汽车电子式组合仪表的研制(共42页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业汽车电子式组合仪表的研制摘要汽车仪表盘集中了全车的仪表，它好象一扇窗,是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面。随着现代汽车工业和电子技术的发展，汽车中各种系统和机构日趋复杂，汽车行驶和各部分工作状况的信息量显著增加。同时，出于对汽车环保、安全性、经济性、智能化要求的提高，汽车驾驶员需要更多、更迅速地了解汽车运行的各种信息，使得汽车电子仪表向信息显示中心发展，它是驾驶员信息系统重要的组成部分。仪表显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需，也成为舒适生活的一部分，而参数传达的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。汽车电子仪表代替传统机械或电气机械式模

2、拟仪表已成为发展的趋向。不同汽车仪表盘的仪表不尽相同，但是一般汽车的常规仪表有车速表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。随着汽车工业的不断发展，作为汽车电子的重要部分的仪表盘也日新月异。从古老的机械式仪表盘到现在最新的全电子式仪表盘，技术在不断发展，仪表盘在稳定性提高的同时也提升了其观赏性。液晶屏的大量使用使得仪表盘所展示的车辆信息绝不是机械式仪表可以比拟的，丰富的信息提高了驾驶舒适性的同时也增加了驾驶安全。关键词：汽车仪表；单片机；数据采集Development of Automotive Electronic Combination MeterABSTRACTCar dashb

3、oard on the car, it is like a window, and car driver interface and the important information communication interface. Along with the development of modern automobile industry and the development of electronic technology, auto of systems and institutions is complicated, vehicle parts and working cond

4、itions of information increased significantly. At the same time, for safety, environmental protection, automobile, intelligent, car driver needs more and more cars run quickly understand all kinds of information, automobile electronic instrument to display information center, it is a pilot informati

5、on system is an important part. The intuitive and beautiful instrument shows that not only, also be the necessary abraao, part of a comfortable life and convey accurate and reliability parameters is directly related to the vehicles safety. Automobile electronic instrument instead of conventional mec

6、hanical simulation of mechanical or electrical meter has become the development trend.Different car dashboard appearance, but the same routine instrument have speed, speed, temperature, pressure, oil, fuel oil, charging table, etc. With the continuous development of auto industry, automobile electro

7、nics as an important part of the panel also with each passing day. From the ancient to the latest panel mechanized panel, the electronic technology in the unceasing development, improve the stability in the dashboard raised its appreciation. The wide use of LCD panel shows that the vehicle informati

8、on is no mechanical instrument can match, abundant information to improve the driving comfort also increase the driving safety.Key words: automotive meter; MCU; data collect目录1汽车仪表设计概述12汽车电子式仪表硬件设计32.1汽车电子式仪表主控芯片32.2汽车电子式仪表电源输入及检测62.2.1仪表电源的设计62.2.2 IGN检测72.3数字与模拟输入信号处理82.3.1数字类输入信号82.3.2模拟类输入信号92.4

9、汽车电子式仪表通讯的实现112.4.1汽车网络简介112.4.2仪表系统中采用的CAN网络122.5汽车电子式仪表的机械型显示142.6汽车电子式仪表的数字型显示162.6汽车电子式仪表的里程数据存储172.6汽车电子式仪表的声音指示193汽车电子式仪表软件设计203.1 主程序的设计213.1.1 初始化模块213.1.2 主程序模块213.1.3 中断处理模块223.2数据采集及处理模块233.2.1 脉冲采样处理模块233.2.2输入模拟信号处理253.3步进电机驱动程序设计264系统电路板设计284.1电路板设计制作工具284.2系统电路板的设计294.2.1 电路原理图设计294.2

10、.2 PCB设计32总结35参考文献36致谢37附录A 仪表盘实物图381汽车仪表设计概述汽车仪表盘集中了全车的仪表，它好象一扇窗，显示了汽车的工作状况，是人和汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。仪表显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需，也成为舒适生活的一部分，而参数传达的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。不同汽车仪表盘的仪表不尽相同，但是一般汽车的常规仪表有车速表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。随着汽车工业的不断发展，作为汽车电子的重要部分的仪表盘也日新月异。从古老的机械式仪表盘到现在最新的全电子式仪表盘，技

