新款寶馬7系平視顯示屏HUD技術(shù)剖析

劉春暉，魏金銘

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

新款寶馬7系平視顯示屏HUD技術(shù)剖析

劉春暉，魏金銘

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

車輛在高速行駛時(shí)，特別是夜間高速行車時(shí)，駕駛?cè)丝赡軙皖^觀看儀表顯示或觀看中控臺的音響等顯示，此時(shí)如果前方遇有緊急情況就有可能因來不及采取有效措施而造成事故。為避免這種情況發(fā)生，有些高檔車輛裝配了抬頭顯示系統(tǒng)，它可以將有關(guān)信息顯示在前風(fēng)擋玻璃的駕駛?cè)似揭暦秶希绎@示位置、顯示亮度可調(diào)，這樣可以避免低頭看儀表，從而縮短眼球?qū)η胺降囊曈X盲區(qū)時(shí)間。對減少因低頭走神引起的交通事故有著重要的價(jià)值。

HUD是英文Head Up Display的縮寫，意為“抬頭顯示”或者“平視顯示器”。同許多戰(zhàn)爭發(fā)展出來的技術(shù)一樣，HUD最初的應(yīng)用就是在戰(zhàn)斗機(jī)上，最早裝備HUD的飛機(jī)是法國的幻影戰(zhàn)斗機(jī)。這種由電子組件、顯示組件、控制器以及高壓電源等組成的綜合電子顯示設(shè)備，能將飛行參數(shù)、瞄準(zhǔn)攻擊、自檢測等信息，以圖像、字符的形式，通過光學(xué)部件投射到座艙正前方組合玻璃或者頭盔上的顯示裝置上。下面以寶馬新7系F01／F02車型為例，闡述平視顯示系統(tǒng)在高檔車上的應(yīng)用。

從“平視顯示”可直接聯(lián)想到“頭部高度”，這一名稱已經(jīng)體現(xiàn)出了HUD系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。平視顯示屏HUD將一個(gè)虛擬圖像投射到駕駛?cè)说囊曇胺秶鷥?nèi)。在風(fēng)擋玻璃上反射出定速巡航控制數(shù)據(jù)或箭頭導(dǎo)航數(shù)據(jù)等重要信息，便于駕駛?cè)穗S時(shí)了解。就像噴氣式飛機(jī)的飛行員一樣，寶馬車駕駛?cè)艘部梢栽谝曇胺秶鷥?nèi)直接看到重要數(shù)據(jù)和圖像。

寶馬的第1套平視顯示系統(tǒng)2004年出現(xiàn)在寶馬5系車型上，比其他汽車廠家的同等性能產(chǎn)品亮相要早。寶馬7系的平視顯示屏HUD最早應(yīng)用在2009年款F01／F02車上。新款BMW 7系的平視顯示屏可提供多種有助于提高交通安全性和駕駛舒適性的功能。平視顯示屏可顯示定速巡航控制系統(tǒng)（DCC）、導(dǎo)航系統(tǒng)、檢查控制信息以及車速等方面的信息。新款寶馬7系F01／F02平視顯示屏HUD如圖1所示。

1 平視顯示屏HUD的功能

新寶馬7系平視顯示系統(tǒng)的電路如圖2所示，HUD控制單元上的K-CAN信號功能如表1所示。

1.1 平視顯示屏HUD的工作原理

平視顯示屏HUD相當(dāng)于一部投影裝置，其工作原理如圖3所示。需要一個(gè)光源來投射HUD信息，使用紅色和綠色2個(gè)LED燈組作為光源，通過TFT投影顯示屏產(chǎn)生圖像內(nèi)容。TFT投影顯示屏相當(dāng)于一個(gè)濾波器，允許或阻止光線通過。由一個(gè)圖像光學(xué)元件確定HUD顯示圖像的形狀、距離和尺寸，圖像看起來就好像自由漂浮在道路上方，風(fēng)擋玻璃的作用相當(dāng)于偏光鏡。平視顯示屏HUD投射圖像內(nèi)容距離觀察者的眼睛大約2.7m，如圖4所示。

表1 HUD控制單元上的K-CAN信號

1.2 接通條件

當(dāng)平視顯示屏HUD的總線端15接通、并且按壓駕駛?cè)溯o助系統(tǒng)操作單元BEFAS上的按鈕（HUD、圖5）時(shí)，平視顯示屏HUD才會接通，允許有光線通過。

