基于MC9S12HY32的電動汽車儀表盤設計
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引言：
本文引用地址：http://www.j9360.com/article/196428.htm電動汽車儀表盤是一種集LED、LCD顯示技術、步進電機控制技術于一體，適應電動汽車電子化、數字化、信息化發展的高新技術產品，它是駕駛員與汽車進行信息交流的窗口，是一個多信息顯示平臺，顯示電機狀態、電池組狀態、行駛信息、底盤信息、指示報警等其它信息。Freescale的S12HY32是汽車儀表盤設計專用16位MCU，筆者以S12HY32為核心設計了一款電動汽車儀表盤，它采用步進電機進行指針的指示，具有很好的數據控制特性，并能及時反映汽車加減速、電壓電流上升與下降等各種工況，提高了整個系統的平穩性和定位精度，同時保留了機械指針指示的直觀、有動感、符合駕駛員習慣等優點。采用LED顯示轉向燈、遠近光變換、車門狀態、安全帶未系提示、充電指示、報警等狀態【1】，采用LCD數字顯示里程表和故障狀態。本文介紹S12HY32的功能特性和應用要點，并剖析電動汽車儀表盤的設計原理和軟硬件結構。
1 硬件設計
MC9S12HY32是一款可擴展入門級的汽車儀表盤應用16位微控制器，集16位性能和許多專用功能于一身【2】，如LCD驅動和步進電機驅動，同時服務于需要CAN/LIN的應用，非常適合經濟高效的汽車儀表盤應用。其芯片資源及特性如下【3】：
1、32MHz總線頻率的HCS12 CPU內核；
2、帶有ECC（錯誤校正碼）的32KB程序閃存和4KB數據閃存，4KB片內SRAM；
3、字段式LCD控制器，最多可配置為40x4段；
4、4個步進電機控制器，可以進行電機失速檢測；
5、兩個16位定時器模塊，可提供16位輸入捕捉、輸出比較、計數和脈沖累加器功能；
6、8通道10位逐次逼近型ADC；
7、SPI/I2C模塊，一個SCI模塊，支持 LIN 2.0、2.1 和 SAE J2602 通信；
8、MSCAN模塊，支持 CAN 協議 2.0A/B。
1.2 系統結構
儀表盤由CAN總線接口、信號采集電路、步進電機、LCD、LED、報警裝置組成，用于各種工況下汽車運行信息的采集和顯示，圖1給出了儀表盤硬件結構，下面結合S12HY32的內部資源介紹下儀表盤的硬件設計。
圖1 儀表盤硬件結構圖
圖1 儀表盤硬件結構圖
Picture 1:Dashboard hardware architecture
S12HY32內部資源專為儀表應用而設計，4個步進電機驅動器可以進行車速、電機轉速、電流和電池組電壓的指針指示，LCD控制器可以控制字段式LCD顯示總里程、小計里程和電機故障信息，內部有MSCAN模塊支持CAN總線應用，可以通過CAN總線獲取一些關鍵信息，同時保留直接進行信息采集的能力：內置定時捕捉模塊可以進行車速/電機轉速脈沖的捕捉與統計，內置ADC進行電機溫度等模擬量的采集。下面以車速信號檢測為例介紹下儀表盤電路設計。
1.3 車速信號檢測
車速是儀表盤需要顯示的關鍵信息，根據汽車原理和拓撲結構，車速信號來源是CAN總線或者車速傳感器。車速傳感器輸出0-12V的脈沖信號，其信號頻率大小與車速值大小成線性關系，隨車速增加而增加【4】，通過圖2所示的整形電路將車速傳感器信號轉換為TTL電平，然后通過定時捕捉模塊捕捉脈沖信號的上升沿或下降沿，進行統計分析即可得到車速大小。
圖2 車速信號檢測電路
圖2 車速信號檢測電路
Picture 1:Speed signal detection circuit
2 軟件設計
2.1 軟件流程設計
因為沒有采用操作系統，軟件設計采用循環體+中斷的軟件結構【5】，主循環體完成主體功能，中斷服務程序進行底層協議設計和驅動管理，軟件流程圖如圖3所示，下面簡單介紹一下該流程。首先進行全局變量和所用外設（包括IO、PWM、TIMER、SCI、CAN、LCD、MOTOR CONTROLLER）的初始化，初始化完成后，進入主循環，然后在循環體內依次進行定時器管理、開關信號檢測、車速檢測、CAN通訊管理、里程計算及存儲、報警控制、LCD控制和步進電機控制。各軟件模塊次序如圖三所示。下面以車速檢測為例介紹下軟件的詳細設計。
圖3 軟件流程圖
Picture 3 Software Process
2.2車速信號檢測軟件設計
車速信號整形后得到TTL脈沖，S12HY32的定時捕捉模塊以中斷的方式捕捉脈沖的沿變化【6】，在中斷處理函數中進行脈沖個數累加。設計脈沖統計結構體和一200ms的周期定時器，采用“滑動時間窗口脈沖統計法”進行車速的計算，脈沖統計結構體設計如下：
typedef struct{
uint8_t bank;
uint16_t cnt;
}s_PulseCnt;
在上述結構體中，cnt表示脈沖個數，bank表示數據是否有效?；瑒訒r間窗口脈沖統計法設計如下：
定義成員個數為6的脈沖統計結構體數組Speed_pulse[6]，周期性存儲車速脈沖個數，脈沖率等價于一秒內的脈沖個數，則有公式如下：
脈沖頻率=(Speed_pulse[5].cnt-Speed_pulse[0].cnt) (2-1)
車速=脈沖頻率*FACTOR (2-2)
FACTOR由變速比和輪胎直徑共同決定。
當下計算的車速表示過去1秒內的平均車速，在下一個200ms到達后，將下標為1到5的結構體變量依次“滑動復制”到下標為0到4的結構體變量中，然后更新下標為5的結構體變量，此時根據公式2-1和公式2-2進行計算得到的車速為0.2秒-1.2秒之間的平均速度。這種方式計算得到的車速實時性更強，而且車速變化更加平滑，反映在指針的變化上也更加平穩平滑，能得到更佳的視覺體驗，其代碼實現如下：
void SpeedDetect(void)
{
uint16_t i,j;
uint16_t Carspeed_pulse_frequency=0;
if(1==Speed_detect_enable){
if(1==Timer[SPEED_PULSE_ACCUMU_200MS].overflow_flag){
for(i=0;i=5;i++){
if(0==Speed_pulse[i].bank){
Speed_pulse[i].cnt=Car_speed_pulses;
Speed_pulse[i].bank=1;
if(5==i){
Carspeed_pulse_frequency=Speed_pulse[5].cnt-Speed_pulse[0].cnt;
Ev_speed=(float32_t)Carspeed_pulse_frequency*CAR_PULSE_FACTOR;
EvSpeedRangeCheck();
for(j=0;j5;j++){
Speed_pulse[j].cnt=Speed_pulse[j+1].cnt;
}
Speed_pulse[i].bank=0;
}
break;
}
}
}
}
}
結語
筆者采用MC9S12HY32設計實現了一款電動汽車儀表盤，從處理器特性、硬件結構、車速信號檢測等方面描述了儀表盤的硬件設計，從軟件流程設計，車速信號檢測的軟件實現上描述了儀表盤的軟件設計。該儀表盤經裝車試驗，運行穩定，功能可靠，已經進入小批量預生產階段，具有很高的實用價值。
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