电动汽车中控台控制电路的设计文档格式.docx
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Automotivemeters;
MC9S12DG128;
Hardware;
Software;
Controlcircuit.
1引言
1.1课题背景
伴随汽车工业的日益发展，能源危机日益加剧，同时也带来相关的环境问题。
这使得电动汽车成为当前新一代汽车（混合动力汽车、电动汽车、新能源汽车）发展的一个趋势。
作为现代汽车的关键零部件之一，汽车仪表反映了汽车行驶工况的相关内外部信息，有利于保障汽车的行驶安全性和舒适性。
同时，由于新技术的不断发展，汽车仪表广泛采用电子、计算机与通信技术，使之成为现代汽车的信息和控制中心，从而使得汽车组合仪表和相应控制器的开发设计显得尤为重要。
一般传统的汽车组合仪表有：
车速里程表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、以及相关的报警和指示仪表。
电动汽车因为采用的是电机，没有使用发动机，所以没有发动机转速表、水温表、燃油表，但需要相应地增加电机转速表、电流表、蓄电池电压表和剩余电量表这些与电动汽车相关的信息表。
由于空间及其他因素的限制，传统的机电式模拟仪表只能给驾驶员提供必要的而又少量的信息，现代汽车仪表则要求所显示的内容和信息的种类越来越多、精度和可靠性也越来越高，因而汽车仪表的电子化和数字化成为必然的发展趋势。
90年代，国外制造商为了克服电气式仪表的原理误差和工艺误差，纷纷推广采用电子式仪表，首先将传感器的模拟信号数字化，如将驱动车速里程表的软轴或电机变换成霍尔传感器，将机械传动或电量转动变成数字电信号传输。
其次，将磁感应指示模块变成数字显示形式，里程累计由蜗杆传动变成由步进电机驱动或直接数字化显示。
随着信息技术的高度发展，汽车仪表已从单个仪表电子化迈向集成化和系统化，这也使得汽车仪表的控台控制电路成为可能和必须。
同时，现在汽车的故障诊断、实时通信、导航和定位等大量复杂信息服务开始应用于汽车上，各个系统之间工作的协调性、可靠性以及抗干扰性，也需要汽车能够及时、高效、合理的处理好相关的信息，因而控制电路的正确合理设计对汽车仪表的功能发挥和未来发展有着重要作用。
1.2课题的目的、意义
本课题的目的是：
通过仪表与微处理器、局域网通信技术等结合起来，取代原来的纯机械式和模拟式仪表，综合利用电子式、数字式仪表的特点，更直观、方便的对汽车的相关信息进行显示，同时及时准确、可靠的获得汽车的实时信息。
对于可能发生的故障和不利情况，采用CAN通信技术进行相关模块的信息交换共享，通过微处理器对整个系统进行控制，并进行相应的处理；
预留故障诊断接口，以便对汽车的可能故障实现实时检测，以确保驾驶过程的安全性和舒适性。
此外，汽车仪表的不断电子化、数字化，使得其所能显示的信息更多，也有利于仪表的功耗、可靠性得到提高。
该设计将是汽车仪表的一个发展阶段，也是未来汽车仪表走向全数字化的一个准备阶段。
汽车仪表的显示和相应控制系统技术将会日臻完善，具有高精度和高可靠性、小型化和轻量化的汽车数字化组合仪表将是未来发展趋势。
1.3课题的国内外研究现状
国外的电动汽车的发展历史较长，从1834年首辆电动汽车诞生到1900年美国汽车市场上电动汽车、内燃机汽车和蒸汽机车的三分天下，国外的电动汽车有过大规模的生产和销售历史，组合仪表和相关的控制电路设计也较成熟。
汽车仪表发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过了4代：
第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，即机械心表；
第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测的电量转换成电信号加以测量，称之为电气式仪表；
第3代为模拟电路电子式；
第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。
目前汽车仪表正在经历第3代向第4代转型时期。
目前国际市场上汽车电子仪表应用主流有三种形式：
第一种形式与国内市场上正大力推行的电子式汽车里程表和电子式发动机转速表一样，主要是对车速里程表、转速表电子化改造。
第二种形式是所有汽车仪表机芯统一成一种结构的步进电机，所有的传感信号经A／D转换后，由中央处理器CPU运算处理后发布指令，使各步进电机运转，实现仪表指示功能，由于该过程是全数字化的，因而它不仅指示精度高，加上合适的软件还能实现自诊断功能。
第三种形式即是信息管理系统，也是国际汽车电子仪表的发展趋势。
