詳解基于CAN總線的汽車(chē)儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)—核心電路模塊設(shè)計(jì)

電源電壓調(diào)整電路設(shè)計(jì)

電源的選擇是關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之-，也是該儀表能成功應(yīng)用的重要-步。汽車(chē)停止和啟動(dòng)時(shí)的電源來(lái)源于汽車(chē)上的蓄電池，而汽車(chē)蓄電池是+24v(轎車(chē)為12v電系，卡車(chē)和重型貨車(chē)為24v電系)，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)與蓄電池采用并聯(lián)的方式對(duì)電器件供電，電壓波動(dòng)范圍為16V-32V。在儀表內(nèi)部電路中，液晶屏背光，蜂鳴器，各功能指示燈(發(fā)光二極管)為12V，MCU(H128)單片機(jī)的芯片內(nèi)部使用3v電壓、刀0端口和外部供電電壓為 sv，EZPRoM等其他電氣元件為SV，所以可靠的電源轉(zhuǎn)換也是本儀表能成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。由于汽車(chē)工作時(shí)負(fù)載變化大，電壓波動(dòng)范圍大，而本系統(tǒng)所用器件大多是SV和+12V供電的，其驅(qū)動(dòng)電流都比較小，以及AD轉(zhuǎn)換參考電壓都需要較穩(wěn)定的電壓。

本系統(tǒng)選擇的電壓模塊首先要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，把+24V轉(zhuǎn)換成12v和SV，同時(shí)保證其輸入電壓范圍大，輸出電壓穩(wěn)定。本系統(tǒng)選用的是NS的開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器LM2574-5。開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的-種電源方式。LM2574系列其可以驅(qū)動(dòng)0.5A的負(fù)載;輸入電壓范圍大，在6V-40V之間;只需要4個(gè)簡(jiǎn)單的外圍調(diào)整器件，即可把 +24V調(diào)整到+5V給元器件提供穩(wěn)定的電壓。而其他12V供電的元器件可直接采用電阻進(jìn)行分壓后獲取所需電壓。

選用開(kāi)關(guān)電源LM2574-5，由反饋電路控制輸出電壓。其最大電流輸出為0.5A，從24V電源轉(zhuǎn)換為SV時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%。儀表核心控制電源部分采用了芯片7805做二級(jí)穩(wěn)壓，儀表的核心電源電路分別如圖4-8所示。

儀表從車(chē)載蓄電池獲取24V電源，經(jīng)過(guò)電容Cn濾波進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源芯片LM2574-5，輸出端接穩(wěn)壓二極管DW3和濾波電感Ll，濾波電容C12。該開(kāi)關(guān)電源從輸出取樣作為反饋，R26，R27組成分壓電路，為芯片反饋引腳提供參考電壓。由R26，R27的阻值分別為5.IK，1.2K，決定二次穩(wěn)壓前電源電壓為6.5V。在該電路中，儀表的輸出電壓可用以下關(guān)系式計(jì)算:

二次穩(wěn)壓電源7805的輸入、輸出端分別接濾波電容C13，C14，經(jīng)過(guò)二次穩(wěn)壓后輸出VCCI為sv的標(biāo)準(zhǔn)電壓。輸出電容C14并兼顧儲(chǔ)能緩沖作用，C13為-個(gè)1000uF的電解電容，以便掉電時(shí)可以及時(shí)地保存數(shù)據(jù)。本儀表內(nèi)部包含如圖4-8所示的電源模塊兩個(gè)，為液晶屏背光模塊使用的12V- 個(gè)，其結(jié)構(gòu)和圖4-8相比省略了二次穩(wěn)壓，通過(guò)更換R26，R27的阻值分別為9.IK，IK，使輸出電壓為VCCZ(12V)。

CAN總線接口模塊設(shè)計(jì)

每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)在物理層上都需要通過(guò)-個(gè)收發(fā)器芯片連接到CAN總線上。收發(fā)器可以提供CAN所需要的大電流驅(qū)動(dòng)，并可以提供電流保護(hù)，避免受到出錯(cuò)CAN節(jié)點(diǎn)的影響。

