汽車儀表的工作原理

汽車的儀表盤裝有各種顯示器和指示燈，使駕駛員能夠操作車輛。其中主要包括幾個儀表——通常是速度表、里程表、轉(zhuǎn)速表、油壓表、 燃油表等。以及系統(tǒng)故障和警告的各種指示器。儀表組為駕駛員提供集中且易于查看的位置，以顯示所有關(guān)鍵系統(tǒng)信息。

01儀表的子系統(tǒng)組成

負載驅(qū)動器：每個物理（即非圖形）儀表由單個步進電機驅(qū)動。也幾乎所有儀表盤都包含 LED 背光。所有這些設(shè)備都需要適當?shù)募虞d驅(qū)動程序以正常運行。儀表盤MCU通常具有集成的步進電機;但是，LED背光驅(qū)動器是作為分立IC實現(xiàn)的。

連接系統(tǒng)：作為高完整性串行通信的事實標準，汽車的CAN是 （控制器局域網(wǎng)）總線構(gòu)成車輛網(wǎng)絡(luò)的“骨干”。CAN適用于應(yīng)用必須在節(jié)點之間一致地傳輸大量但很小的數(shù)據(jù)，以及自我診斷和修復數(shù)據(jù)錯誤。同樣，LIN（本地互連網(wǎng)絡(luò)）處理網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點內(nèi)的通信。LIN網(wǎng)絡(luò)成本低廉且實現(xiàn)起來相對簡單，它采用的拓撲結(jié)構(gòu)，有一個主站--通常是一個MCU--和最多12個從站設(shè)備。

處理器：汽車應(yīng)用本質(zhì)上是安全關(guān)鍵型的，因此處理器或微控制器必須提供足夠高的性能水平，以確?？煽康膶崟r控制。另外 除了快速執(zhí)行代碼的能力外，選擇微控制器還因為其特定應(yīng)用的集成外設(shè)。儀表盤MCU通常包括一個集成的CAN和/或LIN收發(fā)器，用于與位于整個車輛的各種傳感器進行通信。如前所述，微控制器還可能具有用于驅(qū)動各種儀表的步進電機驅(qū)動器。

電源管理： 低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器對重載情況特別有用，例如在啟動電動啟動器時。儀表組可以包括外部存儲器、步進電機、一個或多個MCU、CAN接口、LIN接口和LED背光--所有這些都可能在不同的電壓水平上運行。由于有這么多不同的電源軌，在設(shè)計時需要仔細考慮效率、緊湊性、低成本和低EMI。

02汽車儀表硬件框架圖

基于單MCU的入門級虛擬儀表盤:

數(shù)字虛擬儀表盤在LCD或TFT屏幕上顯示所有駕駛信息。這種數(shù)字儀表盤可以編程為根據(jù)駕駛員的喜好顯示適當?shù)奶摂M儀表選擇;點陣儀表盤正在迅速被數(shù)字虛擬儀表盤所取代。憑借功能豐富的圖形引擎和靈活的內(nèi)存接口，圖形MCU可以支持高達1920 x 720的高分辨率的入門級數(shù)字虛擬儀表盤。與使用應(yīng)用處理器和MCU的傳統(tǒng)解決方案相比這種基于英飛凌單MCU的儀表板解決方案提供了具有競爭力的系統(tǒng)成本

高級虛擬儀表盤：

高級虛擬儀表盤通常具有大型顯示屏，例如 12.3 英寸，分辨率為 19201080。在這種類型的儀表盤中，除了專用的圖形應(yīng)用處理器外，還需要個車輛接口處理器 (VIP) 來管理汽車網(wǎng)絡(luò)、安全、安保和電源管理。

03車速顯示原理

傳統(tǒng)的汽車儀表，是一個個獨立的模擬表頭，用于顯示必要的信息(例如車速，轉(zhuǎn)速，水溫等等)之后發(fā)展成組合儀表，把所有的表頭集成到一起。隨著科技的發(fā)展，LCD開始應(yīng)用于儀表，豐富了儀表顯示的車輛信息

從最開始的段碼屏，發(fā)展成點陣屏以及單色TFT屏，這時可以設(shè)計數(shù)字方式顯示車速?，F(xiàn)如今，儀表中采用彩色TFT，屏幕尺寸越來越大，色彩也越來越豐富，在LCD上顯示設(shè)計的模擬表頭也很有科技感。

指針表: 參考下圖中左邊的指針

模擬表頭，通過控制指針偏轉(zhuǎn)的角度，來達到顯示車速的目的。設(shè)計上應(yīng)該保證指針平滑的運動，不能出現(xiàn)抖動或大幅跳動的情況.

