基于CAN總線汽車組合儀表的設(shè)計(jì)與研究-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)及外圍電路

步進(jìn)電機(jī)(Step motor)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰芿(或線位移S)的開環(huán)控制元件，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。工作原理是建立在被勵(lì)磁的定子電磁鐵吸引可選轉(zhuǎn)的銜鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，即靠磁鐵引力作用把電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率

和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。脈沖的個(gè)數(shù)決定了轉(zhuǎn)角的大小，而脈沖的頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。一般步進(jìn)電機(jī)可分為二相、三相、四相和六相。

本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)選用深圳偉力驅(qū)動(dòng)有限公司的VID29系列二相汽車儀表步進(jìn)電機(jī)。 vID29-XX/VID29~xXp儀表步進(jìn)電機(jī)是一種精密的步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，主要應(yīng)用于車輛的儀表指示盤，也可以用于其他儀器儀表裝置中，將數(shù)字信號(hào)直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為模擬的顯示輸出。VID29步進(jìn)電機(jī)需要兩路邏輯脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)如下:

可以工作于3.5V一10V的脈沖下;
輸出軸的步距角最小可以達(dá)到1/12⁰，最大角速度600⁰/s，輸出轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為315⁰。可用分步模式或微步模式驅(qū)動(dòng)。
選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)特種材料和汽車級(jí)特殊工程塑料，同時(shí)兼顧防火等安全性能;

采用具有最低噪聲和超低摩擦效果的特殊齒形，保證了馬達(dá)的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和性能。

步進(jìn)電機(jī)的分步驅(qū)動(dòng)控制模式:VID29步進(jìn)電機(jī)是經(jīng)三級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的，驅(qū)動(dòng)要求是用標(biāo)準(zhǔn)的SV邏輯電路電壓，可以以分步驅(qū)動(dòng)模式直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，電流需求為20mA。在分步模式下，每個(gè)脈沖可以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)600(即輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/3度)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向取決于施加在電機(jī)左右線圈上的周期性脈沖序列的相位差。如下圖所示，左線圈電壓UL相位超前于右線圈電壓UR時(shí)(相位差為/3)，VID29一XX系列的電機(jī)輸出軸將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，VID29一XXP系列的電機(jī)輸出軸將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

分步驅(qū)動(dòng)模式脈沖序列如圖4一14所示:

微步驅(qū)動(dòng)模式(細(xì)分驅(qū)動(dòng))脈沖序列如圖4-15所示:

它的轉(zhuǎn)速n(或線速度v)與脈沖頻率f成正比。步距角越小，指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度越小，儀表顯示的精度越高。步距角與脈沖頻率的關(guān)系可用以下關(guān)系式來(lái)計(jì)算:

φ=180*f/(I*S)
式中φ:步進(jìn)電機(jī)的步距角
f:脈沖頻率
I:電機(jī)齒輪減速比
S:驅(qū)動(dòng)模式分布數(shù)(分步/微步)

步進(jìn)電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。

由于H128內(nèi)部集成了6個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所以無(wú)需擴(kuò)展電路即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與H128硬件接口電路的連接。通過(guò)分布驅(qū)動(dòng)模式，每個(gè)脈沖可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1/3度，滿足汽車儀表的精度要求(如需更高精度，可通過(guò)擴(kuò)展微步驅(qū)動(dòng)芯片，使步進(jìn)電機(jī)每個(gè)步為1八2度)。步進(jìn)電機(jī)與H128的硬件連接如圖4一16:

圖中PUO一PU7，PVO一PV7，PWO一PW7直接與H128的輸出引腳連接。由于各步進(jìn)電機(jī)直接由H128驅(qū)動(dòng)，所以可以通過(guò)修改程序數(shù)據(jù)輸出接口辦法改變步進(jìn)電機(jī)布置。

4.8 復(fù)位電路及E²PROM設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)通常是在一個(gè)特定的客觀環(huán)境下為完成或?qū)崿F(xiàn)某種功能而設(shè)計(jì)的，因此系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，勢(shì)必會(huì)受到各種外界干擾因素的影響。這種外界干擾因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò)，甚至?xí)?yán)重影響程序的運(yùn)行，使單片機(jī)受到干擾失控導(dǎo)致導(dǎo)致程序跑飛或陷入死循環(huán)，通過(guò)采取一定的軟硬件措施使程序脫離死循環(huán)或重新運(yùn)行。

本系統(tǒng)采取了外擴(kuò)芯片實(shí)現(xiàn)的硬件方式，選取xlc0R公司的x5045[sll。集成了看門狗定時(shí)器、EZPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、和電源監(jiān)測(cè)為一體，采用SPI的方式與MCU相連，用于低電壓復(fù)位信號(hào)的單片機(jī)(H128為低電壓復(fù)位)。因其體積小、占用UO口少等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域 。