我国汽车仪表的发展随汽车工业一道，自50年代创业起步。
而我国对于电动汽车的研发，则开始于20世纪80年代，承担的单位主要是高校和科研院所只有部分企业涉足这一领域，大部分开发的属于功能样车。
目前，市场上虽有一部分电动汽车上市，但还需要市场和时间的检验。
因此，国内的电动汽车组合仪表的开发工作尚处于起步阶段，生产与发展速度缓慢，处于电子式和数字式相结合的发展阶段，正在逐步向全数字式方向发展。
2控制电路的系统设计
2.1组合仪表的总体结构设计
传统汽车组合仪表通常由以下几部分组成：
车速表、里程表、转速表、水温表、油量表、照明系统、报警指示系统等。
本设计是基于电动汽车，其组合仪表板上主要显示的信息有：
电机转速、车速、行驶的总里程和临时里程、电机电流、蓄电池电压、荷电状态以及各种指示灯和报警信号。
因而，汽车仪表系统由各种信号采集模块、处理与控制模块、驱动电路、显示模块和电源模块组成（各主要功能模块的结构框图如图2.1所示）。
其中，采集模块负责采集电动车行驶时所关心的各种工作状态信息参数，即仪表要显示的信息量；
处理与控制模块主要负责处理经过整形的脉冲信号（车速、电机转速）、各种模拟信号（蓄电池电压、制动和加速踏板位置）（对于内部没有集成A/D转换模块的芯片，还要外加相应的A/D转换模块）以及一些开关量信号（如点火信号、换挡手柄位置信号、组合开关信号等）送入到主控芯片中，由主控芯片输出相应的控制信息驱动对应的电路；
驱动电路主要完成驱动步进电机显示车速、电机转速，驱动LED显示总里程和临时里程，驱动LCD显示电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态；
显示模块主要对采集的信息进行显示；
电源模块则为各模块和控制电路的正常工作提供电能。
该设计以Freescale公司的16位微控制器MC9S12DG128微主控制器，通过各种传感器对电机转速、车速、制动踏板和加速踏板位置信号等进行测量，通过相关的信号处理电路将脉冲信号、模拟信号和开关量信号送入MC9S12DG128中进行计算和处理，输出驱动步进电机、LED和LCD，从而实现相关信息的实时显示。
图2.1纯电动车组合仪表的系统结构图
2.2系统的功能和要求
该设计中的汽车组合仪表和相应的控制电路，用于显示和记录汽车行驶过程中的各种状态信息，具体应当实现的功能如下：
1）以CAN通信的方式获取动力电池管理系统的信息（电池的SOC、电池电压和电流）和电机电流等信息，并传送给LCD屏进行显示；
2）用步进电机带动表盘指针实时指示汽车行驶过程中的电机转速和车速两路信号；
3）用数码管显示汽车的总里程和临时里程。
其中，累计总里程具有记忆功能，临时里程可以被随时清零。
分别选用合适的数码管位数来显示累计总里程和临时里程；
4）应具有掉电保护功能，以便发生掉电时能够及时对数据进行存储。
电源掉电和上电时，表头指针可以复位回零；
5）系统电源由车载蓄电池提供12V电源；
6）根据车内照明情况，进行仪表背光调节。
同时还要指示远光、雾灯、转向等信号。
7）系统还要求有对电机的状态进行监测，预留故障诊断接口对汽车的故障进行诊断处理：
8）系统要具有一定程度的抗干扰能力，因此在对系统的软件和硬件方面进行设计时应当充分考虑；
9）系统要有良好的兼容性，标定和检测要方便。
2.3系统的硬件设计
2.3.1微处理器的选型
在汽车电子控制系统中，微处理器接收经过输入处理电路处理的信号，然后计算并控制所需的输出值，按照行驶状况的要求适时地向执行机构发送控制信号。
目前，在ECU中，所采用的微处理器多数是8位和16位的，只有极少数采用32位的。
出于安装空间和仪表板的简洁性考虑，微处理器的体积应当尽量小：
同时，对仪表的实时性和准确性的要求，微处理器要有一定的运算速度和精度。
本设计主要是应用在电动汽车上，属于新型产品的开发和应用，因此对于汽车上相关信息的采集以及控制等性能要求较高，故拟采用Freescale公司的16位微处理器MC9S12DG128。
MC9S12DG128是FreescaleHCS12系列单片机，其主要参数和功能模块如下：
128K的闪存、8K的ＲＡＭ、２Ｋ的ＥＥＰＲＯＭ、２个８通道１０位Ａ／Ｄ转换器、ＣＡＮ控制器、兼容ＣＡＮ协议以及定时器/计数器通道和键盘中断、ＳＣＩ和ＳＰＩ通信接口、输入捕捉、输出比较与ＰＷＭ。
2.3.2电源电路和掉电保护电路的设计
系统的电源来自汽车上的电瓶，而汽车电瓶的电压是+12V。
本系统需要两路电源供电：
12V电源和5V电源。
12V主要用来为一般的各种信号指示灯和报警灯以及背光灯提供电源，5V电源主要对微处理器及一些外围电路和功能芯片（如LED数码管显示、LCD液晶显示、步进电机驱动芯片等）供电。
