电动汽车中控台控制电路设计概述

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1、 天津电子信息职业技术学院毕 业 设 计 课题名称 电动汽车中控台控制电路设计 姓 名 学 号 班 级 专 业 所 在 系 指导教师 完成日期 2011.12.31 天津电子信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书课题名称： 电动汽车中控台控制电路设计 完成期限：2010年 10 月31日至 2010年12 月31日姓 名 指导教师 专 业 职 称 工程师 所在系 系 主 任 接受任务日期 2011.10.28 批准日期 2011.10.31 一、原始依据（资料）： 汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的行驶安全性和舒适性有很大影响，因而控台控制电路的设计非常重要。随着电子

2、技术、计算机和通信技术等的发展，汽车仪表越来越趋向数字化。与传统汽车相比，电动汽车在所要显示的信息方面有所保留但又有一定程度的区别。二、设计（论文）内容和要求：设计内容： 文是以Freescale公司的MC9S12DG128单片机为基础，进行组合仪表系统控台控制电路的设计，主要包括硬件设计和软件设计两个方面，即进行各典型电路模块的设计和相关芯片驱动程序的编写。它采用步进电机式指针仪表、LED和LCD显示器显示车速、电机转速、里程信息以及电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态等相关的信息，同时采用了汽车行业标准的CAN 通信接口挂接在CAN总线上，实现与车内其它模块的数据通信。本系统采用模块化设计

3、，简化了外部电路、降低了成本，显示的信息更加直观、可靠，且具有较高的精度。 设计要求： 1 学生要独立完成一个软件或较大软件中的一个模块2 要有足够的工作量3 要写出软件说明书4 能够进行计算机演示和给出运算结果。5 涉及到计算机硬件或电控装置6 学生要独立完成一个完整的实验7 要有完整的测试结果和实验数据8 实验要有探索性9 要写出使用说明书。三、建议查阅的技术资料：1 王宜怀, 刘晓升 等. 嵌入式系统-使用HCS12微控制器的设计与应用M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008.2 王佳,等. 基于CAN总线纯电动汽车整车控制器设计A. 北京理工大学出版社, 20073 肖玲妮,等

4、著 Protel 2004电路设计M, 清华大学出版社 2006.4 张翔,杨建中, 等. 纯电动汽车的组合仪表综述J. 汽车电器, 2008,(12):1-5.5 刘伟, 等. 基于ST72F561的全数字式汽车组合仪表的设计J. 仪器仪表学报, 2007, 28(9): 1635-1639.6 董浩,王建,赵云波. 基才MC9S12HZ256的总线式汽车数字仪表设计J. 电子设计工程, 2010, 18 (2): 83-88.7 付晓光. 电动汽车数字仪表的设计与实现D， 北京工业大学硕士学位论文，2009.05.8 李飞，姜木霖等。基于MC68HC908LJl2的汽车组合仪表设计湖北汽车

5、工业学院学报 2008,22（4）.9 付胜波 基于CAN总线的汽车组合仪表研究D 武汉理工大学硕士学位论文，2007.5.10 吴敦福，陈剑等 纯电动车组合仪表设计P 中国科技论文在线 2009.10（103）.11 沈红卫，杨建生 基于CAN的汽车组合仪表运转台J 仪表技术与传感器 2004,11.12 戴松新等 汽车组合仪表板控制系统设计J 电子工程师 2006，32（3）.13 刘鹏、康栋梁 基于STM32的汽车仪表系统的设计P 中国科技论文在线 毕业设计（论文）进度计划表序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签字12011.10.31到2011.11.10控制电路总体设计

6、完成控制电路总体设计22011.11.10到2011.11.20系统电源设计完成系统电源设计32011.11.20到2011.11.30电路的硬件设计完成电路的硬件设计42011.11.30到2011.12.10微型处理器选型完成微型处理器选型52011.12.10到2011.12.20电路系统的设计完成电路系统的设计62011.12.20到2011.12.31子程序设计完成子程序设计72012.1.1到2012.1.8答辩答辩系毕业设计（论文）领导小组审阅意见：系主任签字：年 月 日毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目电动汽车中控台控制电路设计学生姓名系别应用电子专业、班级指导教师职