11、术在不断发展，仪表盘在稳定性提高的同时也提升了其观赏性。液晶屏的大量使用使得仪表盘所展示的车辆信息绝不是机械式仪表可以比拟的，丰富的信息提高了驾驶舒适性的同时也增加了驾驶安全。现代汽车上，汽车仪表还需要装置稳压器，专门用来稳定仪表电源的电压，抑制波动幅度，以保证汽车仪表的精确性。另外，大部分仪表显示的依据来自传感器，传感装置根据被监测对象的状态变化而改变其电阻值，通过仪表表述出来。现代仪表最突出的特点是功能的模块化，通常要组装一块仪表，只需将几个功能模块在定制PCB的基础上联合起来，就可以得到一个完整的系统。长安等经济型汽车的指针仪表一般为独立的模块，提示/报警功能由PCB上的LED完成。目前

12、的汽车仪表尚以机械式为主，通讯方式以线束为主。这种模式最大的弊病是过于依赖线束，导致系统复杂。对汽车仪表而言，使用电子式仪表板较之传统仪表的优势在于：硬件功能的软件化：随着微电子技术的发展，微处理器的处理速度越来越快。一些实时性要求高，原本由硬件完成的功能，就完全可以通过对微处理器编程来实现。系统集成度大大提高：在大规模集成电路技术迅速发展的今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大。随着仪表的部分功能硬件不断地被软件取代，整个系统的集成度也在相应提高。我国的汽车工业起步较晚，目前还落后于发达国家比较远的距离。我国大部分国产汽车的仪表盘还是需要改善，以更大

13、的劲头追赶国外的技术。我国对电子式组合仪表盘还使用得较少的主要因素之一是技术不够成熟，很多车厂宁愿使用老技术但能有更好的稳定性，也节省了开发调试时间，缩短生产周期，提高竞争力。但是如果能采用新型的电子式组合仪表，所生产的汽车档次能提升不少，带液晶显示屏仪表盘的汽车可不是机械仪表盘汽车所能比拟的。所以拥有电子式组合仪表的汽车市场竞争力有更大的提高。汽车仪表盘已经从传统意义的指示功能开始转到更加注重使用感受，目前国际上某些高端车型已经使用了大面积LCD进行全车身信息的展示，甚至出现了背投技术的仪表盘。仪表盘再也不是几个表加上几个指示灯的简单汽车部件，而是一块高新的技术构成电子化控制板，所拥有的功能

14、可是日新月异地发展。目前国内也有很多人在研究开发汽车仪表盘，为我国的汽车工业发展为做艰苦奋斗，全力追赶欧美发达国家的脚步。随着新型技术的进入，我国的开发研究也取得了很大的进步，各种高端仪表盘都已经涌现。本设计是一个基于Freescale单片机的汽车组合仪表板。面向的是目前市场上占主流地位的传统汽车，并引用长安车的仪表为模板，目的主要在于实现一个汽车组合电子仪表板的低端方案。设计概述：本方案的对象主要包括车速、转速、压力、温度、里程、时间以及一些提示/报警灯信号，分别体现在车速表、发动机转速表、油压表、水温表（指针）以及里程表上。其中，里程表定时记录车速信号，在行车时间内做数值积分，得到行驶公里

15、数，作为里程保存在用户Flash中。定时（1s）对里程数据做累加。数据通信使用了发展前景非常好的CAN总线通信，保证的高速通信的同时又有极好的可靠性。本仪表盘采用新型的汽车用步进电机，带有1：180的减速比，能非常准确地指示。同时仪表盘全部采用LED进行照明，可以通过非常低的功率达到非常好的照明效果。2汽车电子式仪表硬件设计硬件是系统功能的基础，只有正确的硬件设计才能实现系统需求。汽车仪表的最基本功能需求是指示作用，通过指针、蜂鸣器、指示灯、液晶显示屏等方式实现。本电子式仪表系统的指示系统由四个指针表、一个蜂鸣器、一块液晶显示屏及若干LED指示灯构成，能实现汽车仪表的基本及部分扩展指示功能。2

