毕业论文基于点阵LCD的汽车仪表设计Word文档格式.docx
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第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着生活水平不断的提高，人们生活富裕，科技突飞猛进，车辆的研发水平越来越好。
车水马龙的世界淋淋尽致的展现在我们的眼前。
人类分出了阶层，而车辆同时也分出了高端，中端，低端的车型，人们以车代步，以车为名，车在人在，马路上的飙车，赛道里的比拼，生活中真实的体现了速度与激情。
人拥有一辆什么样的车也彻彻底底体现了人们的生活水平。
如今市面上的种种车型，有日系车、韩系车、美系车、德系车，以及国产汽车，现已鳞次栉比，但是路面上多数出现的还是中端汽车最受欢迎，比如马自达，尼桑，起亚，大众，本田，奥迪，奔驰，宝马，还有国产销量龙头者长城汽车的哈弗汽车等等，这些中端级别的汽车现也已经配备点阵LCD显示仪表盘及CAN总线通讯，现成为了中端级别汽车的标准配置。
当今的市场这些中端级别汽车的仪表的供应商，全部是国际的零部件供应商，日本汽车的零部件供应商主要是电装和精机，而欧系汽车零部件供应商主要是大陆汽车电子，美系汽车的汽车零部件供应商主要是伟士通汽车电子，中国汽车仪表制造商目前没有一家进入这些国外品牌的汽车仪表供应商。
总而言之，国产自主研发还是欠缺，国内研发的仪表盘多数为指针式仪表，不如LCD的大方美观易读易看。
其次目前国内汽车电子企业的现状为规模较小，由于国内汽车电子企业起步晚、产品可靠性低，即使产品达到技术要求，也需经过国外人士严格试验论证，长时间的等待使国内汽车电子企业错失商机。
高门槛的要求很难通过产品在汽车上得到应用并积累经验，只能通过售后市场销售产品，想扩大规模很难。
所以说研究点阵式LCD的汽车仪表的意义是非常重大的。
1.2国内外发展现状
全球汽车市场增长较为平稳。
2000到2007年,全球汽车产量从5,837万辆增加到7,327万辆,年复合增长率达到3.3%,实现了平稳的增长。
2008到2009年,受国际金融危机的影响,全球汽车产量产生了一定的下滑。
2010年以来,全球经济在普遍宽松的宏观经济政策刺激下,逐步走出衰退,受国际投资和贸易需求增长的影响,全球汽车市场出现强劲反弹,2010年全球汽车产量达到7,770万辆,同比增长25.9%。
2011年至2013年,全球汽车产量保持平稳增长,增长率分别为3.2%、5.1%、3.6%。
2014到2015年国内汽车销量明显提升，国产汽车代表厂商哈弗汽车销量位居第一。
据国际汽车制造商协会（OICA）的数据显示,2000年中国汽车产量仅为207万辆,位列世界第八;
此后,中国汽车产量和排名逐年上升,2006年中国汽车产量首次进入世界前三甲,成为仅次于日本和美国的世界第三大汽车生产国;
2008年,中国汽车产量超越美国,成为世界第二大汽车生产国;
2009年中国汽车产、销量分别达到1,379万辆和1,364万辆,同比增长48.3%和46.2%,产销量超越日本和美国成为世界第一汽车生产国及消费国。
2009年至2011年,我国汽车销量复合增长率为16.6%,2012年我国汽车销量突破1,900万辆,2013年将近2,200万辆,成为我国增速较快和重要的消费市场之一。
2014年1～11月，我国汽车产销分别为2143.05万辆和2107.91万辆，同比累计增长7.2%和6.1%，产销增幅较去年同期分别下降7.14和7.43个百分点。
世界汽车零部件工业发展现状。
西欧：
汽车零部件工业相当发达，超过汽车制造业而走在前面；
国、加拿大：
汽车零部件工业与汽车制造业力量基本相当，平起平坐；
本、韩国：
汽车零部件制造业相当强大，但仍受主机厂制约；
中国、俄罗斯：
汽车零部件制造业基本上依附或从属于汽车制造业，没有相对独立地位。
国内外的汽车电子都相互促进着，走互利互赢的道路。
1.3本文研究主要内容
研究和设计一款多功能点阵式LCD仪表盘，特别是一些内部及外观设计部分。
主要内容有：
基于点阵式LCD仪表盘功能设计分析，以及点阵原理分析及设计，选取硬件模块和CAN总线的设计，仪表盘背光自动调节设计。