1）接通狀態(tài)HUD通過K-CAN接收總線端30接通狀態(tài)信號?？偩€端R接通后，HUD在一定程度上處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，即HUD可通過K-CAN與車載網(wǎng)絡(luò)的其它連接設(shè)備進(jìn)行通信；TFT投影顯示屏進(jìn)行初始化并變?yōu)楹谄粒籐ED熄滅。

HUD通過K-CAN接收總線端15接通狀態(tài)信號。總線端15接通后，HUD進(jìn)入準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，此時(shí)可以通過BEFAS上的按鈕接通背景照明裝置，調(diào)節(jié)HUD高度和亮度，通過HUD顯示信息。

車輛起動時(shí)處于總線端50狀態(tài)。在總線端50狀態(tài)期間，即車燈關(guān)閉時(shí)，HUD進(jìn)入保持狀態(tài)，這種保持狀態(tài)會一直延續(xù)到總線端50狀態(tài)結(jié)束后。

2）關(guān)閉條件當(dāng)總線端R關(guān)閉時(shí)，按壓BEFAS上的按鈕就會關(guān)閉平視顯示屏HUD。

3）亮度偏差亮度偏差是一項(xiàng)個(gè)性化配置功能PIA。駕駛?cè)丝赏ㄟ^亮度偏差功能自行調(diào)節(jié)并存儲HUD亮度設(shè)置，如圖6所示。每次接通HUD時(shí)都會執(zhí)行HUD亮度偏差設(shè)置。通過控制器在CID內(nèi)進(jìn)行亮度設(shè)置，可選擇-10至+10之間的設(shè)置值，中間值為0，設(shè)置值通過K-CAN發(fā)送至HUD。

為了針對不同光線效果進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)晴雨傳感器的信號自動進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。自動調(diào)節(jié)亮度時(shí)不會出現(xiàn)HUD亮度躍變情況。平視顯示屏HUD產(chǎn)生不同光線效果的原因?yàn)椋孩侪h(huán)境條件，例如白天、夜晚、陽光、烏云、雨、雪、霧等；②建筑情況，例如隧道、地下車庫等；③駕駛?cè)丝赏ㄟ^滾花輪調(diào)節(jié)儀表照明的亮度；④自總線端58g車燈亮起后，根據(jù)儀表照明亮度設(shè)置確定HUD亮度。

平視顯示屏HUD的亮度大小取決于調(diào)光輪設(shè)置、亮度偏差以及晴雨傳感器RLS。HUD內(nèi)集成了一個(gè)用于HUD和LED燈組的運(yùn)行計(jì)時(shí)器。

4）平視顯示屏的顯示范圍平視顯示屏HUD尺寸大約為200mm×100mm，顯示屏分辨率為480× 240像素。HUD分為2個(gè)顯示區(qū)域，如圖7所示。為了便于區(qū)分，圖7明確劃分了2個(gè)區(qū)域。上部區(qū)域以符號、顯示條和文字形式顯示導(dǎo)航信息和CC信息，下部區(qū)域以單位、當(dāng)前車速和定速巡航控制形式顯示與車速有關(guān)的內(nèi)容。

5）平視顯示屏HUD顏色選擇由不同的控制單元規(guī)定相應(yīng)的顯示符號。組合儀表針對HUD顯示內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)顏色規(guī)定。為了達(dá)到最佳的符號可視效果，使用2D“平面符號”，橙色為標(biāo)準(zhǔn)色，紅色或黃色用于報(bào)警信息，綠色用于定速巡航控制系統(tǒng)，HUD背景為透明色。

2 平視顯示屏HUD部件安裝位置及結(jié)構(gòu)

平視顯示屏HUD安裝在轉(zhuǎn)向柱上方，緊靠在組合儀表后部。通過3個(gè)六角螺栓將其固定在前圍板支撐結(jié)構(gòu)上，如圖8所示。平視顯示屏由玻璃蓋板、反射鏡、2個(gè)LED燈組、TFT投影顯示屏、主印刷電路板及殼體等部件構(gòu)成，還包括風(fēng)擋玻璃、車燈模塊和BEFAS、晴雨傳感器、車頂功能中心和接線盒、HUD擋板等附屬部件。HUD系統(tǒng)通過BEFAS上的打開／關(guān)閉按鈕、車燈開關(guān)中心內(nèi)的車燈開關(guān)、儀表照明調(diào)光器以及控制器等部件進(jìn)行操作。

