新款寶馬7系平視顯示屏HUD技術剖析

劉春暉，魏金銘

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

新款寶馬7系平視顯示屏HUD技術剖析

劉春暉，魏金銘

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

車輛在高速行駛時，特別是夜間高速行車時，駕駛人可能會低頭觀看儀表顯示或觀看中控臺的音響等顯示，此時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。為避免這種情況發生，有些高檔車輛裝配了抬頭顯示系統，它可以將有關信息顯示在前風擋玻璃的駕駛人平視范圍上，且顯示位置、顯示亮度可調，這樣可以避免低頭看儀表，從而縮短眼球對前方的視覺盲區時間。對減少因低頭走神引起的交通事故有著重要的價值。

HUD是英文Head Up Display的縮寫，意為“抬頭顯示”或者“平視顯示器”。同許多戰爭發展出來的技術一樣，HUD最初的應用就是在戰斗機上，最早裝備HUD的飛機是法國的幻影戰斗機。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備，能將飛行參數、瞄準攻擊、自檢測等信息，以圖像、字符的形式，通過光學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，闡述平視顯示系統在高檔車上的應用。

從“平視顯示”可直接聯想到“頭部高度”，這一名稱已經體現出了HUD系統的主要特點。平視顯示屏HUD將一個虛擬圖像投射到駕駛人的視野范圍內。在風擋玻璃上反射出定速巡航控制數據或箭頭導航數據等重要信息，便于駕駛人隨時了解。就像噴氣式飛機的飛行員一樣，寶馬車駕駛人也可以在視野范圍內直接看到重要數據和圖像。

寶馬的第1套平視顯示系統2004年出現在寶馬5系車型上，比其他汽車廠家的同等性能產品亮相要早。寶馬7系的平視顯示屏HUD最早應用在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（DCC）、導航系統、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相當于一部投影裝置，其工作原理如圖3所示。需要一個光源來投射HUD信息，使用紅色和綠色2個LED燈組作為光源，通過TFT投影顯示屏產生圖像內容。TFT投影顯示屏相當于一個濾波器，允許或阻止光線通過。由一個圖像光學元件確定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，風擋玻璃的作用相當于偏光鏡。平視顯示屏HUD投射圖像內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

當平視顯示屏HUD的總線端15接通、并且按壓駕駛人輔助系統操作單元BEFAS上的按鈕（HUD、圖5）時，平視顯示屏HUD才會接通，允許有光線通過。

1）接通狀態HUD通過K-CAN接收總線端30接通狀態信號。總線端R接通后，HUD在一定程度上處于準備就緒狀態，即HUD可通過K-CAN與車載網絡的其它連接設備進行通信；TFT投影顯示屏進行初始化并變為黑屏；LED熄滅。

HUD通過K-CAN接收總線端15接通狀態信號。總線端15接通后，HUD進入準備就緒狀態，此時可以通過BEFAS上的按鈕接通背景照明裝置，調節HUD高度和亮度，通過HUD顯示信息。

車輛起動時處于總線端50狀態。在總線端50狀態期間，即車燈關閉時，HUD進入保持狀態，這種保持狀態會一直延續到總線端50狀態結束后。

2）關閉條件當總線端R關閉時，按壓BEFAS上的按鈕就會關閉平視顯示屏HUD。

3）亮度偏差亮度偏差是一項個性化配置功能PIA。駕駛人可通過亮度偏差功能自行調節并存儲HUD亮度設置，如圖6所示。每次接通HUD時都會執行HUD亮度偏差設置。通過控制器在CID內進行亮度設置，可選擇-10至+10之間的設置值，中間值為0，設置值通過K-CAN發送至HUD。

為了針對不同光線效果進行補償，根據晴雨傳感器的信號自動進行亮度調節。自動調節亮度時不會出現HUD亮度躍變情況。平視顯示屏HUD產生不同光線效果的原因為：①環境條件，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駕駛人可通過滾花輪調節儀表照明的亮度；④自總線端58g車燈亮起后，根據儀表照明亮度設置確定HUD亮度。

平視顯示屏HUD的亮度大小取決于調光輪設置、亮度偏差以及晴雨傳感器RLS。HUD內集成了一個用于HUD和LED燈組的運行計時器。

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個顯示區域，如圖7所示。為了便于區分，圖7明確劃分了2個區域。上部區域以符號、顯示條和文字形式顯示導航信息和CC信息，下部區域以單位、當前車速和定速巡航控制形式顯示與車速有關的內容。

5）平視顯示屏HUD顏色選擇由不同的控制單元規定相應的顯示符號。組合儀表針對HUD顯示內容執行相關顏色規定。為了達到最佳的符號可視效果，使用2D“平面符號”，橙色為標準色，紅色或黃色用于報警信息，綠色用于定速巡航控制系統，HUD背景為透明色。

