車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計

1、車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計雷 躍摘 要 本文介紹以SPCE061A單片機為主控器，以氣壓、油壓、溫度、霍爾元件等傳感器為主要外圍元件、以HS12864-1液晶模塊為顯示屏的新型車用數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計，說明此儀表系統(tǒng)顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠，信息語音播報、告警等突出的優(yōu)點，展現(xiàn)車用儀表系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢和廣闊的開發(fā)空間。關(guān)鍵詞 SPCE061A單片機 DS18B20 HS12864-1 車用數(shù)字儀表一、引言傳統(tǒng)的汽車儀表一般是機電式模擬儀表，只能給駕駛員提供汽車行駛中必要而又少量的數(shù)據(jù)信息，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車新技術(shù)、高速度發(fā)展的要求。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，多功能、高精度、高靈敏度、讀

2、數(shù)直觀的智能數(shù)字儀表是汽車儀表發(fā)展趨勢。下面對以單片機為核心的新型全數(shù)字車用儀表系統(tǒng)設(shè)計作詳細(xì)介紹。二、系統(tǒng)設(shè)計思想系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部組成。硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉(zhuǎn)換，各種信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。設(shè)計的整體框圖如圖1所示。SPCE061A單片機依次查詢各傳感器的輸出信號（氣壓、油壓等模擬傳感器輸出的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換）； 然后SPCE061A對輸入信號進行相應(yīng)處理后通過HS12864-1液晶模塊輸出，同時還可輸出各種告警信號。 利用單片機內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把各種告警信號事先設(shè)置好的語音信號經(jīng)過該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到

3、揚聲器，利用SPCE061A的語音功能實現(xiàn)語音播報告警。圖1 系統(tǒng)框圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊： SPCE061A主控模塊、傳感器模塊、HS12864-1液晶模塊等。其中 SPCE061A主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，傳感器完成信號的采樣功能，HS12864-1液晶模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。（一）主控模塊系統(tǒng)中采用的SPCE061A單片機，是凌陽公司繼nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后推出的又一款16位單片機。SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH），較高的處理速度使nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。其內(nèi)

4、部具有七通道10位電壓A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，這樣節(jié)省電路板面積，簡化了硬件電路。具體應(yīng)用時，只需在編寫程序中加入啟動A/D轉(zhuǎn)換的指令即可完成操作。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個10位D/A轉(zhuǎn)換通道，比較容易實現(xiàn)語音功能。（二）溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國Dallas公司推出的數(shù)字式智能溫度傳感器，它是單線數(shù)字式測溫芯片，能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。它能夠直接讀出被測溫度并可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)92位的數(shù)字值讀數(shù)方式。而且采用了三線制與單片機相連，將測溫部分與A/D轉(zhuǎn)換于一起，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特

5、點。DS18B20測溫范圍為-55125，精度為±2，而在-1085范圍內(nèi)，其精度為0.5。DS18B20與SPCE061A單片機的接口電路圖如圖2所示，其中DS18B20工作在外部電源供電方式，SPCE061A單片機采用IOB6和DS18B20通信。 圖2 8B20與單片機接口電路 圖3 HS12864-1的結(jié)構(gòu)（三）HS12864-1液晶模塊 HS12864-1是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成。可實現(xiàn)圖形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。 HS12864-1液晶內(nèi)置HD61

6、102圖形液晶顯示模塊，驅(qū)動和控制系統(tǒng)是由HD61102 作為64 路行驅(qū)動器，同時HD61102 配備了一套顯示存儲器的管理電路和與MCU接口電路，可以直接與MCU的總線連接。HS12864-1的結(jié)構(gòu)見圖3。HS12864-1具有簡單而功能較強的指令集，可實現(xiàn)字符移動、閃爍等顯示功能，共有7 條指令，單片機只需通過D/I、R/W、DB0DB7送入數(shù)據(jù)或指令便可顯示其指定內(nèi)容或顯示方式。HS12864-1與SPCE061A單片機的硬件接口電路見圖4。圖中采用并行通信方式，單片機的IOA0-IOA7口與液晶模塊的DB0-DB7口相連作為數(shù)據(jù)輸入輸出用；即IOB0- IOB 4口與液晶模組的CS1

7、、CS2、D/I、R/W、E相連作為單片機對液晶 圖4 HS12864-1與單片機接口電路的控制口。 （四）測速傳感器及其他模擬傳感器速度傳感器是車輛傳感器中的易損器件，所以該系統(tǒng)測速傳感器由霍爾開關(guān)、磁鐵組成。其工作原理是將霍爾開關(guān)和磁鐵分別安裝在車架、車輪的適當(dāng)位置，車輛行駛時，在磁鐵的作用下，霍爾開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號，通過在單位時間對其計數(shù)可計算出車輛的行駛的瞬時速度，累計開關(guān)信號可計算出車輛行使的距離。它具有靈敏度高、價格低廉、不易損壞等優(yōu)點。氣壓、油壓、油量等參數(shù)的測量采用模擬傳感器，其輸出的模擬信號通過SPCE061A單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過相應(yīng)軟件處理后輸出。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計該系統(tǒng)軟件主