7、称工作单位指导教师职称工作单位实践地点交表日期2011.10.31毕业设计(论文)开题报告内容要求：课题的意义、现状及发展趋势。课题的研究内容、研究方法、研究手段、研究步骤。课题所需的参考书目等。注：开题报告占毕业设计(论文)总成绩的10% 。 汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的行驶安全性和舒适性有很大影响，因而控台控制电路的设计非常重要。随着电子技术、计算机和通信技术等的发展，汽车仪表越来越趋向数字化。与传统汽车相比，电动汽车在所要显示的信息方面有所保留但又有一定程度的区别。本文是以Freescale公司的MC9S12DG128单片机为基础，进行组合仪表系统控台控制

8、电路的设计，主要包括硬件设计和软件设计两个方面，即进行各典型电路模块的设计和相关芯片驱动程序的编写。它采用步进电机式指针仪表、LED和LCD显示器显示车速、电机转速、里程信息以及电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态等相关的信息，同时采用了汽车行业标准的CAN 通信接口挂接在CAN总线上，实现与车内其它模块的数据通信。本系统采用模块化设计，简化了外部电路、降低了成本，显示的信息更加直观、可靠，且具有较高的精度。由于技术标准和相关法规的不健全，局部功能有所限制。但是，作为新型汽车上的组合仪表系统，该设计展现了很好的应用前景。指导教师审核意见： 签字： 年 月 日系毕业设计（论文）领导小组审阅意见：

9、 系主任签字： 年 月 日毕 业 设 计（论 文）系别专业班级姓名班级学号毕业设计（论文）题目：电动汽车中控台控制电路设计毕业设计（论文）评语： 指导教师签字： 年 月 日毕业设计（论文）总评成绩：系主任签字：年 月 日天津电子信息职业技术学院教务处目 录摘要1一 引 言21 课题背景22 课题的目的、意义33 课题的国内外研究现状3二 控制电路的系统设计41 组合仪表的总体结构设计42 系统的功能和要求53 系统的硬件设计6（1） 微处理器的选型6（2） 电源电路和掉电保护电路的设计6（3） 输入脉冲信号调理电路的设计8（4） 步进电机驱动模块的设计9（5） LED驱动模块的电路设计11（6

10、） LCD驱动模块的电路设计12（7） CAN通信模块的电路设计14（8） 故障诊断电路的设计164 系统的软件设计20（1) 软件开发工具介绍20（2） 系统软件的总体设计思路20（3） 主程序的设计31（4） 输入脉冲捕捉程序的设计23（5） Flash擦写程序的设计25（6） CAN通信程序的设计26（7） 本章小结28三 结 束 语29四 致 谢29五 参考文献308编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第33页 共42页电动汽车中控台控制电路的设计摘要摘要：汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的行驶安全性和舒适性有很大影响，因而控台控

11、制电路的设计非常重要。随着电子技术、计算机和通信技术等的发展，汽车仪表越来越趋向数字化。与传统汽车相比，电动汽车在所要显示的信息方面有所保留但又有一定程度的区别。本文是以Freescale公司的MC9S12DG128单片机为基础，进行组合仪表系统控台控制电路的设计，主要包括硬件设计和软件设计两个方面，即进行各典型电路模块的设计和相关芯片驱动程序的编写。它采用步进电机式指针仪表、LED和LCD显示器显示车速、电机转速、里程信息以及电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态等相关的信息，同时采用了汽车行业标准的CAN 通信接口挂接在CAN总线上，实现与车内其它模块的数据通信。本系统采用模块化设计，简化了

12、外部电路、降低了成本，显示的信息更加直观、可靠，且具有较高的精度。由于技术标准和相关法规的不健全，局部功能有所限制。但是，作为新型汽车上的组合仪表系统，该设计展现了很好的应用前景。关键词：汽车仪表；MC9S12DG128；硬件；软件；控台电路。一 引 言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

13、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

14、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

15、功能发挥和未来发展有着重要作用。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

16、，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。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

17、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AD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

18、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。 二 控制电路的系统设计1 组合仪表的总体结构设计 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

19、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

20、；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 系统的功能和要求该设计中的

21、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

22、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。3 系统的硬件设计 （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

23、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Freescale HCS12系列单片机，其主要参数和功能模块如下：128K的闪存、8K的、的、个通道位转换器、控制器、兼容协议以及定时器/计数器通道和键盘中断、和通信接口、输入捕捉、输出比较与。 （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

24、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。

25、 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

26、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 2.3 MC34064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（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

27、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

28、.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。（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

29、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

30、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510V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112 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1

31、5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： 第一：在信号的输入端增加了防抖技术，并上22F和0.1F的电容。 第二：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0.1F 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。

