基于CDC3207G的汽車儀表板設(shè)計
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，多功能、高精度、高靈敏度、讀數(shù)直觀的電子數(shù)字顯示及圖像顯示的儀表已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。為了提高汽車的使用性能，汽車的電子控制程度越來越高。電子控制裝置必須能迅速、準(zhǔn)確處理各種復(fù)雜的信息，并通過汽車儀表板以數(shù)字、圖形或文字等形式顯示。這就對控制汽車儀表板的微控制器提出了更高的要求。
德國Micronas公司開發(fā)的CDC3207G是一款32位ARM內(nèi)核高性能低功耗的微控制器。這是專門針對汽車儀表板而設(shè)計的微控制器。目前已經(jīng)應(yīng)用于德國大眾，中國東風(fēng)等中高檔汽車。CDC3207G采用ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)部具有512 K Flash以及32 K SRAM，為了滿足汽車儀表設(shè)計的需要，該微控制器還提供16路10位A／D轉(zhuǎn)換模塊、音頻驅(qū)動模塊、液晶顯示驅(qū)動模塊、7路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊等。而且內(nèi)部集成了CAN通信模塊，可以很方便地與車內(nèi)的其他電子裝置進(jìn)行通信。
2 硬件設(shè)計
2．1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖
整個儀表板使用一個CDC3207G微控制器進(jìn)行控制。輸入信號可以分為數(shù)字開關(guān)信號和模擬電壓信號兩種類型。對數(shù)字開關(guān)信號，可以根據(jù)其高低電平直接讀取其狀態(tài)。而對模擬信號，如轉(zhuǎn)速，速度等，用微控制器內(nèi)部的lO位精度A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。設(shè)計的儀表板用6個步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動6個指針，分別用來顯示轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)溫度、油量、速度、油壓和電池電壓。左右轉(zhuǎn)向時發(fā)出的提示音和故障報警聲等可以用音頻輸出驅(qū)動一個揚聲器來發(fā)出，除了可以產(chǎn)生簡單的單音警報外，還可產(chǎn)生振幅逐漸衰減的鑼聲信號。在LCD上可以顯示當(dāng)前的檔位、車內(nèi)外的溫度以及一些報警信息和時間等。LED指示燈可以用微控制器的H端口直接驅(qū)動。CAN總線可以與車內(nèi)的其他控制模塊通信。圖1給出儀表板的結(jié)構(gòu)示意圖。
2．2 步進(jìn)電機(jī)模塊
步進(jìn)電機(jī)在汽車儀表領(lǐng)域的應(yīng)用是新一代汽車儀表最顯著的特點?？刂破鰿DC3207G內(nèi)部集成了7個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，每個步進(jìn)電機(jī)模塊通過控制器內(nèi)部連接了H橋的4個高電流輸出端口，直接驅(qū)動兩相步進(jìn)電機(jī)，大大簡化了硬件電路的設(shè)計。通過軟件便可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)定位需要的各種脈沖。CDC3207G微控制器的步進(jìn)電機(jī)模塊可提供多通道的PWM輸出，輸出信號頻率通過硬件設(shè)置可以選擇，并且不同步進(jìn)電機(jī)模塊輸出信號時序上具有偏移，可以提高電磁兼容性能(EMC)。根據(jù)控制兩相步進(jìn)電機(jī)的需要，CDC3207G內(nèi)部提供了3個8位的寄存器，用于通過軟件產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖信號。其中2個寄存器通過每一模塊中的比較器與模塊計時器比較，用于產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)的PWM信號，另外一個寄存器用來選中相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)模塊，輸出驅(qū)動信號，以及選擇4個輸出引腳的極性。這樣，通過軟件對3個寄存器的操作就能方便地控制每一路步進(jìn)電機(jī)。此外，CDC3207G還具有零位檢測功能，即檢測電機(jī)運轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電流，得到電機(jī)運行的位置信息，就可以據(jù)此判斷電機(jī)是否達(dá)到初始位置(即汽車儀表的零位)。圖2給出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。
2．3 音頻控制模塊
CDC3207G音頻模塊的輸出信號可以直接驅(qū)動蜂鳴器或其他音頻設(shè)備，硬件設(shè)計比較簡單。圖3給出音頻模塊驅(qū)動電路。從圖中可知，在微控制器音頻模塊的輸出端口U1．4處直接接人三極管VT5、低通濾波器電路和揚聲器，即可實現(xiàn)整個音頻電路的設(shè)計。音頻模塊用于由脈寬調(diào)制單元(PWM)、3個計數(shù)器和1個累加器組成。該模塊能產(chǎn)生類似于鑼聲的聲音信號，是頻率可調(diào)的方波信號，輸出信號的脈寬由方波信號的脈寬決定，無需CPU就能實現(xiàn)信號振幅的指數(shù)變化。
