車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、車用智能數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雷 躍摘 要 本文介紹以SPCE061A單片機(jī)為主控器，以氣壓、油壓、溫度、霍爾元件等傳感器為主要外圍元件、以HS12864-1液晶模塊為顯示屏的新型車用數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明此儀表系統(tǒng)顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠，信息語(yǔ)音播報(bào)、告警等突出的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)車用儀表系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊的開(kāi)發(fā)空間。關(guān)鍵詞 SPCE061A單片機(jī) DS18B20 HS12864-1 車用數(shù)字儀表一、引言傳統(tǒng)的汽車儀表一般是機(jī)電式模擬儀表，只能給駕駛員提供汽車行駛中必要而又少量的數(shù)據(jù)信息，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車新技術(shù)、高速度發(fā)展的要求。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，多功能、高精度、高靈敏度、讀

2、數(shù)直觀的智能數(shù)字儀表是汽車儀表發(fā)展趨勢(shì)。下面對(duì)以單片機(jī)為核心的新型全數(shù)字車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)作詳細(xì)介紹。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部組成。硬件部分主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換，各種信息的顯示等；軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。SPCE061A單片機(jī)依次查詢各傳感器的輸出信號(hào)（氣壓、油壓等模擬傳感器輸出的模擬信號(hào)需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換）； 然后SPCE061A對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后通過(guò)HS12864-1液晶模塊輸出，同時(shí)還可輸出各種告警信號(hào)。 利用單片機(jī)內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把各種告警信號(hào)事先設(shè)置好的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)該數(shù)模轉(zhuǎn)換通道送到

3、揚(yáng)聲器，利用SPCE061A的語(yǔ)音功能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)告警。圖1 系統(tǒng)框圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)模塊： SPCE061A主控模塊、傳感器模塊、HS12864-1液晶模塊等。其中 SPCE061A主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能，傳感器完成信號(hào)的采樣功能，HS12864-1液晶模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。（一）主控模塊系統(tǒng)中采用的SPCE061A單片機(jī)，是凌陽(yáng)公司繼nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后推出的又一款16位單片機(jī)。SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH），較高的處理速度使nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)

4、部具有七通道10位電壓A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)10位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，這樣節(jié)省電路板面積，簡(jiǎn)化了硬件電路。具體應(yīng)用時(shí)，只需在編寫(xiě)程序中加入啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令即可完成操作。SPCE061A內(nèi)部自帶兩個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換通道，比較容易實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音功能。（二）溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國(guó)Dallas公司推出的數(shù)字式智能溫度傳感器，它是單線數(shù)字式測(cè)溫芯片，能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。它能夠直接讀出被測(cè)溫度并可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)92位的數(shù)字值讀數(shù)方式。而且采用了三線制與單片機(jī)相連，將測(cè)溫部分與A/D轉(zhuǎn)換于一起，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特

5、點(diǎn)。DS18B20測(cè)溫范圍為-55125，精度為±2，而在-1085范圍內(nèi)，其精度為0.5。DS18B20與SPCE061A單片機(jī)的接口電路圖如圖2所示，其中DS18B20工作在外部電源供電方式，SPCE061A單片機(jī)采用IOB6和DS18B20通信。 圖2 8B20與單片機(jī)接口電路 圖3 HS12864-1的結(jié)構(gòu)（三）HS12864-1液晶模塊 HS12864-1是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可實(shí)現(xiàn)圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。 HS12864-1液晶內(nèi)置HD61

6、102圖形液晶顯示模塊，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)是由HD61102 作為64 路行驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)HD61102 配備了一套顯示存儲(chǔ)器的管理電路和與MCU接口電路，可以直接與MCU的總線連接。HS12864-1的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。HS12864-1具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等顯示功能，共有7 條指令，單片機(jī)只需通過(guò)D/I、R/W、DB0DB7送入數(shù)據(jù)或指令便可顯示其指定內(nèi)容或顯示方式。HS12864-1與SPCE061A單片機(jī)的硬件接口電路見(jiàn)圖4。圖中采用并行通信方式，單片機(jī)的IOA0-IOA7口與液晶模塊的DB0-DB7口相連作為數(shù)據(jù)輸入輸出用；即IOB0- IOB 4口與液晶模組的CS1

7、、CS2、D/I、R/W、E相連作為單片機(jī)對(duì)液晶 圖4 HS12864-1與單片機(jī)接口電路的控制口。 （四）測(cè)速傳感器及其他模擬傳感器速度傳感器是車輛傳感器中的易損器件，所以該系統(tǒng)測(cè)速傳感器由霍爾開(kāi)關(guān)、磁鐵組成。其工作原理是將霍爾開(kāi)關(guān)和磁鐵分別安裝在車架、車輪的適當(dāng)位置，車輛行駛時(shí)，在磁鐵的作用下，霍爾開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)在單位時(shí)間對(duì)其計(jì)數(shù)可計(jì)算出車輛的行駛的瞬時(shí)速度，累計(jì)開(kāi)關(guān)信號(hào)可計(jì)算出車輛行使的距離。它具有靈敏度高、價(jià)格低廉、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。氣壓、油壓、油量等參數(shù)的測(cè)量采用模擬傳感器，其輸出的模擬信號(hào)通過(guò)SPCE061A單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)相應(yīng)軟件處理后輸出。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件主