32、该步进电机驱动芯片的应用原理图如下所示：图 2.6 VID66-06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。（5） LED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MA

33、X7219/7221 LED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

34、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 2.7 MAX7219/7221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 2.8 LED驱动电路（6）LCD驱动模块的电路设计 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 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

35、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HT1621B LC

36、D驱动器和相应的LCD显示屏。HT1621B是32x 4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 2.9 HT1621B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

37、表系统的线束和数据传输的可靠性，同时降低了成本。此方案，对于液晶生产厂家的设计和工艺有一定的促进。由于采用接口技术，使得汽车组合仪表使用液晶面板显示的技术方案，克服了汽车仪表运用液晶驱动技术中遇到的布线困难、可靠性低和寿命低等一系列缺陷。串行通信技术（SPI）的合理应用可以降低部件（整车）线束复杂度，提高可靠性和工艺性。由于采用了模块化技术、串行接口等技术和工艺，液晶模块的综合技术优势非常明显，可作为高档的配置方案在汽车行业内得到一定程度的应用。本设计该模块的电路图如下所示： 图 2.10 LCD驱动显示电路（7） CAN通信模块的电路设计 CANController Area Network

38、 是20 世纪BOSCH 公司开发的解决现代汽车众多的控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，是一种支持分布、实时控制的串行通信总线网络，其基础是无破坏性仲裁机制，使得总线能以最高优先权访问报文而没有任何延时。其最大传输速率可以达到lMbps(40m)。由于CAN 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，适合工业设备内的模块间数据互连。因此在机器人内部各模块（通信模块、主控制模块、运动控制模块、导航模块、环境监测模块等）之间设计采用CAN 总线通信。CAN属于总线形式串行通信网络，采用了许多新技术及独特的设计。CAN总线的数据通信具有高稳定性、高灵活性、高可靠性的特

39、点。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电器特性所限制。CAN 总线有很多特性： 采用了双线差分信号。通信协议本身对节点的数量没有限制，而且总线上节点的数量可以动态改变。 广播发送报文的形式，即报文可以被所有的节点同时接收。 多主站结构，各节点平等，优先权由报文ID 所决定。 每个报文的内容通过标识符，标识符在网络中是唯一的。 具有一套复杂的错误检测与错误处理机制，如CRC检测、接口的抗电磁干扰、错误报文的自动重发、临时错误的恢复以及永久错误的关闭。 采用了双绞线作为总线介质，传输速率可达1Mbps,总线长度=40 米。 采用了NRZ 与位

40、填充的位编码方式，减小了报文的误码率。系统内 CAN 总线结构拓扑图： 图 2.11 CAN总线结构拓扑图 对于本设计，由于所选取的微处理器MC9S12DG128内部集成了3个CAN模块，符合CAN2.0A/B协议标准，故外围只需连接CAN收发器即可。本设计拟采用高速CAN收发器MCP2551.MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，可作为CAN协议控制器和物理总线接口。MCP2551可为CAN协议控制器提供差分收发能力，它完全符合ISO-11898标准，包括能满足24V电压要求。它的工作速率高达1 Mbps.它还具有上电复位和电压事件欠压保护、自动检测TXD输入端的接地错误功能，可连接的

41、节点数高达112个，未上电的节点和欠压保护不会影响CAN总线，采用差分总线、具有很强的抗噪特性。其内部结构框图和测试电路如下所示：图 2.12 MCP2551的内部结构框图图 2.13 MCP2551的测试电路 由MC9S12DG128和MCP2551的结构和电气特性可知，CAN通信模块的电路图可按照下图所示进行设计： 图 2.14 CAN通信模块的电路（8）故障诊断电路的设计 随着电子技术的发展，大量电控单元在车辆上使用，这一方面使得汽车的使用性能有所提高，另一方面也使得检测和维护越来越复杂。若不能及时有效的检测出汽车上的故障，汽车的性能将会恶化，使用寿命将会降低，同时对行驶的安全性和舒适性

42、带来一定的影响。车辆故障诊断就是顺应这种形式的要求出现的，诊断设备一般通过专用诊断接口与车辆总线进行数据交换。诊断设备由第三方开发，并符合SAE标准规定，诊断口主要完成诊断设备与车辆ECU通讯信号转换。由于车辆使用环境的特殊性，通常ECU的标准串行通讯口不能满足使用要求。为此，本设计拟在电控ECU的基础上，在电控系统诊断平台上，对汽车进行故障诊断。根据SAE规定的OBD标准，车辆行业使用K、L线制进行诊断或标定。通过K线对某个控制单元进行查询，通过K线、测试仪和控制单元可进行数据交换，即通过K线数据被双向传送。最近生产的车上都装有K线。而L线则是用来对控制单元进行查询的导线，此线在目前生产的车

