一款汽车组合仪表设计方案
陈贵宏;张邵进;马世典;冯晓刚
【摘 要】The instrument cluster is a difficulty in advanced vehicle development as the most important display window.The author introduces development proposal of a model of vehicle instrument cluster,mainly its software and hardware design and logical function,thus providing a good guide for instrument cluster developers.%组合仪表作为最重要的信息显示窗口,是高档汽车开发的一个难点。本文介绍了一款汽车组合仪表的开发方案,主要从软、硬件设计,逻辑功能等几个方面进行系统的阐述,为汽车仪表的开发提供了很好的设计指导。
【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2011(000)009
【总页数】3页(P1-3)
【关键词】MG7-10;组合仪表;仪表原理;仪表功能;软件设计
【作 者】陈贵宏;张邵进;马世典;冯晓刚
【作者单位】上海汽车技术中心（南京）电子电器部,江苏南京210061;上海汽车技术中心（南京）电子电器部,江苏南京210061;江苏大学汽车工程研究院,江苏镇江212013;上海汽车技术中心（南京）电子电器部,江苏南京210061
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.7
MG7是一款具有纯正英伦风格的整车产品，它的豪华大气，尊贵典雅，使其上市之后成为中国市场上非常受欢迎的一款中高档商务轿车。MG7-10款汽车是基于MG7开发的2010 model year年型车，在新车型中主要以升级网络配置与优化电气架构为主要开发目标。
近年来，随着整车架构网络的不断扩展，电器件功能日益复杂，组合仪表作为车辆信息的主要显示载体，需要与整车进行大量的数据交互，因此，仪表正朝着高集成化、高可靠性的方向不断发展。
本文介绍了MG7-10款汽车组合仪表的设计思路，主要从其机械结构、功能、软硬件设计和工程试验等几方面进行阐述。
1 系统构成
1.1 电路设计
MG7-10款汽车组合仪表是采用Freescale仪表专用微处理器作为主要的控制核心，自带6通道的步进电机驱动模块 （本设计只用4路），并且使用了专用的LED报警驱动芯片，大屏幕LCD点阵汉字图形显示等先进技术。采用CAN总线和硬线共同使用的I／O模式，使得仪表在外部接口引线最小化，PCB布局也更为紧凑。
1.2 机械结构设计
该款仪表的外形结构是基于原英国ROVER75的仪表外形，仅在局部进行微调，其仪表的灯箱架和后壳、玻璃面板和后壳之间均采用了成熟的无螺钉搭扣总装联接，该结构可靠性高、维修和安装更加方便，仪表分解爆炸图见图1。
图1 仪表分解爆炸图
1.3 材料设计
根据企业标准，对仪表结构件的材料有着严格的要求，需要阻燃性能好、耐高温，以及达到VOC控制要求，所以指针及刻度盘材料选择了高强度的PC，壳体材料选择了耐高温的增强型ABS。
2 仪表主要功能介绍
该仪表功能强大，常用的指示仪表有4种：即车速里程表、发动机转速表、发动机水温表和燃油表，它们均采用指针式指示，分别显示汽车行驶的速度、发动机转速、发动机水温和汽车油箱的油量。在仪表表盘上有多达15个LED的报警指示灯，如左、右转向指示灯，制动信号灯，远光指示灯，ABS，SRS，巡航，低油压，蓄电池充放电，油量低和水温高报警指示灯等。同时，该仪表还设有上、下两个不同的LCD液晶窗口，下方是段码LCD显示，主要显示里程信息、档位及模式、外部温度、维修保养里程等信息；上方是点阵LCD显示窗口 （120×64），显示行车电脑的信息，各种带图标文字的报警信息，外部灯泡故障信息指示等，该仪表的详细功能示意见图2。
图2 仪表功能示意图
3 硬件设计
该仪表硬件部分的设计主要包括以下几个方面：①主控电路系统设计 （包括主芯片选型、I／O分配）；②输入输出电路设计 （包括信号采集、电机驱动、液晶／LED显示驱动、报警声音）；③CAN总线硬件设计；④背光调节电路；⑤电源设计；⑥显示界面布置。