2.1 組成部件

1）玻璃蓋板玻璃蓋板由防劃涂層聚碳酸脂（PC）材料制成（圖9），它是HUD的上部蓋板。玻璃蓋板可防止灰塵和無意放到顯示屏上的物體進(jìn)入HUD內(nèi)部。玻璃蓋板和HUD擋板都采用曲面設(shè)計(jì)，以免無法將射入的光線反射給駕駛?cè)?。此外還通過散光效果等方式，確保順利將顯示屏上的信息投射到風(fēng)擋玻璃上。

2）反射鏡平視顯示屏內(nèi)裝有2個(gè)反射鏡，如圖10所示。反射鏡將顯示屏上的信息反射到風(fēng)擋玻璃上。曲面鏡負(fù)責(zé)對風(fēng)擋玻璃上的圖像進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)圖像尺寸和距離。平面鏡是負(fù)責(zé)確保光線在特定空間內(nèi)傳輸?shù)钠忡R。曲面鏡由塑料制成，平面鏡由玻璃制成。

3）LED燈組平視顯示屏HUD使用2個(gè)LED燈組。LED燈組在一個(gè)平面內(nèi)布置了8個(gè)LED。LED燈組為TFT投影顯示屏提供背景照明，負(fù)責(zé)產(chǎn)生達(dá)到HUD亮度所需的燈光。LED燈組內(nèi)安裝紅色和綠色LED，根據(jù)主印刷電路板的控制情況達(dá)到所需HUD亮度。

4）主印刷電路板主印刷電路板（圖11）上安裝了K-CAN接口、處理器（CPU）、LVDS控制器、EEPROM存儲器以及供電裝置等組件。組合儀表通過LVDS導(dǎo)線將圖像信號發(fā)送到顯示屏上。

5）殼體殼體（圖12）由鋁合金制成，包括下端部件和塑料蓋板。散熱裝置（鋁合金散熱片）和供電裝置固定在下端部件上，玻璃蓋板集成在蓋板內(nèi)。

2.2 風(fēng)擋玻璃

所用風(fēng)擋玻璃是一種特殊玻璃（圖13），它是反射顯示內(nèi)容的重要部件。與批量生產(chǎn)風(fēng)擋玻璃一樣，外層和內(nèi)層車窗玻璃也粘有一層塑料膜。但與批量生產(chǎn)風(fēng)擋玻璃不同的是，該塑料膜并非以平行分布方式而是以楔形分布方式覆蓋在整個(gè)風(fēng)擋玻璃上。這種楔形分布方式可防止HUD顯示內(nèi)容重影。楔形尖端向下，從距離風(fēng)擋玻璃下邊緣大約10 cm處開始向上加厚。楔形末端大約位于風(fēng)擋玻璃高度2／3處。在風(fēng)擋玻璃上部1／3區(qū)域內(nèi)，外層和內(nèi)層車窗玻璃間的塑料膜平行分布。楔形尖端的厚度為0.8mm，末端的厚度為1mm。風(fēng)擋玻璃下邊緣的總厚度為4.5mm，上邊緣的總厚度為4.7mm。

1）未安裝正確風(fēng)擋玻璃正常風(fēng)擋玻璃的成像，反射到HUD風(fēng)擋玻璃上的2個(gè)圖像會在楔角作用下相互重疊，因此駕駛?cè)酥粫吹揭粋€(gè)圖像，其機(jī)理如圖14所示。HUD圖像始終反射到風(fēng)擋玻璃的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。由于批量生產(chǎn)風(fēng)擋玻璃存在傾斜角度，因此2個(gè)反射圖像會彼此錯(cuò)開而形成重影的圖像，如圖15所示。

2）有效視線范圍有效視線范圍指的是駕駛?cè)丝梢宰杂梢苿佣也粫绊慔UD圖像可視效果的移動空間。在有效視線范圍內(nèi)的自由移動空間大致為：130mm水平移動距離（圖16），70mm垂直移動距離±30mm調(diào)節(jié)范圍（圖17）。超出有效視線范圍時(shí)將無法看到完整的HUD顯示內(nèi)容。

2.3 組合儀表

為了選擇車速進(jìn)行顯示，分為加速、制動和滑行階段。車輛處于滑行階段時(shí)，取3個(gè)連續(xù)數(shù)值的平均值并更新車速讀數(shù)。所有CC信息也都顯示在HUD內(nèi)，組合儀表針對這些信息執(zhí)行主控功能，符號和相關(guān)文字由組合儀表傳輸。CC信息先于其它顯示內(nèi)容顯示，例如導(dǎo)航信息等。一條CC信息顯示8s，同時(shí)顯示多條CC信息時(shí)，每條CC信息顯示3s。

