基于LPC2292的汽車(chē)智能組合儀

0 引言

汽車(chē)儀表是司機與汽車(chē)之間進(jìn)行信息交流的窗口和界面，對于提高汽車(chē)儀表使用壽命，安全和經(jīng)濟行駛有著(zhù)積極而重要的作用。本設計采用LPC2292嵌入式控制器[1]作為儀表的控制核心，汽車(chē)原有傳感器無(wú)需更換，傳感器的輸出信號通過(guò)信號調理電路后送入MCU，經(jīng)MCU處理后的信號通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)。實(shí)時(shí)顯示車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油位、總里程、子里程等車(chē)況參數，并對信息進(jìn)行復雜處理從而為司機提供平均車(chē)速、經(jīng)濟油耗、剩余油量能跑里程數等有用信息，同時(shí)，還能對瞬時(shí)行車(chē)信息進(jìn)行記錄存儲，實(shí)現“黑匣子”功能；對異常情況實(shí)現語(yǔ)音報警提示，且為今后功能擴展預留通訊接口。與傳統汽車(chē)儀表相比，該儀表具有功能豐富、可靠性高、精度高、可視性好、通用性強、且有存儲功能、無(wú)機械磨損、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。

隨著(zhù)汽車(chē)電子的網(wǎng)絡(luò )化，CAN總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用，因此，CAN總線(xiàn)、嵌入式就成為汽車(chē)儀表未來(lái)發(fā)展的必然趨勢。

1 汽車(chē)儀表的基本結構和功能

汽車(chē)智能儀表采集車(chē)輛的各種狀態(tài)信息，這些信息包括車(chē)速，總、分里程，發(fā)動(dòng)機轉速，前后橋氣壓，水溫，油量，及油壓力，電瓶電壓，室內、室外溫度等。其中一部分信息（車(chē)速、轉速、氣壓）經(jīng)過(guò)處理后送入步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊來(lái)驅動(dòng)指針，這些信息的變化較其它信息要快且與車(chē)輛行使安全密切相關(guān)，用指針顯示既直觀(guān)、醒目又符合人的視覺(jué)習慣。所以，汽車(chē)上較常用的有四種指示儀表，即車(chē)速里程表、發(fā)動(dòng)機轉速表、氣壓表等。分別顯示汽車(chē)行駛速度、單里程和總里程數、汽車(chē)行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機旋轉速度及前后橋氣壓等。 另一些變化較慢的信息（電瓶電壓、油量等）通過(guò)數據處理及液晶控制模塊在液晶屏上顯示。

汽車(chē)智能儀表由傳感器、信號調理電路、微控制器、鍵盤(pán)輸入模塊、步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊、語(yǔ)音報警電路、LCD顯示器等部分構成。其原理框圖如圖1所示：

圖1 汽車(chē)智能儀表原理框圖

系統采用的微控制器為PHILIPS公司的LPC2292芯片。LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。128KB片內Flash程序存儲器；外部8、16或32位總線(xiàn)；4路10位A/D轉換器，轉換時(shí)間低至2.44us；2個(gè)互連的CAN總線(xiàn)接口；2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；多個(gè)串口接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C接口（400Hkz）和2個(gè)SPI接口；通過(guò)片內PLL可實(shí)現最大為60MHz的CPU操作頻率。

其中：車(chē)速傳感器及調理電路模塊[3]包括光電式車(chē)速傳感器和車(chē)速測量通道的信號調理電阻。車(chē)速傳感器將對應于0～200公里/小時(shí)的車(chē)速轉變?yōu)轭l率范圍為0～136.3Hz的脈沖信號；轉速傳感器及調理電路模塊包括脈沖信號式轉速傳感器和發(fā)動(dòng)機轉速測量通道的信號調理電路，轉速傳感器將對應于0～8000轉/分鐘的發(fā)動(dòng)機轉速變換成0～260Hz的頻率信號；由于車(chē)速和發(fā)動(dòng)機轉速傳感器輸出的脈沖頻率信號，所以與之相對應的信號調理電路的作用是對傳感器的輸出信號進(jìn)行整形、嵌位/限幅，以滿(mǎn)足MCU對輸入信號的要求。溫度傳感器采用熱敏電阻式溫度傳感器，用于測量汽車(chē)冷卻水的溫度，該傳感器將水溫的變化變換成電阻、電壓的變化；液位傳感器采用浮子－可變電阻式液位傳感器，將油位的變化變換成電阻、電壓的變化；水溫和油量傳感器輸出的是模擬信號，其對應的信號調理電路為電阻傳輸網(wǎng)絡(luò )，將傳感器的輸出信號送到LPC2292自帶的A/D輸入端。E2PROM選用93LC46B三線(xiàn)串行電擦除可編程只讀存儲器，其容量為1K×16位，擦除周期為1M次，顯示速度為2ms，數據保持時(shí)間可達40年，在儀表中用于保存子里程、總里程數據以及當前車(chē)況，并保證掉電時(shí)數據不會(huì )消失，起到汽車(chē)“黑匣子”作用。

步進(jìn)電機模塊驅動(dòng)控制車(chē)速表、轉速表、前橋氣壓表及后橋氣壓表。

語(yǔ)音模塊主要用來(lái)存儲所有報警語(yǔ)言，驅動(dòng)報警喇叭，當車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫和油量等參數超限時(shí)，起語(yǔ)言提示報警作用。

鍵盤(pán)模塊用于人機交互，接收輸入來(lái)改變儀表的運行參數、儀表的日期時(shí)間設置、中英文語(yǔ)言切換、分里程清零及顯示屏的切換。

LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油溫、總里程、子里程、日期及時(shí)間、電瓶電壓、各種報警指示、車(chē)內溫度、車(chē)外溫度等車(chē)況參數。

