基于TMS320F2812芯片實現(xiàn)動力汽車顯示儀的應用方案

作者：竇志軍;何培祥;李慶東;張霞 來源：電子技術應用

一 引言

混合動力汽車通常是指同時由燃油發(fā)動機和電動機兩種動力源驅動的汽車。汽車利用燃油機和電力兩種動力系統(tǒng)通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的形式進行組合工作。這兩種動力源在汽車不同的行駛狀態(tài)下可分別工作，或同時工作，運用最優(yōu)的控制方法達到最少的燃油消耗和尾氣排放，實現(xiàn)省油和環(huán)保的目的。混合動力汽車由于具有兩套動力系統(tǒng)CONTROL ENGINEERING China版權所有，在控制難度提高的同時，也對數(shù)據(jù)傳輸及顯示的實時性和可靠性提出更高的要求，如果能將不同動力系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)及時地反映給駕駛員，為駕駛員提供更為全面的行車咨詢，對混合動力汽車而言CONTROL ENGINEERING China版權所有，顯得尤為重要。目前，我國普遍生產使用的是燃油汽車，相應地，我國目前普遍采用的步進電機式數(shù)字儀表也是針對燃油發(fā)動機相關參數(shù)而設計。如果在已有的步進電機式儀表面板中設計更加復雜的圖象來顯示混合動力汽車相關參數(shù)，特別是反映動力源工作狀態(tài)的參數(shù)，將很難保證顯示系統(tǒng)的清晰性、實時性和穩(wěn)定性。針對這種現(xiàn)狀，我們設計了一款以彩色液晶顯示器為終端的基于TI公司TMS320F2812 DSP的混合動力汽車綜合顯示儀。

該顯示儀從CAN總線獲取所需數(shù)據(jù)，由TMS320F2812 DSP處理數(shù)據(jù)并通過MAX232送往彩色液晶，通過軟件編程實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與“預置畫面”相結合的動態(tài)顯示，并可隨時根據(jù)需要，由軟件實現(xiàn)顯示界面的擴充。這一系列任務在硬件支持的情況下全部由軟件編程實現(xiàn)。

1. CAN總線技術

目前存在多種汽車網(wǎng)絡協(xié)議，控制局域網(wǎng)絡（Control Area Network， CAN）屬于現(xiàn)場總線范疇，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA／CD協(xié)議對總線進行仲裁。因此，CAN總線允許多站點同時發(fā)送，這樣，既保證了信息處理的實時性CONTROL ENGINEERING China版權所有，又使得CAN總線網(wǎng)絡可以構成多主結構的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。另外，CAN采用短幀結構，且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)的實時性、低傳輸出錯率。

目前，汽車上主要有2條CAN 總線，即低速（L）與高速（H）CAN總線CONTROL ENGINEERING China版權所有，低速線路工作在125kb/s以內，主要控制車身及舒適系統(tǒng)（中央門鎖、車窗、天窗、收音機、座椅、安全氣囊等）；高速線路工作在125kb/s以上，主要控制動力系統(tǒng)（發(fā)動機、自動變速器、制動系統(tǒng)以及防側滑系統(tǒng)、綜合顯示儀等），隨著汽車技術的發(fā)展，總線的數(shù)量會越來越多，功能越來越強大。在汽車內部采用基于總線的網(wǎng)絡結構，可達到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體可靠性的目的。在國外控制工程網(wǎng)版權所有，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡已被廣泛應用在汽車上，如奔馳、寶馬、寶時捷等車。

2. TMS320F2812 DSP芯片

TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數(shù)字信號處理器，是面向電機控制、工業(yè)自動化的第一款帶片內Flash、工作頻率達到150MHz的32位DSP。它采用經典哈佛總線結構，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉換數(shù)據(jù)，這種多總線結構使得它可以在一個周期內并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時它采用了指令流水線技術，保證信號處理的快速性和實時性。

