嵌入式汽車數(shù)字儀表設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車數(shù)字儀表作為汽車信息的重要顯示裝置，其功能性和可靠性要求日益提高。本文提出了一種基于ARM架構(gòu)的嵌入式汽車數(shù)字儀表設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主控芯片選型及其在設(shè)計(jì)中的作用，并介紹了各個(gè)模塊的工作原理和通信方式。

二、系統(tǒng)概述

汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)需要處理的信號(hào)主要包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量以及各種開(kāi)關(guān)量或報(bào)警信號(hào)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和前后燈信號(hào)從CAN總線（發(fā)動(dòng)機(jī)電控模塊和前后燈電控模塊）獲取，而車速信號(hào)、水溫、油量和其他開(kāi)關(guān)量信號(hào)則從相應(yīng)的傳感器獲取。

本系統(tǒng)對(duì)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫和油量信息采用步進(jìn)表頭顯示，里程信息采用LCD顯示，開(kāi)關(guān)量或報(bào)警信號(hào)采用LED顯示。串口EEPROM用于存儲(chǔ)里程信息。系統(tǒng)采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510與收發(fā)器80C250構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點(diǎn)間的通信。

三、主控芯片選型及其作用

1. 主控芯片型號(hào)：三星S3C44BOX

型號(hào)說(shuō)明：

• 三星S3C44BOX是一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的16/32位RISC處理器，其工作主頻可達(dá)75 MHz，內(nèi)部資源豐富。

• S3C44BOX內(nèi)部無(wú)存儲(chǔ)器（內(nèi)部SRAM用于緩存），因此必須采用總線擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

在設(shè)計(jì)中的作用：

• 數(shù)據(jù)處理核心：S3C44BOX作為主控制器，負(fù)責(zé)接收并處理來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)，包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量等模擬信號(hào)，以及開(kāi)關(guān)量和報(bào)警信號(hào)。

• 通信接口控制：通過(guò)內(nèi)置的SIO接口（與MCP2510的SPI接口時(shí)序配合），實(shí)現(xiàn)與CAN總線的通信，從而獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和前后燈信號(hào)。

• 顯示控制：通過(guò)I/O端口控制步進(jìn)電機(jī)表頭、LCD顯示器和LED指示燈，實(shí)時(shí)顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量、里程等信息以及報(bào)警信號(hào)。

• 存儲(chǔ)管理：通過(guò)I2C總線方式，利用AT24C04存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)里程信息，確保數(shù)據(jù)在掉電時(shí)能夠及時(shí)保存。

2. 其他關(guān)鍵芯片

• CAN節(jié)點(diǎn)控制器：Microchip公司的MCP2510，具有SPI接口，用于實(shí)現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點(diǎn)間的通信。

• 存儲(chǔ)器：16 Mbit的FlashSST39VF160作為程序存儲(chǔ)器，64 Mbit的SDRAM HY57V641620作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

• 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件：Switec的汽車儀表專用步進(jìn)電機(jī)X15.168及專用四通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件X12.017。

• 電壓轉(zhuǎn)換器：7805穩(wěn)壓器作為5V電壓轉(zhuǎn)換器，AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分別作為2.5V和3.3V電壓轉(zhuǎn)換器。

四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1. 電源電路

該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)采用汽車蓄電池供電，蓄電池電壓約為12V，而系統(tǒng)需采用5V、2.5V和3.3V工作電壓。S3C44BOX內(nèi)核工作電壓是2.5V，I/O端口的工作電壓是3.3V，調(diào)理電路以及一些驅(qū)動(dòng)器件需用5V的工作電壓。因此，系統(tǒng)選用7805穩(wěn)壓器作為5V電壓轉(zhuǎn)換器，選用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分別作為2.5V和3.3V電壓轉(zhuǎn)換器。掉電時(shí)能夠及時(shí)存儲(chǔ)里程信息，電源地需接一只1000μF的電容，確保S3C44BOX在掉電時(shí)仍能工作一段時(shí)間，完成里程信息的存儲(chǔ)。

2. 信號(hào)調(diào)理電路

• 車速脈沖信號(hào)調(diào)理：由于汽車大多工作在惡劣環(huán)境下，車速傳感器信號(hào)易受到干擾，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對(duì)車速脈沖信號(hào)進(jìn)行處理。采用RC濾波、三極管放大以及斯密特整形方法調(diào)理車速脈沖信號(hào)。

• 水溫、油量信號(hào)調(diào)理：水溫、油量信號(hào)是電阻信號(hào)，需轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再將其電壓信號(hào)輸入至S3C44BOX的AD端口。

• 開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理：其他開(kāi)關(guān)量則經(jīng)過(guò)濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I/O端口。