2 平視顯示屏HUD部件安裝位置及結構

平視顯示屏HUD安裝在轉向柱上方，緊靠在組合儀表后部。通過3個六角螺栓將其固定在前圍板支撐結構上，如圖8所示。平視顯示屏由玻璃蓋板、反射鏡、2個LED燈組、TFT投影顯示屏、主印刷電路板及殼體等部件構成，還包括風擋玻璃、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系統通過BEFAS上的打開／關閉按鈕、車燈開關中心內的車燈開關、儀表照明調光器以及控制器等部件進行操作。

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入HUD內部。玻璃蓋板和HUD擋板都采用曲面設計，以免無法將射入的光線反射給駕駛人。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擋玻璃上。

2）反射鏡平視顯示屏內裝有2個反射鏡，如圖10所示。反射鏡將顯示屏上的信息反射到風擋玻璃上。曲面鏡負責對風擋玻璃上的圖像進行補償調節，即調節圖像尺寸和距離。平面鏡是負責確保光線在特定空間內傳輸的偏光鏡。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LED燈組。LED燈組在一個平面內布置了8個LED。LED燈組為TFT投影顯示屏提供背景照明，負責產生達到HUD亮度所需的燈光。LED燈組內安裝紅色和綠色LED，根據主印刷電路板的控制情況達到所需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導線將圖像信號發送到顯示屏上。

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。

2.2 風擋玻璃

所用風擋玻璃是一種特殊玻璃（圖13），它是反射顯示內容的重要部件。與批量生產風擋玻璃一樣，外層和內層車窗玻璃也粘有一層塑料膜。但與批量生產風擋玻璃不同的是，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風擋玻璃上。這種楔形分布方式可防止HUD顯示內容重影。楔形尖端向下，從距離風擋玻璃下邊緣大約10 cm處開始向上加厚。楔形末端大約位于風擋玻璃高度2／3處。在風擋玻璃上部1／3區域內，外層和內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）未安裝正確風擋玻璃正常風擋玻璃的成像，反射到HUD風擋玻璃上的2個圖像會在楔角作用下相互重疊，因此駕駛人只會看到一個圖像，其機理如圖14所示。HUD圖像始終反射到風擋玻璃的內側和外側。由于批量生產風擋玻璃存在傾斜角度，因此2個反射圖像會彼此錯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人可以自由移動而且不會影響HUD圖像可視效果的移動空間。在有效視線范圍內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調節范圍（圖17）。超出有效視線范圍時將無法看到完整的HUD顯示內容。

2.3 組合儀表

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

2.4 操作元件

1）駕駛人輔助系統操作單元BEFASHUD打開／關閉按鈕位于BEFAS內。該按鈕以電阻方式設碼，直接連接至HUD。HUD可根據電阻設碼識別出按鈕信號或按鈕故障。

2）儀表照明調光啟用行車燈時會針對HUD執行調光器設置，由車燈模塊發出調光器信號。

3）控制器可在CID內使用控制器調節HUD的亮度和高度，亮度調節又稱為亮度偏差，也可以使用控制器在“功能選擇”菜單內設置導航等功能。因此這些設置會間接影響到HUD顯示效果。

3 維修信息

1）調節HUD亮度

可單獨調節HUD的亮度。CID是亮度調節的顯示儀表，控制器是亮度調節的操作元件。調節的步驟如下：①通過按壓菜單按鈕調出主菜單；②按壓控制器，調出“設置”菜單選項；③轉動控制器直至選中菜單欄內的“平視顯示屏”，隨后按壓控制器進行確認；④轉動控制器直至選中“亮度”，隨即進行確認；⑤通過轉動控制器設置所需亮度，并按壓控制器進行確認。

2）調節HUD水平高度

新寶馬7系F01／F02的駕駛人可根據需要，使用iDrive控制器調節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出主菜單；②按壓控制器，調出“設置”菜單選項；③轉動控制器直至選中“平視顯示屏”，隨后按壓控制器進行確認；④轉動控制器直至選中“調節高度”，隨后按壓控制器進行確認；⑤轉動控制器設置所需高度，并按壓控制器進行確認。

3）使HUD垂直旋轉

HUD出廠時使用規定的基本設置。在進行更換風擋玻璃等工作時，維修人員可通過垂直旋轉功能使HUD圖像水平轉動，通過電機在-3°至+3°范圍內調節顯示屏。

4）調出／退出測試功能

某些測試功能可按照以下方式直接通過HUD調出，無需使用BMW診斷系統，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出其它測試功能；③需要結束這項功能時，按住BEFAS上的按鈕20s以上。

4 平視顯示屏HUD的更換

如果未按規定安裝HUD或風擋玻璃，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或風擋玻璃時出現的問題。在不利光線條件下，光線照射到風擋玻璃或HUD上會造成圖像反白，HUD過熱時也會造成圖像反白，如圖19所示。如果更換風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［J］.輕型汽車技術，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，現從事汽車電氣設備和汽車電控方面的教學、實操工作，在各級汽車維修類雜志上公開發表論文15篇，出版汽車維修類圖書10部。