43、辆中已不存在。同时，由于串口的普及，K线实现起来更容易。而逻辑电平的改变，只需要转换电路。因此，本系统采用K线的通信方式。由于K线只是一根线，PC机与控制单元都要向对方发出信息，故为半双工串行通讯。K线通讯主要有以下特点：1）工作电压范围8 V18 V;2）使用环境温度为- 40 125 ;3）与单片机CMOS 电平无缝连接;4）具有对地线短路保护;5）最大传输速率超过50 K;6）支持大电流;7）抗8. 0 kV 静电保护;8）工作时电源电压无电流输出。9）双方采用半双工异步串行通讯为了保证准确、可靠数据通信，ECU和K线必须都有正确的电平，由于K线电平和常用的串口电平不一致。因此，必须设计

44、专门的K线接口电路，以满足车辆K线诊断的要求，常用的MC33290与MCU的接口电路如下图所示： 图 2.15 电控单元与K线接口电路一般情况下，采用上图MC33290接口芯片对汽车进行进行故障诊断。本设计借鉴了MC33290的接口电路，采用TLE6258接口芯片对汽车进行故障诊断。单线收发器TLE6258在协议控制器和物理总线之间起到接口的作用，它特别适合在汽车LIN系统中驱动总线，而且它可以被用在标准的ISO9141系统当中。TlE6258提供一种等待模式，它可以降低电流消耗；一个由总线信息所引起的唤醒状态将使RxD引脚输出低电平，直到设备转换到正常工作模式。TLE6258-2是专门为承受

45、汽车使用时的恶劣条件而设计的。它具有以下特点：1）单线收发器，适用于LIN协议；2）与LIN协议1.2,1.3和2.0兼容；3）与ISO9141功能相兼容；4）数据传送速率可以达到20K；5）在等待模式下，有很低的电流消耗；6）来自总线的唤醒功能；7）对地和电源的短路保护；8）过温保护功能。其进行故障诊断的原理图如图2.16所示： 图 2.16 故障诊断原理电路由上述可得，故障诊断电路如下所示： 图 2.17 故障诊断电路4 系统的软件设计（1） 软件开发工具介绍本设计采用的是Freescale公司的CodeWarrior软件，CodeWarrior Development Studio（开发

46、工作室）是完整的用于编程应用中硬件bring-up的集成开发环境。 采用CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等，满足大多数嵌入式开发项目的工具需要。另外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具。它是一个单一的开发环境，在每一个所支持的平台上，性能及使用均是相同的。在CodeWarrior IDE开发平台下进行微处理器的选型和相关接口的定义（本设计采用HCS12系列CPU

47、），经过编译和链接后，即可生成项目文件，从而进行软件程序的编写，最终生成可执行文件。然后使用BDM和P&E来下载程序，把编译好的程序下载到单片机里调试运行，检验实验结果并进行论证。（2） 系统软件的总体设计思路系统程序有主程序和子程序。主程序显示整个系统的算法流程；子程序负责各个功能模块的显示和驱动。程序的设计应按照软件工程的相关规则和步骤来实现的，采用结构化、模块化的程序设计方法，对整体功能进行划分，确定主从程序的模块组成以及这些模块之间的联系，明确各个模块的功能、处理过程和数据流等。本设计中软件部分的应实现的主要功能有：车速、电机转速脉冲信号的采集，驾驶踏板、制动踏板位置和背光调节等模拟信

48、号的采集，档位、电机故障、门开报警等开关信号的采集和处理，步进电机驱动，LED的驱动显示和LCD的驱动显示等。所用到的单片机模块有：A/D转换模块、ECT模块、PWM模块、模块、定时器/计数器模块、SPI模块和通信模块等。微处理器的相关模块和引脚在主程序文件生成时，就已经由软件初始化了，包含在 PE_low_level_init()；中，因此只需要将微处理器和一些外围驱动芯片的初始化放在main函数的for循环之前进行。对各驱动芯片的子程序，如里程信息的读取、发送和显示；SPI发送临时里程信息和LCD显示信息；SCI查询、收发汽车的故障信息；A/D转换，输入输出口的控制；总里程信息的Flash