機械機構(gòu)的模擬表頭，由步進電機驅(qū)動指針，指向表牌上印刷的數(shù)字。

LCD中的模擬表頭，由軟件邏輯控制屏幕上的指針轉(zhuǎn)動，指向圓弧邊的數(shù)字

數(shù)字顯示: 參考下圖中間LCD上顯示的數(shù)字 (000 km/h)數(shù)字相對于模擬表頭來說，看起來更加方便。但是設(shè)計上應(yīng)該考慮數(shù)值變化時的連貫性。

一般是都愛看LCD中顯示的數(shù)字，這樣更直觀。這也是很多車企做全液晶儀表顯示的目的。但是也有部分人喜歡指針儀表，包括很多賽車上仍然是機械指針儀表，甚至儀表左右布滿了指針式的小表來顯示其他的信息，這也是一種汽車情懷。

車速從哪里來

車身上儀表接收車速信號一般有2種方式:

頻率信號: 來自于車速傳感器，計算公式為 F= V PPK /3600，其中F: 輸入給儀表的頻率值，單位Hz

V: 實際車速，單位 km/h

PPK: 每公里脈沖數(shù) (Pulse Per Kilometer)

針對這種傳感器，需要主機廠提供相關(guān)等效電路，用于儀表端采集電路的設(shè)計，避免電路不適配導致頻率采集出現(xiàn)問題.

CAN信號: 車身上其他控制器直接采集車速傳感器的頻率信號，經(jīng)過計算后，通過CAN信號發(fā)給儀表。

對于商用車，一般都遵循標準 SAE J1939，報文為TCO1 (PGN: 65132,SPN 1624)。

對于乘用車，每個主機廠都有自己特殊的定義，請參考他們提供的CAN DBC文件。

04儀表的故障燈是怎么點亮的

首先，點亮發(fā)動機故障燈，根本原因是發(fā)動機出現(xiàn)了某些故障，所以，故障產(chǎn)生于發(fā)動機的ECU。

然后，就以此網(wǎng)路為例，發(fā)動機的ECU會把故障信息以CAN信號的方式發(fā)送給高速的CAN總線。

第三步，高低速網(wǎng)關(guān)會把高速CAN的信息路由給低速CAN，此網(wǎng)關(guān)存在的意義是因為高低速CAN的通訊速率不一樣沒有辦法直接通訊，有了網(wǎng)關(guān)之后就可以實現(xiàn)高低速CAN的信息共享。

第四步，低速CAN有了發(fā)動機故障的信息以后，儀表的ECU就可以在低速CAN獲取到發(fā)動機的故障信息。

最后，儀表根據(jù)獲取到的信息點亮相應(yīng)的發(fā)動機故障燈。

這里有的朋友可能會問，如果CAN線上有很多的數(shù)據(jù)，作為一個節(jié)點怎么知道哪些是需要讀取的，哪些是不需要的呢，這個就是在車輛開發(fā)的時候就已經(jīng)定義的，對應(yīng)的節(jié)點需要訂閱哪些消息是固定的，都是根據(jù)功能設(shè)計的，然后通過CAN的ID識別自己需要的數(shù)據(jù)即可。

05儀表的轉(zhuǎn)速表的顯示原理

轉(zhuǎn)速表一般設(shè)置在儀表板內(nèi)。與車速里程表對稱地放置在一起。轉(zhuǎn)速表是按照磁性原理工作的．它接收點火線圈中初級電流中斷時產(chǎn)生的脈沖信號。并將此信號轉(zhuǎn)換為可顯示的轉(zhuǎn)速值。發(fā)動機轉(zhuǎn)速越快，點火線圈產(chǎn)生的脈沖次數(shù)越多，表上顯示的轉(zhuǎn)速值就越大。

現(xiàn)在轎車一般都是電子式轉(zhuǎn)速表，有指針式和液晶數(shù)字顯示式。表內(nèi)有數(shù)字集成電路．它將點火線圈輸送過來的電壓脈沖經(jīng)過計算后驅(qū)動指針移動或數(shù)字顯示。另外還有一種轉(zhuǎn)速表是從發(fā)電機取出脈沖信號送到轉(zhuǎn)速表電路解釋后顯示轉(zhuǎn)速值。不過因受發(fā)電機皮帶打滑等因素影響。數(shù)值不太精確。

電動車的是指的電機轉(zhuǎn)速，但是對電動車而言，因為電機扭矩特性，與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大，所以行車過程中，電機轉(zhuǎn)速多少我們并不關(guān)注，一般不會顯示在儀表上，儀表取而代之顯示的是電池功率輸出，輸入狀態(tài)！

06儀表的水溫表和燃油表的顯示原理

07結(jié)束語

以上為大部分內(nèi)容是機械類儀表的工作原理，目前越來越多的汽車采用全數(shù)字液晶顯示儀表，直接顯示具體數(shù)值即可；但顯示原理還是不改變的，只不過是減少了步進電機控制指針的過程，直接將CAN總線傳遞過來的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號顯示在屏幕上，汽車里的各個ECU都是通過CAN和LIN總線連接在一起，現(xiàn)代汽車里的ECU總數(shù)已經(jīng)迅速增加到了幾十個甚至上百個之多，整個系統(tǒng)復雜度越來越大，幾近上限。

審核編輯：湯梓紅