作者：竇志軍;何培祥;李慶東;張霞 來源：電子技術(shù)應(yīng)用

一 引言

混合動(dòng)力汽車通常是指同時(shí)由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的汽車。汽車?yán)萌加蜋C(jī)和電力兩種動(dòng)力系統(tǒng)通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的形式進(jìn)行組合工作。這兩種動(dòng)力源在汽車不同的行駛狀態(tài)下可分別工作，或同時(shí)工作，運(yùn)用最優(yōu)的控制方法達(dá)到最少的燃油消耗和尾氣排放，實(shí)現(xiàn)省油和環(huán)保的目的?；旌蟿?dòng)力汽車由于具有兩套動(dòng)力系統(tǒng)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，在控制難度提高的同時(shí)，也對(duì)數(shù)據(jù)傳輸及顯示的實(shí)時(shí)性和可靠性提出更高的要求，如果能將不同動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及時(shí)地反映給駕駛員，為駕駛員提供更為全面的行車咨詢，對(duì)混合動(dòng)力汽車而言CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，顯得尤為重要。目前，我國(guó)普遍生產(chǎn)使用的是燃油汽車，相應(yīng)地，我國(guó)目前普遍采用的步進(jìn)電機(jī)式數(shù)字儀表也是針對(duì)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)而設(shè)計(jì)。如果在已有的步進(jìn)電機(jī)式儀表面板中設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的圖象來顯示混合動(dòng)力汽車相關(guān)參數(shù)，特別是反映動(dòng)力源工作狀態(tài)的參數(shù)，將很難保證顯示系統(tǒng)的清晰性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。針對(duì)這種現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款以彩色液晶顯示器為終端的基于TI公司TMS320F2812 DSP的混合動(dòng)力汽車綜合顯示儀。

該顯示儀從CAN總線獲取所需數(shù)據(jù)，由TMS320F2812 DSP處理數(shù)據(jù)并通過MAX232送往彩色液晶，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與“預(yù)置畫面”相結(jié)合的動(dòng)態(tài)顯示，并可隨時(shí)根據(jù)需要，由軟件實(shí)現(xiàn)顯示界面的擴(kuò)充。這一系列任務(wù)在硬件支持的情況下全部由軟件編程實(shí)現(xiàn)。

1. CAN總線技術(shù)

目前存在多種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，控制局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network， CAN）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。它有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制，并采用了帶優(yōu)先級(jí)的CSMA／CD協(xié)議對(duì)總線進(jìn)行仲裁。因此，CAN總線允許多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，這樣，既保證了信息處理的實(shí)時(shí)性CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，且每幀信息都有校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、低傳輸出錯(cuò)率。

目前，汽車上主要有2條CAN 總線，即低速（L）與高速（H）CAN總線CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，低速線路工作在125kb/s以內(nèi)，主要控制車身及舒適系統(tǒng)（中央門鎖、車窗、天窗、收音機(jī)、座椅、安全氣囊等）；高速線路工作在125kb/s以上，主要控制動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器、制動(dòng)系統(tǒng)以及防側(cè)滑系統(tǒng)、綜合顯示儀等），隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，總線的數(shù)量會(huì)越來越多，功能越來越強(qiáng)大。在汽車內(nèi)部采用基于總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可達(dá)到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體可靠性的目的。在國(guó)外控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用在汽車上，如奔馳、寶馬、寶時(shí)捷等車。

2. TMS320F2812 DSP芯片

TMS320F2812是美國(guó)TI公司最新研制的2000系列數(shù)字信號(hào)處理器，是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化的第一款帶片內(nèi)Flash、工作頻率達(dá)到150MHz的32位DSP。它采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲(chǔ)器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種多總線結(jié)構(gòu)使得它可以在一個(gè)周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時(shí)它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。

