淺談嵌入式汽車(chē)數字儀表設計

1 引言

汽車(chē)儀表是駕駛員與汽車(chē)的信息交流界面，對汽車(chē)安全以及經(jīng)濟行駛具有重要作用。汽車(chē)儀表板的儀表不盡相同，但是一般汽車(chē)的常規儀表有車(chē)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(chē)上，汽車(chē)儀表還需要裝置穩壓器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)穩定儀表電源的電壓，抑制波動(dòng)幅度，以保證汽車(chē)儀表的精確性。另外，大部分儀表顯示的依據來(lái)自傳感器，傳感裝置根據被監測對象的狀態(tài)變化而改變其電阻值，通過(guò)儀表表述出來(lái)。 儀表板中最顯眼的是車(chē)速里程表，它表示汽車(chē)的時(shí)速，單位是km/h（公里/小時(shí)）。車(chē)速里程表實(shí)際上由兩個(gè)表組成，一個(gè)是車(chē)速表，另一個(gè)是里程表。近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)儀表顯示信息也不斷增加，而傳統機械指針式汽車(chē)組合儀表則無(wú)法滿(mǎn)足現在使用需求。特別是計算機、微電子和各種現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)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(chē)儀表發(fā)展的必然趨勢。本文給出一種嵌入式汽車(chē)數字儀表設計方案。

2 硬件設計

傳統的車(chē)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(gè)齒輪上，齒輪旋轉帶動(dòng)鋼絲纜旋轉，鋼絲纜帶動(dòng)里程表罩圈內一塊磁鐵旋轉，罩圈與指針聯(lián)接并通過(guò)游絲將指針置于零位，磁鐵旋轉速度的快慢引起磁力線(xiàn)大小的變化，平衡被打破指針因此被帶動(dòng)。這種車(chē)速里程表簡(jiǎn)單實(shí)用，被廣泛用于大小型汽車(chē)上。不過(guò)，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，現在很多轎車(chē)儀表已經(jīng)使用電子車(chē)速表，常見(jiàn)的一種是從變速器上的速度傳感器獲取信號，通過(guò)脈沖頻率的變化使指針偏轉或者顯示數字。汽車(chē)儀表需要處理的信號主要有：車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油量、以及各種開(kāi)關(guān)量或報警信號。其中，發(fā)動(dòng)機轉速信號和前后燈信號是從CAN總線(xiàn)（發(fā)動(dòng)機電控模塊和前后燈電控模塊）獲取，而車(chē)速信號、水溫、油量和其他開(kāi)關(guān)量信號從相應的傳感器獲取。

汽車(chē)數字儀表系統結構如圖1所示，本系統對車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、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(chǎn)生點(diǎn)、線(xiàn)、面配合背部燈管構成畫(huà)面。開(kāi)關(guān)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(fā)器80C250構成CAN節點(diǎn)，用于實(shí)現與汽車(chē)其他CAN節點(diǎn)間的通信。

2.1 MCU、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75 MHz,內部資源豐富。由于S3C44BOX內部無(wú)存儲器（內部SRAM用于緩存），因此必須采用總線(xiàn)擴展外部存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器，采用16 Mbit的：FlashSST39VF160及64 Mbit的SDRAM HY57V641620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(lái)存儲里程信息。AT24C04是4 Kbit的串行存儲器，采用I2C總線(xiàn)方式實(shí)現里程信息的存儲。I2C（Inter-Integrated Circuit）總線(xiàn)是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線(xiàn)標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線(xiàn)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 電源和復位電路

該汽車(chē)數字儀表系統采用汽車(chē)蓄電池供電，汽車(chē)蓄電池的電壓約為12 V,而該系統需采用5 V、2.5 V和3.3 V工作電壓，S3C44BOX內核工作電壓是2.5 V,I/O端口的工作電壓是3.3 V,調理電路以及一些驅動(dòng)器件需用5 V的工作電壓。因此，系統選用7805穩壓器作為5 V電壓轉換器，選用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分別作為2.5 V和3.3 V電壓轉換器。掉電時(shí)能夠及時(shí)存儲里程信息，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。復位電路采用專(zhuān)用的復位電路IPM811實(shí)現系統穩定啟動(dòng)。圖2為系統電源電路。

2.3 車(chē)速、水溫、油量以及開(kāi)關(guān)量的處理電路

由于汽車(chē)大多工作在惡劣環(huán)境下，將干擾車(chē)速傳感器信號，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對車(chē)速脈沖信號進(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理車(chē)速脈沖信號。車(chē)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(kāi)關(guān)量則經(jīng)過(guò)濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I/O端口。

2.4 CAN總線(xiàn)通信電路

S3C44BOX無(wú)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據位，也可在下降沿鎖存數據位，因此可通過(guò)設置S3C44BOX的SIO模塊所對應的寄存器實(shí)現上升沿發(fā)送數據，下降沿接收數據，從而與MCP2510的SPI總線(xiàn)時(shí)序相配合。CAN總線(xiàn)通信電路如圖4所示。

步進(jìn)電機表頭電路等。其中步進(jìn)電機選用Switec的汽車(chē)儀表專(zhuān)用步進(jìn)電機X15.168,以及專(zhuān)用四通道步進(jìn)電機驅動(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電平轉換。

