基于單片機(jī)的汽車組合電子儀表

　　儀表是人和汽車的交互界面，為駕駛員提供所需的汽車運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件。儀表顯示的直觀與美觀使得駕駛不但是代步之必需，也成為舒適生活的一部分，而參數(shù)傳遞的準(zhǔn)確與可靠性則直接關(guān)系到汽車行駛的安全。
　　現(xiàn)代儀表最突出的特點(diǎn)是功能的模塊化，通常要組裝一塊儀表，只需將幾個(gè)功能模塊在定制PCB的基礎(chǔ)上聯(lián)合起來(lái)，就可以得到一個(gè)完整的系統(tǒng)。長(zhǎng)安等經(jīng)濟(jì)型汽車的指針儀表一般為獨(dú)立的模塊，提示/報(bào)警功能由PCB上的小燈泡完成?！ANTANA系列的指針由印刷電路板上的十字線圈驅(qū)動(dòng)，提示/報(bào)警燈全部是發(fā)光二極管。轎車的儀表板上顯示的主要數(shù)據(jù)、來(lái)源及對(duì)應(yīng)顯示方式如下表（根據(jù)SANTANA2000）：

　　可見(jiàn)目前的汽車儀表尚以機(jī)械式為主，通訊方式以線束為主。這種模式最大的弊病是過(guò)于依賴線束，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜。
　　隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尚有極大潛力的汽車電子市場(chǎng)正日漸受到各大汽車生產(chǎn)商與電子產(chǎn)品供應(yīng)商的關(guān)注，這其中包括尚處于開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)階段的清潔能源汽車、目前由日本占據(jù)世界市場(chǎng)領(lǐng)袖地位的車載音響設(shè)備、前途無(wú)量的車載計(jì)算機(jī)信息終端設(shè)備以及形形色色的車內(nèi)電控單元，如發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、ABS、總線、新型電子儀表等。
　　對(duì)汽車儀表而言，使用電子式儀表板較之傳統(tǒng)儀表的優(yōu)勢(shì)在于：
　　·硬件功能的軟件化：
　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的處理速度越來(lái)越快。一些實(shí)時(shí)性要求高，原本由硬件完成的功能，就完全可以通過(guò)對(duì)微處理器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　·系統(tǒng)集成度大大提高：
　　在大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的今天，集成電路的密度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能也越來(lái)越強(qiáng)大。隨著儀表的部分功能硬件不斷地被軟件取代，整個(gè)系統(tǒng)的集成度也在相應(yīng)提高。
　　本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于Freescale單片機(jī)的汽車組合儀表板。面向的是目前市場(chǎng)上占主流地位的傳統(tǒng)汽車，并引用長(zhǎng)安車的儀表為模板，目的主要在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)汽車組合電子儀表板的低端方案。
　　設(shè)計(jì)概述
　　本方案的對(duì)象主要包括車速、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、里程、時(shí)間以及一些提示/報(bào)警燈信號(hào)，分別體現(xiàn)在車速表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、油壓表、水溫表（指針）以及里程表上。其中，里程表定時(shí)記錄車速信號(hào)，在行車時(shí)間內(nèi)做數(shù)值積分，得到行駛公里數(shù)，作為里程保存在用戶Flash中。定時(shí)（1s）對(duì)里程數(shù)據(jù)做累加。
　　由于本設(shè)計(jì)面向的是大眾化的傳統(tǒng)汽車，成本成為器件選用的最重要標(biāo)準(zhǔn)。在微控制器的選型上，我們并未考慮前途光明但目前尚未普及的CAN總線，而是選擇了自帶液晶驅(qū)動(dòng)的8位微控制器LJ12。
　　MC68HC908LJ12是Freescale單片機(jī)908家族的一員，其主要參數(shù)與功能模塊如下：
　　·8M的最大總線頻率；
　　·12k用戶Flash；
　　·512b RAM；
　　·兩個(gè)獨(dú)立雙通道定時(shí)器模塊；
　　·內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可記錄年、月、日、時(shí)、分、秒；
　　·SCI與SPI通信模塊；
　　·6通道10位A/D；
　　·LCD模塊，可驅(qū)動(dòng)27×3或26×4的筆段式液晶模塊。
　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33970是Freescale模擬家族的一員，內(nèi)含6個(gè)寄存器，由SPI寫入命令狀態(tài)字，分別是配置/校準(zhǔn)寄存器、指針?biāo)俣燃拇嫫鳌⒅羔?/1位置寄存器、指針回零寄存器、歸零設(shè)置寄存器。MC33970的特點(diǎn)：
　　※ 兼容MMT認(rèn)證的兩相步進(jìn)電機(jī)；
　　※ 指針可停留在4095個(gè)穩(wěn)定的位置；
　　※ 最大轉(zhuǎn)角340°；
　　※ 最大加速度4500 deg/s2；
　　※ 最大速度400 deg/s；
　　※ 模擬微步（指針運(yùn)動(dòng)12步為1°）；
　　※ 指針校準(zhǔn)與回零；
　　※ SPI控制，16位命令字；
　　※ 內(nèi)部校準(zhǔn)時(shí)鐘；
　　※ 睡眠模式低電流。
　　硬件描述
　　LJ12芯片內(nèi)部有豐富的硬件資源，我們做了如下配置：
　　※ PLL：外部晶振32.768k；內(nèi)部總線倍頻至4M；
　　※ SCI：用于上位機(jī)通訊，比特率9600，中斷方式；
　　※ SPI：時(shí)鐘1M，作為MC33970的控制，用兩個(gè)通用管腳作為SPI的片選信號(hào)；
　　※ LCD：使用26×4模式，即26前極、4背極的模式，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)；因?yàn)樵O(shè)計(jì)中用到6位LCD模塊，所以使用FP1～FP12、BP0～BP3已經(jīng)足夠；
　　※ Flash：利用常駐內(nèi)存函數(shù)（ROM-Resident Routine）將里程數(shù)據(jù)以32位數(shù)據(jù)的形式保存于用戶閃存中。
　　選取SWITEC公司出品的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器。六位筆段式動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)液晶模塊，用于里程，單次里程或時(shí)間日期的顯示。出于習(xí)慣，汽車儀表需要一直保持帶電狀態(tài)，無(wú)需重置時(shí)間參數(shù)，為了方便演示，用兩個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)LCD顯示模式的切換。六個(gè)發(fā)光二極管分別用于顯示制動(dòng)、危險(xiǎn)、機(jī)油壓力、電瓶、發(fā)動(dòng)機(jī)以及空檔信息，利用MC1413作為發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)。
　　MC33970由微控制器的SPI直接驅(qū)動(dòng)；車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為脈寬調(diào)制信號(hào)或來(lái)自串口輸入，通過(guò)定時(shí)器模塊的輸入捕捉功能得到其頻率，換算得數(shù)據(jù)。
　　● 電源及掉電保護(hù)：
　　輸入端使用7805。為了在掉電的時(shí)候也可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個(gè)1000uF或兩個(gè)470uF的電解電容。電源斷開(kāi)的時(shí)候在IRQ管腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，大電容可以維持單片機(jī)電源足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得單片機(jī)可以完成外部中斷的服務(wù)程序。
　　● 調(diào)理電路：
　　為了改善波形，在定時(shí)器管腳外添加了調(diào)理電路。
　　● 整體設(shè)計(jì)：
　　本設(shè)計(jì)面向的是市場(chǎng)上的中低檔轎車，為了表現(xiàn)這個(gè)初衷，根據(jù)長(zhǎng)安轎車的儀表外殼及內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)了儀表的PCB，并重新布局。

