淺談嵌入式汽車數(shù)字儀表設(shè)計(jì)

1 引言

汽車儀表是駕駛員與汽車的信息交流界面，對(duì)汽車安全以及經(jīng)濟(jì)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(guī)儀表有車速里程表、轉(zhuǎn)速表、機(jī)油壓力表、水溫表、燃油表、充電表等。 現(xiàn)代汽車上，汽車儀表還需要裝置穩(wěn)壓器，專門用來穩(wěn)定儀表電源的電壓，抑制波動(dòng)幅度，以保證汽車儀表的精確性。另外，大部分儀表顯示的依據(jù)來自傳感器，傳感裝置根據(jù)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)變化而改變其電阻值，通過儀表表述出來。 儀表板中最顯眼的是車速里程表，它表示汽車的時(shí)速，單位是km/h（公里/小時(shí)）。車速里程表實(shí)際上由兩個(gè)表組成，一個(gè)是車速表，另一個(gè)是里程表。近年來，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車儀表顯示信息也不斷增加，而傳統(tǒng)機(jī)械指針式汽車組合儀表則無法滿足現(xiàn)在使用需求。特別是計(jì)算機(jī)、微電子和各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)廣泛運(yùn)用，以嵌入式微處理器為核心的智能化數(shù)字式儀表將是汽車儀表發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文給出一種嵌入式汽車數(shù)字儀表設(shè)計(jì)方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的車速表是機(jī)械式的，典型的機(jī)械式里程表連接一根軟軸，軟軸內(nèi)有一根鋼絲纜，軟軸另一端連接到變速器某一個(gè)齒輪上，齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲纜旋轉(zhuǎn)，鋼絲纜帶動(dòng)里程表罩圈內(nèi)一塊磁鐵旋轉(zhuǎn)，罩圈與指針聯(lián)接并通過游絲將指針置于零位，磁鐵旋轉(zhuǎn)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(dòng)。這種車速里程表簡(jiǎn)單實(shí)用，被廣泛用于大小型汽車上。不過，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多轎車儀表已經(jīng)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(hào)，通過脈沖頻率的變化使指針偏轉(zhuǎn)或者顯示數(shù)字。汽車儀表需要處理的信號(hào)主要有：車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量、以及各種開關(guān)量或報(bào)警信號(hào)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和前后燈信號(hào)是從CAN總線（發(fā)動(dòng)機(jī)電控模塊和前后燈電控模塊）獲取，而車速信號(hào)、水溫、油量和其他開關(guān)量信號(hào)從相應(yīng)的傳感器獲取。

汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本系統(tǒng)對(duì)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫和油量信息采用步進(jìn)表頭顯示，里程信息采用LCD顯示，LCD（Liquid Crystal Display），為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)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(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。開關(guān)量或報(bào)警信號(hào)采用LED顯示，串口EEPROM用于存儲(chǔ)里程信息。采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510與收發(fā)器80C250構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點(diǎn)間的通信。

2.1 MCU、外擴(kuò)存儲(chǔ)器和里程存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)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(dá)75 MHz,內(nèi)部資源豐富。由于S3C44BOX內(nèi)部無存儲(chǔ)器（內(nèi)部SRAM用于緩存），因此必須采用總線擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用16 Mbit的：FlashSST39VF160及64 Mbit的SDRAM HY57V641620分別作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)還采用一片AT24C04存儲(chǔ)器件來存儲(chǔ)里程信息。AT24C04是4 Kbit的串行存儲(chǔ)器，采用I2C總線方式實(shí)現(xiàn)里程信息的存儲(chǔ)。I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電源和復(fù)位電路

該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)采用汽車蓄電池供電，汽車蓄電池的電壓約為12 V,而該系統(tǒng)需采用5 V、2.5 V和3.3 V工作電壓，S3C44BOX內(nèi)核工作電壓是2.5 V,I/O端口的工作電壓是3.3 V,調(diào)理電路以及一些驅(qū)動(dòng)器件需用5 V的工作電壓。因此，系統(tǒng)選用7805穩(wěn)壓器作為5 V電壓轉(zhuǎn)換器，選用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分別作為2.5 V和3.3 V電壓轉(zhuǎn)換器。掉電時(shí)能夠及時(shí)存儲(chǔ)里程信息，電源地需接一只1 000 μF的電容。掉電時(shí)，大電容可以確保S3C44BOX工作一段時(shí)間，完成里程信息的存儲(chǔ)。復(fù)位電路采用專用的復(fù)位電路IPM811實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。圖2為系統(tǒng)電源電路。

2.3 車速、水溫、油量以及開關(guān)量的處理電路

由于汽車大多工作在惡劣環(huán)境下，將干擾車速傳感器信號(hào)，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對(duì)車速脈沖信號(hào)進(jìn)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(diào)理車速脈沖信號(hào)。車速脈沖調(diào)理電路如圖3所示。

水溫、油量信號(hào)是電阻信號(hào)，須轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再將其電壓信號(hào)輸入至S3C44BOX的AD端口。而其他開關(guān)量則經(jīng)過濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I/O端口。

2.4 CAN總線通信電路

S3C44BOX無SPI接口，但有SIO接口，SIO模塊的發(fā)送和接收既可在上升沿鎖存數(shù)據(jù)位，也可在下降沿鎖存數(shù)據(jù)位，因此可通過設(shè)置S3C44BOX的SIO模塊所對(duì)應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)，從而與MCP2510的SPI總線時(shí)序相配合。CAN總線通信電路如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)表頭電路等。其中步進(jìn)電機(jī)選用Switec的汽車儀表專用步進(jìn)電機(jī)X15.168,以及專用四通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 操作系統(tǒng)

