淺談嵌入式汽車數字儀表設計

　　摘要：汽車儀表是駕駛員與汽車的信息交流界面，對汽車安全以及經濟行駛具有重要作用。車速里程表實際上由兩個表組成，一個是車速表，另一個是里程表。近年來，隨著汽車電子技術的發展，汽車儀表顯示信息也不斷增加，而傳統機械指針式汽車組合儀表則無法滿足現在使用需求。以嵌入式微處理器為核心的智能化數字式儀表將是汽車儀表發展的必然趨勢。本文給出一種嵌入式汽車數字儀表設計方案。

       1、引言
　　
　　汽車儀表是駕駛員與汽車的信息交流界面，對汽車安全以及經濟行駛具有重要作用。汽車儀表板的儀表不盡相同，但是一般汽車的常規儀表有車速里程表、轉速表、機油壓力表、水溫表、燃油表、充電表等。現代汽車上，汽車儀表還需要裝置穩壓器，專門用來穩定儀表電源的電壓，抑制波動幅度，以保證汽車儀表的性。另外，大部分儀表顯示的依據來自傳感器，傳感裝置根據被監測對象的狀態變化而改變其電阻值，通過儀表表述出來。儀表板中zui顯眼的是車速里程表，它表示汽車的時速，單位是km/h(公里/小時)。車速里程表實際上由兩個表組成，一個是車速表，另一個是里程表。近年來，隨著汽車電子技術的發展，汽車儀表顯示信息也不斷增加，而傳統機械指針式汽車組合儀表則無法滿足現在使用需求。特別是計算機、微電子和各種現場總線通信技術廣泛運用，以嵌入式微處理器為核心的智能化數字式儀表將是汽車儀表發展的必然趨勢。本文給出一種嵌入式汽車數字儀表設計方案。
　　
　　2、硬件設計
　　
　　傳統的車速表是機械式的，典型的機械式里程表連接一根軟軸，軟軸內有一根鋼絲纜，軟軸另一端連接到變速器某一個齒輪上，齒輪旋轉帶動鋼絲纜旋轉，鋼絲纜帶動里程表罩圈內一塊磁鐵旋轉，罩圈與指針聯接并通過游絲將指針置于零位，磁鐵旋轉速度的快慢引起磁力線大小的變化，平衡被打破指針因此被帶動。這種車速里程表簡單實用，被廣泛用于大小型汽車上。不過，隨著電子技術的發展，現在很多轎車儀表已經使用電子車速表，常見的一種是從變速器上的速度傳感器獲取信號，通過脈沖頻率的變化使指針偏轉或者顯示數字。汽車儀表需要處理的信號主要有：車速、發動機轉速、水溫、油量、以及各種開關量或報警信號。其中，發動機轉速信號和前后燈信號是從CAN總線(發動機電控模塊和前后燈電控模塊)獲取，而車速信號、水溫、油量和其他開關量信號從相應的傳感器獲取。
　　
　　汽車數字儀表系統結構如圖1所示，本系統對車速、發動機轉速、水溫和油量信息采用步進表頭顯示，里程信息采用LCD顯示，LCD(LiquidCrystalDisplay)，為平面超薄的顯示設備，它由一定數量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。開關量或報警信號采用LED顯示，串口EEPROM用于存儲里程信息。采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510與收發器80C250構成CAN節點，用于實現與汽車其他CAN節點間的通信。　　
　　2.1MCU、外擴存儲器和里程存儲電路
　　
　　系統采用三星公司的ARM7TDMI器件S3C44BOX作為主控制器。S3C44BOX是16/32位RISC處理器，其工作主頻可達75MHz,內部資源豐富。由于S3C44BOX內部無存儲器(內部SRAM用于緩存)，因此必須采用總線擴展外部存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器，采用16Mbit的：FlashSST39VF160及64Mbit的SDRAMHY57V641620分別作為程序存儲器和數據存儲器。系統還采用一片AT24C04存儲器件來存儲里程信息。AT24C04是4Kbit的串行存儲器，采用I2C總線方式實現里程信息的存儲。I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。
　　
　　2.2電源和復位電路
　　
　　該汽車數字儀表系統采用汽車蓄電池供電，汽車蓄電池的電壓約為12V,而該系統需采用5V、2.5V和3.3V工作電壓，S3C44BOX內核工作電壓是2.5V,I/O端口的工作電壓是3.3V,調理電路以及一些驅動器件需用5V的工作電壓。因此，系統選用7805穩壓器作為5V電壓轉換器，選用AS251U2.5和AS251U3.3分別作為2.5V和3.3V電壓轉換器。掉電時能夠及時存儲里程信息，電源地需接一只1000μF的電容。掉電時，大電容可以確保S3C44BOX工作一段時間，完成里程信息的存儲。復位電路采用的復位電路IPM811實現系統穩定啟動。圖2為系統電源電路。　　
　　2.3車速、水溫、油量以及開關量的處理電路
　　
　　由于汽車大多工作在惡劣環境下，將干擾車速傳感器信號，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對車速脈沖信號進行處理，這里采用RC濾波、三極管放大以及斯密特整形方法調理車速脈沖信號。車速脈沖調理電路如圖3所示。
　　水溫、油量信號是電阻信號，須轉化為電壓信號，再將其電壓信號輸入至S3C44BOX的AD端口。而其他開關量則經過濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I/O端口。
　　
　　2.4CAN總線通信電路
　　
　　S3C44BOX無SPI接口，但有SIO接口，SIO模塊的發送和接收既可在上升沿鎖存數據位，也可在下降沿鎖存數據位，因此可通過設置S3C44BOX的SIO模塊所對應的寄存器實現上升沿發送數據，下降沿接收數據，從而與MCP2510的SPI總線時序相配合。CAN總線通信電路如圖4所示。　　