2．4 LCD顯示模塊
液晶顯示器(LCD)具有微功耗、平板化、無x射線和電磁輻射等優(yōu)點。LCD顯示模塊能以數(shù)字和圖像準(zhǔn)確顯示出各個物理量，并增加了一些發(fā)生故障時的文字提示。CDC3207G內(nèi)部集成了一個48x4的筆段式LCD驅(qū)動模塊，可以驅(qū)動4行、48列的LCD顯示模塊。為了能顯示更多的信息，這里選用的是一款128x 64的LCD模塊，在此LCD模塊上集成有驅(qū)動器，所以沒有用到CDC3207內(nèi)部的LCD驅(qū)動器。圖4給出LCD顯示電路，需要連接8根數(shù)據(jù)線，一根讀信號，一根寫信號，一根復(fù)位信號線。
2．5 LED指示燈和報警燈
LED指示燈可以用有較強驅(qū)動能力的H端口進(jìn)行驅(qū)動，其8個LED指示燈由H端口直接驅(qū)動。但H端口不夠用，所以擴(kuò)展了一個TD62083，用于驅(qū)動另外8個LED指示燈和報警燈。圖5給出LED指示燈和報警燈電路。
3 軟件設(shè)計
考慮到汽車儀表板對實時性的要求，應(yīng)用了μC／OS—II操作系統(tǒng)開發(fā)軟件。μC／OS—II是一個具備現(xiàn)代操作系統(tǒng)特點的RTOS，同時它結(jié)構(gòu)清晰，注解詳盡，具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性，廣泛地應(yīng)用于各種架構(gòu)的微處理器。μC／OS—II的系統(tǒng)組成包含任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理和任務(wù)間的通信等基本功能。這里僅對μC／OS—II的啟動程序和任務(wù)的分配作簡要介紹，將著眼點放在基于CDC3207G的移植和應(yīng)用。圖6給出軟件的組織結(jié)構(gòu)。
3．1 啟動代碼的設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)的資源有限，程序通常都是固化在ROM運行。ROM程序執(zhí)行前，需要初始化系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境，這些工作由匯編語言編寫的啟動程序完成。啟動程序是嵌入式程序的開頭部分，與應(yīng)用程序一起固化在ROM中，并首先在系統(tǒng)上電后運行。它應(yīng)包含各模塊可能出現(xiàn)的所有段類，并合理安排它們的次序。
設(shè)計優(yōu)秀的嵌入式程序關(guān)鍵要有好的啟動程序，由于μC／OS—II不是針對特定的硬件進(jìn)行設(shè)計，可以把μC／OS—II內(nèi)核代碼分成4個部分：與處理器無關(guān)的代碼、與處理器有關(guān)的代碼、與應(yīng)用相關(guān)的代碼以及驅(qū)動程序庫。為了使μC／OS—II在基于ARM7TDMI的處理器CDC3207G上能夠正常的運行，需要實現(xiàn)相應(yīng)的啟動程序以及對μC／OS—II中與處理器相關(guān)部分的設(shè)計與實現(xiàn)。圖7給出啟動代碼的流程圖。
3．2 任務(wù)規(guī)劃
儀表盤的研制在軟件部分可以分成若干任務(wù)來完成，下面對這個問題進(jìn)行規(guī)劃。
(1)啟動任務(wù)
優(yōu)先級：10
周期：否
可剝奪：否
作用：初始化各模塊，包括UART、定時器、捕捉比較器等
(2)步進(jìn)電機(jī)任務(wù)
優(yōu)先級：8
周期：2 ms
可剝奪：否
作用：驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，在啟動時需要0位檢測
(3)指示器任務(wù)
優(yōu)先級：7
周期：500 ms
可剝奪：否
作用：設(shè)置指示燈和提示音。
(4)采集任務(wù)
優(yōu)先級：6
周期：25 ms
可剝奪：否
作用：用于采集各種非中斷量如溫度、光強等傳感器信號并保存
(5)背光任務(wù)
優(yōu)先級：5
周期：250 ms
可剝奪：否
作用：根據(jù)周圍的光線強度調(diào)節(jié)儀表盤和LCD的背光
(6)LCD顯示任務(wù)
優(yōu)先級：2
周期：100 ms
可剝奪：是
任務(wù)：根據(jù)總線上采集到的數(shù)據(jù)更新LCD顯示，如溫度、公里數(shù)等
上述各任務(wù)運行在任務(wù)級，還有一些任務(wù)運行在中斷級，比如時鐘節(jié)拍中斷、CAN總線數(shù)據(jù)采集等。
4 結(jié)語
由于Micronas公司的CDC3207G內(nèi)部集成有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、音頻控制模塊、LCD驅(qū)動模塊、LED及報警燈驅(qū)動端口，CAN總線模塊等豐富的資源，因此減少了所需使用的外部驅(qū)動器件的數(shù)量，大大簡化了儀表盤系統(tǒng)的設(shè)計。該器件在休眠狀態(tài)下的功耗非常小(經(jīng)測試約為19．1μA)，有利于降低整個系統(tǒng)的功耗。該儀表板系統(tǒng)各方面表現(xiàn)良好．指針平滑轉(zhuǎn)動，具有極低的功耗，可靠性較高。軟件部分應(yīng)用了uC／OS一Ⅱ操作系統(tǒng)，實時性能較好，能對外部事件作出快速響應(yīng)。
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