49、擦写程序；车速信息的捕获、步进电机的步进的脉冲计数、CAN通信的定时发送以及掉电时总里程信息及时存储，则采用中断处理程序来实现，分别在相应的中断服务程序中完成。 （3）主程序的设计 主程序中我们主要完成的功能:对单片机和外围驱动芯片的初始化，总里程的读取、发送、显示和存储，A/D转换，输入口信息的采集和输出口的控制，SCI查询收发汽车故障信息，SPI发送相应的临时里程信息和LCD所要显示的信息等操作。 微处理器的初始化包括基本初始化（这在本设计软件生成主程序时已经完成，如定时器/计数器、SCI、SPI、PWM和CAN模块及各端口的初始化）和各模块的初始化（即各外围驱动芯片的初始化）。本设计中需

50、要初始化的外围驱动芯片有：LED显示的驱动芯片MAX7219/7221，LCD的显示驱动芯片HT1621B，步进电机的驱动芯片VID66-06.此外，总里程信息每次开机时刷新一次，临时里程信息每达到一个计数值刷新一次（如每行驶50m或100m）。这些初始化的操作主要在循环程序开始前进行。 由于本设计所使用的外部模块较多，相应的外部中断服务子程序也较多，这可能对系统的正常工作有一定的影响。因此，A/D转换、SPI的发送、SCI的收发等可拟采用查询方式，将其放在循环程序中完成。此外，循环程序中还要检测输入口的信号，来判断是否发生故障、置于何档位等以及根据输入信号来控制某些输出，如是否发出相关的报警

51、信号、信号灯指示信号、调节占空比来进行背光调节等。主程序的流程图如下所示： 图 2.18 主程序流程图 （4） 输入脉冲捕捉程序的设计 输入脉冲捕捉程序主要完成对车速、脉冲信号的采集，并利用车速对时间的累加得到里程信息。首先检测电机转速、车速的脉冲频率信号，由测得的频率计算步进电机应走的微步数，然后对指针进行刷新显示。对于频率的测量常用的有两种方法：一种是测频法，另一种是测周法。（1）测频法又称 M算法, 该方法是将被测得频率信号加到计数器的计数输人端, 让计数器在标准时间Ts内进行计数, 若测得的脉冲个数为N, 则测得的频率为： （3） 测频法产生的相对误差为： （4）式中：fc为单片机内部

52、计数的基准频率, 第二项误差一般小于10e-6, 因此可忽略此项, 由式（4）可知当被测频率越高, 标准时间越大则误差越小, 因此测高频信号适合用直接测频法。（2）测周法又称T算法，该方法是将标准频率信号fc进行计数, 而让被测频率信号fx控制计数器的计数时间；测周法产生的相对误差为： （5）同样, 第二项误差一般可忽略。由公式可知当被测频率越小（即周期越大）, 计数基准频率越大, 则测周产生的误差越小, 因此测周法适合测低频信号。这样在测频与测周之间存在一个中介频率, 该频率可由下面公式计算得出： （6）式中大为测频时选用的频标信号频率, 即标准时间的倒数；fc为测周时选用的基准频率。本设计

53、中选择Ts=0.2s，fc=4MHz，由式（6）得中介频率fxm=4.47kHz，而转速及车速频率信号一般均小于此频率, 因此本设计采用测周法测量电机转速和车速信号。根据式（5）可知当被测信号频率为50Hz时的相对误差为1.25e-5, 当被测信号频率为1kHz时的相对误差为2.5e-4, 由此知采用该方法具有较高的测频精度。故本设计中采用此种测量方法。通过单片机的PWM端口进行车速脉冲信号的采集，同时利用计数器进行输入脉冲信号的计数。同时利用单片机的输入捕获中断功能，计算车速脉冲的周期：每次中断读取主定时器的值，相邻两次主定时器的值相减，再加上主定时器的溢出次数，即可得到相邻两次捕获中断之间

54、的主时钟信号的个数，从而得到车速脉冲的周期。由以上所获取的信息，计算出对应的车速。最后，利用车速对时间的累加，求出临时里程和总里程信息。 设V为车速，W为车轮转速，T为车速信号的周期，tc为时钟脉冲，Nc为周期T内的时钟脉冲数，则 其中：K为常数，等于2；为车速常数；S为行驶的里程。在本设计中，车速、转速信息的显示是由步进电机实现的，然而车速、转速捕获的时间间隔有可能小于步进电机一次控制的执行时间，故在程序编写过程中应注意，在程序设计中加入一个标志符号，每次步进电机步数走完后将其清零，从而允许下一次当前车速、转速的赋值。车速（转速）的捕捉程序流程图如下所示： 图 2.19 车速捕捉程序流程图（

