汽車虛擬儀表的指針設計與實現

趙雪苗 吳堅強

摘要：汽車儀表盤反映了汽車行駛過程的多種參數，虛擬儀表的指針設計與實現具有重要意義。汽車儀表是駕駛員與車輛進行信息交流的重要接口和界面，它是安全行駛和經濟行駛不可缺少的裝置。早期，汽車上裝備的儀表均是通過機械結構模擬顯示，它們存在精度低、響應慢、顯示信息量少、信息顯示方式單一等缺點。隨著計算機技術的日漸成熟、汽車電子的發展、和嵌入式技術的廣泛應用，對儀表的數字化和多信息綜合顯示已成一種重要的發展趨勢。

關鍵詞：汽車；虛擬儀表；指針設計

1 虛擬指針控制設計

1.1 汽車虛擬儀表系統結構

設計的虛擬儀表硬件平臺采用的是富士通系統級芯片MB86R01微控制器，其內部集成高性能的ARM9處理器內核和MB86296圖形顯示控制器。汽車虛擬儀表系統結構如圖1所示。在車輛行駛過程中，MB86R01微控制器通過IO口、CAN總線等信號輸入通道完成整車信息的采集；經過軟件對原始信號進行加工、運算和邏輯分析處理后，在顯示器面板上通過繪制各種圖形圖像來表達車輛信息。

1.2 虛擬指針控制的程序設計

汽車在行駛過程中，車速表指針轉到的具體位置是由汽車發動機轉速和汽車輪胎直徑等參數根據相應公式計算得出，其中發動機轉速是汽車虛擬儀表通過CAN總線接收汽車發動機ECU發送的CAN報文而得到。車速表指針的控制流程如圖2所示。首先，計算車速信號值和指針目標位置；然后，計算當前位置的角度差，如果角度差為0則結束當前周期位置更新操作。

指針運轉速度控制任務是通過與速度步進閾值相比較得到當前位置差下理論速度，而后對其進行校正，防止速度變化快于最大加速度，或超出最大速度限定。確定當前周期指針的運行速度后重繪指針并更新指針對象的狀態參數，結束當前周期操作。其程序流程如圖3所示。

其中Speed代表指針當前運行的速度，Last_Speed用于記錄上一個周期中指針的運行速度，Speed_Deviate代表指針當前運行速度和上一個周期指針運行速度差；SPEED_THERSHOLD是速度閾值參數，用于判斷當前周期角度差下支持的最大運行速度。MAX_SPEED和MAX_ACC兩個參數分別限定虛擬指針的最大運行速度和最大加速度。其中Cur_Pos代表指針當前的位置，文中MIN_POS代表車速表最小刻度0 km/h位置即0°，MAX_POS代表車速表最大刻度150 km/h位置即180°。該控制方法通過使用毫秒級中斷進行計算能在應用中使指針得到平滑的運動。

2 虛擬指針運動控制實現

2.1 虛擬指針的步進角實現

文中配置的液晶顯示器的刷新頻率為60 Hz，即顯示器更新畫面的時間間隔為16.67 ms，理想的情況下虛擬指針的更新時間與場同步信號一致。設定虛擬指針的步進角為固定值，測試并標定指針在不同速度下勻速運動的顯示效果，結果如表1所示。

從表1可以看到：根據角度差的大小選擇合適的步進角是虛擬指針運動控制的基本思路。綜合考慮虛擬指針的顯示效果和動態跟蹤實時性，實際應用中將步進角的取值限定在0.1～3.5°/幀之間，最高角速度限定在210°/s。設計中步進角取值為2.5°/幀，角速度為150°/s，足夠滿足車速表、轉速表的實時顯示要求。

2.2 虛擬指針控制參數的實現

指針運動中最重要的參數是最大加速度MAX_ACC和最大速度MAX_SPEED，前者用于限制速度的變化快慢，作用于指針運動的起始和結束階段，模擬機械指針的慣性特征；后者限制最大角度差，防止更新過快出現拖影等現象。

在CANoe硬件在環仿真環境中，初始設置電機的轉速為0，而后跳變為最大值10 000 r/min（對應車速130 km/h），配置MAX_SPEED為20，速度切換閾值為20，測試MAX_ACC分別為1、3和6時車速表指針的運動速度和實時位置變化過程，如圖4所示。

從圖4（a）可以看到：MAX_ACC越大，指針越快到達最大運動速度，到達目標位置的90%所消耗的時間越少，可以提高指針的響應速度；不過，MAX_ACC越小，指針的啟動和結束過程越平緩，更符合人的視覺習慣。從圖4（b）中可以看出：MAX_ACC值的增加對于縮短指針響應時間的作用有限，大于一定值后指針加速直線和位置曲線接近重合。所以，文中MAX_ACC取值為2。同樣的，速度切換閾值仍為20，MAX_ACC取值為2，測試MAX_SPEED分別為10、20和30時車速表指針的運動速度和實時位置變化過程，如圖5所示。可以看到，指針運動速度呈現同樣的線性增長關系，但車速表指針的運動過程差別明顯。MAX_SPEED越大，指針的加速過程越長，減速越早。分析報文數據可以得到：最大速度分別為10、20和30時，指針到達目標位置的90%的時間分別為2.734 389、1.501 770和1.185 731 s。所以，MAX_SPEED的值可以明顯改變指針的響應速度，文中MAX_SPEED的值取20。

3結語

如今的汽車行業已經不是一個傳統行業，虛擬儀表是是對汽車儀表數字化和多信息綜合顯示的一個有益嘗試，對后期汽車儀表的設計發展有重要的推動意義。

參考文獻：

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（作者單位：長城汽車股份有限公司-哈弗技術中心）

第一作者簡介：趙雪苗，女，漢，河北保定唐縣，本科，初級工程師，汽車電子電器開發。