城市公交车组合仪表 毕业论文.doc

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1、 I 摘要 汽车仪表是指示车辆信息的重要窗口，对汽车的行驶安全具有重要的作用。本课 题所研制的步进电机指针式仪表主要是针对城市公交车。 本文分析了城市公交车组合仪表系统的主要功能，并根据这些功能制定了组合仪表 的总体设计方案。在硬件设计中，使用两片 Freescale 公司的 MC9S12HZ256 微控制器 作为控制核心。仪表中使用了 7 个步进电机来指示车辆的信息；同时使用液晶显示模 块来显示城市公交车运行中的里程数；仪表接入整车 CAN 网络，使车辆的数据实时显 示在仪表中。在控制软件设计中，使用了 MC9S12HZ256 的步进电机失步检测模块对 步进电机进行归零操作，使步进电机更快的

2、回到零刻度点；系统对脉冲量和模拟量采 样采用了数字滤波法，使获得的采样信息更为准确可靠。在仪表系统调试方面，使用 组合仪表与硬件在环仿真系统和整车控制器组成 CAN 网络对组合仪表 CAN 总线功能 进行调试，调试结果表明步进电机指针式指示准确，CAN 网络工作正常。 本课题研制的城市公交车组合仪表具有很好的兼容性，通过适当的修改就可作为其 它类型客车的仪表使用。 关键词关键词：汽车仪表；步进电机；CAN 总线 II Abstract Automotive instrument is an important interface to display the information of th

3、e vehicle, which is of great importance to the safe driving. In this paper the stepper motor pointers instrument that is developed is a new instrument developed mainly for city bus. The paper analyzes the main function of city the hybrid bus instrument system, which that the overall design of the in

4、strument is made is based on. In the hardware design, two Freescale MC9S12HZ256 micro-controllers are used as the control core. Seven stepper motors are used to display the information of the vehicle. An LCD module is used to display the ?. the vehicle is linked into the CAN bus,which makes that the

5、 instrument can communicate with the vehicle control information available. In the software design, Stepper Stall Detector module of MC9S12HZ256 is used to make the stepper motor return to zero faster, more accurately. The digital filtering method is used in pulse sampling and analog sampling, so th

6、at the information obtained by sampling is more accurate and reliable. In the instrument system debugging, the instrument, the hardware-in-loop simulation system and the Vehicle Control Unit are composed of the CAN bus network by which the CAN function of the instrument is debugged . The debugging r

7、esults show that the stepper motor pointers indicate accurately and the CAN network works well. The instrument that is developed in the subject has a good compatibility,which means that it can be used in other buses by amending some hardware and software of the system. Key word: Automotive instrumen

8、t; Stepper motor; CAN bus III 目录 城市公交车组合仪表I 摘要I Abstract.II 1 绪论1 1.1 汽车仪表的历史.1 1.2 汽车仪表的现状.2 1.3 课题的研究背景和意义3 1.4 课题来源及研究的主要内容.4 2 系统总体方案设计5 2.1 系统主要功能5 2.2 系统总体方案5 2.3 系统关键技术6 3 系统硬件设计7 3.1 系统主要器件选择.7 3.1.1 主控制器（MCU）选型7 3.1.2 步进电机选型10 3.1.3 液晶显示模块选择.12 3.2 系统硬件电路设计12 3.2.1 系统电源电路13 3.2.2 单片机最小系统15

9、3.2.3 SCI 串行通讯接口电路.17 3.2.4 液晶模块接口电路.18 3.2.5 步进电机接口电路.20 3.2.6 CAN 模块电路21 3.2.7 系统采样电路22 IV 4 系统软件设计26 4.1 主程序模块26 4.2 步进电机控制模块.28 4.2.1 步进电机驱动控制.28 4.2.2 步进电机归零控制.31 4.3 液晶显示模块34 4.4 CAN 模块34 4.5 采样模块36 5 系统调试.39 5.1 仪表刻度盘的标定.39 5.2 组合仪表 CAN 总线调试40 5.3 CAN 总线调试结果.42 6 结束语46 致谢.47 参考文献48 1 1 绪论 汽车仪

10、表是指示车辆信息的重要窗口，对汽车的行驶安全具有重要的作用1。 1.1 汽车仪表的历史 自 1886 年汽车诞生以来，汽车走过了 100 多年的发展历程。汽车的出现和发展， 使汽车仪表也在不断开发和发展之中。随着光学、电子技术的迅速发展，特别是计算 机技术在汽车仪表中的广泛应用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。汽车仪表 的发展趋势，从一个侧面反映出汽车电子化水平的快速提高。 根据仪表的工作原理、内部结构和显示方式，汽车仪表的历史发展过程可以分为 以下四个阶段2： （1）传统仪表阶段（第 1 代） 。这一阶段是从 20 世纪初到 20 世纪 30 年代，在此 阶段中汽车开始安装各种仪表，如车