CS:芯片選擇輸入端，當(dāng)CS為低電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)
50:串行數(shù)據(jù)輸出端，在串行時(shí)鐘的下降沿，數(shù)據(jù)通過(guò)50端移位輸出
Sl:串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的上升沿鎖存
SCK:串行時(shí)鐘，，為數(shù)據(jù)讀/寫提供串行總線定時(shí)
WP:寫保護(hù)輸入端，當(dāng)WP為低電平時(shí)，向X5045的寫操作被禁止，但器件的其他功能正常。
RESET:復(fù)位信號(hào)輸出端。

x5045除了wTD(看門狗)功能外，另一個(gè)重要的基本功能就是作為EZPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，內(nèi)部包含 512xs的串行EZPROM，以保證系統(tǒng)在掉電后仍可維持重要數(shù)據(jù)不變。x5045與H128采用SPI總線接口連接方式，程序，獲得準(zhǔn)確的脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，并將此值傳送給X5045存儲(chǔ)。X5045是理想的自動(dòng)貯存非易失性SRAM，內(nèi)部含有EEPROM，存儲(chǔ)容量256bit，能夠在失去vCc的時(shí)候自動(dòng)執(zhí)行存儲(chǔ)操作 (SRAM—EEPRoM)，非常適合對(duì)里程的累計(jì)記錄。芯片內(nèi)部包含一個(gè)指令移位寄存器，該寄存器可以通過(guò)SPI來(lái)訪問(wèn)。X5045與H128連接的電路如圖4一18所示:

其中PKO一PK3、RESET分別與H128上相應(yīng)的管腳相連。

4.9 其他外圍器件電路設(shè)計(jì)

4.9.1 晶振電路

本系統(tǒng)所用的晶振為SMHZ，分別對(duì)應(yīng)接到H128單片機(jī)的引腳XTAL和EXTAL上，然后利用其內(nèi)部壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）把這個(gè)頻率提高到25MHZ，作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。

4.9.2 儀表背光調(diào)節(jié)電路

儀表背光在汽車啟動(dòng)后常亮，駕駛員可根據(jù)各環(huán)境下外部光線的明暗度對(duì)汽車儀表的背光進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最合適的感官效果。儀表背光電路通過(guò)調(diào)節(jié)電位器改變電阻值，從而改變電流的大小，MCU根據(jù)接受到的信號(hào)的值來(lái)改變PWM脈寬占空比的輸出，從而改變背光的明暗度1401.調(diào)節(jié)電路圖如圖4一19：

其中開關(guān)SWI為一可調(diào)電阻，通過(guò)改變電阻的大小控制電流，輸出到H128的A/D轉(zhuǎn)換接口RAD07，MCU根據(jù)周D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)調(diào)整PWMI的輸出占空比，輸出接口CONV得到的模擬量和占空比有關(guān)，如占空比為1：1，則得到的電壓值就為Vmax的1/2，即2.5v.占空比的改變使得輸出電壓變化，從而使儀表背光顯示的亮度改變131].輸出背光調(diào)節(jié)電路如圖4一20：

其程序流程圖比較簡(jiǎn)單，直接在此進(jìn)行了分析，如圖4一21所示：

4.9.3 狀態(tài)指示燈電路在汽車儀表的電路

設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)外圍電子元件的布置采用正控（開關(guān)控制正極電路）和負(fù)控（開關(guān)控制負(fù)極電路）相結(jié)合的方式來(lái)控制各種狀態(tài)指示燈，同樣在本儀表也采用了這種設(shè)計(jì)方法。功能指示燈都采普亮的發(fā)光二極管，而儀表照明則采用的高亮度發(fā)光二極管，分有紅、黃、綠三種顏色，對(duì)應(yīng)不同的顯示和警告信息。發(fā)光二極管及其對(duì)應(yīng)的限流電阻，我們都采用了貼片封裝的元件。

同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后，如發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高，由MCU控制對(duì)應(yīng)的故障燈會(huì)閃爍。發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，其指示一般顯示為紅色，并伴隨有蜂鳴器報(bào)警。

4.9.4 語(yǔ)音報(bào)警電路

設(shè)計(jì)本儀表系統(tǒng)有蜂鳴器報(bào)警模塊，主要是為了提醒駕駛員注意相關(guān)的危險(xiǎn)信息，如：水溫過(guò)高，水位過(guò)低，機(jī)油壓力過(guò)低、變速箱故障等等。MCU將采樣得到的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在EZPRoM單元中的允許數(shù)值變化范圍比較，如果超過(guò)額定范圍，則發(fā)出信息到輸出端口，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示燈閃爍。在下次的采樣過(guò)程中，如果采集的數(shù)據(jù)在額定范圍之間，則蜂鳴器解除報(bào)警，狀態(tài)指示燈熄滅。