本系統(tǒng)CAN總線驅(qū)動(dòng)器選用的是PHILIPS公司的TJA1040，它采用了先進(jìn)的絕緣硅(silieon-on-insulator)，是用以代替82C250的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器[461。該器件提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對(duì) CAN總線的差分驅(qū)動(dòng)發(fā)送和接收功能。TJA1040除了具有82C250的主要特性外，還在某些方面作了很大的改善，主要特性如下:

與ison898標(biāo)準(zhǔn)(高速CAN總線標(biāo)準(zhǔn))完全兼容;

速率高(最高可達(dá)IMbps);

總線與電源及地之間的短路保護(hù);

待機(jī)模式下，關(guān)閉發(fā)送器，電流消耗非常低(最大15以);

優(yōu)化了輸出信號(hào)CANH和CANL之間的禍合，大大改進(jìn)了信號(hào)的電磁輻射(EME)和電磁干擾(EMI)的性能;

具有強(qiáng)電磁干擾下，寬共模范圍的差動(dòng)接收能力;

對(duì)于TXD端的顯性位，具有超時(shí)檢測(cè)能力;

輸入電平與3.3V完全兼容;

與CAN通信控制器之間無(wú)需再加光電禍合器進(jìn)行隔離;

SPUT引腳代替Vref弓I腳，能有效的改進(jìn)總線DC電源的穩(wěn)定性。

TJA1040與H128之間的電路連接如圖4-9:

圖中CANH和CANL代表CAN物理總線廠IXCANO、RXCANO和PS4分別對(duì)應(yīng)H128上的引腳。CANH和CANL與地之間分別連接了兩個(gè) 93pF的小電容Cg、Cg和兩個(gè)防雷擊穩(wěn)壓二極管DS、D6。CS和Cg可以濾除總線上的高頻干擾信號(hào)，有-定的防電磁輻射的能力。汽車(chē)電器設(shè)備工作環(huán)境惡劣，穩(wěn)壓二極管可以抵抗兩輸入端出現(xiàn)的瞬變干擾，保護(hù)電子設(shè)備的正常運(yùn)行。特別是雷擊浪涌波，其持續(xù)時(shí)間短，脈沖幅值高，能量大，給電子電器設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的危害。

脈沖信號(hào)處理電路

車(chē)速傳感器有霍爾型非接觸式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等，其工作原理都是在車(chē)輛行駛的過(guò)程中連續(xù)向外發(fā)送脈沖信號(hào)來(lái)傳遞相關(guān)的信息。光電式傳感器的工作原理是由常規(guī)車(chē)速表軟軸驅(qū)動(dòng)，軟軸帶動(dòng)開(kāi)有方孔(4，6，8，12等)的輪子在發(fā)光二極管和光敏二極管之間旋轉(zhuǎn)。由于輪子輪番遮斷放光二極管發(fā)射的光束，光電晶體管變發(fā)出-連串的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集測(cè)量模塊將其整形成平滑的脈沖信號(hào)，如此傳感器便能隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出相應(yīng)頻率的連續(xù)脈沖信號(hào)，然后被H128控制器計(jì)數(shù)成每秒脈沖數(shù)，每秒脈沖數(shù)變換成公里/小時(shí)值。

轉(zhuǎn)速不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的-個(gè)簡(jiǎn)單的工作參數(shù)，而且是計(jì)算電子控制系統(tǒng)其它參數(shù)的依據(jù)和控制噴射正時(shí)的基準(zhǔn)。轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量而得的，如果傳感器不能穩(wěn)定地工作，電控系統(tǒng)也就無(wú)法正確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。所以，傳感器的性能直接關(guān)系到電控系統(tǒng)的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表分為汽油機(jī)和柴油機(jī)兩種，前者的傳感信號(hào)取自點(diǎn)火系統(tǒng)初級(jí)電路的脈沖電壓，后者的傳感信號(hào)則來(lái)自安裝在飛輪上的傳感器。這里我們選取后-種方式，采用磁電式曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，由轉(zhuǎn)子和線圈組成。轉(zhuǎn)子固定在分電器軸上，線圈固定在分電器殼體上。永久磁鐵的磁力線經(jīng)轉(zhuǎn)子、線圈、托架構(gòu)成封閉回路。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子凸起與托架間的磁隙不斷發(fā)生變化，通過(guò)線圈的磁通也不斷變化，線圈中便產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并以交流形式輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使感應(yīng)線圈內(nèi)磁通變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的電動(dòng)勢(shì)，傳感器相應(yīng)的處理單元再將它處理后，即變成脈沖信號(hào)。由于車(chē)速〔或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速〕傳感器輸出的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，而且往往還附加了許多的干擾信號(hào)，這就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除其中的干擾信號(hào)，并把信號(hào)整形為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)輸入給MCU。其處理電路及與H128連接的電路圖如圖4-10:[!--empirenews.page--]