　　軟件描述
　　● 初始化函數(shù)：
　　內(nèi)部總線倍頻至4M；設(shè)置定時(shí)器模塊的通道為捕捉功能；SCI波特率9600，開(kāi)接收中斷；SPI時(shí)鐘頻率1M；LCD模塊26×4模式；使能Real Time Clock模塊；MC33970與指針初始化；從用戶Flash中讀取先前記錄的里程數(shù)據(jù)，并根據(jù)ODO/TRIP信號(hào)加以顯示。
　　● 中斷服務(wù)程序：
　　　　·外部中斷：斷電后短時(shí)間內(nèi)利用大電容的放電使指針回零。
　　　　·SCI中斷：遵循一定的上位機(jī)協(xié)議，接受命令，改變LCD顯示內(nèi)容；改變車速和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。
　　　　·RTC中斷：每秒記錄一次里程數(shù)據(jù)；根據(jù)車速信號(hào)換算里程數(shù)據(jù)。
　　● 主函數(shù)：
　　定時(shí)讀取里程數(shù)據(jù)，并在LCD上顯示；每一次主循環(huán)結(jié)束的時(shí)候重啟WATCHDOG；當(dāng)車速或轉(zhuǎn)速信號(hào)改變之后通過(guò)指針位置的變化作出反應(yīng)。

　　以下是SWITEC公司出品的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片x15.089與MC33970的簡(jiǎn)單比較，然后得出結(jié)論。
　　● 卓越的性能：
　　下表是二者的性能比較，其中響應(yīng)的實(shí)時(shí)性好是MC33970最大的優(yōu)勢(shì)：
　　● 緊湊的結(jié)構(gòu)：
　　x15.089的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)是由微控制器的兩個(gè)管腳控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中一個(gè)管腳輸出方向控制信號(hào)，另一個(gè)管腳輸出脈沖。所以對(duì)應(yīng)控制每一路電機(jī)需要兩個(gè)單片機(jī)管腳，控制4路需要8個(gè)單片機(jī)的通用IO口。
　　MC33970則不同，由SPI輸入命令字，即可控制兩路步進(jìn)電機(jī)；需要4路步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候，使用兩片MC33970，但只需增加一根片選信號(hào)。這樣總共只需要SPI模塊和兩個(gè)通用IO，從而節(jié)省了單片機(jī)的資源。
　　● 有競(jìng)爭(zhēng)力的成本(數(shù)據(jù)由www.freescale.com獲得) ：
　　單片機(jī)LJ12大于10000片價(jià)格為單片RMB20，且由于內(nèi)嵌了LCD控制驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需外加SED1335一類的液晶驅(qū)動(dòng)器。
　　MC33970大于10000片價(jià)格為單片$1.3,RMB13，性價(jià)比高。
　　相比之下，SWITEC步進(jìn)電機(jī)312.017單價(jià)RMB18左右，驅(qū)動(dòng)芯片x15.089單價(jià)RMB16左右。
　　下面是一個(gè)成本估計(jì)的簡(jiǎn)表：

　　由上可以看出，在批量生產(chǎn)的情況下，作為一個(gè)全數(shù)字式系統(tǒng)，其總成本低于RMB150，大約在RMB120～140之間，具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。
　　● 綜上：
　　該方案是一個(gè)基于Freescale微控制器的汽車電子儀表板的低端方案，面向各種經(jīng)濟(jì)型汽車，具有功能齊備、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。