基于CAN總線(xiàn)汽車(chē)組合儀表的設計與研究-步進(jìn)電機驅動(dòng)、存儲電路設計及外圍電路

步進(jìn)電機(Step motor)是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰芿(或線(xiàn)位移S)的開(kāi)環(huán)控制元件，是數字控制系統的一種執行元件。工作原理是建立在被勵磁的定子電磁鐵吸引可選轉的銜鐵產(chǎn)生轉矩而旋轉，即靠磁鐵引力作用把電磁能轉換成機械角位移。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率

和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個(gè)脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。脈沖的個(gè)數決定了轉角的大小，而脈沖的頻率決定了電機的轉速。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機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)電機來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。一般步進(jìn)電機可分為二相、三相、四相和六相。

本系統步進(jìn)電機選用深圳偉力驅動(dòng)有限公司的VID29系列二相汽車(chē)儀表步進(jìn)電機。 vID29-XX/VID29~xXp儀表步進(jìn)電機是一種精密的步進(jìn)電機，內置減速比180/1的齒輪系，主要應用于車(chē)輛的儀表指示盤(pán)，也可以用于其他儀器儀表裝置中，將數字信號直接準確地轉為模擬的顯示輸出。VID29步進(jìn)電機需要兩路邏輯脈沖信號驅動(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到1/12⁰，最大角速度600⁰/s，輸出轉角轉動(dòng)范圍為315⁰?？捎梅植侥Ｊ交蛭⒉侥Ｊ津寗?dòng)。
選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)特種材料和汽車(chē)級特殊工程塑料，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，保證了馬達的長(cháng)期運轉壽命和性能。

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

分步驅動(dòng)模式脈沖序列如圖4一14所示:

微步驅動(dòng)模式(細分驅動(dòng))脈沖序列如圖4-15所示:

它的轉速n(或線(xiàn)速度v)與脈沖頻率f成正比。步距角越小，指針轉動(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)計算:

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

步進(jìn)電機的位置和速度由導電次數(脈沖數)和頻率成一一對應關(guān)系，而方向由導電順序決定。

由于H128內部集成了6個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊，所以無(wú)需擴展電路即可實(shí)現步進(jìn)電機與H128硬件接口電路的連接。通過(guò)分布驅動(dòng)模式，每個(gè)脈沖可驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)1/3度，滿(mǎn)足汽車(chē)儀表的精度要求(如需更高精度，可通過(guò)擴展微步驅動(dòng)芯片，使步進(jìn)電機每個(gè)步為1八2度)。步進(jìn)電機與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)電機直接由H128驅動(dòng)，所以可以通過(guò)修改程序數據輸出接口辦法改變步進(jìn)電機布置。

4.8 復位電路及E²PROM設計
單片機系統通常是在一個(gè)特定的客觀(guān)環(huán)境下為完成或實(shí)現某種功能而設計的，因此系統處于工作狀態(tài)時(shí)，勢必會(huì )受到各種外界干擾因素的影響。這種外界干擾因素會(huì )導致系統內部數據出錯，甚至會(huì )嚴重影響程序的運行，使單片機受到干擾失控導致導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)或重新運行。

本系統采取了外擴芯片實(shí)現的硬件方式，選取xlc0R公司的x5045[sll。集成了看門(mén)狗定時(shí)器、EZPROM數據存儲器、和電源監測為一體，采用SPI的方式與MCU相連，用于低電壓復位信號的單片機(H128為低電壓復位)。因其體積小、占用UO口少等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域 。

CS:芯片選擇輸入端，當CS為低電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)
50:串行數據輸出端，在串行時(shí)鐘的下降沿，數據通過(guò)50端移位輸出
Sl:串行數據輸入端，數據在串行時(shí)鐘的上升沿鎖存
SCK:串行時(shí)鐘，，為數據讀/寫(xiě)提供串行總線(xiàn)定時(shí)
WP:寫(xiě)保護輸入端，當WP為低電平時(shí)，向X5045的寫(xiě)操作被禁止，但器件的其他功能正常。
RESET:復位信號輸出端。

x5045除了wTD(看門(mén)狗)功能外，另一個(gè)重要的基本功能就是作為EZPROM數據存儲器使用，內部包含 512xs的串行EZPROM，以保證系統在掉電后仍可維持重要數據不變。x5045與H128采用SPI總線(xiàn)接口連接方式，程序，獲得準確的脈沖累計計數，并將此值傳送給X5045存儲。X5045是理想的自動(dòng)貯存非易失性SRAM，內部含有EEPROM，存儲容量256bit，能夠在失去vCc的時(shí)候自動(dòng)執行存儲操作 (SRAM—EEPRoM)，非常適合對里程的累計記錄。芯片內部包含一個(gè)指令移位寄存器，該寄存器可以通過(guò)SPI來(lái)訪(fǎng)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上相應的管腳相連。

