【正文】 目前汽車(chē)儀表正在經(jīng)歷由第3代向第4代轉(zhuǎn)型時(shí)期。由于現(xiàn)代汽車(chē)儀表所要顯示的內(nèi)容和信息種類(lèi)越來(lái)越多，精度越來(lái)越高，傳統(tǒng)電氣式儀表難以滿足更高層次要求，因而汽車(chē)儀表的電子化和數(shù)字化將成為必然趨勢(shì)。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。本課題通過(guò)儀表與微處理器，基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電子器件代替原有的機(jī)械機(jī)芯表、電氣式儀表和模擬電路電子儀表，把各參數(shù)的測(cè)量數(shù)字化，有利于和汽車(chē)其它的電子集中控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有利于汽車(chē)集中控制系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，此外還使得汽車(chē)儀表的功耗、安全性、可靠性、舒適性得到更好的提高。 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究概況我國(guó)的汽車(chē)儀表與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)水平有相當(dāng)大的差距。而國(guó)內(nèi)真正民族汽車(chē)儀表廠，還沒(méi)有批量生產(chǎn)出該類(lèi)型的儀表，只有德國(guó)VDO公司和美國(guó)德科公司在我國(guó)設(shè)廠生產(chǎn)。但我國(guó)民族汽車(chē)儀表生產(chǎn)廠家從事汽車(chē)儀表設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，絕大部分還不具備這方面的知識(shí)能力，自主開(kāi)發(fā)還不具備技術(shù)條件，汽車(chē)儀表機(jī)心技術(shù)便是其中一例。 本課題研究?jī)?nèi)容本課題研究?jī)?nèi)容是以單片機(jī)為核心的儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛儀表是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，是車(chē)輛安全行駛的重要保證。b）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體方案，畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖。d）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的流程圖和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，如溫度、速度、CAN通信模塊程序等。f) 分析總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。此儀表系統(tǒng)要求顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠，同時(shí)展現(xiàn)車(chē)用儀表系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊開(kāi)發(fā)空間。系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最根本的手段，系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的基本保證。 系統(tǒng)的功能與要求設(shè)計(jì)一套車(chē)載智能儀表，用于顯示和記錄汽車(chē)行駛過(guò)程中的各種狀態(tài)信息，具體實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)達(dá)到如下要求：a) 采用通用單片機(jī)，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。c) 車(chē)載信息的LCD顯示，具有汽車(chē)速度、溫度等汽車(chē)行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的功能d) 利用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將采集的數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行處理，首先必須進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)CAN總線兼容的硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成如圖21所示。根據(jù)系統(tǒng)的要求和現(xiàn)實(shí)的考慮，選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52RC通用單片機(jī)。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。與Intel公司的MCS51系列單片機(jī)相兼容，是廣泛應(yīng)用的單片機(jī)之一。串口通信模塊最主要的功能是用于后續(xù)功能擴(kuò)展，以使單片機(jī)具備更多的功能。通信原理，本系統(tǒng)所選MCU不帶CAN控制器。通信模塊即采用51系列的單片機(jī)作為中心處理器，SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN驅(qū)動(dòng)器。 測(cè)溫與測(cè)速模塊車(chē)速、溫度是汽車(chē)的基本信號(hào)之一，都是通過(guò)傳感器來(lái)采集。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類(lèi)型。線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適應(yīng)溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測(cè)量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。因?yàn)槠洳恍鑿?fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，并能夠使制板的成本降低。光電轉(zhuǎn)速傳感器原理：光電轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻斷時(shí)，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)通過(guò)光發(fā)射器和收光器之間并阻斷光線時(shí)，傳感器輸出信號(hào)。 電源及LCD顯示模塊a) 電源模塊電源是整個(gè)系統(tǒng)能正常工作的保證，電源的穩(wěn)定性決定著系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。像牽涉到單點(diǎn)穩(wěn)壓場(chǎng)合需要限制噪聲和解決分布問(wèn)題的。b) LCD顯示模塊（LCM）當(dāng)前市場(chǎng)上液晶顯示器種類(lèi)繁多，按排列形狀可分為字段型、點(diǎn)陣字符型和點(diǎn)陣圖形型。