本系統(tǒng)選用的蜂鳴器為頻繁短促鳴叫，頻率為2.6KHz，音量大小為75db.由于系統(tǒng)UO端口資源非常豐富，可以共用一個(gè)端口，也可以單獨(dú)占用一個(gè)端口，單獨(dú)占用端口，有利于故障維修檢查，本系統(tǒng)在H128上預(yù)留BPO一BP3為報(bào)警電路輸出端口。

4.9.5 時(shí)鐘發(fā)生器

電路RTC模塊（實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路）有巧個(gè)內(nèi)存映射寄存器，通過(guò)秒、分鐘、小時(shí)計(jì)數(shù)器提供的時(shí)間；通過(guò)星期、日、月份、年提供日歷功能。以上計(jì)數(shù)器每次加1時(shí)都可以產(chǎn)生中斷，并分別對(duì)相應(yīng)的中斷標(biāo)志置位，如果相應(yīng)的中斷被允許則可以產(chǎn)生CPU中斷請(qǐng)求。

用于驅(qū)動(dòng)時(shí)間和日歷的IHZ時(shí)鐘使內(nèi)嵌的補(bǔ)償單元能夠補(bǔ)償晶振的誤差，這樣通過(guò)頻率補(bǔ)償機(jī)制能夠使IHZ時(shí)鐘獲得用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)模塊的晶振更高的精度。

補(bǔ)償值可以在模塊的校準(zhǔn)操作時(shí)通過(guò)應(yīng)用軟件設(shè)置或自動(dòng)獲取澎].計(jì)時(shí)功能是通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘頻率為128Hz（CGMXCLK/256）的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這個(gè)計(jì)數(shù)器可以在任何時(shí)候開始、。停止和清除。這個(gè)計(jì)數(shù)器的值被換算到looHZ對(duì)應(yīng)的值，并存儲(chǔ)到計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器中（chronographdatarcgister）。因此，數(shù)據(jù)寄存器中的值為O一99，每增加1代表1/1005（loms）。數(shù)據(jù)寄存器的值滿足以下關(guān)系式：S=「（128HzeountervalueX25）+16]/32計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的精度是士sms.

4.10 PCB板的設(shè)計(jì)

在以往儀表電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，儀表的電路通常是在儀表背后附上一層軟性塑料（撓性塑料），在塑料上覆銅進(jìn)行電路連接，這種接法通常適用于比較簡(jiǎn)單的電路。由于電子技術(shù)的發(fā)展，軟性塑料已不能滿足儀表功能繁多的要求，并逐漸為

硬質(zhì)板取代。也就是印制板，通常所說(shuō)的PcB板 。

電路板設(shè)計(jì)與電路圖設(shè)計(jì)不同之處在于，電路板屬于比較實(shí)體化的東西，而電路圖屬于比較抽象的東西。所以，在設(shè)計(jì)電路圖時(shí)，比較著重于電路的電氣性質(zhì)。而在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，比較著重于電路的實(shí)際尺寸與空間配置（立體）。下面就電路板的設(shè)計(jì)分為以下幾步；

第一步，先設(shè)計(jì)電路圖，確定元件的排序和元件的封裝（Footprint），然后通過(guò)程序所提供的ERC檢查。
第二步，電路圖設(shè)計(jì)完成后，利用CreateNetlist功能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表。
第三步，進(jìn)入PCB編輯器，首先定義板框，即板子的大小、板層數(shù)與形狀。
第四步，加載網(wǎng)絡(luò)表，如果網(wǎng)絡(luò)表（或電路圖）有錯(cuò)誤，或接口上的問(wèn)題，將會(huì)在此階段中出現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，重新會(huì)到電路圖進(jìn)行修改。
第五步，布置元件，這項(xiàng)工作是電路板設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)、最麻煩也是影響最大的工作。
第六步，定義設(shè)計(jì)規(guī)則，進(jìn)行手工布線或自動(dòng)布線。
第七步，完成布線后，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證檢查。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，即可存盤輸出。

印制板通常有紙質(zhì)覆銅板、環(huán)氧樹脂板、玻纖板等，在這里考慮到價(jià)格的因素以及性能的要求，我們選取環(huán)氧樹脂板，其價(jià)格適中，也能滿足汽車運(yùn)行的工作環(huán)境，PCB采用雙面布線，并在部分信號(hào)電路增加焊盤測(cè)點(diǎn)，以利于儀表電路功能的檢測(cè)，減少故障返修率。