二 混合動(dòng)力汽車綜合顯示儀的設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)思想

本設(shè)計(jì)利用車輛網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，從CAN總線上采集混合動(dòng)力汽車綜合顯示儀所需要的數(shù)據(jù)，如車速、轉(zhuǎn)速、檔位、電池荷電狀態(tài)（SOC）、動(dòng)力系統(tǒng)工作狀態(tài)等，經(jīng)DSP處理后進(jìn)行各種實(shí)時(shí)控制和顯示。區(qū)別于傳統(tǒng)的儀表面板，本設(shè)計(jì)采用彩色液晶顯示器作為顯示終端動(dòng)態(tài)顯示所采集并用軟件處理過的數(shù)據(jù)，可隨時(shí)根據(jù)需要，由軟件實(shí)現(xiàn)顯示界面的修改和擴(kuò)充。使用CAN總線方式使得整體系統(tǒng)工作更加及時(shí)、準(zhǔn)確，提高了安全性、可靠性，更具有智能化和人性化。TMS320F2812芯片則保證了信號(hào)處理的快速性、實(shí)時(shí)性以及通信設(shè)計(jì)的方便。

2. 顯示儀的硬件設(shè)計(jì)

該顯示儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：電源復(fù)位電路、CAN通信接口電路、SCI通信與電平隔離轉(zhuǎn)換電路、液晶接口電路等。F2812不斷地從CAN總線上獲取數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算處理后，由SCI經(jīng)過MAX232送往YD711彩色智能液晶顯示器，與“預(yù)置畫面”組合顯示。

a. 電源復(fù)位電路

TMS320F2812芯片需要給CPU、Flash、ADC及I/Os提供雙電源（1.8V和3.3V），在上電期間，應(yīng)該為所有模塊賦予正確的復(fù)位狀態(tài)，器件的上電/掉電需要滿足一定的時(shí)序要求。TI的專用電源芯片TPS767D318可通過5V穩(wěn)壓電源，提供滿足DSP內(nèi)核所需的1.8V電壓和其外設(shè)所需的3.3V電壓。在（PIN4）和（PIN10）之間串聯(lián)RC充電電路目的在于使能1路輸入輸出和2路輸入輸出有一定時(shí)間的延遲CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，從而使3.3V和1.8V的電壓輸出滿足F2812的上電時(shí)序要求，R、C的取值取決于時(shí)間常數(shù)。1Reset（PIN28）和2Reset（PIN22）內(nèi)部連接的是“與”門漏級(jí)開路驅(qū)動(dòng)器，因此PIN28和PIN22并聯(lián)的結(jié)果是如果任何一端輸出為低，都將引起F2812復(fù)位。采用DC/DC穩(wěn)壓電源以及嚴(yán)格隔離數(shù)字地和模擬地的設(shè)計(jì)，從硬件上保證了系統(tǒng)的抗干擾性。如圖2所示。

b. CAN通信接口電路與數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換電路

TMS320F2812中集成的CAN總線模塊是增強(qiáng)型CAN（eCAN）模塊，支持CAN技術(shù)規(guī)范2.0B，最高達(dá)1Mb/s速率，并帶光電隔離；在基于TMS320F2812的混合動(dòng)力汽車綜合顯示系統(tǒng)中，CAN總線接口是在集成的eCAN模塊的基礎(chǔ)上，外擴(kuò)了TI公司的3.3V CAN總線收發(fā)器SN65HVD232。由于YD711型彩色液晶智能顯示器采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232C通信方式CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，系統(tǒng)采用MAX232芯片將DSP輸出的典型3.3V電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平。CAN通信接口電路與數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

c. YD711液晶接口電路

液晶的移位寄存器RXD（PIN14）通過RS-232C口的TXD（PIN3）與MAX232的T1out（PIN14）連接；液晶的緩沖區(qū)寄存器DTR（PIN15）通過RS-232C口的DSR（PIN6）與MAX232的T1in（PIN13）連接，在F2812給YD711發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先應(yīng)判斷移位寄存器是否為空CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，為空時(shí)再檢查DTR信號(hào)，若DTR為高電平，表示緩沖區(qū)滿，要等到DTR信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶笤侔l(fā)送數(shù)據(jù)。即DTR為低電平時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，DTR為高時(shí)停止數(shù)據(jù)發(fā)送。接口電路如圖3、4所示。

3. 軟件設(shè)計(jì)

編程工具采用TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCStudio V3.1，采用標(biāo)準(zhǔn)C語言作為程序設(shè)計(jì)語言，其編譯效率和直接用匯編語言已經(jīng)沒有太大的差距。程序主要涉及到eCAN模塊、PIE模塊和SCI模塊的運(yùn)用：