16、.1汽车电子式仪表主控芯片新型的电子式仪表相比以前的机械式仪表最大的不同就是采用了至少一块高性能的主控芯片，控制整个仪表盘的大部分模块的工作。飞思卡尔公司（原摩托罗拉公司半导体部）拥有完整的汽车芯片生产线，其中针对汽车仪表盘的芯片有MC9S12H系列及MC9S12XH系列，MC9S12H系列是飞思卡尔公司针对低端市场开发的主控芯片，主要面向中国印度等市场，MC9S12XH系列则针对中高端市场，通过集成的XGATE能非常容易实现大尺寸液晶显示屏的控制。在本设计中将采用MC9S12HY64作为主控芯片，飞思卡尔(Freescale)半导体是日前推出经济高效的16位微控制器系列，专为入门级汽车的电子

17、仪表板而设计。入门级汽车应用是汽车业发展最为迅速的一个细分市场。作为飞思卡尔阵容不断扩大的16位MCU系列的最新成员，新S12HY系列集经济实用的16位性能和最佳片上功能于一身，非常适合于新兴汽车市场中成本敏感型仪表板应用。S12HY MCU提供了最适宜的片上集成度，实现了从新兴市场中仍在使用的机械解决方案向现代机电仪表板的迁移。由于几乎不需要离散组件，该器件的高度片上集成能够帮助降低系统成本。集成的液晶显示器驱动能够为基于LCD的仪表板支持高达160个分段。该器件的片上步进电机控制器最多能驱动4个计量仪，实现速度计、转速计及其他模拟计量仪的精确逐步控制。此外，MCU还有一个控制器区域网(CA

18、N)模块，能够简化引擎与仪表盘之间的数据通信。S12HY MCU的主要特性：带有32 MHz总线的HCS12 CPU内核 片上内存:带有ECC的高达64KB的闪存;带有ECC的4KB数据闪存;4KB SRAM 集成的LCD驱动，可配置最多404(共160分段)带有4个计量仪驱动的步进电机控制器可扩展控制器区域网(MSCAN)模块(支持CAN 2.0A/B)带有内部过滤器的锁相环(PLL)倍频器两个带有I/O通道的定时器模块，能够提供各种16位输入捕捉、输出对比、计数和脉冲累加器功能带有最多8个8位通道的脉宽调制模块(PWM) 高达8通道、10位分辨率模数转换器串行外设接口(SPI)模块串行通信

19、接口(SCI)模块，支持LIN 2.0、2.1和SAE J2602通信 内部集成电路(I2C)模块片上电压调节器(VREG)，用于调节输入电源和内部电压64引脚和100引脚LQFP封装LQFP100封装的HY64芯片引脚如图2.1所示：图2.1 MC9S12HY64芯片的LQFP100封装引脚图LQFP64封装的HY64芯片引脚如图2.2所示：图2.2 MC9S12HY64芯片的LQFP100封装引脚图在每对Vss和Vdd引脚间都接入一个104的陶瓷电容做滤波用，采用16M的晶振带22pF的电容，并且并联一个1M的电阻到晶振。这个1M的电阻不是必需的，只有当晶振难于起振时才接入。由于在产品中一

20、般不会使用到复位的功能，所以电路设计中取消了复位电路。使用Altium Designer设计的电路原理图如图2.3所示。图2.3 MC9S12HY64的基本工作电路2.2汽车电子式仪表电源输入及检测2.2.1仪表电源的设计电子式仪表由于采用了集成芯片，对电源的要求也相应地有所提高，因此设计电源模块的工作也是不容忽视的重要环节。根据飞思卡尔芯片的特性，电源纹波是非常关键的因素，虽然飞思卡尔S12系列的芯片工作温度可靠，但是它们对电源的要求相对更高。在本系统中，电源采用线性稳压芯片TLE4275。TLE4275是由INFINION公司生产的单片常复位输出的5V稳压集成电路,其管脚封装如图2.3所示