第2章汽车LCD仪表工作原理
2.1LCD汽车仪表显示基本原理
2.1.1LCD显示原理
LCD（LiquidCrystalDisplay的简称），即液晶显示器，它是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。
从液晶显示器的结构来看，LCD由两块平行玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。
因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。
背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。
液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。
在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。
在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。
当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。
2.1.2LCD汽车仪表工作原理
汽车仪表工作原理主要是数据采集部分通过传感器采集到汽车车速、发动机转速、里程、水温和燃油剩余量等信号，经过前置的滤波、整形和光耦隔离电路，得到符合要求的信号波形，由单片机系统对数据处理并编码之后，通过CAN通信电路发送到CAN总线网络中，仪表显示部分从汽车网络中接收到数据，驱动点亮液晶显示器显示出模拟仪表盘，实现数据的显示。
比如，车速和发动机转速通过转速传感器转化成脉冲信号，其值都与脉冲信号频率成正比例关系，汽车行驶里程值是对脉冲信号计数的结果；
水温通过水温传感器被转化为电压值，是一个模拟信号；
燃油剩余量通过浮子式传感器也被转化成电压值，为模拟信号。
所以保证汽车仪表能正常工作需采集两种数据类型，分别是脉冲信号频率和模拟信号的电压。
2.2汽车仪表的功能分析及系统设计方案
2.2.1仪表的功能分析
设计方案目标位于中端车，售价约12到19万之间。
其仪表的功能也非常完善。
1.速度，转速，燃油，水温表，均为步进电机驱动，均有软件驱动；
2.CAN总线2.0B，低速125kbps,具有容错功能；
3.诊断基于CAN总线UDS；
4.点阵显示屏，可视区与为68mm*44mm,点阵数108*64，ASTN，黑底白字；
5.表盘显示内容：
行车路程小计与总计，档位，车门开，胎压监控，倒车雷达显示，平均速度和超速报警，实时时间，外部温度显示，安全性报警LED监控（如有损坏，将显示在LCD中）；
红色报警显示标志：
安全带，安全气囊，水温报警高，车门等；
黄色报警显示：
ABS，发动机检查，预热器等；
7.扬声器报警；
8.大多数的报警灯来自于CAN，共有25个；
9.仪表背光自动调节功能；
10.工作电压9～16V超过或者低于工作电压，仪表将不工作；
照明为表牌照明为白色，指针照明为红色，LCD照明为白色。
2.2.2仪表的系统设计方案
1.数字输入信号，如下表2-1所示。
表2-1数字输入信号列表
信号
描述
备注
1
电池
12V
2
点火
3
速度输入
频率信号
<
400Hz
4
充放电信号
地
5
2.模拟输入信号，如下表2-2所示。
表2-2模拟输入信号列表
燃油量
电阻
40~400欧姆
室外温度
3.CAN信号输入，如下表2-3所示。
表2-3CAN输入信号列表
速度
来自EMS
转速
水温
机油压力
发动机故障
6
ABS
来自ABS
7
ESP
8
档位
来自TCU
9
灯光指示
来自BCM
10
车门开指示
11
倒车雷达
来自PAID
12
胎压信号
来自TPMS
13
安全带
来自SRS
14
安全气囊
4.数字输出信号，如下表2-4所示。
表2-4速度输出信号列表
频率
2.3仪表的器件选型
根据要求，首先要找到最合适的主控芯片（MCU）的资源。