但在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，比較常用的是點(diǎn)陣字符型LCD顯示器?，F(xiàn)在人們已將LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器、RAM、ROM和LCD顯示器用PCB連接到一起，稱為液晶顯示模塊LCM（Liquid Crystal Display Module）。本系統(tǒng)采用的液晶顯示模塊為ATM12864D，主要用來(lái)顯示溫度、車(chē)速等相關(guān)信息，完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，并且對(duì)以后系統(tǒng)的擴(kuò)展顯示留有一定的余地。單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。 單片機(jī)的時(shí)鐘電路硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)時(shí)鐘電路產(chǎn)生，可以直接使用外部時(shí)鐘信號(hào)。a) 外部振蕩方式外部振蕩方式就是把外部自己有時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。外部振蕩方式電路接法如圖31所示。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 圖31 外部振蕩方式 圖32 內(nèi)部振蕩方式本系統(tǒng)中利用內(nèi)部振蕩方式，電路如圖32，圖中C1，C2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振的作用，其容值一般在5～30pF。在振蕩器正在運(yùn)行的情況下，復(fù)位是靠在RST引腳處至少保持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩器周期)的高電平而實(shí)現(xiàn)的。片外復(fù)位信號(hào)通過(guò)引腳RST加到內(nèi)部復(fù)位電路上。RST端的外部復(fù)位電路有兩種復(fù)位操作形式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。在系統(tǒng)上電時(shí)，經(jīng)C1與R1充電，使RST端為高電平，持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期完成復(fù)位。在圖33中，RC時(shí)間常數(shù)越大，上電時(shí)RST保持的高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。b) 按鍵手動(dòng)復(fù)位按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 圖33 上電自動(dòng)復(fù)位電路 圖34 手動(dòng)電平復(fù)位電路上電瞬間R1C1電路充電，RST引腳出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。按鍵復(fù)位時(shí)，R2阻值選擇不能過(guò)小，那樣的話只要碰到就會(huì)復(fù)位；選擇過(guò)大時(shí)，按鍵按下去很久才能復(fù)位，所以要選擇適中的阻值為1 K左右的電阻。此復(fù)位電路具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能。工作期間，按下SW，C1放電。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。圖35 89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)硬件電路原理圖 RS232串行通信接口電路單片機(jī)的串行口是非常有用的，我們可以通過(guò)它把單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處理或者接受電腦傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。52單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口，非常適合與電腦進(jìn)行通信，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用的是RS232出行接口方式。由于電腦串口RS232電平是10V、 +10V，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平0、 +5V,MAX232就是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含兩驅(qū)動(dòng)器、兩接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平。圖36 MAX232引腳圖該器件符合TIA/EIA232F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA232F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。其主要特點(diǎn)為：a) 符合所有的RS232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)b) 只需要單一 +5V電源供電 　　c) 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10v和10v電壓d) 功耗低，典型供電電流5mA 　　e) 內(nèi)部集成兩個(gè)RS232C驅(qū)動(dòng)器 　　f) 內(nèi)部集成兩個(gè)RS232C接收器 串行通信接口電路串行端口的本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。 應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求（打開(kāi)串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。圖37 串行通信接口電路 溫度傳感器及其硬件接口電路設(shè)計(jì) 溫度傳感器DS18B20簡(jiǎn)介DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到三根或兩根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。b) 10℃～+85℃范圍內(nèi)的測(cè)溫準(zhǔn)確度為177。c) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+～+。e) 負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度傳感器不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖38 DS18B20與STC89C52的接口電路通過(guò)預(yù)先對(duì)DS18B20可編程溫度傳感器的編程，完成轉(zhuǎn)換位數(shù)，精度，高、低溫報(bào)警觸發(fā)器TH，TL的溫度設(shè)置。再結(jié)合軟件及相應(yīng)外圍電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)盤(pán)和測(cè)量盤(pán)有間隔相同的縫隙。