21、,1号脚为电压输入端、2号脚为上电复位信号输出、3号脚接地、4号脚复位信号延时控制(通过调整该脚外接的对地电容可调整复位信号的延时时间)、5号脚为5V电源输出脚。TLE4275虽然可以直接产生复位信号，但由于驱动能力较弱，所以没有使用。图2.4 TLE4275的TO252封装引脚图厂家推荐的工作电路如图2.5所示图2.5 TLE4275推荐电路图根据仪表盘的特殊工作环境，设计了如图2.6所示的电路，支持BAT电池输入及IGN输入，使用1N4007进行保护，输入部分用了220uF的电容作储能，输出部分使用了0.1的滤波电容。图2.6 在本设计中采用的电源电路2.2.2 IGN检测仪表盘需要检测I

22、GN信号以进行车辆状态的判断，根据不同的状态采取特定的显示措施。由于发动机的转速是不断变化的，所以IGN输入电压也是波动很大的输入，不能仅靠软件进行滤波操作，所以在硬件电路设计中加入了滤波电路。滤波工作电路如图2.7所示，当IGN输入高电平时，1N4007导通，ZD1（5V稳压管）和R8把IGN电压稳压在5.1V，再通过R9对C2进行充电，如果IGN的高电平不是波动则C2充电电压能达到S8050的饱和状态工作值，IGNCheck被拉到低电平，而IGNCheck会接到MC9S12HY64的IRQ引脚，IRQ引脚上的下降沿能将芯片从睡眠状态中唤醒过来。图2.7 IGN检测电路设计2.3数字与模拟输

23、入信号处理数字输入信号包括各种数字型状态信号及脉冲信号，模拟输入信号包括电压电流等信号。车辆信息有很大一部分是通过这两种方式接入仪表盘的，而且他们的信号大多数也需要有调理电路的参与。数字与模拟输入信号不仅要求保持完整性而且需要在调理电路中设计保护电路，以免主控芯片受到干扰冲击造成工作不稳定甚至烧坏芯片。2.3.1数字类输入信号数字类输入信号主要是脉冲信号和开关量信号，由于开关量信号可以直接接至LED进行指示，所以在此不做讨论。图2.8是脉冲输入调理电路之一，在电路中设计了滤波电路以滤除干扰信号。这种方案的缺点之一是采用了5V的电压，消耗的功率较大。图2.8 脉冲输入调理电路一针对功耗问题，可以

24、采用以下方案解决，如图2.9所示。由于直接采用IGN电源，稳压电路的消耗大大降低，但是却由于IGN的不稳定，输入到主控芯片的电压有浮动。图2.9 车速脉冲调理电路2.3.2模拟类输入信号模拟类输入信号主要就是电阻值的测量，考虑到成本问题，只采用了最简单的I/V电路，如果采用运放组成可靠的I/V转换电路，测量值的准确性会有很大的提高，可惜成本不能接受。由于汽车环境非常恶劣，在电阻输入线可能会串入很高的电压，所以需要设计保护电路，以免烧坏芯片。AD采集保护电路如图2.10所示，保护通过二极管钳位实现，AD2的电压范围限幅在-0.7vcc+0.7之间。这样的电路已经足够用于保护芯片，而且在前面已经有

25、10K的电阻限流，就算是10V电压过来，也只有1mA的电流。图2.10 AD采集的保护电路在本仪表盘电路设计中，适当地做了些修改，设计了如图2.11所示的电路。在电路中加入了AD采集保护电路，能有效保护主控芯片。之所以使用R50和R51并联，是为了进行分流作用，加大所能承受的功率，因为常使用的电阻都是1/8瓦或1/4瓦。图2.11 带保护的AD调理电路其实在MC9S12HY64的AD输入口有内部的保护电路，如果电压环境不是特别恶劣，是完全可以使用如图2.12所示的电路，此电路省掉了二极管保护部分的电路。图2.12 不带保护的AD调理电路以上的AD调理电路都是没有考虑到功耗问题的，如果有需要功耗

