基于MC9S12HY32的電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)設計

電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)是一種集LED、LCD顯示技術(shù)、步進(jìn)電機控制技術(shù)于一體，適應電動(dòng)汽車(chē)電子化、數字化、信息化發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品，它是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的窗口，是一個(gè)多信息顯示平臺，顯示電機狀態(tài)、電池組狀態(tài)、行駛信息、底盤(pán)信息、指示報警等其它信息。Freescale的S12HY32是汽車(chē)儀表盤(pán)設計專(zhuān)用16位MCU，筆者以S12HY32為核心設計了一款電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)，它采用步進(jìn)電機進(jìn)行指針的指示，具有很好的數據控制特性，并能及時(shí)反映汽車(chē)加減速、電壓電流上升與下降等各種工況，提高了整個(gè)系統的平穩性和定位精度，同時(shí)保留了機械指針指示的直觀(guān)、有動(dòng)感、符合駕駛員習慣等優(yōu)點(diǎn)。采用LED顯示轉向燈、遠近光變換、車(chē)門(mén)狀態(tài)、安全帶未系提示、充電指示、報警等狀態(tài)^【1】，采用LCD數字顯示里程表和故障狀態(tài)。本文介紹S12HY32的功能特性和應用要點(diǎn)，并剖析電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)的設計原理和軟硬件結構。

MC9S12HY32是一款可擴展入門(mén)級的汽車(chē)儀表盤(pán)應用16位微控制器，集16位性能和許多專(zhuān)用功能于一身^【2】，如LCD驅動(dòng)和步進(jìn)電機驅動(dòng)，同時(shí)服務(wù)于需要CAN/LIN的應用，非常適合經(jīng)濟高效的汽車(chē)儀表盤(pán)應用。其芯片資源及特性如下^【3】：

1、32MHz總線(xiàn)頻率的HCS12 CPU內核；

2、帶有ECC（錯誤校正碼）的32KB程序閃存和4KB數據閃存，4KB片內SRAM；

3、字段式LCD控制器，最多可配置為40x4段；

4、4個(gè)步進(jìn)電機控制器，可以進(jìn)行電機失速檢測；

5、兩個(gè)16位定時(shí)器模塊，可提供16位輸入捕捉、輸出比較、計數和脈沖累加器功能；

6、8通道10位逐次逼近型ADC；

7、SPI/I2C模塊，一個(gè)SCI模塊，支持 LIN 2.0、2.1 和 SAE J2602 通信；

8、MSCAN模塊，支持 CAN 協(xié)議 2.0A/B。

儀表盤(pán)由CAN總線(xiàn)接口、信號采集電路、步進(jìn)電機、LCD、LED、報警裝置組成，用于各種工況下汽車(chē)運行信息的采集和顯示，圖1給出了儀表盤(pán)硬件結構，下面結合S12HY32的內部資源介紹下儀表盤(pán)的硬件設計。

圖1 儀表盤(pán)硬件結構圖

S12HY32內部資源專(zhuān)為儀表應用而設計，4個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)器可以進(jìn)行車(chē)速、電機轉速、電流和電池組電壓的指針指示，LCD控制器可以控制字段式LCD顯示總里程、小計里程和電機故障信息，內部有MSCAN模塊支持CAN總線(xiàn)應用，可以通過(guò)CAN總線(xiàn)獲取一些關(guān)鍵信息，同時(shí)保留直接進(jìn)行信息采集的能力：內置定時(shí)捕捉模塊可以進(jìn)行車(chē)速/電機轉速脈沖的捕捉與統計，內置ADC進(jìn)行電機溫度等模擬量的采集。下面以車(chē)速信號檢測為例介紹下儀表盤(pán)電路設計。

車(chē)速是儀表盤(pán)需要顯示的關(guān)鍵信息，根據汽車(chē)原理和拓撲結構，車(chē)速信號來(lái)源是CAN總線(xiàn)或者車(chē)速傳感器。車(chē)速傳感器輸出0-12V的脈沖信號，其信號頻率大小與車(chē)速值大小成線(xiàn)性關(guān)系，隨車(chē)速增加而增加^【4】，通過(guò)圖2所示的整形電路將車(chē)速傳感器信號轉換為TTL電平，然后通過(guò)定時(shí)捕捉模塊捕捉脈沖信號的上升沿或下降沿，進(jìn)行統計分析即可得到車(chē)速大小。

圖2 車(chē)速信號檢測電路

因為沒(méi)有采用操作系統，軟件設計采用循環(huán)體+中斷的軟件結構^【5】，主循環(huán)體完成主體功能，中斷服務(wù)程序進(jìn)行底層協(xié)議設計和驅動(dòng)管理，軟件流程圖如圖3所示，下面簡(jiǎn)單介紹一下該流程。首先進(jìn)行全局變量和所用外設（包括IO、PWM、TIMER、SCI、CAN、LCD、MOTOR CONTROLLER）的初始化，初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)，然后在循環(huán)體內依次進(jìn)行定時(shí)器管理、開(kāi)關(guān)信號檢測、車(chē)速檢測、CAN通訊管理、里程計算及存儲、報警控制、LCD控制和步進(jìn)電機控制。各軟件模塊次序如圖三所示。下面以車(chē)速檢測為例介紹下軟件的詳細設計。

圖3 軟件流程圖

車(chē)速信號整形后得到TTL脈沖，S12HY32的定時(shí)捕捉模塊以中斷的方式捕捉脈沖的沿變化^【6】，在中斷處理函數中進(jìn)行脈沖個(gè)數累加。設計脈沖統計結構體和一200ms的周期定時(shí)器，采用“滑動(dòng)時(shí)間窗口脈沖統計法”進(jìn)行車(chē)速的計算，脈沖統計結構體設計如下：

在上述結構體中，cnt表示脈沖個(gè)數，bank表示數據是否有效?；瑒?dòng)時(shí)間窗口脈沖統計法設計如下：

定義成員個(gè)數為6的脈沖統計結構體數組Speed_pulse[6]，周期性存儲車(chē)速脈沖個(gè)數，脈沖率等價(jià)于一秒內的脈沖個(gè)數，則有公式如下：

脈沖頻率=(Speed_pulse[5].cnt-Speed_pulse[0].cnt) (2-1)

車(chē)速=脈沖頻率*FACTOR (2-2)

FACTOR由變速比和輪胎直徑共同決定。

當下計算的車(chē)速表示過(guò)去1秒內的平均車(chē)速，在下一個(gè)200ms到達后，將下標為1到5的結構體變量依次“滑動(dòng)復制”到下標為0到4的結構體變量中，然后更新下標為5的結構體變量，此時(shí)根據公式2-1和公式2-2進(jìn)行計算得到的車(chē)速為0.2秒-1.2秒之間的平均速度。這種方式計算得到的車(chē)速實(shí)時(shí)性更強，而且車(chē)速變化更加平滑，反映在指針的變化上也更加平穩平滑，能得到更佳的視覺(jué)體驗，其代碼實(shí)現如下：

筆者采用MC9S12HY32設計實(shí)現了一款電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)，從處理器特性、硬件結構、車(chē)速信號檢測等方面描述了儀表盤(pán)的硬件設計，從軟件流程設計，車(chē)速信號檢測的軟件實(shí)現上描述了儀表盤(pán)的軟件設計。該儀表盤(pán)經(jīng)裝車(chē)試驗，運行穩定，功能可靠，已經(jīng)進(jìn)入小批量預生產(chǎn)階段，具有很高的實(shí)用價(jià)值。