CAN通信模塊采用LPC2292內置的CAN控制器和獨立的CAN收發(fā)器PCA82C50構成，PCA82C50是Philips公司生產(chǎn)的高速CAN收發(fā)器，能適應不同的CAN總線(xiàn)傳輸速率。

2 CAN總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)及其在汽車(chē)領(lǐng)域的應用[2]

控制局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是德國B(niǎo)osh公司從20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。在自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制部件、傳感器、抗滑系統等應用中，總線(xiàn)的位速率最大可達1Mbit/s。CAN網(wǎng)絡(luò )正在不斷地應用在汽車(chē)電子的各個(gè)方面。CAN總線(xiàn)具有下列主要特征：（1）多主站依據優(yōu)先權進(jìn)行總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)；（2）無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權競爭的總線(xiàn)仲裁；（3）借助接收濾波的多地址幀傳送；（4）遠程數據請求；（5）配置靈活性；（6）全系統數據相容性；（7）錯誤檢測和出錯指令；（8）發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送。

3 軟件設計

基于µC/OS-II的汽車(chē)組合儀表采用源代碼開(kāi)放的µC/OS-II作為應用程序的開(kāi)發(fā)平臺。主要實(shí)現以下功能：通過(guò)電機指針顯示發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)輛速度、前橋氣壓表、后橋氣壓表4種參數；通過(guò)LCD屏顯示車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油位、總里程、子里程等車(chē)況參數。

µC/OS-II是一個(gè)完全免費的開(kāi)放源碼的可移植、可裁剪的占先式多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核，其功能完備、性能可靠、短小精煉，具備多任務(wù)調度，信號量、郵箱、消息隊列等任務(wù)間通信與同步，時(shí)間管理，簡(jiǎn)單內存管理等RTOS內核基本服務(wù)功能。它采用優(yōu)先級驅動(dòng)的占先式多任務(wù)調度算法[4]。

根據前面對整個(gè)系統的功能描述，可以將應用程序劃分為6個(gè)任務(wù)加上6個(gè)中斷(RTI節拍中斷屬于系統中斷，其他5個(gè)為用戶(hù)中斷)。這6個(gè)任務(wù)分別是：

(1)報警顯示任務(wù)：前后燈光、剎車(chē)、電源、油量、油溫、水溫等LED報警；

(2)里程顯示、存儲任務(wù)：LCD顯示車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油溫、總里程、子里程等車(chē)況參數；

(3) 步進(jìn)電機1任務(wù)：轉速指針表顯示；

(4) 步進(jìn)電機2任務(wù)：車(chē)速指針表顯示；

(5) 步進(jìn)電機3任務(wù)：前橋氣壓指針表顯示；

(6) 步進(jìn)電機4任務(wù)：后橋氣壓指針表顯示。

每個(gè)任務(wù)在建立時(shí)均分配一個(gè)優(yōu)先級(范圍為0 ～63, 0為最高，63為最低)。這6個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級依次分配為1, 2, 3, 4, 5, 6；報警任務(wù)需要及時(shí)響應，具有最高的優(yōu)先級；而里程顯示、存儲任務(wù)優(yōu)先級最低。較高優(yōu)先級的任務(wù)必須調用至少一項系統服務(wù)而暫時(shí)放棄CPU的使用權，否則低優(yōu)先級任務(wù)無(wú)法得到運行。

任務(wù)的一般結構如下:

void UserTask (void *pdata)

{ for(;;)

{調用µC /OS II的某種系統服務(wù):

OSMboxPend ( )/OSMboxPost ( ); (1)

OSQPend ( )/OSQPost ( ); (2)

OSSemPend ( )/OSSemPend ( ): (3)

OSTaskDel (OS PRIG SELF); (4)

OSTaskSuspend (OS_ PR工OSELF); (5)

OSTimeDly( )/OSTimeDlyHMSM(); (6)

}}

(1)－(6)是一些主要的系統服務(wù)函數，這些函數里均進(jìn)行一次任務(wù)調度，或者可能會(huì )使當前任務(wù)放棄CPU使用權而運行其他的任務(wù)。用戶(hù)任務(wù)必須至少調用一個(gè)服務(wù)函數。

另外程序還有5個(gè)用C語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)中斷服務(wù)程序：一個(gè)CAN接收中斷(用于接收總線(xiàn)信息)、4個(gè)定時(shí)器輸出比較中斷(用于產(chǎn)生驅動(dòng)步進(jìn)電機的周期性脈沖)。

因此本例程序可以這樣規劃，首先調用OSInit（），對µC /OS-II做初始化，然后創(chuàng )建一個(gè)信號量，因為后面的任務(wù)都要用到Printp( )函數，而Printp( )是一個(gè)不可重入函數，調用前要防止多個(gè)任務(wù)同時(shí)調用，這個(gè)信號量用于保護Printp()函數。接著(zhù)創(chuàng )建6個(gè)任務(wù)，并對這6個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級，最后調用OSStart ( )以啟動(dòng)內核，于是任務(wù)在操作系統的管理和調度下運行和切換。圖2是程序的簡(jiǎn)要流程圖。

圖2 程序流程圖

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)汽車(chē)電氣系統的總線(xiàn)化，高集成、嵌入式、總線(xiàn)化是汽車(chē)儀表發(fā)展的必然趨勢?；贚PC2292的汽車(chē)智能組合儀表，實(shí)時(shí)顯示和保存車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油位、總里程、子里程等車(chē)況參數，使汽車(chē)具有“黑匣子”功能。并且采用CAN總線(xiàn)建立通信網(wǎng)絡(luò )，集車(chē)輛儀表、視頻監控、語(yǔ)音輸出于一體，解決了分開(kāi)安裝不便、可靠性差的缺陷，提高了系統的可靠性。