傳感器的采樣信號(hào)(車(chē)速或轉(zhuǎn)速)由INPUT輸入，先經(jīng)C18電容濾波后，然后經(jīng)R31限流，由C15、R32、D7組成的回路對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓，再通過(guò)R33、R34對(duì)其進(jìn)行分流后輸送到晶體管QS對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，將放大的信號(hào)輸送給MCU。如此脈沖信號(hào)調(diào)理電路有兩路，其中的電阻和電容的值略有不同，其結(jié)構(gòu)和原理是-樣的。INPUT分別對(duì)應(yīng)儀表外殼背面接插件中車(chē)速信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入，與H128的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器接口分別連接，其中車(chē)速信號(hào)輸入PT7和轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入PT6分別與MCU上的引腳相對(duì)應(yīng)。

A/D轉(zhuǎn)換電路

H128帶8路10位轉(zhuǎn)換精度的A/D接口，可直接與外部模擬信號(hào)相連接。本系統(tǒng)中的模擬量有燃油表、電壓測(cè)量電路、輪胎氣壓測(cè)量電路。其中背光調(diào)節(jié)電路也屬于模擬信號(hào)，在PWM電解電路中有作單獨(dú)介紹。燃油液位傳感器是用于檢測(cè)燃油箱的油量，其是采用浮子式傳感器，屬于模擬量輸出型液位傳感器，由浮子、內(nèi)裝滑動(dòng)電阻的本體以及連接這兩者的浮子臂構(gòu)成，浮子可隨液面上、下移動(dòng)。油箱內(nèi)存油面高、低變化時(shí)，引起浮子位置的高、低變化，在滑線變阻上取得不同的電阻值，即得知油面得高度。蓄電池電壓本身就是-個(gè)模擬量，故無(wú)需任何其他傳感器。蓄電池電壓的測(cè)量比較簡(jiǎn)單，該電壓的正常值為+24V。波動(dòng)范圍在 +lsv~3Zv之間。因H128中的周D輸入端要求輸入電壓為+5V，故需將蓄電池電壓串接電阻的方式對(duì)其進(jìn)行1/7分壓、進(jìn)行低通濾波后再送入 H128中A/D輸入引腳。

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)Ms(五m。preesur。 monitoringsystem)，主要用于自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)在行駛過(guò)程中輪胎氣壓的狀態(tài)，并對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全。開(kāi)MS主要有直接式和間接式二類(lèi)產(chǎn)品。間接式?jīng)]有壓力傳感器，它依靠系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的變化。因?yàn)樘旱慕档蜁?huì)引起輪胎直徑的減小，進(jìn)而引起車(chē)速的減少;而直接式是依靠安裝在輪胎內(nèi)的壓力和溫度傳感器將輪胎內(nèi)的壓力、溫度數(shù)據(jù)以無(wú)線電波方式傳送到接收器上，將所得的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化后輸出到液晶屏上進(jìn)行顯示，使駕車(chē)者能隨時(shí)知曉輪胎的壓力和溫度的變化情況〔刊。汽車(chē)這些參數(shù)的傳感器輸出-般為變化的電壓或電流信號(hào)，變化速度比較慢-般不是很明顯。在前置處理中先將這些變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓信號(hào)調(diào)整到0-SV范圍內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理模塊處理后，送入MCU 控制器的10位A/D轉(zhuǎn)換輸入端，進(jìn)行相應(yīng)的A用轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路硬件如圖4-11所示，