3. 顯示模塊

• 步進(jìn)電機(jī)表頭：選用Switec的汽車儀表專用步進(jìn)電機(jī)X15.168及專用四通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件X12.017。S3C44BOX的I/O電平為3.3LVCMOS電平，而X12.017是5VCMOS電平，需采用74LVX4245電平轉(zhuǎn)換。

• LCD顯示：用于顯示里程信息。

• LED顯示：用于顯示開(kāi)關(guān)量或報(bào)警信號(hào)。

4. 存儲(chǔ)模塊

采用AT24C04存儲(chǔ)器件來(lái)存儲(chǔ)里程信息。AT24C04是4Kbit的串行存儲(chǔ)器，采用I2C總線方式實(shí)現(xiàn)里程信息的存儲(chǔ)。

5. 通信模塊

• CAN總線通信：采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510與收發(fā)器80C250構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點(diǎn)間的通信。S3C44BOX無(wú)SPI接口，但有SIO接口，可通過(guò)設(shè)置S3C44BOX的SIO模塊所對(duì)應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)，從而與MCP2510的SPI總線時(shí)序相配合。

• 串口EEPROM：用于存儲(chǔ)里程信息。

6. 操作系統(tǒng)與任務(wù)劃分

系統(tǒng)采用Jean J-Labrosse開(kāi)發(fā)的免費(fèi)的、開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)別，適用于實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場(chǎng)合。μC/OS-II提供多種系統(tǒng)服務(wù)，如消息郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量管理以及時(shí)間延時(shí)等，實(shí)時(shí)內(nèi)核使得CPU的利用更有效。

本系統(tǒng)主要有8個(gè)任務(wù)，即車速脈沖測(cè)量任務(wù)、CAN總線任務(wù)、水溫采樣任務(wù)、油量采樣任務(wù)、開(kāi)關(guān)量處理任務(wù)、里程記錄及LCD顯示任務(wù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)、WDT任務(wù)。任務(wù)間通過(guò)消息隊(duì)列和信號(hào)量進(jìn)行通信和共享數(shù)據(jù)。

• 車速脈沖測(cè)量任務(wù)：脈沖信號(hào)接EINT0，使用定時(shí)器1定時(shí)，測(cè)量t時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列。

• CAN總線任務(wù)：等待中斷服務(wù)程序發(fā)送，接收CAN總線數(shù)據(jù)的信號(hào)量，獲得CPU使用權(quán)后，處理CAN總線數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到消息隊(duì)列，并再次等待接收信號(hào)量。

• 水溫和油量采樣任務(wù)：定時(shí)采樣模擬量，并將采樣到的模擬量數(shù)值發(fā)送到消息隊(duì)列。

• 開(kāi)關(guān)量處理任務(wù)：根據(jù)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)控制LED點(diǎn)亮或熄滅，延時(shí)。

• 里程記錄及LCD顯示任務(wù)：當(dāng)車速脈沖值累加至0.1km計(jì)數(shù)值，向本任務(wù)發(fā)出信號(hào)量，任務(wù)獲得信號(hào)量后進(jìn)入準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，在任務(wù)調(diào)度時(shí)獲得CPU的使用權(quán)，顯示并記錄里程信息，運(yùn)行后繼續(xù)等待接收信號(hào)量。

• 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)：首先等待消息隊(duì)列，再根據(jù)送出消息的任務(wù)識(shí)別出信息內(nèi)容，根據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù)，運(yùn)行后再次等待隊(duì)列中的消息。本任務(wù)賦予第2高優(yōu)先級(jí)。

• WDT任務(wù)：用于監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性，任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，延時(shí)。

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

1. 初始化與任務(wù)創(chuàng)建

主程序在完成初始化（硬件初始化ARMtargetInit()、μC/OS-II初始化OSInit()、建立消息隊(duì)列等）工作后依次創(chuàng)建各任務(wù)，然后調(diào)用OSStart()啟動(dòng)操作系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)鐘ARMTargetStart()。

2. 系統(tǒng)測(cè)試

• 功能測(cè)試：驗(yàn)證系統(tǒng)能否正確顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信息，以及能否正確響應(yīng)開(kāi)關(guān)量和報(bào)警信號(hào)。

• 性能測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)處理能力，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。

• 可靠性測(cè)試：在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

六、結(jié)論

本文提出了一種基于ARM架構(gòu)的嵌入式汽車數(shù)字儀表設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主控芯片選型及其在設(shè)計(jì)中的作用，并介紹了各個(gè)模塊的工作原理和通信方式。該系統(tǒng)采用三星S3C44BOX作為主控制器，通過(guò)CAN總線與汽車其他模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信息的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警信號(hào)的提示。同時(shí)，系統(tǒng)采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理和資源調(diào)度，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)功能完善、性能穩(wěn)定、可靠性高，具有廣泛的應(yīng)用前景。