26、降低的产品，则应采用如图2.13所示的电路，此电路使用了采集开关，只有需要采集数据时才开启电路，否则电路没有工作，降低的功耗。图2.13 有采集开关的AD调理电路2.4汽车电子式仪表通讯的实现2.4.1汽车网络简介过去，汽车通常采用点对点的通信方式，将电子控制单元及负载设备连接起来。随着电子设备的不断增加，势必造成导线数量的不断增多，从而使得在有限的汽车空间内布线越来越困难，限制了功能的扩展。同时导线质量每增加50 kg，油耗会增加0.2 L/100 km。此外，电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制运算，发出控制指令，这些是不能

27、通过简单地连接所能完成的。而单从线束本身来说，它也是汽车电子系统中成本较高，连接复杂的部件。随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，是一种既可靠又经济的做法。同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求，正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统。目前在汽车环境中以CAN（控制器局域网）和LIN（局部互联网）两种通信方式为主。CAN（控制器局部网）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。CAN是一种串

28、行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN总

29、线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。LIN是较新的通信方式，是为了降低汽车生产成本而提出来的一种新型通信方式，作为CAN总线的一种辅助网络，用于一些对实时性要求不高的场合的控制。LIN其实就是单片机上标准的UART，只是它只需要一根数据线，并对数据格式作了些修改。2.4.2仪表系统中采用的CAN网络由于仪表盘的特殊性，在设计中经常是只有CAN总线或没有采用通信，LIN用的非常少。在本设计中，设计了一路的CAN总线，工作于中等速率，接收发动机信息

30、和车身管理信息。由于采用的主控芯片已经集成了CAN控制器，所以设计比较简单，通过连接收发器就可以实现CAN通信了，CAN总线的收发器有很多可选的产品，在此采用飞利浦公司生产的比较新型的收发器TJA1040。TJA1040像TJA1050和C250/251 一样，是一个遵从ISO 11898的高速CAN 收发器可以在汽车和工厂应用上使用。TJA1050的设计使用了最新的EMC 技术。它采用了先进的绝缘硅（SOI）技术进行处理，这样 TJA1050 比C250/251 （使用分离终端）的抗电磁干扰性能提高了20dB。TJA1050集中在典型的（clamp-15）应用上使用，在汽车点火之后仍然保持不

31、上电状态。因此 TJA1050不提供待机模式，特别要注意的是器件在不上电环境下的无源特性。TJA1040 是以TJA1050的设计为基础，由于使用了相同的SOI 技术，TJA1040 具有和TJA1050一样出色的EMC 特性，和TJA1050不同的是 TJA1040 象C250/251 一样有待机模式，可以通过总线远程唤醒，这样 TJA1040 可以认为是C250/251 的功能上的后继者。TJA1040 还具有和C250/251 一样的收发器引脚和功能，所以TJA1040 可以与C250/251 兼容，并简单地替代C250/251特别是TJA1040 还首次提供在不上电环境下理想的无源特性

32、。TJA1040 比C250/251 有几个优胜的地方：如果不上电，在总线上完全无源；如果VCC 关闭，总线上看不到。在待机模式时，电流消耗非常低，最大15A。改良的电磁辐射EME性能。改良的电磁抗干扰EMI性能。SPLIT引脚代替 Vref引脚对总线的DC稳压很有效。TJA1040可以向下兼容C250/251，并且可以在很多已有的C250/251 应用中使用，而硬件和软件不需要作任何修改引脚。图2.14显示了C250/251、TJA1050和TJA1040 的引脚，除了两个重新命名的引脚外这3个收发器相同。图2.14 C250/251、TJA1050和TJA1040 的引脚图表2.1是TJA