4.9 其他外圍器件電路設計

4.9.1 晶振電路

本系統所用的晶振為SMHZ，分別對應接到H128單片機的引腳XTAL和EXTAL上，然后利用其內部壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）把這個(gè)頻率提高到25MHZ，作為單片機工作的內部總線(xiàn)時(shí)鐘。

4.9.2 儀表背光調節電路

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

其中開(kāi)關(guān)SWI為一可調電阻，通過(guò)改變電阻的大小控制電流，輸出到H128的A/D轉換接口RAD07，MCU根據周D轉換后的數據調整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].輸出背光調節電路如圖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(chē)儀表的電路

設計中，一般根據外圍電子元件的布置采用正控（開(kāi)關(guān)控制正極電路）和負控（開(kāi)關(guān)控制負極電路）相結合的方式來(lái)控制各種狀態(tài)指示燈，同樣在本儀表也采用了這種設計方法。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，對應不同的顯示和警告信息。發(fā)光二極管及其對應的限流電阻，我們都采用了貼片封裝的元件。

同時(shí)，發(fā)動(dòng)機出現故障后，如發(fā)動(dòng)機水溫過(guò)高，由MCU控制對應的故障燈會(huì )閃爍。發(fā)動(dòng)機出現故障，其指示一般顯示為紅色，并伴隨有蜂鳴器報警。

4.9.4 語(yǔ)音報警電路

設計本儀表系統有蜂鳴器報警模塊，主要是為了提醒駕駛員注意相關(guān)的危險信息，如：水溫過(guò)高，水位過(guò)低，機油壓力過(guò)低、變速箱故障等等。MCU將采樣得到的數據與存儲在EZPRoM單元中的允許數值變化范圍比較，如果超過(guò)額定范圍，則發(fā)出信息到輸出端口，蜂鳴器報警，同時(shí)對應的報警指示燈閃爍。在下次的采樣過(guò)程中，如果采集的數據在額定范圍之間，則蜂鳴器解除報警，狀態(tài)指示燈熄滅。

本系統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UO端口資源非常豐富，可以共用一個(gè)端口，也可以單獨占用一個(gè)端口，單獨占用端口，有利于故障維修檢查，本系統在H128上預留BPO一BP3為報警電路輸出端口。

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)內存映射寄存器，通過(guò)秒、分鐘、小時(shí)計數器提供的時(shí)間；通過(guò)星期、日、月份、年提供日歷功能。以上計數器每次加1時(shí)都可以產(chǎn)生中斷，并分別對相應的中斷標志置位，如果相應的中斷被允許則可以產(chǎn)生CPU中斷請求。

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

補償值可以在模塊的校準操作時(shí)通過(guò)應用軟件設置或自動(dòng)獲取澎].計時(shí)功能是通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘頻率為128Hz（CGMXCLK/256）的計數器來(lái)實(shí)現的。

這個(gè)計數器可以在任何時(shí)候開(kāi)始、。停止和清除。這個(gè)計數器的值被換算到looHZ對應的值，并存儲到計時(shí)數據寄存器中（chronographdatarcgister）。因此，數據寄存器中的值為O一99，每增加1代表1/1005（loms）。數據寄存器的值滿(mǎn)足以下關(guān)系式：S=「（128HzeountervalueX25）+16]/32計時(shí)計數器的精度是士sms.

4.10 PCB板的設計

在以往儀表電路設計過(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(mǎn)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 。

電路板設計與電路圖設計不同之處在于，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，在設計電路圖時(shí)，比較著(zhù)重于電路的電氣性質(zhì)。而在設計電路板時(shí)，比較著(zhù)重于電路的實(shí)際尺寸與空間配置（立體）。下面就電路板的設計分為以下幾步；

第一步，先設計電路圖，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，電路圖設計完成后，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）有錯誤，或接口上的問(wèn)題，將會(huì )在此階段中出現?？梢愿鶕a(chǎn)生的錯誤，重新會(huì )到電路圖進(jìn)行修改。
第五步，布置元件，這項工作是電路板設計中最基礎、最麻煩也是影響最大的工作。
第六步，定義設計規則，進(jìn)行手工布線(xiàn)或自動(dòng)布線(xiàn)。
第七步，完成布線(xiàn)后，進(jìn)行設計驗證檢查。如果沒(méi)有發(fā)現錯誤，即可存盤(pán)輸出。

印制板通常有紙質(zhì)覆銅板、環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂板，其價(jià)格適中，也能滿(mǎn)足汽車(chē)運行的工作環(huán)境，PCB采用雙面布線(xiàn)，并在部分信號電路增加焊盤(pán)測點(diǎn)，以利于儀表電路功能的檢測，減少故障返修率。