（1）在對(duì)各寄存器進(jìn)行初始化以后，首先啟動(dòng)CAN模塊接受數(shù)據(jù)；

（2）判斷數(shù)據(jù)的類型，例如：判斷是轉(zhuǎn)速、水溫、還是其他，并將數(shù)據(jù)分別存放到相應(yīng)的郵箱中；

（3）判斷數(shù)據(jù)是否正確，采用“差異判別標(biāo)志”的方法來識(shí)別數(shù)據(jù)屬于本身的正常躍變、還是由于干擾引起的突變，從軟件上保證了系統(tǒng)抗干擾的能力。

例如：當(dāng)此次所接收的數(shù)據(jù)與上次接收的數(shù)據(jù)相比，存在較大差異時(shí)，軟件暫時(shí)只保留數(shù)據(jù)而不將其送往液晶顯示，并打開一個(gè)“差異判別標(biāo)志”，并將所保留的數(shù)據(jù)再與下一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，直到相鄰幾個(gè)數(shù)據(jù)不存在較大差異時(shí)，才認(rèn)為是正確的數(shù)據(jù)，這時(shí)清除“差異判別標(biāo)志”并由SCI將數(shù)據(jù)送往液晶顯示。

PIE模塊用以實(shí)現(xiàn)駕駛員按鍵選擇畫面部分的功能。當(dāng)有按鍵觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生，主程序跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)子程序ISR中，判斷選擇的是哪幅畫面并將其顯示，中斷子程序返回至主程序。

4. 顯示界面設(shè)計(jì)及參數(shù)范圍

本設(shè)計(jì)選用了友利華（河南）高科技開發(fā)有限公司的YD711彩色液晶智能顯示器，引入了“預(yù)置畫面”的概念：所有的顯示畫面都被分為固定部分和變化部分。對(duì)于固定部分，可以預(yù)先在微機(jī)上進(jìn)行編制，然后將其作為“預(yù)置畫面”送入機(jī)內(nèi)（閃存）中，本系統(tǒng)一共繪制了3幅預(yù)置畫面：

（1）考慮到有些駕駛員習(xí)慣于傳統(tǒng)的儀表版面，設(shè)計(jì)了指針式的畫面；

（2）在動(dòng)力傳輸示意圖這個(gè)畫面里，系統(tǒng)將其中的小箭頭作為變化部分，通過程序?qū)π〖^進(jìn)行連續(xù)填充，達(dá)到動(dòng)態(tài)跑動(dòng)的效果，從而非常直觀地反映出了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如圖5所示；

（3）考慮到駕駛員不同習(xí)慣的需求，設(shè)計(jì)了純粹以數(shù)值方式顯示的畫面，如圖6所示。系統(tǒng)通過軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組合顯示，駕駛員可通過按鍵方便地選擇畫面。

根據(jù)混合動(dòng)力汽車的特性，綜合顯示儀所顯參數(shù)及其范圍設(shè)定為：車速（0～180km/h）、轉(zhuǎn)速（0～6500r/min）、檔位（停車檔-P、倒車檔-R、空檔-N、前進(jìn)檔-D、行車檔-S、低速檔-L）、電池荷電狀態(tài)（SOC 0～100%）、電流（0～200A）、電壓（額定電壓288V）、水溫（0～120℃）、燃油（0～100L）、里程（0～30000km），動(dòng)力系統(tǒng)工作狀態(tài)以及動(dòng)力傳輸示意圖。其中的動(dòng)力傳輸示意圖能動(dòng)態(tài)直觀地反映發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)。

三 試驗(yàn)結(jié)果

本綜合顯示儀設(shè)計(jì)了三幅畫面，如畫面1、2、3所示。駕駛員可通過按鍵方便地切換顯示畫面。試驗(yàn)表明，該綜合顯示儀能按設(shè)計(jì)要求正常穩(wěn)定地顯示汽車運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)動(dòng)力源以及動(dòng)力傳遞方向發(fā)生改變時(shí)，動(dòng)力傳輸示意圖里的箭頭運(yùn)動(dòng)方向也跟著改變，從而可非常直觀明確地顯示汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

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