二 混合動力汽車綜合顯示儀的設計

1. 設計思想

本設計利用車輛網(wǎng)絡的優(yōu)勢，從CAN總線上采集混合動力汽車綜合顯示儀所需要的數(shù)據(jù)，如車速、轉速、檔位、電池荷電狀態(tài)（SOC）、動力系統(tǒng)工作狀態(tài)等，經DSP處理后進行各種實時控制和顯示。區(qū)別于傳統(tǒng)的儀表面板，本設計采用彩色液晶顯示器作為顯示終端動態(tài)顯示所采集并用軟件處理過的數(shù)據(jù)，可隨時根據(jù)需要，由軟件實現(xiàn)顯示界面的修改和擴充。使用CAN總線方式使得整體系統(tǒng)工作更加及時、準確，提高了安全性、可靠性，更具有智能化和人性化。TMS320F2812芯片則保證了信號處理的快速性、實時性以及通信設計的方便。

2. 顯示儀的硬件設計

該顯示儀的硬件結構如圖1所示，主要包括：電源復位電路、CAN通信接口電路、SCI通信與電平隔離轉換電路、液晶接口電路等。F2812不斷地從CAN總線上獲取數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行識別、計算處理后，由SCI經過MAX232送往YD711彩色智能液晶顯示器，與“預置畫面”組合顯示。

a. 電源復位電路

TMS320F2812芯片需要給CPU、Flash、ADC及I/Os提供雙電源（1.8V和3.3V），在上電期間，應該為所有模塊賦予正確的復位狀態(tài)，器件的上電/掉電需要滿足一定的時序要求。TI的專用電源芯片TPS767D318可通過5V穩(wěn)壓電源，提供滿足DSP內核所需的1.8V電壓和其外設所需的3.3V電壓。在（PIN4）和（PIN10）之間串聯(lián)RC充電電路目的在于使能1路輸入輸出和2路輸入輸出有一定時間的延遲CONTROL ENGINEERING China版權所有，從而使3.3V和1.8V的電壓輸出滿足F2812的上電時序要求，R、C的取值取決于時間常數(shù)。1Reset（PIN28）和2Reset（PIN22）內部連接的是“與”門漏級開路驅動器，因此PIN28和PIN22并聯(lián)的結果是如果任何一端輸出為低，都將引起F2812復位。采用DC/DC穩(wěn)壓電源以及嚴格隔離數(shù)字地和模擬地的設計，從硬件上保證了系統(tǒng)的抗干擾性。如圖2所示。

b. CAN通信接口電路與數(shù)據(jù)電平轉換電路

TMS320F2812中集成的CAN總線模塊是增強型CAN（eCAN）模塊，支持CAN技術規(guī)范2.0B，最高達1Mb/s速率，并帶光電隔離；在基于TMS320F2812的混合動力汽車綜合顯示系統(tǒng)中，CAN總線接口是在集成的eCAN模塊的基礎上，外擴了TI公司的3.3V CAN總線收發(fā)器SN65HVD232。由于YD711型彩色液晶智能顯示器采用標準RS-232C通信方式CONTROL ENGINEERING China版權所有，系統(tǒng)采用MAX232芯片將DSP輸出的典型3.3V電平數(shù)據(jù)轉換為RS-232C電平。CAN通信接口電路與數(shù)據(jù)電平轉換電路如圖3所示。

c. YD711液晶接口電路

液晶的移位寄存器RXD（PIN14）通過RS-232C口的TXD（PIN3）與MAX232的T1out（PIN14）連接；液晶的緩沖區(qū)寄存器DTR（PIN15）通過RS-232C口的DSR（PIN6）與MAX232的T1in（PIN13）連接，在F2812給YD711發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先應判斷移位寄存器是否為空CONTROL ENGINEERING China版權所有，為空時再檢查DTR信號，若DTR為高電平，表示緩沖區(qū)滿，要等到DTR信號變?yōu)榈碗娖胶笤侔l(fā)送數(shù)據(jù)。即DTR為低電平時發(fā)送數(shù)據(jù)，DTR為高時停止數(shù)據(jù)發(fā)送。接口電路如圖3、4所示。