2.4 操作元件

1）駕駛?cè)溯o助系統(tǒng)操作單元BEFASHUD打開／關(guān)閉按鈕位于BEFAS內(nèi)。該按鈕以電阻方式設(shè)碼，直接連接至HUD。HUD可根據(jù)電阻設(shè)碼識別出按鈕信號或按鈕故障。

2）儀表照明調(diào)光啟用行車燈時(shí)會針對HUD執(zhí)行調(diào)光器設(shè)置，由車燈模塊發(fā)出調(diào)光器信號。

3）控制器可在CID內(nèi)使用控制器調(diào)節(jié)HUD的亮度和高度，亮度調(diào)節(jié)又稱為亮度偏差，也可以使用控制器在“功能選擇”菜單內(nèi)設(shè)置導(dǎo)航等功能。因此這些設(shè)置會間接影響到HUD顯示效果。

3 維修信息

1）調(diào)節(jié)HUD亮度

可單獨(dú)調(diào)節(jié)HUD的亮度。CID是亮度調(diào)節(jié)的顯示儀表，控制器是亮度調(diào)節(jié)的操作元件。調(diào)節(jié)的步驟如下：①通過按壓菜單按鈕調(diào)出主菜單；②按壓控制器，調(diào)出“設(shè)置”菜單選項(xiàng)；③轉(zhuǎn)動控制器直至選中菜單欄內(nèi)的“平視顯示屏”，隨后按壓控制器進(jìn)行確認(rèn)；④轉(zhuǎn)動控制器直至選中“亮度”，隨即進(jìn)行確認(rèn)；⑤通過轉(zhuǎn)動控制器設(shè)置所需亮度，并按壓控制器進(jìn)行確認(rèn)。

2）調(diào)節(jié)HUD水平高度

新寶馬7系F01／F02的駕駛?cè)丝筛鶕?jù)需要，使用iDrive控制器調(diào)節(jié)圖像位置和有效視線范圍。有效視線范圍最多可上下偏移±30mm。其步驟如下：①通過按壓菜單按鈕調(diào)出主菜單；②按壓控制器，調(diào)出“設(shè)置”菜單選項(xiàng)；③轉(zhuǎn)動控制器直至選中“平視顯示屏”，隨后按壓控制器進(jìn)行確認(rèn)；④轉(zhuǎn)動控制器直至選中“調(diào)節(jié)高度”，隨后按壓控制器進(jìn)行確認(rèn)；⑤轉(zhuǎn)動控制器設(shè)置所需高度，并按壓控制器進(jìn)行確認(rèn)。

3）使HUD垂直旋轉(zhuǎn)

HUD出廠時(shí)使用規(guī)定的基本設(shè)置。在進(jìn)行更換風(fēng)擋玻璃等工作時(shí)，維修人員可通過垂直旋轉(zhuǎn)功能使HUD圖像水平轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)在-3°至+3°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)顯示屏。

4）調(diào)出／退出測試功能

某些測試功能可按照以下方式直接通過HUD調(diào)出，無需使用BMW診斷系統(tǒng)，步驟如下：①按住BEFAS上的按鈕約20 s再放開；②通過再次按壓按鈕調(diào)出其它測試功能；③需要結(jié)束這項(xiàng)功能時(shí)，按住BEFAS上的按鈕20s以上。

4 平視顯示屏HUD的更換

如果未按規(guī)定安裝HUD或風(fēng)擋玻璃，可能就會投射出有問題的HUD圖像。圖18列出了一些可能會在更換HUD或風(fēng)擋玻璃時(shí)出現(xiàn)的問題。在不利光線條件下，光線照射到風(fēng)擋玻璃或HUD上會造成圖像反白，HUD過熱時(shí)也會造成圖像反白，如圖19所示。如果更換風(fēng)擋玻璃后圖像扭曲變形，可通過校正扭曲變形功能改善圖像顯示情況。

［1］寶馬F01／F02平視顯示屏HUD［Z］.2008.

［2］陳浩.車載平視顯示器HUD系統(tǒng)［J］.輕型汽車技術(shù)，2009（5-6）：34-35.

［3］寶馬E70平視顯示屏HUD［Z］.2006.

（編輯 楊景）

U463.65

B

1003－8639（2014）07－0029－04

2012-11-02；

2012-11-16

劉春暉（1974－），男，高級工程師，山東德州人，汽車維修高級工程師，現(xiàn)從事汽車電氣設(shè)備和汽車電控方面的教學(xué)、實(shí)操工作，在各級汽車維修類雜志上公開發(fā)表論文15篇，出版汽車維修類圖書10部。