3 軟件設計

3.1 操作系統

μC/OS-II是Jean J-Labrosse開(kāi)發(fā)的免費的、開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。μC/OS-II是一個(gè)基于優(yōu)先級的可剝奪型內核，系統所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級別，適用于實(shí)時(shí)性要求較強的場(chǎng)合。μC/OS-II提供多種系統服務(wù)，如消息郵箱、消息隊列、信號量管理以及時(shí)間延時(shí)等，實(shí)時(shí)內核使得CPU的利用更有效。

3.2 μC/OS-II在A(yíng)RM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(yǔ)言編寫(xiě)外，絕大部分代碼都采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，所以μC/OS-II的可移植性強。在A(yíng)RM上移植μC/OS-II主要編寫(xiě)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（定義數據類(lèi)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；OS_CPU_A.S主要完成OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）、OSTickISR（）等4個(gè)匯編函數的移植。

3.3 系統任務(wù)及分析

對一個(gè)具體的嵌入式應用系統任務(wù)劃分是實(shí)時(shí)操作系統應用軟件的關(guān)鍵，任務(wù)劃分是否合理將直接影響軟件設計質(zhì)量。本系統主要有8個(gè)任務(wù)，即車(chē)速脈沖測量任務(wù)、CAN總線(xiàn)任務(wù)、水溫采樣任務(wù)、油量采樣任務(wù)、開(kāi)關(guān)量處理任務(wù)、里程記錄及

LCD顯示任務(wù)、步進(jìn)電機驅動(dòng)任務(wù)、WDT任務(wù)。任務(wù)間通過(guò)消息隊列和信號量進(jìn)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(chuàng )建各任務(wù)，然后調用OSStart（）啟動(dòng)操作系統，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)先級不同，擁有各自的任務(wù)堆棧，不同任務(wù)間通過(guò)消息隊列和信號量進(jìn)行通信和共享數據。任務(wù)采用無(wú)限循環(huán)結構，各任務(wù)通過(guò)延時(shí)或者等待信號量和消息隊列來(lái)放棄CPU的使用權，這樣在時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)產(chǎn)生中斷切換任務(wù)，系統轉而運行準備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)，當延時(shí)或信號量和消息隊列到來(lái)時(shí)，任務(wù)再次運行。系統采用TimerO定時(shí)中斷作為系統時(shí)鐘脈沖控制器，并在需要的任務(wù)中建立信號量。系統任務(wù)如下：

1）車(chē)速脈沖測量任務(wù)：脈沖信號接EINTO,使用定時(shí)器1定時(shí)，測量t時(shí)間內脈沖數，并將數據發(fā)送到消息隊列。

2）CAN總線(xiàn)任務(wù)：CAN總線(xiàn)任務(wù)等待中斷服務(wù)程序發(fā)送，接收CAN總線(xiàn)數據的信號量，獲得CPU使用權后，CAN總線(xiàn)任務(wù)處理CAN總線(xiàn)數據并將其發(fā)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(wù)：定時(shí)采樣模擬量，并將采樣到的模擬量數值發(fā)送到消息隊列。

4）開(kāi)關(guān)量處理任務(wù)：根據開(kāi)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)：當車(chē)速脈沖值累加至0.1 km計數值，向本任務(wù)發(fā)出信號量，任務(wù)獲得信號量后進(jìn)入準備就緒狀態(tài)，在任務(wù)調度時(shí)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(jìn)電機驅動(dòng)任務(wù)：首先等待消息隊列，再根據送出消息的任務(wù)識別出信息內容，根據隊列中的數據驅動(dòng)步進(jìn)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(wù)賦予第2高優(yōu)先級。

7）WDT任務(wù)：用于監控，提高系統的可靠性，任務(wù)優(yōu)先級最高，延時(shí)。

3.4 CAN總線(xiàn)任務(wù)及步進(jìn)電機驅動(dòng)任務(wù)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(guò)配置SIO模塊對應的寄存器，使得SIO時(shí)序與MCP2510的SPI接口協(xié)議一致，可通過(guò)以下初始化SIO函數實(shí)現。

如圖5所示，初始化完成后，主程序發(fā)起CAN總線(xiàn)任務(wù)及步進(jìn)電機驅動(dòng)任務(wù)，兩個(gè)任務(wù)先后進(jìn)入等待信號量和等待消息隊列，CAN總線(xiàn)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(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國際標準（ISO118?8）。是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。 在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。近年來(lái)，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(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境中斷服務(wù)程序釋放信號量，使得CAN總線(xiàn)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，在其獲得CPU控制權后，處理數據，然后將數據發(fā)送至消息隊列，從而使得步進(jìn)電機驅動(dòng)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，電機任務(wù)通過(guò)任務(wù)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(dòng)步數，驅動(dòng)電機旋轉。

4 結束語(yǔ)

采用S3C44BOX與嵌入式實(shí)時(shí)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(xiàn)汽車(chē)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(shí)時(shí)操作系統簡(jiǎn)化了應用程序，可高效實(shí)時(shí)地調用系統任務(wù)，因此本汽車(chē)數字儀表系統能夠很好地解決汽車(chē)儀表邁向綜合信息化的問(wèn)題。