3. 軟件設計

編程工具采用TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCStudio V3.1，采用標準C語言作為程序設計語言，其編譯效率和直接用匯編語言已經沒有太大的差距。程序主要涉及到eCAN模塊、PIE模塊和SCI模塊的運用：

（1）在對各寄存器進行初始化以后，首先啟動CAN模塊接受數(shù)據(jù)；

（2）判斷數(shù)據(jù)的類型，例如：判斷是轉速、水溫、還是其他，并將數(shù)據(jù)分別存放到相應的郵箱中；

（3）判斷數(shù)據(jù)是否正確，采用“差異判別標志”的方法來識別數(shù)據(jù)屬于本身的正常躍變、還是由于干擾引起的突變，從軟件上保證了系統(tǒng)抗干擾的能力。

例如：當此次所接收的數(shù)據(jù)與上次接收的數(shù)據(jù)相比，存在較大差異時，軟件暫時只保留數(shù)據(jù)而不將其送往液晶顯示，并打開一個“差異判別標志”，并將所保留的數(shù)據(jù)再與下一幀數(shù)據(jù)進行比較，直到相鄰幾個數(shù)據(jù)不存在較大差異時，才認為是正確的數(shù)據(jù)，這時清除“差異判別標志”并由SCI將數(shù)據(jù)送往液晶顯示。

PIE模塊用以實現(xiàn)駕駛員按鍵選擇畫面部分的功能。當有按鍵觸發(fā)信號產生，主程序跳轉至中斷服務子程序ISR中，判斷選擇的是哪幅畫面并將其顯示，中斷子程序返回至主程序。

4. 顯示界面設計及參數(shù)范圍

本設計選用了友利華（河南）高科技開發(fā)有限公司的YD711彩色液晶智能顯示器，引入了“預置畫面”的概念：所有的顯示畫面都被分為固定部分和變化部分。對于固定部分，可以預先在微機上進行編制，然后將其作為“預置畫面”送入機內（閃存）中，本系統(tǒng)一共繪制了3幅預置畫面：

（1）考慮到有些駕駛員習慣于傳統(tǒng)的儀表版面，設計了指針式的畫面；

（2）在動力傳輸示意圖這個畫面里，系統(tǒng)將其中的小箭頭作為變化部分，通過程序對小箭頭進行連續(xù)填充，達到動態(tài)跑動的效果，從而非常直觀地反映出了混合動力汽車動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如圖5所示；

（3）考慮到駕駛員不同習慣的需求，設計了純粹以數(shù)值方式顯示的畫面，如圖6所示。系統(tǒng)通過軟件實現(xiàn)與現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)組合顯示，駕駛員可通過按鍵方便地選擇畫面。

根據(jù)混合動力汽車的特性，綜合顯示儀所顯參數(shù)及其范圍設定為：車速（0～180km/h）、轉速（0～6500r/min）、檔位（停車檔-P、倒車檔-R、空檔-N、前進檔-D、行車檔-S、低速檔-L）、電池荷電狀態(tài)（SOC 0～100%）、電流（0～200A）、電壓（額定電壓288V）、水溫（0～120℃）、燃油（0～100L）、里程（0～30000km），動力系統(tǒng)工作狀態(tài)以及動力傳輸示意圖。其中的動力傳輸示意圖能動態(tài)直觀地反映發(fā)動機和電動機兩套動力系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)。

三 試驗結果

本綜合顯示儀設計了三幅畫面，如畫面1、2、3所示。駕駛員可通過按鍵方便地切換顯示畫面。試驗表明，該綜合顯示儀能按設計要求正常穩(wěn)定地顯示汽車運行時的相關參數(shù)。當動力源以及動力傳遞方向發(fā)生改變時，動力傳輸示意圖里的箭頭運動方向也跟著改變，從而可非常直觀明確地顯示汽車動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

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