8、要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、告警子程序等六大模塊組成，因?yàn)镃語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能，主程序流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號(hào)的數(shù)值返回主程序。顯示子程序完成符號(hào)、數(shù)值的顯示輸出。中斷子程序有三種中斷源：鍵盤(pán)、車輪（車輪每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)中斷脈沖）及掉電保護(hù)電路，分別完成面板功能設(shè)置、測(cè)速功能和掉電保護(hù)。本系統(tǒng)中斷源共有6個(gè)， 而SPCE061A單片的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中

9、斷向量及10余個(gè)中斷源。告警子程序主要實(shí)現(xiàn)異常情況下控制告警信號(hào)輸出。如當(dāng)冷卻液溫度升高到接近沸點(diǎn)(例如9598)時(shí)，或燃油箱內(nèi)的燃油量少于某一規(guī)定值時(shí)，音頻告警裝置會(huì)發(fā)出語(yǔ)音告警信號(hào)，同時(shí)相應(yīng)的指示燈發(fā)亮（點(diǎn)亮告警指示燈的任務(wù)由顯示子程序來(lái)完成），以引起駕駛員的注意。 圖5 主程序流程圖五、語(yǔ)音功能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語(yǔ)音功能的實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在當(dāng)告警信號(hào)輸出的同時(shí), 揚(yáng)聲器中會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示，如“ 冷卻液溫度異常”、“燃油量異?！钡鹊?。語(yǔ)音處理大致可以分為A/D轉(zhuǎn)換、編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理以及D/A轉(zhuǎn)換等步驟。SPCE061A單片機(jī)具有內(nèi)置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式，同時(shí)具備雙通道10 位DA

10、C方式的音頻輸出功能，因此可以解決上述語(yǔ)音處理問(wèn)題。SPCE061A的開(kāi)發(fā)軟件具有一個(gè)SACMLI庫(kù)，可以將A/D、編碼、解碼、存儲(chǔ)、D/A做成相應(yīng)的模塊, 對(duì)于每個(gè)模塊都有其應(yīng)用程序接口API，在了解每個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容后，調(diào)用該API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音處理功能。對(duì)于常用的SACMA2000和SACM480兩種放音算法則要涉及到語(yǔ)音資源的添加問(wèn)題，即將所需要的WAV文件按照需要的壓縮比進(jìn)行壓縮,變成資源表形式在程序中調(diào)用。這樣,當(dāng)把錄制好的語(yǔ)音文件經(jīng)過(guò)壓縮存入存儲(chǔ)器后，在程序執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用該語(yǔ)音模塊的API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音輸出功能了。六、系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)由于本儀表系統(tǒng)是為汽車、摩

11、托車設(shè)計(jì)的，而汽車、摩托車的點(diǎn)火系統(tǒng)有較強(qiáng)的電磁干擾，另外車輛移動(dòng)性大，有可能處于較強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，因此必須采取抗干擾措施，否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。（一）采用抗干擾電源單片機(jī)系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來(lái)源，本系統(tǒng)的電源由車載電瓶提供，車輛的點(diǎn)火系統(tǒng)、音響設(shè)備等都可能對(duì)本系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，為此，可將車載電瓶12V電源經(jīng)磁珠和電容組成形濾波電路后，再經(jīng)過(guò)UA7805C穩(wěn)壓、濾波得到本系統(tǒng)電源。另外給每個(gè)集成電路芯片都安置一個(gè)0.01mF的陶瓷電容器，來(lái)消除大部分高頻干擾。同時(shí)，良好接地是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要條件，由于本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此

12、設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)字地與模擬地要分開(kāi)，最后只在一點(diǎn)相連。（二）光電隔離在I/O通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開(kāi)關(guān)從電氣上隔離開(kāi)來(lái)，很大一部分干擾可被阻擋。（三）過(guò)壓保護(hù)電路本系統(tǒng)在輸入輸出通道上也設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)電路，它由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，以防止引入高電壓，損害單片機(jī)系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)中，為消除按鈕動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)干擾，在按鍵與SPCE061A間加入一個(gè)Schmitt觸發(fā)器74HC14。（四）CPU抗干擾措施當(dāng)干擾信號(hào)作用到單片機(jī)本身時(shí)，單片機(jī)將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。為此本系統(tǒng)采用了以下方法：人工復(fù)位：當(dāng)微處理器失控時(shí)，可使用復(fù)位方法處理，使程序自動(dòng)從0000H開(kāi)始執(zhí)行。為此系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)位鍵，當(dāng)微處理器失控時(shí)，只要按下復(fù)位鍵，并持續(xù)10ms以上即可。掉電保護(hù)：因?yàn)楫?dāng)車輛顛簸的路況時(shí)，可能引起電源等接觸不良，使系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電源電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)。掉電信號(hào)由硬件電路檢測(cè)到，加到單片機(jī)的外部中斷輸入端。將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使系統(tǒng)及時(shí)對(duì)掉電做出反應(yīng)。在掉電中斷子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，單片機(jī)重新復(fù)位，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)工作。至于程序跑飛，可以用軟件陷阱和看門(mén)狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時(shí)，通過(guò)這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相