μC/OS-II是Jean J-Labrosse開發(fā)的免費(fèi)的、開源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-II是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)別，適用于實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場(chǎng)合。μC/OS-II提供多種系統(tǒng)服務(wù)，如消息郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量管理以及時(shí)間延時(shí)等，實(shí)時(shí)內(nèi)核使得CPU的利用更有效。

3.2 μC/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(guān)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(qiáng)。在ARM上移植μC/OS-II主要編寫3個(gè)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(shù)據(jù)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(gè)函數(shù)；OS_CPU_A.S主要完成OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）、OSTickISR（）等4個(gè)匯編函數(shù)的移植。

3.3 系統(tǒng)任務(wù)及分析

對(duì)一個(gè)具體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)劃分是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的關(guān)鍵，任務(wù)劃分是否合理將直接影響軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量。本系統(tǒng)主要有8個(gè)任務(wù)，即車速脈沖測(cè)量任務(wù)、CAN總線任務(wù)、水溫采樣任務(wù)、油量采樣任務(wù)、開關(guān)量處理任務(wù)、里程記錄及

LCD顯示任務(wù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)、WDT任務(wù)。任務(wù)間通過消息隊(duì)列和信號(hào)量進(jìn)行通信和共享數(shù)據(jù)。系統(tǒng)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(duì)列等）工作后依次創(chuàng)建各任務(wù)，然后調(diào)用OSStart（）啟動(dòng)操作系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)鐘ARMTargetStart（）。在μC/OS-II中，各任務(wù)都是并發(fā)的，但優(yōu)先級(jí)不同，擁有各自的任務(wù)堆棧，不同任務(wù)間通過消息隊(duì)列和信號(hào)量進(jìn)行通信和共享數(shù)據(jù)。任務(wù)采用無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，各任務(wù)通過延時(shí)或者等待信號(hào)量和消息隊(duì)列來放棄CPU的使用權(quán)，這樣在時(shí)鐘脈沖到來時(shí)產(chǎn)生中斷切換任務(wù)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而運(yùn)行準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，當(dāng)延時(shí)或信號(hào)量和消息隊(duì)列到來時(shí)，任務(wù)再次運(yùn)行。系統(tǒng)采用TimerO定時(shí)中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖控制器，并在需要的任務(wù)中建立信號(hào)量。系統(tǒng)任務(wù)如下：

1）車速脈沖測(cè)量任務(wù)：脈沖信號(hào)接EINTO,使用定時(shí)器1定時(shí)，測(cè)量t時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列。

2）CAN總線任務(wù)：CAN總線任務(wù)等待中斷服務(wù)程序發(fā)送，接收CAN總線數(shù)據(jù)的信號(hào)量，獲得CPU使用權(quán)后，CAN總線任務(wù)處理CAN總線數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到消息隊(duì)列，并再次等待接收信號(hào)量。

3）水溫和油量采樣任務(wù)：定時(shí)采樣模擬量，并將采樣到的模擬量數(shù)值發(fā)送到消息隊(duì)列。

4）開關(guān)量處理任務(wù)：根據(jù)開關(guān)量的狀態(tài)控制LED點(diǎn)亮或熄滅，延時(shí)。

5）里程記錄及LCD顯示任務(wù)：當(dāng)車速脈沖值累加至0.1 km計(jì)數(shù)值，向本任務(wù)發(fā)出信號(hào)量，任務(wù)獲得信號(hào)量后進(jìn)入準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，在任務(wù)調(diào)度時(shí)獲得CPU的使用權(quán)，顯示并記錄里程信息，運(yùn)行后繼續(xù)等待接收信號(hào)量。

6）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)：首先等待消息隊(duì)列，再根據(jù)送出消息的任務(wù)識(shí)別出信息內(nèi)容，根據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù)，運(yùn)行后再次等待隊(duì)列中的消息。本任務(wù)賦予第2高優(yōu)先級(jí)。

7）WDT任務(wù)：用于監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性，任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，延時(shí)。

3.4 CAN總線任務(wù)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)流程

由于S3C44BOX的SIO接口的引腳與標(biāo)準(zhǔn)I/O端口復(fù)用，因此首先必須設(shè)置S3C44BOX的引腳57~引腳59為SIO接口，然后再通過配置SIO模塊對(duì)應(yīng)的寄存器，使得SIO時(shí)序與MCP2510的SPI接口協(xié)議一致，可通過以下初始化SIO函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

如圖5所示，初始化完成后，主程序發(fā)起CAN總線任務(wù)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，兩個(gè)任務(wù)先后進(jìn)入等待信號(hào)量和等待消息隊(duì)列，CAN總線發(fā)生中斷后，CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境中斷服務(wù)程序釋放信號(hào)量，使得CAN總線任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，在其獲得CPU控制權(quán)后，處理數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至消息隊(duì)列，從而使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，電機(jī)任務(wù)通過任務(wù)調(diào)用獲得CPU使用權(quán)，再根據(jù)消息隊(duì)列中的數(shù)據(jù)計(jì)算出所需的驅(qū)動(dòng)步數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

采用S3C44BOX與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS_II設(shè)計(jì)了一款高精度高、高靈敏度、工作穩(wěn)定的嵌入式總線汽車數(shù)字儀表。S3C44BOX資源豐富、執(zhí)行速度快，能擴(kuò)展很多種功能，如IC卡、GPS、黑匣子等；加之嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序，可高效實(shí)時(shí)地調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)，因此本汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)能夠很好地解決汽車儀表邁向綜合信息化的問題。