基于MC9S12XHZ512的汽車組合儀表設(shè)計(jì)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
現(xiàn)在的汽車儀表也有以微處理器、針式儀表盤、CAN總線、指示燈、帶記錄存儲功能的儀表，但這種汽車儀表沒有模擬量采樣復(fù)用和步進(jìn)電機(jī)。模擬量采樣復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓、電阻信號采樣的復(fù)用，通過電阻網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整可以設(shè)置單個(gè)采樣端口的采樣信號類型，因此可以適應(yīng)多種傳感器，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。而使用步進(jìn)電機(jī)可以非常精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動軸位置，而不需要昂貴的傳感器和控制電路，跟蹤所加輸入脈沖數(shù)可知其位置，且步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動和停止響應(yīng)功能。因此，為了能夠滿足汽車儀表高抗干擾能力、高可靠性、高集成度、多功能和智能化的需求，本文設(shè)計(jì)了一種帶有模擬量采樣復(fù)用和帶有步進(jìn)電機(jī)的總線式汽車智能組合儀表。
1 儀表結(jié)構(gòu)的組成原理
儀表的組成模塊如圖1所示，由采集控制模塊、顯示模塊和外圍電路模塊組成。顯示模塊和外圍電路模塊均與采集控制模塊相連。采集控制模塊包括主處理器和輸入輸出模塊，輸入輸出模塊與主處理器相連。顯示模塊包括顯示接口模塊和顯示處理器，并且互相連接。采集控制模塊中的模擬量采樣復(fù)用電路，包括電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電路和模擬量復(fù)用輸入信號前級處理電路，經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電路調(diào)整后的輸入信號，經(jīng)模擬量復(fù)用輸入信號前級處理電路選擇，傳輸至采集控制模塊的主處理器。
2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動設(shè)計(jì)
車速表、轉(zhuǎn)速表、油位表和水溫表均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。硬件設(shè)計(jì)時(shí)只需用引線將單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)連接即可。圖2為單獨(dú)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作在雙全橋模式時(shí)的連接方法，它由兩個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)通道控制，通道X控制線圈0，通道X+1控制線圈1。實(shí)際電路的原理圖如圖3所示，M1、M2、M3和M4分別為車速表、轉(zhuǎn)速表、油位表和水溫表。
2.2 利用實(shí)時(shí)中斷RTI控制步進(jìn)電機(jī)
為了解決實(shí)時(shí)性問題，采用實(shí)時(shí)中斷RTI來控制步進(jìn)電機(jī)。RTI是時(shí)鐘和復(fù)位發(fā)生器中的一個(gè)子模塊，可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。本文采用的分頻系數(shù)為3×215，即F=8 M/3×215=81.38 Hz，每次中斷間隔時(shí)間t=1/81.38=12.3 ms。微控制器每12.3 ms改變一次所有步進(jìn)電機(jī)的輸出，進(jìn)而改變步進(jìn)電機(jī)的指針位置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的控制方式是雙四拍的時(shí)候，每次中斷都給指令(永久磁體)使其轉(zhuǎn)動90°(一個(gè)分步)，即每經(jīng)過4次實(shí)時(shí)中斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周(一個(gè)全步)。在RTI實(shí)時(shí)中斷間隔內(nèi)可以運(yùn)行另外的程序。
因?yàn)橛臀槐?、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表和水溫表的數(shù)據(jù)都是從CAN總線傳過來的，所以將這三塊表的程序整理到同一個(gè)模塊中，轉(zhuǎn)速表和水溫表的函數(shù)功能與油位表相同。程序流程圖如圖4所示。
利用實(shí)時(shí)中斷控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，每次中斷步進(jìn)電機(jī)只能走一分步，因?yàn)橐恢苤畠?nèi)的四分步在引腳的輸出不同，所以首先要判斷轉(zhuǎn)子處在哪個(gè)位置。每次中斷都要判斷步進(jìn)電機(jī)的變量是否更新，并且判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，以決定調(diào)用哪個(gè)單步函數(shù)。
3 模擬量采樣復(fù)用電路設(shè)計(jì)
本儀表設(shè)計(jì)的模擬量采集復(fù)用電路能夠通過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)現(xiàn)電壓、電流、電阻信號的測量，如圖5所示。
(1)當(dāng)接入的模擬量為電壓信號時(shí)，電路調(diào)整如圖6所示。
(2)當(dāng)接入的模擬量為電流信號時(shí)，電路調(diào)整如圖7所示。
該電路在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)需要采樣的信號類型、信號范圍以及芯片模擬量接口基準(zhǔn)電壓的值計(jì)算并確定電阻網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)電阻的大小。
本設(shè)計(jì)是基于飛思卡爾MC9S12XHZ512單片機(jī)的智能組合儀表，其中的模擬量采樣復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)分別接入采樣電流、電壓、電阻信號，可以適用于多種傳感器，提高了儀表系統(tǒng)的靈活性。為了能使步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，開發(fā)了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動程序，采用實(shí)時(shí)中斷控制步進(jìn)電機(jī)，很好地滿足了汽車儀表高抗干擾能力、高可靠性、高集成度、多功能和智能化的需求。
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