反射式光電傳感器在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有反射記號(hào)，由光源發(fā)出的光線通過(guò)透鏡和半透膜入射到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上。反射率變大時(shí)，反射光線經(jīng)透鏡投射到光敏元件上即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)；反射率變小時(shí)，光敏元件無(wú)信號(hào)。反射式光電測(cè)速主要由被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件、反光片（或反光貼紙）、反射式光電傳感器組成，在可以進(jìn)行精確定位的情況下，在被測(cè)部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙會(huì)取得較好的測(cè)量效果。通過(guò)測(cè)出這個(gè)跳變頻率f，就可知道轉(zhuǎn)速N。特點(diǎn)：a) 采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。c) 采用非接觸檢測(cè)方式。其光電特性如表31：表31 光電特性項(xiàng)目符號(hào)測(cè)試條件最小典型最大單位輸入正向壓降=20mAV反向電流=3V10181。A集電極亮電流=15V=8mAL3mAL4mAL5mA飽和壓降=8mA，=V 續(xù)表31項(xiàng)目符號(hào)測(cè)試條件最小典型最大單位傳輸特性響應(yīng)時(shí)間=20mA，=5V=10010181。s ST188紅外光電傳感器與單片機(jī)的硬件接口設(shè)計(jì)ST188與STC89C52的接口電路圖如圖39所示。通過(guò)調(diào)節(jié)比較電壓的值，找到一個(gè)合適的比較電壓，在輸出端獲得一組脈沖通過(guò)非門(mén)使脈沖更加標(biāo)準(zhǔn)化。 液晶顯示模塊硬件設(shè)計(jì) 液晶顯示模塊ATM12864D簡(jiǎn)介本系統(tǒng)采用ATM12864D點(diǎn)陣式液晶作為主要顯示工具。該液晶屏具有眾多控制字，程序開(kāi)始時(shí)，先對(duì)液晶初始化。該液晶屏由兩塊控制芯片來(lái)控制，各為（64*64）方陣，圖像點(diǎn)信息按照縱向每8個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)字節(jié)。在需要顯示這個(gè)字符時(shí)，只要從液晶的數(shù)據(jù)口順序輸出數(shù)組里面的內(nèi)容就可以了。表32 液晶引腳說(shuō)明管腳號(hào)管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0電源地2VDD+電源電壓3V0液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電壓4D/I(RS)H/LD/I=“H”，表示DB7～DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I=“L”，表示DB7～DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”，E=“H”數(shù)據(jù)被讀到DB7～DB0R/W=“L”，E=“H→L”數(shù)據(jù)被寫(xiě)到IR或DR6EH/LR/W=“L”，E信號(hào)下降沿鎖存DB7～DB0R/W=“H”，E=“H”DDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7～DB07～14DB0～DB7H/L數(shù)據(jù)線15CS1H/LH:選擇芯片(右半屏)信號(hào)16CS2H/LH:選擇芯片(左半屏)信號(hào)17RETH/L復(fù)位信號(hào),低電平復(fù)位18VOUT10VLCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓19LED+LED背光板電源20LEDLED背光板電源 液晶顯示模塊ATM12864D與STC89C52硬件接口設(shè)計(jì)液晶屏與單片機(jī)的接線如圖310所示。只有阻值在特定的位置區(qū)域內(nèi)才會(huì)顯示。引腳A和K是液晶屏的背光電源，在這里加了一個(gè)小電阻來(lái)限流，以防電壓過(guò)高損壞液晶屏。CAN已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。用戶可在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適合系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于CAN總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡(jiǎn)化。CAN總線由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。b) CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息根據(jù)其報(bào)文ID號(hào)的不同分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求；c) CAN采用非破壞性具有優(yōu)先級(jí)控制的載波偵聽(tīng)及碰撞檢測(cè)機(jī)制(CSMA/CD)總線仲裁技術(shù)，信道中傳輸?shù)氖腔鶐盘?hào)，并規(guī)定0為顯性位，1為隱性位，前者能覆蓋后者。報(bào)文標(biāo)識(shí)符11位，可達(dá)2032種()，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)()的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為29位；f) CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達(dá)1MbpS(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。這也是目前CAN總線在眾多領(lǐng)域被廣泛采用的原因。 CAN通信控制器SJA1000功能簡(jiǎn)介CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成。對(duì)于不同型號(hào)的CAN總線通信控制器，實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大多相同，而與微處理器接口部分的結(jié)構(gòu)和方式存在一些差異。SJA1000是一種獨(dú)立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品。上電復(fù)位默認(rèn)工作方式是BasicCAN方式。SJA1000引腳功能如表33所示?？删幊探乖撘_VSS18邏輯電路地XTAL19振蕩放大器輸入，外部振蕩放大器信號(hào)經(jīng)此引腳輸入XTAL210振蕩放大器輸出，使用外部振蕩信號(hào)時(shí)此引腳必須開(kāi)路MODE11方式選擇輸入端：1=Intel方式，0=Motorola方式VDD312輸出驅(qū)動(dòng)器5V電源TX013由輸出驅(qū)動(dòng)器0至物理總線的輸出端TX114由輸出驅(qū)動(dòng)器1至物理總線的輸出端VSS315輸出驅(qū)動(dòng)器地/INT