33、1040引脚的功能定义列表。表2.1 TJA1040引脚定义助记符引脚描述TXD1发送数据输入GND2接地VCC3电源电压RXD4接收数据输出从总线读出数据SPLIT5共模稳压输出CANL6低电平CAN总线CANH7高电平CAN总线STB8待机模式控制输入在本仪表盘设计中采用了如图2.15所示的电路，CTXD1和CRXD1接HY64的CAN输出，CANH1和CANL1是收发器的输出。图2.15 CAN收发电路2.5汽车电子式仪表的机械型显示在仪表盘中机械型显示只有指针，虽然目前国外高端的产品已经是全液晶屏显示，彻底放弃了机械型的显示，但是在中低端还是很少采用全液晶屏的设计，特别是我国的特殊情况

34、更是如此，目前还没有采用全液晶屏的产品。传统的车速表是机械式的，典型的机械式里程表连接一根软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。这种车速里程表简单实用，被广泛用于大小型汽车上。对于以微控制器为主的仪表盘，都使用步进电机来作为指针的驱动，多数情况下是用于车速表、转速表、油表和电流表等。MC9S12HY系列的芯片是针对汽车仪表设计的，因此集成了步进电机的控制，驱动步进电机非常方便。MC9S12HY64集成了四个

35、步进电机驱动模块，这已经足够大多数的产品使用。步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。现在比较

36、常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。步进电机特点：1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步

37、进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲

38、频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。在这次设计中采用了型号为“VID29-05P”的步进电机，VID29系列步进电机是一种精密的微型步进电机，内置减速比180/1的齿轮系，主要应用于车辆的仪表指示盘，也可以用于其它仪器仪表装置中，将数字信号直接准确地转为模拟的显示输出。VID29系列步进电机需要两路逻辑脉冲信号驱动，可以工作于5V10V 的脉冲下，输出轴的步距角最小可以达到1/12，最大角速度600/S。可

39、用分步模式或微步模式驱动。VID29系列步进电机分为两大产品系列，分别是VID29-XX / VID29-XXP，电机在设计上选用高级铁磁材料和特种耐磨塑料，同时兼顾到防火等安全性能，采用具有消声和耐磨效果的特殊齿形，保证了电机的长期运转寿命和性能。VID29系列步进电机的特点：工作电压范围：5V10V。低功耗：20mA，5V。工作环境温度：40105。精薄设计，外尺寸：30mm7.0mm。高精度：步距角最小可达到1/12。长寿命：特殊耐磨材料和齿形设计。图2.16是VID29步进电机的引脚连接图：图2.16 VID29的引脚连接2.6汽车电子式仪表的数字型显示电子式仪表的数字型显示主要有LE

40、D显示及LCD显示，其中LCD显示又分段码式及点阵式，低端产品一般使用段码式进行里程的显示，而中高端产品采用点阵式LCD显示更丰富的车身状态信息。LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。LED相对于灯泡型指示的优点：一、体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。二、耗电量低LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电能不超过0.1W。三、使用寿命长在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。四、高亮度、低热量LED使用冷发光技术，发热量比普通照明

41、灯具低很多。五、环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。六、坚固耐用LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。图2.17是常用的汽车指示信息标志，大多数现代汽车都有这样的指示信息，这些符号已经是一套成熟的国际标准。图2.17 常用的汽车指示为了提高性能，降低主控芯片的负担，采用达林顿管来驱动LED指示。达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等效于三极管的放大倍数是二者之积。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压

42、电源中。达林顿管的最大特点就是电流放大倍数很高，不过这类高放大倍数的达林顿管只能在小功率下使用。达林顿管具有增益高、开关速度快、稳定性好等优点。使用时，可以把达林顿管看成是一个具有高电流放大系数的三极管，使用非常方便。选用它作为功率放大管时，还可以取代多级放大电路，简化设计电路。正因为达林顿管有着许多特点，它在低频功率放大电路、开关式稳压电路以及功率驱动电路中得到了较广泛的应用。2.6汽车电子式仪表的里程数据存储汽车的里程数据直接就存在仪表盘里面，所以需要有一个特定的存储技术。由于汽车仪表盘的技术要求是经常存储里程数据，多数情况是要求每公里存储一次，而普通的Flash芯片的擦写次数只有不到10

