一種靈活的現代CPLD汽車(chē)數字儀表板設計

        本文簡(jiǎn)要介紹一種創(chuàng )新的CPLD體系結構，完全避免了使用微控制器及其驅動(dòng)器，從而提供了低成本、低功耗組合數字儀表板解決方案。這一模擬儀表板解決方案（ADS）高效地實(shí)現了數字汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )，充分發(fā)揮了數字技術(shù)的優(yōu)勢。

        組合儀表板解決方案

        傳統上，以機械方式獲得行駛里程等儀表實(shí)時(shí)輸出，使用模擬驅動(dòng)器進(jìn)行顯示。然而，隨著(zhù)這些數據輸入的數字化，步進(jìn)電機和LED替代了儀表和量表。采用昂貴的微控制器來(lái)顯示數字輸出。后來(lái)出現了ASSP，導致較高的一次性成本開(kāi)支（NRE），限制了產(chǎn)品更新和改進(jìn)。產(chǎn)品生命周期以及對不同產(chǎn)品線(xiàn)的支持也是促使采用低廉的可編程替代產(chǎn)品的主要因素。

        在指針式儀表顯示板上采用了步進(jìn)電機，將電脈沖轉換成不連續的機械動(dòng)作。當電控制脈沖按照一定的順序嫁到步進(jìn)電機上時(shí)，電機軸以不連續的步進(jìn)增量進(jìn)行旋轉。組合數字儀表一般采用步進(jìn)電機來(lái)仿效模擬面板和指針顯示板的性能以及視覺(jué)效果，同時(shí)提供數字設置需要的非常精確的位置信息。需要對這些點(diǎn)擊進(jìn)行微步進(jìn)控制，已實(shí)現平穩連續的指針移動(dòng)。此外，測得的采樣值從車(chē)輛傳感器廣播道相應的儀表部位，而采樣數受限于數字鏈路的帶寬，在一定的時(shí)間間隔后，每測量采樣值才顯示在組合儀表上。在這類(lèi)組合儀表上，迫切需要采取措施克服不能連續顯示信息的難題，當傳感器沒(méi)有向儀表輸出數據時(shí)，確保指針處于正確的位置。要解決這些難題，必須提高處理能力，從而增加了數字儀表板系統成本，較低的性?xún)r(jià)比阻礙了其在車(chē)兩中的應用。

        基于CPLD的組合儀表板控制器

        使用CPLD很容易克服這種高成本解決方案所帶來(lái)的限制。采用ADS，客戶(hù)只需要在設計中更新或者修改編程文件，實(shí)現產(chǎn)品換代，因此，非常靈活。此外，還可以在現場(chǎng)增添新功能或者更新產(chǎn)品，不但提高了技術(shù)實(shí)現效率，而且還滿(mǎn)足了特殊的用戶(hù)和產(chǎn)品需求。使用相同的基本系統，稍作改動(dòng)，就很容易在新產(chǎn)品線(xiàn)上采用不同的器件。

        利于基于CPLD的ADS，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員和生產(chǎn)商可以根據需要從不同的期間中進(jìn)行選擇，而不同擔心半導體元件過(guò)時(shí)的問(wèn)題。它具有較低的銷(xiāo)售價(jià)格，支持高端功能，未來(lái)擴展余地非常大。其體系結構使用Altera的MAX II CPLD，包括6個(gè)模塊：串行傳感器數據單元、注意動(dòng)控制和算數單元，以及4個(gè)PWM發(fā)生器。串行傳感器數據單元接收來(lái)自傳感器的輸入，主移動(dòng)控制和算數單元完成必要的計算，PWM發(fā)生器為步進(jìn)電機所有相位提供合適的控制信號，接受來(lái)自主模塊的命令（圖1）。

        在詳細說(shuō)明這一ADS體系結構之前，首先要理解窄帶車(chē)輛數據網(wǎng)絡(luò )中不同模塊的功能，以及驅動(dòng)指針儀表板的步進(jìn)電機是怎樣完成微步進(jìn)控制的。由于組合儀表板所有顯示面板并不需要連續的傳感器數據，當沒(méi)有數據時(shí)，系統保持指針位置不變。為實(shí)現平穩顯示，發(fā)送給指針的移動(dòng)命令是當前偏轉函數，不會(huì )產(chǎn)生急促的指針步進(jìn)變化。

        PWM發(fā)生器

        4 個(gè)PWM發(fā)生器模塊驅動(dòng)指針儀表板步進(jìn)電機，指示來(lái)自不同傳感器的數據（圖2）。

        微步進(jìn)控制功能用于驅動(dòng)電機，產(chǎn)生平穩的點(diǎn)擊旋轉。在微步進(jìn)控制中，點(diǎn)擊產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是和激勵線(xiàn)圈平行，而是有一定的角度。這樣，能夠在更多的位置產(chǎn)生保持轉矩，使轉子保持在激勵線(xiàn)圈兩個(gè)極軸之間。激勵線(xiàn)圈加電后，產(chǎn)生的磁通量與流過(guò)的電流成正比。如果所有激勵線(xiàn)圈加電，就可以通過(guò)兩個(gè)繞組電流的矢量和得到電流方向以及磁場(chǎng)。因此，如果步進(jìn)電機繞組中的電流逐漸增大，那么可以產(chǎn)生激勵磁場(chǎng)的一組等距位置，提高電機的步進(jìn)電機精度。利用這一原理，步進(jìn)電機的步長(cháng)被分成轉軸實(shí)際轉動(dòng)的為補長(cháng)（圖3）。