图3 MG7-10款汽车组合仪表主芯片功能框图
汽车行车电脑MG7-10款汽车组合仪表主芯片功能框图如图3所示，它是以Freescale 16bit的组合仪表的专用单片机 （MC9S12XHZ512型）为核心平台，直接集成了步进电机的驱动芯片，可实现6路步进电机的驱动，驱动6表头显示，并带有步进电机归零检测；32×4的LCD驱动，并带有X处理器，可实现大规模点阵式LCD驱动；2路CAN处理控制模块，8通道的PWM波处理，可实现背景光的无级调节；以及RAM （随机存储器）、EEPROM （电可擦可编程只读存储器）等。
其中燃油箱的油量信号和外部温度传感器信号通过模拟信号传送给仪表，仪表芯片进行A／D转换，并进行内部处理后进行正确的显示。其余的输入信号通过CAN信号及数字信号传输给
仪表。仪表上还带有小计里程清零按钮和行车电脑选择开关。该数字组合仪表与机械仪表和十字交叉线圈仪表最大的不同之处，就是采用了步进电机作为指针的驱动。步进电机响应迅速、指示准确，配合相应的软件可以实现非常丰富的显示效果。本款仪表选取瑞士SWITECH公司生产的步进电机，该电机的特点是扭力较大，工作稳定、指示平稳、噪声低、可靠性高，但对生产加工要求很高。组合仪表的设计原理框图如图4所示。
图4 组合仪表的设计原理框图
4 仪表软件部分设计
仪表软件的开发，要求按照倒V型软件开发的流程，在流程开发的每一个环节都必须严格控制软件代码的品质，降低开发的风险，缩短软件开发的周期，保证软件开发的品质。
组合仪表的软件开发，先期要根据整车功能要求，画软件流程图，搭出整个软件的结构框架，与架构工程师和系统工程师充分沟通，写好底层的各种驱动程序，进行软件的初步调试；底层调试通过以后，根据各个模块的功能要求，编写各个功能程序，完成仪表的主要功能。这个阶段的功能验证只能在试验台架进行，同时在这个过程中尽可能在整车上进行验证。
该数字仪表作为典型的嵌入式系统，其软件设计必须充分考虑仪表功能和硬件结构的结合，并且以相关的硬件作为基础，通过MCU的端口输入和输出相应的控制信号，最终表现为指针式仪表板、2块LCD液晶屏和其他LED的报警或信号灯的动作，从而实现仪表的信息显示功能。
对于车速表，其输入信号是从ABS控制器传输过来的轮速传感器的脉冲信号，MCU通过在单位时间内收到的脉冲信号数来计算车辆的实时速度后，通过主芯片上步进电机驱动端口来驱动车速表步进电机旋转，步进电机带动指针指示到仪表刻度盘相应位置。
发动机水温表和发动机转速表的信号，是发动机EMS的信号通过CAN总线由CAN收发器传输到MCU的，MCU中的CAN控制器对信号进行处理后，来驱动水温表和转速表的步进电机旋转，步进电机带动指针指示到刻度盘的相应位置。
对于燃油表，利用MCU集成的A／D采样端口，测量燃油传感器的电阻值，根据该电阻值计算出油箱内油量的值，以步进电机的专用驱动端口来驱动油量步进电机的旋转，步进电机带动指针指示到刻度盘的相应位置。
仪表LCD上显示的外部温度，也是通过采集外部温度传感器值，利用MCU集成的A／D采样端口，转换后来测量外部温度，并在LCD上实时显示。
变速器档位和模式信号，则是变速器控制器信号通过CAN总线传输给仪表，进行实时显示的。LCD上显示的总里程和小计里程都是根据ABS控制器传输来的轮速脉冲信号计算所得，而时间显示内容为MCU内部时钟模块经过相互的转换而得到。
仪表板上其余的报警指示灯和信号灯，大多数是由CAN网络传输，仪表MCU接收处理后，控制LED的点亮或熄灭；还有一些是直接硬线连接到传感器或开关件，直接驱动LED的点亮或熄灭。
信息显示中心除了显示各种报警信息外，还显示行车电脑信息。通过调节行车电脑开关，可显示单次行驶里程、续航里程、平均油耗、平均车速、超速报警设置、中英文文字切换等功能。
数字式组合仪表相对于传统的机械仪表有很大的优势，由于采用了CAN总线结构，并且有MCU的介入，可以将非常复杂的计算逻辑用嵌入式的软件描绘出来，在仪表的显示中实现，
以期达到最贴近于驾驶者习惯的目的。最典型的是汽车燃油表的显示逻辑，在汽车行驶的过程中，因为颠簸和车辆倾斜的原因，油箱中的传感器浮子会上下摆动，其传输出来的电阻值就会有很大的波动，如果仪表随着该电阻变化使得油量指示不断变化，肯定不是油量的真实值，也会引起客户的抱怨。所以，在燃油指示的逻辑上采用了硬件阻尼和软件阻尼相结合的指示策略，从而使得燃油表能够正确指示油箱内实际的油量。