因此，为了获得所需的+5V电源，需要采用电源转换芯片进行电平转换得到。
本设计中，选用的电源转换芯片为LM2940，其输入电压的范围为6.25V《=VIN《=26V，输出电压的精度较高，误差在5%以内，稳定性好。
该芯片具有反向电源保护功能、限制内部短路电流以及产品的增强型测试功能；
电源电路的硬件电路图如下图2.2所示：
输出电压为5V。
此外，为了降低输出电压的纹波和EMI噪声，电路也可附加相关的处理模块，进行滤波和抗干扰处理。
图2.2电源电路
图中的二极管D11的作用是防止输入电压接反，对电路起反向保护作用；
稳压二极管对电路进行过压保护；
电解电容对输出的电压进行滤波。
为了防止系统在正常工作时，由于电源和其他故障而导致电路突然断电，使得系统来不及保存相关的数据而导致数据丢失。
因此，需要附加掉电保护电路，使得掉电时能及时存储里程信息，同时车速表、转速表的指针回零。
为此，电源的输入端必须接入较大容量的电容，可以使用一个1000uF的电解电容，也可以使用两个470uF的电解电容。
本设计采用两个470uF的电解电容，电源断开时会在单片机的一个引脚产生一个外部中断信号，大的电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成内部数据的存储和外部中断服务程序。
本设计拟采用MC34064电压监控芯片，该芯片的功能是：
系统正常工作期间，当电源电压突然由高电压下降到足够低的电压时，可产生一个复位信号，将此复位信号作为外部中断信号接入单片机引脚，触发单片机的外部中断引脚产生中断，进行转入中断服务程序进行相关的处理。
它与单片机的接口电路图如下所示：
图2.3MC34064的电压监控电路工作图
由以上分析可知，掉电保护电路图如下图所示：
图2.4掉电保护电路
2.3.3输入脉冲信号调理电路的设计
车速信号和转速信号是通过传感器从汽车电动机和车轮相关位置取出。
多以非接触方式获取。
如用霍尔、电涡流等传感器获取，本设计所对应的传感器类型为霍尔传感器，车轮每旋转一周将会产生一个脉冲。
来自传感器的脉冲信号输入到单片机定时器模块的管脚，使用输入捕捉功能，为改善波形，在输入捕捉管脚外增加处理电路。
包括车速脉冲信号和转速脉冲信号处理。
其调理电路图如图2.3所示：
图2.5车速、电机转速信号调理电路
由图可知，当车速、电机转速的输入信号为低电平时，D29、D30两个二极管导通，则单片机接收到的为低电平；
当车速、电机转速输入信号为12V高电平时，此时D29、D30两个二级管截止，此时单片机接收到的电平信号为电阻R23、R26上的分压，即：
V=Vin*R23/（R21+R22+R23）=12V*47/（10+60+47）=4.82V
为高电平，从而将车速及电机转速信号转换成单片机所能识别的逻辑电平信号。
同时，此设计可对干扰信号起到较好的抑制作用。
2.3.4步进电机驱动模块的设计
步进电机是一个将电脉冲信号转换为角位移或线位移的机电式数模转换器，步进电机的工作原理是建立在被励磁的定子电磁铁吸引可选转的衔铁产生转矩而旋转，即靠磁铁引力作用把电磁能转换成机械角位移f211。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
脉冲的个数决定了转角的大小，而脉冲的频率决定了电机的转速。
这一线性关系的存在，加上步迸电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
一般步进电机可分为二相、三相、四相和六相。
该模块以仪表指针的形式动态地向驾驶员提供车辆运行时的两个重要参数：
车速和电机转速，使信息的显示更加直观、具体。
因此，该模块能否准确稳定地工作关系到汽车仪表盘的整体性能。
本设计采用伟力驱动技术有限公司的VID66-06步进电机驱动芯片和汽车仪表用步进电机VID29-05。
VID66-06是一款专为驱动步进电机而设计的CMOS集成电路，每个驱动芯片可同时驱动四路电机。
在驱动芯片的频率控制端输入脉冲序列F（scx），输出端可以控制步进电机的输出轴以微步转动，每个脉冲对应电机输出轴转动1/12度，最大角速度可达600度/s。
该产品适用于相位差为60度的两相永磁仪表步进电机。
其特点有：
以微步驱动；
简单易用，每个电机只需速度F（scx）和方向（CW/CCW）两个控制端；
所有输入脚都有干扰过滤器；
款工作电压；
低电磁干扰辐射。
VID29-05步进电机是伟力公司的VID系列步进电机，其可以工作于5—10V的脉冲下，最大消耗电流为20mA，内置减速比180/1的齿轮系，输出轴的步距角最小为1／12度，最大角速度为600度/s，其一个整步的步距角为180度，每一个整步分为3个分步，其微步的工作方式将每一分步再细分成四步走完，即将电机每相绕组的电流分为四个台阶投入或切断。