本设计选择飞思卡尔的16位MC9S12HZ256作为仪表的主控芯片，英飞凌的TLE6250G作为CAN收发器。
飞思卡尔的MC9S12HZ256是专门为汽车仪表设计开发的一块芯片，基于16BitHCSl2CPU内核，256K的ROM，12K字节的RAM,2K字节的EEPROM,拥有16个通道的10BitMD转换器。
集成CAN驱动器，可在支撑CAN2.0MB，16Bit定时器，6路8BitPWM端13，SCI,SPI,IIC,UART,集成LCD驱动器。
可驱动32x4段。
同时可直接驱动4个步进电机，集成声音发生器，共计112个针脚。
英飞凌的TLE6250GCAN收发器位于通信信号链的末端，是一个通过AEC批准的集成电路，它提供物理电缆和CAN协议处理器（这里是S9S08DZ32微控制器，通过光耦合隔离）之间的CAN物理层信令。
该器件标称为1M-baudCAN传输，可处理差分信号线上CAN_H和CAN_L信号之间的转换，以及S9S08DZ32传输和接收的CAN显性和隐性位。
八引脚的TLE6250G包含Tx、Rx、VCC、GND、CAN_H，以及CAN_L引脚，还有2个模式控制脚：
INH和RM。
当TLE6250G检测到Rx引脚有从CAN隐性状态到显性状态的变化时，该器件会转换CAN_H高和CAN_L低。
这种状态的对称变化减少了电磁干扰。
最后，步进电机则为MCU直接驱动，优势是能节省掉一般仪表的需要独立的步进电机的驱动，即简单又方便单。
系统基本组成包括：
电源模块、输入模块、输出模块、内部处理模块、CAN总线模块等。
2.4本章小结
本章主要内容是从LCD最基本的显示原理出发从而运用到汽车LCD仪表盘上，根据实际需求分析而去设计汽车仪表实际实用功能。
并且根据功能要求，从而进行选择适合的微控制器以及其他合适的器件选择。
第3章汽车仪表的硬件设计
3.1硬件原理连接设计
在硬件原理连接设计过程中，首先需要对芯片的资源进行分配，考虑到是否需要外扩资源。
本论文针对所有的输入输出信号，进行分析，分配端口，从而完成原理方框图设计。
如图3-1所示。
图3-1硬件原理连接图
3.2汽车仪表微控制器选择
C9S12HZ256是飞思卡尔专门为汽车仪表设计开发的一款芯片，基于16-bitHCS12CPU内核，256K的ROM，12K字节的RAM，2K字节的EEPROM，拥有16个通道的10-BitA/D转换器，集成了CAN驱动器，可支撑CAN2.0A/B，16-bit定时器，6路8-BitPMW端口，SCI，SPI，IIC，UART，集成LCD驱动器，可驱动32x4段，同时可直接驱动4个步进电机，集成声音发生器，共计112个针脚，等等。
总之，它是一个非常卓越的仪表专用的主控芯片。
微控制器的功能引脚图如图3-2所示。
图3-2微控制器的功能引脚图
3.3电源模块的设计
仪表的电源通常是线性12V-5V的电源，由于汽车的复杂环境和电气要求，对电源的设计尤为重要，一般要求过压，过流保护，同时也是比较低的ESR，对精度的要求也是非常高的，一般在2～5%左右，同时需要低噪音和电流短路保护，其中电源芯片的驱动能力是选择IC的重要指标。
由于主控芯片MC9S12HZ256最大运行电流约为25mA；
4个步进电机耗电约为90mA；
另外点阵LCD，已经CAN总线和内部上拉的电阻等功耗电流约为30mA；
总计组合仪表最低驱动电流为155mA,选择电源芯片IC的最大驱动电流，应该根据仪表的安全运行的所需电流，应该为155mA的2倍以上为佳。
目前最大驱动电流常见为100mA（LM2931）150mA（TLE4269GM）,450mA（TI的TLE4275-Q1）。
显然，要选择450mA的驱动能力的TI的TLE4275-Q1,注意，封装是P-TO263-1，这种封装可以在PCB板散热，无需外加散热片，设计简单同时经济。
该芯片可以最大可以驱动450mA,精度是2%，输入的最大耐压为42V，芯片前加一个电解电容1000uF，可以降低浪涌对芯片的冲击，同时，该芯片还有一个复位端口，当输出的电压小于5V，复位端口将发出一个信号给仪表主控芯片。
由于输入端口4，有一个47nF的电容，根据规范可知，当电源掉电后，约为10ms的延时时间，使得EEPROM拥有充分时间可以备份仪表的相关信息，如里程表的数据等。