8、要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、告警子程序等六大模塊組成，因為C語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，生成的機器代碼質(zhì)量高、可讀性強、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫。主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能，主程序流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對相應(yīng)的模擬信號進行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號的數(shù)值返回主程序。顯示子程序完成符號、數(shù)值的顯示輸出。中斷子程序有三種中斷源：鍵盤、車輪（車輪每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個中斷脈沖）及掉電保護電路，分別完成面板功能設(shè)置、測速功能和掉電保護。本系統(tǒng)中斷源共有6個， 而SPCE061A單片的中斷系統(tǒng)支持10個中

9、斷向量及10余個中斷源。告警子程序主要實現(xiàn)異常情況下控制告警信號輸出。如當(dāng)冷卻液溫度升高到接近沸點(例如9598)時，或燃油箱內(nèi)的燃油量少于某一規(guī)定值時，音頻告警裝置會發(fā)出語音告警信號，同時相應(yīng)的指示燈發(fā)亮（點亮告警指示燈的任務(wù)由顯示子程序來完成），以引起駕駛員的注意。 圖5 主程序流程圖五、語音功能的實現(xiàn)系統(tǒng)的語音功能的實現(xiàn)，主要體現(xiàn)在當(dāng)告警信號輸出的同時, 揚聲器中會發(fā)出語音提示，如“ 冷卻液溫度異常”、“燃油量異?！钡鹊?。語音處理大致可以分為A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等步驟。SPCE061A單片機具有內(nèi)置自動增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式，同時具備雙通道10 位DA

10、C方式的音頻輸出功能，因此可以解決上述語音處理問題。SPCE061A的開發(fā)軟件具有一個SACMLI庫，可以將A/D、編碼、解碼、存儲、D/A做成相應(yīng)的模塊, 對于每個模塊都有其應(yīng)用程序接口API，在了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容后，調(diào)用該API函數(shù)即可實現(xiàn)語音處理功能。對于常用的SACMA2000和SACM480兩種放音算法則要涉及到語音資源的添加問題，即將所需要的WAV文件按照需要的壓縮比進行壓縮,變成資源表形式在程序中調(diào)用。這樣,當(dāng)把錄制好的語音文件經(jīng)過壓縮存入存儲器后，在程序執(zhí)行過程中調(diào)用該語音模塊的API函數(shù)即可實現(xiàn)語音輸出功能了。六、系統(tǒng)抗干擾設(shè)計由于本儀表系統(tǒng)是為汽車、摩

11、托車設(shè)計的，而汽車、摩托車的點火系統(tǒng)有較強的電磁干擾，另外車輛移動性大，有可能處于較強電磁干擾的環(huán)境中，因此必須采取抗干擾措施，否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定、可靠運行。本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。（一）采用抗干擾電源單片機系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來源，本系統(tǒng)的電源由車載電瓶提供，車輛的點火系統(tǒng)、音響設(shè)備等都可能對本系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，為此，可將車載電瓶12V電源經(jīng)磁珠和電容組成形濾波電路后，再經(jīng)過UA7805C穩(wěn)壓、濾波得到本系統(tǒng)電源。另外給每個集成電路芯片都安置一個0.01mF的陶瓷電容器，來消除大部分高頻干擾。同時，良好接地是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要條件，由于本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此

12、設(shè)計時將數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點相連。（二）光電隔離在I/O通道上采用光電隔離器，將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電氣上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋。（三）過壓保護電路本系統(tǒng)在輸入輸出通道上也設(shè)計了過壓保護電路，它由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，以防止引入高電壓，損害單片機系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)中，為消除按鈕動作時產(chǎn)生抖動干擾，在按鍵與SPCE061A間加入一個Schmitt觸發(fā)器74HC14。（四）CPU抗干擾措施當(dāng)干擾信號作用到單片機本身時，單片機將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。為此本系統(tǒng)采用了以下方法：人工復(fù)位：當(dāng)微處理器失控時，可使用復(fù)位方法處理，使程序自動從0000H開始執(zhí)行。為此系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)位鍵，當(dāng)微處理器失控時，只要按下復(fù)位鍵，并持續(xù)10ms以上即可。掉電保護：因為當(dāng)車輛顛簸的路況時，可能引起電源等接觸不良，使系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電源電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。為此系統(tǒng)設(shè)計了掉電保護。掉電信號由硬件電路檢測到，加到單片機的外部中斷輸入端。將掉電中斷規(guī)定為高級中斷，使系統(tǒng)及時對掉電做出反應(yīng)。在掉電中斷子程序中，首先進行現(xiàn)場保護，當(dāng)電源恢復(fù)正常時，單片機重新復(fù)位，恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)工作。至于程序跑飛，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相