其中CONV代表電壓模擬信號(hào)，CONT氣壓、溫度傳感器信號(hào)，CONF代表燃油傳感器信號(hào)輸入接口，vCcZ代表12v電壓，PAD04、PAD05、 RAD06分別對(duì)應(yīng)H128的A/D轉(zhuǎn)換接口。除了電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)R36與R37七分壓后，其他模擬信號(hào)經(jīng)限流電阻后與習(xí)D轉(zhuǎn)換接口相連接。為了保證A /D轉(zhuǎn)換的精度，要給模塊加穩(wěn)定的參考電平輸入。VCCZ經(jīng)過(guò)R41、R42電阻分壓后，經(jīng)過(guò)限流電阻與參考電壓高電平VRH相連接，參考電壓低電平 VRL直接接地。

液晶屏的電路設(shè)計(jì)

4.6.1 LCD特點(diǎn)

液晶顯示器LCD(liqu記 crystaldisPlay)作為電子信息產(chǎn)品的主要顯示器件，與其他類(lèi)型顯示部件比較，有其自身的特點(diǎn)，概括如下:

1)低電壓微功耗:工作電壓-般為3-SV，每平方厘米液晶顯示屏工作電流為以級(jí);

2)使用壽命長(zhǎng):本身沒(méi)有劣化問(wèn)題，注意防護(hù)與使用，能使用很長(zhǎng)時(shí)間;

3)被動(dòng)顯示:LCD顯示是借助外部環(huán)境光線的反射，越強(qiáng)則現(xiàn)實(shí)內(nèi)容越清晰，不容易引起疲勞;

4)顯示量大易于彩色化:與CRT相比，LCD沒(méi)有蔭罩限制，像素可以做的很小，彩色化方法很多，也可以做的很逼真;

5)無(wú)電磁輻射:CRT工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生X射線及其他電磁輻射，影響環(huán)境與人的身體，LCD則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

4.6.2 LCD分類(lèi)

LCD分類(lèi)方法有很多，按顯示內(nèi)容分類(lèi)有字段型(或筆段型)、點(diǎn)陣字符型、和點(diǎn)陣圖型三種。字段型LCD是指以長(zhǎng)條筆畫(huà)狀顯示像素組成的液晶顯示器件。字段型LCD主要以7段顯示最為常用，也包括專(zhuān)門(mén)為L(zhǎng)CD設(shè)計(jì)的固定圖形和少量漢字。點(diǎn)陣字符型LCD是指顯示的基本單元由-定數(shù)量的點(diǎn)陣組成，專(zhuān)門(mén)用于現(xiàn)實(shí)數(shù)字、字母、常用圖形符號(hào)及少量自定義符號(hào)和漢字。這類(lèi)顯示器把LCD控制器、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器、字符存儲(chǔ)器等全做在-塊PCB印刷電路板上，構(gòu)成應(yīng)用的顯示模塊。點(diǎn)陣圖形除了可現(xiàn)實(shí)字符外，還可顯示各種圖形信息、漢字等，顯示自由度大、顯示精度高。常見(jiàn)的模塊點(diǎn)陣從80只32點(diǎn)陣到 640x480點(diǎn)陣不等。

4.6.3 LCD選取

本系統(tǒng)LcD選取為北京青云公司的帶背光LcM192642腳l，機(jī)械規(guī)格和特征如表4-2所示:

LCD自帶控制模塊，內(nèi)存8〕漢)多個(gè)中文漢字字庫(kù)，可以采用串行和并行接口驅(qū)動(dòng)，起引腳定義見(jiàn)表4-13:

LCD控制模塊與MCU及外圍電路連接如圖4-12所示:

4.6.4 LCD控制指令

LCD現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)在于對(duì)LCD顯示模塊的驅(qū)動(dòng)，由于LCM192642內(nèi)含控制驅(qū)動(dòng)器，所以，要編寫(xiě)正確的液晶顯示程序，必須掌握所用液晶模塊的指令集。

本系統(tǒng)所用的LCD控制模塊共有7種指令。