55、5）Flash擦写程序的设计 本设计中，系统需要在掉电时或正常停车时，将总里程信息及时保存。以前，一般采用EEPROM来实现。S12系列MCU提供了对Flash存储器在用户模式下的在线编程功能，来实现EEPROM的功能，从而简化电路设计、降低成本。 Flash存储器的读/写不同于一般的RAM读/写，需要专门的编程过程来完成Flash的擦除和写入。擦除及写入过程中，一般需要高于电源的电压。在执行写入操作之前，要确保该写入区在上一次擦除后没有被写过，即写入区是空白的。因此，在写入之前一般都要先执行擦除操作。Flash存储器的编程模式有写入器模式（或监控模式）和在线编程模式（或用户模式）两种。这两种

56、模式对Flash存储器的擦/写操作程序是一致的，而差别在于调用这些程序的方式和环境。在DG128中，与Flash编程有关的寄存器分为通用寄存器和专用寄存器。擦除和写入操作主要用到的寄存器有5个：Flash存储器的时钟分频寄存器、配置寄存器、保护寄存器、状态寄存器和命令寄存器。Flash擦写程序包括擦写公共操作子程序、擦除子程序和写入子程序三部分，其中公共操作子程序部分主要完成时钟分频的设置、错误标志位的清除以及块号和PPAGE寄存器的设置等；而擦除与写入子程序的步骤大致为：擦写公共操作、定位要操作的扇区、向命令寄存器写入相应的操作命令、启动命令以及等待命令的完成。（6） CAN通信程序的设计C

57、AN通信程序中，主要完成的功能：故障诊断时，诊断设备单片机之间数据的传送；电机电流、蓄电池电压、电流和荷电状态等信息的收发。为了保证CAN通信的实现和稳定，信息的发送是在定时器中断服务程序中完成的，即周期性地与外部发送信息，而信息的接收是靠CAN接收中断实现的。利用CAN报文接收程序。接收来自CAN总线的报文信息，在本设计中报文的接收采用的是中断的方式，即当MSCAN接收到有效的报文时，系统就进入CAN接收中断子程序读出MSCAN缓冲区中存储的信息并将其放入指定位置。这样可以使得仪表的显示有更好的实时性。根据CAN协议的规定，报文的路由是由标识符指定而非站地址，因此，同一节点可以通过设置接收不

58、同路由的报文。为了方便系统的处理，仪表接收两种不同的报文标识符的报文，一种报文包含的是车速、电机转速等信息。另一种报文包含的是各种指示灯的信息，由MSCAN的标识符滤波器来过滤验收。CAN通信程序主要包括CAN初始化程序、CAN发送数据程序和CAN接收数据程序3个部分。其中CAN初始化程序用来实现CAN工作时的参数设置，主要包括工作方式的设置、时钟输出寄存器的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、总线定时器的设置、中断允许寄存器的设置和总线波特率的设置等等。实际上，这3个程序都已被封装成子程序，位于CAN模块的C文件中，要用时直接调用即可。另外，在CAN接收中断服务程序中主要完成数据的接

59、收，数据的判断和读出以及根据读出的数据信息作一些相应的后续操作。如果判断接收到的数据为电机温度信息时，就将此数据与最大极限温度相比较，若大于最大极限温度，则置相应故障位为1，产生电机过热警报；若判断接收到的数据为电机电流，电池电量或电压信息时，就要启动相应的PWM通道，从而控制对应的步进电机动作，在仪表上指示出相应的值。 CAN接收中断服务程序的流程图如下所示： 图 2.20 CAN通信程序流程图（7） 本章小结 该部分根据所设计系统的功能和要求，构思整体的实现方案、接着从硬件设计和软件设计两方面入手，详细地论述了设计的主要内容和具体的实现方法。 硬件设计方面：完成的主要有电源电路和掉电保护电路模块、脉冲信号处理模块、步进电机与其驱动芯片电路模块、LED与其驱动芯片电路模块、LCD与其取得芯片电路模块、收发器电路模块以及故障诊断电路模块等做了详细具体的设计；对于转向、雾灯、门开报警等指示和转向信号灯电路、蜂鸣器电路的设计，则相对较简单，故没有特别介绍。软件设计方面：主要介绍了系统程序的构成