还有一个重要的原因，现在考虑的蓄电池的耗电的要求，OEM现在越来越提高仪表的静态电流的要求，从刚开始不做要求，到前几年的5mA,到3mA,1mA,而这款电源芯片的静态耗电为150uA,而其他电源芯片一般未200～300uA，所以完全可以满足该款汽车仪表的需求。
另外，该芯片非常卓越的EMC保护能力，大于6KV，图3-3所示是电源模块的简明原理图。
图3-3电源模块的简明原理图
3.4过压保护模块
对于汽车仪表来说，所受的汽车环境是非常复杂，经常有尖峰脉冲出现，最高电压有时可以达+/-100V，对于仪表来说，如果仪表超过16V的输入，则仪表将执行中断，从而保护仪表。
故有模拟端口检测其电压，如果电压超过了临界的ADC值，则直接执行中断，仪表进入standby模式。
从而保护MCU。
其电路如图3-4。
图3-4电池检测电路
3.5CAN模块设计
3.5.1CAN总线介绍
控制局域网CAN（ControllerAreaNetwork）是国际上应用最广泛的现场总线之一，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种通讯协议，它作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。
今天此项通信协议已得到广泛应用，成为现代汽车设计中必须采用的装置，世界10大主机厂，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃，雷诺，丰田，本田汽车都将CAN作为控制器联网的手段。
目前，中国市场上，目前市场上由很多带CAN总线仪表出现，如几乎所有的合资或外资汽车厂，都是带CAN总线仪表，但是这些仪表的供应商，如VDO，伟世通，马瑞利等国际大集团，他们控制了CAN总线的核心技术，目前在国内，几乎没有纯国产的带CAN总线仪表，所以分析和研究带CAN总线的仪表，尤为迫切。
CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps，距离可达10km。
CAN协议一个最大特点是废传统站址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网络内节点个数理论上不受限制。
CAN总线具有较强纠错能力，支持差分收发，适合高干扰环境，并具有较远传输距离。
CAN协议许多领域分布式测控很有吸引力[9]。
CAN总线硬件连接简单,有良好的可靠性、实时性和性能价格比。
CAN总线能够满足现代自动化通信的需要,已成为工业数据总线通信领域中最为活跃的一支。
其主要特点是：
1.CAN总线为多主站总线,各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息,不分主从,通信灵活;
2.CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术,优先级高的节点优先传送数据,能满足实时性要求;
3.CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能;
4.CAN总线上每帧有效字节数最多为8个,并有CRC及其他校验措施,数据出错率极低,万一某一节点出现严重错误,可自动脱离总线,总线上的其他操作不受影响;
5.CAN总线只有两根导线,系统扩充时,可直接将新节点挂在总线上即可,因此走线少,系统扩充容易,改型灵活;
6.CAN总线传输速度快,在传输距离小于40m时,最大传输速率可达1Mb/s;
7.CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路,在CAN2.0B标准中,其报文标识符几乎不受限制。
总之,CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。
3.5.2CAN总线的报文传送和帧结构
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