43、万次，MC9S12HY的内部Flash也是只有几万次的擦写，所以不能使用内部Flash来存储里程数据。在次设计，使用EEPROM芯片作为存储介质，大多数的EEPROM芯片都能擦写上百万次。EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。EEPROM是可用户更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEP

44、ROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。DRAM断电后存在其中的数据会丢失，而EEPROM断电后存在其中的数据不会丢失。 另外，EEPROM可以清除存储数据和再编程。汽车上常见的EEPROM芯片按其接口方式来分有I2C、SPI，每一种芯片又分为各种容量规格，比如I2C中的24C01、24C02、24C04，一般尾数大的比尾数小的容量大，且有着直接的倍数关系。SPI因为可以全双工传输，所以速率较IIC要快得多，但其没有确认机制，所以必须要靠软件来实现，相比复杂；而

45、IIC虽然速率较低（一方面因为不能全双工，一方面因为数据冗余较多），但应用于一般的EEPROM和时钟传输是足够了，而且实现起来非常简单。就存储器而言，SPI一般应用于flash（因为数据量太大了，当然更大的flash采用的是地址/数据线结构，比SPI又复杂些了。），而IIC一般应用于EEPROM和时钟电路。考虑到I2C接口的方便性，本设计中采用I2C接口的24C02存储芯片。如图2.18所示，A0、A1、A2为器件地址线，WP为写保护引脚，SCL，SDA为二线串行接口，符合I2C总线协议。图2.18 24C02引脚管脚描述：SCL 串行时钟，串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟

46、这是一个输入管脚；SDA 串行数据/地，双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收SDA 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或wire-OR；A0 A1 A2 器件地址输入端，这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址当这些脚悬空时默认值为0。WP 写保护，如果WP 管脚连接到Vcc 所有的内容都被写保护只能读当WP 管脚连接到Vss 或悬空允许器件进行正常的读/写操作。这次选用的EEPROM芯片是由2.6汽车电子式仪表的声音指示在汽车仪表中需要有蜂鸣器进行某些报警，所以设计蜂鸣器电路也是必须的。蜂鸣器电路如图2.19所示，给BeepOut1端输入高电平，蜂鸣器就发

47、声，多数情况是根据不同的报警信息给BeepOut1端不同的PWM信号，实现各种不同的发声效果。图2.19 简单的蜂鸣器电路3汽车电子式仪表软件设计软件系统是嵌入式的灵魂，良好的软件架构才能使得系统运行可靠，发挥硬件系统的优势。模块化程序设计是非常好的设计方法，可以使得程序既有较高的可靠性又有很好的可移植性。在软件的编写中，尽可能使应用软件标准化、模块化，即在不影响系统的工作状态下，运用模块化的编程方法使得每个模块都完成各自的任务。汽车仪表的模块化设计框图如图3.1所示。模块化设计初始化模块主程序模块中断处理模块脉冲采集模块显示模块步进电机驱动模块燃油测量模块CAN通信模块图3.1 模块化设计框图模块化的设计思想有如下的优点:1)模块化编程使得要解决的问题与特定模块分离，很容易找到出错的模块，大大简化了调试。2)模块化编程使程序开发更有效。小块程序更容易理解和调试。当知道模块的输入和所要求的输出时，就可直接测试小模块。3)为软件系统的扩展提供了方便。当系统需要增加或改变某些功能时，只需增加和更换响应的模块就可构成新的系统。4)可根据任务性质和规模而调整系统，使得系统软件结构紧凑，效率提高，有助于系统的使用和维护。5)提高了系统的可靠性和可维护性。因为系统软件是按所划分的模块进行编写，设计思路清晰，编好的程序按模块调试