嵌入式汽車數(shù)字儀表設計方案

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)字儀表設計方案，詳細闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主控芯片選型及其在設計中的作用，并介紹了各個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)需要處理的信號主要包括車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油量以及各種開關(guān)量或報警信號。其中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和前后燈信號從CAN總線（發(fā)動機電控模塊和前后燈電控模塊）獲取，而車速信號、水溫、油量和其他開關(guān)量信號則從相應的傳感器獲取。

本系統(tǒng)對車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫和油量信息采用步進表頭顯示，里程信息采用LCD顯示，開關(guān)量或報警信號采用LED顯示。串口EEPROM用于存儲里程信息。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，用于實現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點間的通信。

三、主控芯片選型及其作用

1. 主控芯片型號：三星S3C44BOX

型號說明：

• 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75 MHz，內(nèi)部資源豐富。

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

在設計中的作用：

• 數(shù)據(jù)處理核心：S3C44BOX作為主控制器，負責接收并處理來自各個傳感器的信號，包括車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油量等模擬信號，以及開關(guān)量和報警信號。

• 通信接口控制：通過內(nèi)置的SIO接口（與MCP2510的SPI接口時序配合），實現(xiàn)與CAN總線的通信，從而獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和前后燈信號。

• 顯示控制：通過I/O端口控制步進電機表頭、LCD顯示器和LED指示燈，實時顯示車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油量、里程等信息以及報警信號。

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

2. 其他關(guān)鍵芯片

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

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

• 步進電機驅(qū)動器件：Switec的汽車儀表專用步進電機X15.168及專用四通道步進電機驅(qū)動器件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)與設計

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。掉電時能夠及時存儲里程信息，電源地需接一只1000μF的電容，確保S3C44BOX在掉電時仍能工作一段時間，完成里程信息的存儲。

2. 信號調(diào)理電路

• 車速脈沖信號調(diào)理：由于汽車大多工作在惡劣環(huán)境下，車速傳感器信號易受到干擾，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對車速脈沖信號進行處理。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。

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

• 開關(guān)量信號調(diào)理：其他開關(guān)量則經(jīng)過濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I/O端口。

3. 顯示模塊

• 步進電機表頭：選用Switec的汽車儀表專用步進電機X15.168及專用四通道步進電機驅(qū)動器件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：用于顯示開關(guān)量或報警信號。

4. 存儲模塊

采用AT24C04存儲器件來存儲里程信息。AT24C04是4Kbit的串行存儲器，采用I2C總線方式實現(xiàn)里程信息的存儲。

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，用于實現(xiàn)與汽車其他CAN節(jié)點間的通信。S3C44BOX無SPI接口，但有SIO接口，可通過設置S3C44BOX的SIO模塊所對應的寄存器實現(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總線時序相配合。

• 串口EEPROM：用于存儲里程信息。

6. 操作系統(tǒng)與任務劃分

系統(tǒng)采用Jean J-Labrosse開發(fā)的免費的、開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II是一個基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)所有任務都有一個唯一的優(yōu)先級別，適用于實時性要求較強的場合。μC/OS-II提供多種系統(tǒng)服務，如消息郵箱、消息隊列、信號量管理以及時間延時等，實時內(nèi)核使得CPU的利用更有效。

本系統(tǒng)主要有8個任務，即車速脈沖測量任務、CAN總線任務、水溫采樣任務、油量采樣任務、開關(guān)量處理任務、里程記錄及LCD顯示任務、步進電機驅(qū)動任務、WDT任務。任務間通過消息隊列和信號量進行通信和共享數(shù)據(jù)。

• 車速脈沖測量任務：脈沖信號接EINT0，使用定時器1定時，測量t時間內(nèi)脈沖數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊列。

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

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

• 開關(guān)量處理任務：根據(jù)開關(guān)量的狀態(tài)控制LED點亮或熄滅，延時。

• 里程記錄及LCD顯示任務：當車速脈沖值累加至0.1km計數(shù)值，向本任務發(fā)出信號量，任務獲得信號量后進入準備就緒狀態(tài)，在任務調(diào)度時獲得CPU的使用權(quán)，顯示并記錄里程信息，運行后繼續(xù)等待接收信號量。

• 步進電機驅(qū)動任務：首先等待消息隊列，再根據(jù)送出消息的任務識別出信息內(nèi)容，根據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)相應的步數(shù)，運行后再次等待隊列中的消息。本任務賦予第2高優(yōu)先級。

• WDT任務：用于監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性，任務優(yōu)先級最高，延時。

五、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

1. 初始化與任務創(chuàng)建

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

2. 系統(tǒng)測試

• 功能測試：驗證系統(tǒng)能否正確顯示車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信息，以及能否正確響應開關(guān)量和報警信號。

• 性能測試：測試系統(tǒng)的響應時間和數(shù)據(jù)處理能力，確保系統(tǒng)能夠滿足實時性要求。

• 可靠性測試：在惡劣環(huán)境下進行長時間運行測試，驗證系統(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)字儀表設計方案，詳細闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主控芯片選型及其在設計中的作用，并介紹了各個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CAN總線與汽車其他模塊進行通信，實現(xiàn)了車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油量等信息的實時顯示和報警信號的提示。同時，系統(tǒng)采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)進行任務管理和資源調(diào)度，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。經(jīng)過測試驗證，該系統(tǒng)功能完善、性能穩(wěn)定、可靠性高，具有廣泛的應用前景。