每一个微步的步距角为15度，绕组的电流波形为一正弦阶梯波。
可采用分步模式或微步模式驱动。
它具有如下优势：
精密微步技术、旋转平稳精确、低功耗、宽工作电压、动静扭力强劲、降噪抗震性能好和较好的环境适应性。
由于其布距角很小，因此可以将数字信号很准确地转为模拟的显示输出，但同时，微小的脉冲干扰很容易引起仪表指针的抖动，因而如何防抖使电机正常稳定地工作，成了此设计的一个难点。
为此，可以推荐采用两点技术：
1）在信号的输入端增加了防抖技术，并上22μF和0.1μF的电容。
2）在信号的输出端增加防抖技术，在步进电机的四个引脚并上四个0.1μF的电容。
从而可使信号的输入端和输出端进行滤波，防止外部干扰，保证信号能准确稳定的传输。
该步进电机驱动芯片的应用原理图如下所示：
图2.6VID66-06的典型应用原理图
由于本设计中只采用两路步进电机，故只需选择其中的两个来显示汽车的车速和电机转速，本设计拟采用A、C两个端口驱动步进电机。
2.3.5LED驱动模块的电路设计
LED因其体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低和环保等优点，被广泛应用于许多领域。
并联LED工作方式因其在电源功率应用方面效率较低，且其中任何一个LED发生故障，都不会影响其他LED的正常工作，所以可以获得高稳定性。
本系统拟采用8位8段LED数码管来显示汽车行驶时的总里程和临时里程信息。
其中前五位显示总里程信息，后三位显示临时里程信息。
本设计采用MAX7219/7221LED显示驱动芯片驱动数码管进行显示。
MAX7221采用3线串口传送数据，占用资源少且硬件简单，只需一个外部电阻既可以方便的调节LED的亮度（本设计采用固定阻值电阻）；
可以灵活地选择显示器的个数；
用户自己可以根据情况，选择进行译码显示或不译码显示；
内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。
其工作原理如下图所示：
SEGA-SEGG和DP分别为LED七段驱动器线和小数点线，供给显示器源电流；
DIG0-DIG7为8位数字驱动线，输出位选信号。
DIN是串行数据输入端。
在CLK的上升沿，一位数据被加载到内部16位移位寄存器中，CLK最高频率可达10MHZ，在输入时钟的每个上升沿均有一位数据由DIN端移入到内部寄存器中；
LOAD用来装载数据，在LOAD的上升沿，16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中，LOAD必须在第16个时钟上升沿的同时或之后，在下一个时钟上升沿之前变高，否则数据将会丢失。
其应用电路图如下图所示：
图2.7MAX7219/7221的典型应用电路
由驱动芯片MAX7219/7221的应用原理图，设计的LED驱动电路图如下图所示：
图2.8LED驱动电路
2.3.6LCD驱动模块的电路设计
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。
在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。
液晶因其低压微功耗、显示的信息量大、为被动显示型、易于彩色化等优点，而被广泛应用作一种显示工具。
本设计中，利用液晶主要来显示电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态信息。
由于显示的信息量较少，故采用较小的LCD点阵式显示屏（如要显示其他的信息，可适当增加点阵式LCD的行、列数）。
综合考虑，本设计拟采用HT1621BLCD驱动器和相应的LCD显示屏。
HT1621B是32x4点、内存映像和多功能的LCD驱动器。
HT1621B内嵌256KHzRC振荡器、可外接32KHz晶片和256KHz频率源输入，内嵌时基发生器和看门狗定时器、节电命令下可降低功耗。
同时，HT1621B的软件配置特性、可以配置成1/2或1/3的LCD驱动器偏压和2、3、和4个公共端口，这使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统。
HT1621B的内部结构和引脚图如下图所示：
图2.9HT1621B的方框图
微处理器与HT1621B驱动芯片之间采用SPI串行通信技术，利用串行接口技术简化了模块和微处理器间的布线，大大提高了模块和仪表系统的线束和数据传输的可靠
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