        4個(gè)PWM模塊向步進(jìn)電機提供固定占空比的恒定PWM脈沖，使指針按照一定的速度轉動(dòng)，4個(gè)步進(jìn)電機保持恒速轉動(dòng)。它們接收來(lái)自移動(dòng)控制單元的移動(dòng)命令以及方向輸入，在繞組上輸入合適的電壓，使每個(gè)電機在要求的方向上轉動(dòng)一個(gè)微步長(cháng)。

        移動(dòng)控制和算數單元

        delta發(fā)生器是移動(dòng)控制和算數單元的主要組件。該模塊接收來(lái)自傳感器的4個(gè)步進(jìn)電機中每個(gè)電機的目標偏轉信號。接收到目標偏轉信號后，兩路信號被送入各自的PWM模塊中。一路信號，也就是觸發(fā)脈沖，將當前的占空比值改為PWM模塊中的下一值。因此，當跨距范圍較大時(shí)，以較高的頻率發(fā)送脈沖，PWM模塊快速遍歷各占空比值，從而是步進(jìn)電機以較高的速度旋轉。當指針達到目標偏轉位置后，停止向PWM模塊發(fā)送觸發(fā)脈沖，而PWM模塊輸出占空比恒定的脈沖，是轉軸有效地保持位置不變。另一路信號指示PWM模塊，指針應向哪一方向轉動(dòng)。

        delta發(fā)生器還有另一重要功能，周期性地發(fā)送代表采樣值的數據。如果這一信息直接加在步進(jìn)電機上，那么，指針會(huì )急促轉動(dòng)。為避免出現這種轉動(dòng)，delta發(fā)生器使用修正后的數值，表示為delta δ。每次接收到新的目標偏移值后，發(fā)生器針對這一指針值重新計算δ。然后，將這一遞增值δ加到指針當前偏轉上，其處理速率要比接收到新目標偏移值的情況快得多。在整個(gè)過(guò)程中，持續監視單元的當前偏轉。當它變化時(shí)，發(fā)送使步進(jìn)電機按照要求方向步進(jìn)一個(gè)微步長(cháng)的命令。如果目標偏轉值大于當前偏轉值，那么為順時(shí)針?lè )较?，如果小于當前偏轉值，則為逆時(shí)針?lè )较颉?/p>

        這樣，在接收兩個(gè)目標偏轉值間隔期間，指針以較快的速率旋轉，通過(guò)較小的步長(cháng)打到目標值，從而產(chǎn)生平穩的旋轉。它推斷出能夠覆蓋這一間隔合適的值，無(wú)論輸入怎樣變化，都能夠保持平穩轉動(dòng)。

        傳感器輸入單元

        傳感器數據輸入單元使用SPIrit接口，支持與慢速外設之間的通信，可以周期性的訪(fǎng)問(wèn)這些外設。采用主機/從機方式和外設進(jìn)行通信，由主機發(fā)起數據幀。當主機產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號，選擇從機器件后，可以單向或者雙向傳送數據。在CPLD后面實(shí)現SPI從機模塊，以便系統輸入。傳感器數據導入到算術(shù)和移動(dòng)控制單元，是某一傳感器或者新LED數據的目標偏轉值。傳感器數據和目標地址一同發(fā)送，以區別其來(lái)源。

        很容易在不同的平臺上調整基于CPLD的ADS，提高其精度，實(shí)現更高端的功能。它能夠為不同的車(chē)型提供不同的裝配布局，只需要在程序上稍作改動(dòng)，幾乎沒(méi)有額外成本，開(kāi)發(fā)時(shí)間呈指數下降。ADS可以結合可靠的公用汽車(chē)數字數據網(wǎng)絡(luò )，融入到生產(chǎn)工藝中，而靈活的CPLD很容易實(shí)現置入式功能。

        結論

       使用低成本、低邏輯密度CPLD，可以實(shí)現復雜的ADS，克服傳統儀表板解決方案的缺點(diǎn)。由于A(yíng)DS具有內在的可編程優(yōu)勢，設計重用意味著(zhù)能夠使用越來(lái)越多的IP和內核庫來(lái)迅速開(kāi)發(fā)其他解決方案。很容易重新進(jìn)行配置，更快地向用戶(hù)推出新產(chǎn)品。由于產(chǎn)品生命周期較長(cháng)，比較容易收回NRE，生產(chǎn)商能夠延長(cháng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的生命周期，而且沒(méi)有新的NRE投入。