　　步進電機表頭電路等。其中步進電機選用Switec的汽車儀表步進電機X15.168,以及四通道步進電機驅動器件X12.017.S3C44BOX的I/O電平為3.3LVCMOS電平，而X12.017是5VCMOS電平，需采用74LVX4245電平轉換。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　3.1操作系統
　　
　　μC/OS-II是JeanJ-Labrosse開發的免費的、開源的嵌入式實時操作系統。μC/OS-II是一個基于優先級的可剝奪型內核，系統所有任務都有一個*的優先級別，適用于實時性要求較強的場合。μC/OS-II提供多種系統服務，如消息、消息隊列、信號量管理以及時間延時等，實時內核使得CPU的利用更有效。
　　
　　3.2μC/OS-II在ARM上的移植及配置
　　
　　μC/OS-II的源代碼除了那些與硬件關系緊密的軟件模塊需用匯編語言編寫外，絕大部分代碼都采用C語言編寫，所以μC/OS-II的可移植性強。在ARM上移植μC/OS-II主要編寫3個源文件，即OS_CPU.H、OS_CPU.C、OS_CPU_A.S.在OS_CPU.H
　　
　　中完成所需的基本配置和定義(定義數據類型、定義使能和禁止中斷宏等)；OS_CPU.C主要移植OS-TaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHo-ok()等6個函數；OS_CPU_A.S主要完成OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()等4個匯編函數的移植。
　　
　　3.3系統任務及分析
　　
　　對一個具體的嵌入式應用系統"任務劃分"是實時操作系統應用軟件的關鍵，任務劃分是否合理將直接影響軟件設計質量。本系統主要有8個任務，即車速脈沖測量任務、CAN總線任務、水溫采樣任務、油量采樣任務、開關量處理任務、里程記錄及LCD顯示任務、步進電機驅動任務、WDT任務。任務間通過消息隊列和信號量進行通信和共享數據。系統主控程序如下：
　　
　　主程序在完成初始化(硬件初始化ARMtarge-tInit()、μC/OS-II初始化OSInit()、建立消息隊列等)工作后依次創建各任務，然后調用OSStart()啟動操作系統，啟動時鐘ARMTargetStart()。在μC/OS-II中，各任務都是并發的，但優先級不同，擁有各自的任務堆棧，不同任務間通過消息隊列和信號量進行通信和共享數據。任務采用無限循環結構，各任務通過延時或者等待信號量和消息隊列來放棄CPU的使用權，這樣在時鐘脈沖到來時產生中斷切換任務，系統轉而運行準備就緒的高優先級任務，當延時或信號量和消息隊列到來時，任務再次運行。系統采用TimerO定時中斷作為系統時鐘脈沖控制器，并在需要的任務中建立信號量。系統任務如下　　
　　1)車速脈沖測量任務：脈沖信號接EINTO,使用定時器1定時，測量t時間內脈沖數，并將數據發送到消息隊列。
　　
　　2)CAN總線任務：CAN總線任務等待中斷服務程序發送，接收CAN總線數據的信號量，獲得CPU使用權后，CAN總線任務處理CAN總線數據并將其發送到消息隊列，并再次等待接收信號量。
　　
　　3)水溫和油量采樣任務：定時采樣模擬量，并將采樣到的模擬量數值發送到消息隊列。
　　
　　4)開關量處理任務：根據開關量的狀態控制LED點亮或熄滅，延時。
　　
　　5)里程記錄及LCD顯示任務：當車速脈沖值累加至0.1km計數值，向本任務發出信號量，任務獲得信號量后進入準備就緒狀態，在任務調度時獲得CPU的使用權，顯示并記錄里程信息，運行后繼續等待接收信號量。
　　
　　6)步進電機驅動任務：首先等待消息隊列，再根據送出消息的任務識別出信息內容，根據隊列中的數據驅動步進電機旋轉相應的步數，運行后再次等待隊列中的消息。本任務賦予第2高優先級。
　　
　　7)WDT任務：用于監控，提高系統的可靠性，任務優先級zui高，延時。
　　
　　3.4CAN總線任務及步進電機驅動任務流程
　　
　　由于S3C44BOX的SIO接口的引腳與標準I/O端口復用，因此首先必須設置S3C44BOX的引腳57~引腳59為SIO接口，然后再通過配置SIO模塊對應的寄存器，使得SIO時序與MCP2510的SPI接口協議一致，可通過以下初始化SIO函數實現。　　
　　如圖5所示，初始化完成后，主程序發起CAN總線任務及步進電機驅動任務，兩個任務先后進入等待信號量和等待消息隊列，CAN總線發生中斷后，CAN是控制器局域網絡(ControllerAreaNetwork,CAN)的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發了的，并zui終成為標準(ISO118?8)。是上應用zui廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境中斷服務程序釋放信號量，使得CAN總線任務進入就緒狀態，在其獲得CPU控制權后，處理數據，然后將數據發送至消息隊列，從而使得步進電機驅動任務進入就緒狀態，電機任務通過任務調用獲得CPU使用權，再根據消息隊列中的數據計算出所需的驅動步數，驅動電機旋轉。
　　
　　4、結束語
　　
　　采用S3C44BOX與嵌入式實時操作系統μC/OS_II設計了一款高精度高、高靈敏度、工作穩定的嵌入式總線汽車數字儀表。S3C44BOX資源豐富、執行速度快，能擴展很多種功能，如IC卡、GPS、黑匣子等；加之嵌入式實時操作系統簡化了應用程序，可實時地調用系統任務，因此本汽車數字儀表系統能夠很好地解決汽車儀表邁向綜合信息化的問題。