 8EH 單元的 D0 位置 1，可禁止 ALE 操作。 該位置 1 后，ALE 僅在執行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。 否則，ALE 將被微弱拉高。 此ALE 使能標志位的設置在微控制器執行外部程序時無效。 PROG 為本引腳的第二功能， 對FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。

3） 為程序儲存允許輸出控制端， 是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 在每個機器周期被激活兩次，而將不被激活。

PP：欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。

4）XTAL1： 振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

6 硬件系統原理圖

6.1 電源電路

汽車儀表板卡上的工作電壓是 5V， 而汽車蓄電池一般提供 12V電壓,所以系統設計了一個 12V 轉 5V 的電源電路。 12V 的汽車電源經過整流、濾波和穩壓，最終輸出穩定的5V 電路板供電電壓。

圖3 電源電路

6.2 晶振電路

P87C581 的晶振引腳為：XTAL1、XTAL2.本系統選用的是 12MHZ晶振電路。

圖4 晶振電路

6.3 復位電路

鑒于本系統板卡對瞬態響應性能、時鐘源的穩定性及電源監控可靠性等諸多方面因素，本系統采用了比較通用的復位電路，提高了系統的可靠性。

在振蕩器工作時，將RST 腳保持至少兩個機器周期低電平（12 個振蕩器周期）可實現復位。為了保證上電復位的可靠，RST 保持低電平的時間至少為振蕩器啟動時間（通常為幾個毫秒）再加上兩個機器周期。

圖5 復位電路

6.4 掉電保護電路

本汽車儀表系統對數據的記錄要求較高，實時數據必須及時保存并顯示。 如果出現無法預料到的突然斷電事件，儀表系統應采取相應的措施對數據進行及時保存，這就需要設計一個掉電保護電路，一旦電源低于某個預設的電壓值，儀表系統檢測到后立刻對當前數據進行保存。 本系統將掉電保護電路連至處理器的中斷引腳，通過采用中斷的方式來觸發掉電事件以通知處理器執行相應的動作。

圖6 掉電保護電路

6.5 串口電路

AT89C52 芯片的串口為TTL 電平，而要連接的外部PC 的串口為RS232 電平，故需要采用一塊芯片來實現TTL/RS232 電平轉換。 本系統采用常用的MAX232 轉換芯片。

MAX232 芯片簡介

MAX232 芯片是專門為電腦的RS-232 標準串口設計的接口電路,使用+5v 單電源供電。 其主要特點如下：

1）符合所有的RS-232C 技術標準；

2）只需要單一+5V 電源供電；

3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V 和-10V 電壓 V+、V-；

4）功耗低，典型供電電流5mA；

5）內部集成 2 個RS-232C 驅動器；

6）高集成度，片外最低只需4 個電容即可工作。

MAX232 引腳介紹：

第一部分是電荷泵電路。 由 1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構成。 功能是產生+12V 和-12V 兩個電源，提供給RS-232 串口電平的需要。

第二部分是數據轉換通道。 由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構成兩個數據通道。 其中 13 腳（R1IN）、12 腳（R1OUT）、11 腳（T1IN）、14 腳（T1OUT）為第一數據通道。

8 腳（R2IN）、9 腳（R2OUT）、10 腳（T2IN）、7 腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS 數據從 T1IN、T2IN 輸入轉換成 RS-232 數據從T1OUT、T2OUT 送 到 電 腦 DB9 插 頭 ；DB9 插 頭 的 RS-232 數 據 從R1IN、R2IN 輸入轉換成 TTL/CMOS 數據后從 R1OUT、R2OUT 輸出。

第三部分是供電。 15 腳 GND、16 腳 VCC（+5v）。

7 總結

虛擬儀器是真實儀器設計生產前對代替真實儀器進行一系列的校核和優化工作。虛擬儀器的使用可以大大降低調教優化真實儀器的成本和時間，可以提高試驗效率。 通過虛擬儀器對大學生方程式賽車進行虛擬儀表的設計可以加強我們對虛擬儀器的了解，使我們真正掌握虛擬儀器的設計和優化的方法。