11、速里程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流 表(电压表)和发动机转速表等，这些确定了现代汽车仪表板的基本结构。这一阶段汽车 上的传感器和仪表基本上都是机械式电磁机械式的，是基于机械作用力而工作的机 械式仪表，所以也称机械机芯表。这种汽车仪表功能单一，仅仅显示传感器的信息以 向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是为安全性着想，信息量少，整个仪表系统的 精度低，可靠性较差，体积较大，视认性不好，容易使驾驶员疲劳。 （2）电气式仪表阶段（第2代） 。这一阶段从40年代到50年代，仪表功能实现不再 仅仅依靠机械作用力，而是基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成 电信号加以测量，称之为电气式仪

12、表。电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原 理是永久磁铁在气隙中产生的磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力 矩。磁电式仪表多用于测量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如 温度、压力等。磁电式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流 电路的精密测量和实验室中的标准测量仪表。但是其存在的最大缺陷就是随着环境温 度的改变，测量误差变大。 2 （3）现代电子仪表阶段，也称模拟电路电子式仪表（第 3 代） 。其工作原理与电 气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件。其出现的时间大致在 20 世纪 50-60 年代。随着集成电路技术突飞猛进的发展，这

13、种仪表现在均采用汽车仪 表专用集成电路，是国内汽车仪表目前主流产品，目前国内大多数汽车还是采用这种 结构的仪表。经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心阶段，围 绕着提高指示精度和指针平稳性，动磁式代替了动圈式。 （4）步进电机式全数字汽车仪表（第 4 代） 。全数字式汽车仪表在国外从 80 年代 末就己经开始研究，在国内直到最近才开始对其重视。从其应用技术手段上看，还是 电子技术范畴，也属于电子式仪表，但是信号传输方式已经从模拟信号变成数字信号， 并朝着数字化、智能化、网络化、虚拟化方向发展。与传统的模拟仪表相比较具有： 使用寿命长、精度高、可靠性好、抗干扰性强等特点。 1.2

14、 汽车仪表的现状 汽车仪表正在经历由第 3 代向第 4 代转型时期。严格地说，第 4 代全数字式汽车 仪表从其应用的技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但信号处理 方式已从模拟变成数字。仅凭信号处理方式的改变还不足以将全数字式汽车仪表划分 成一个新阶段，其最显著的特征是工作原理与第 3 代汽车仪表完全不同。 汽车仪表电子化的时代在 20 世纪 70 年代到来，随着半导体技术及显示设备技术 不断进步和成本的下降，汽车电子显示仪表问世。但是这种电子式仪表只是“数字显 示”形式的汽车仪表，虽然该种仪表的工作方式是全数字式，并且技术水平和仪表的 性能也远远超过了第 3 代汽车仪表，但其致

15、命的缺点是只能显示一组孤立的数字，没 有动感，在被测物理量(如车速、发动机转速)发生变化时，只有数字翻动，而没有指示 上升、下降的直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，并没有 大量的在各类汽车中普及使用3。 本文所研制的步进电机式汽车仪表由ECU完成各种被测物理量的采集，经过换算 后直接控制步进电动机，再由步进电动机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量，同 时辅以被测物理量LCD数字显示。其主要优势体现在如下几个方面： （1）指示精度高 48。城市公交车组合仪表采用步进电机作为指针驱动设备，有 3 良好的线性度，可在准确的指示车速传感器采样的车速值。 （2）分度均匀，重复性好。

16、步进电机式汽车仪表完全可以实现在整个指示范围内 分度均匀一致。城市公交车组合仪表采用步进电机驱动仪表指针 3，步进电机是一种 数字器件，其转动的角度与控制器发出的脉冲数成正比，有良好的线性度，因此可以 均匀分度仪表盘。 （3）适用范围广，可满足多种不同车型的需要。城市公交车组合仪表机芯是一种 基本上能满足所有车型的通用机芯，只要在软件中针对不同车型做适当的修改，便能 满足其要求，能最大限度地缩短产品开发的时间和费用，避免可能出现的技术风险9 。 （4）连接入整车 CAN 网络，显示信息更为丰富。城市公交车组合仪表配备了 CAN 控制器和 CAN 收发器，根据仪表软件设置，可接收到汽车上其它的电

17、子设备的信息， 作为车辆信息显示和故障指示的综合平台。 步进电动机式汽车仪表在欧、美、日本等汽车工业发达国家应用已相当普及，其 仪表的发展向全液晶显示式的仪表发展，乘用车的仪表板也向着多媒体综合娱乐中心 的方向发展。目前，国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星，上汽帕萨特、赛欧、 奇瑞，长安世纪星等均配套使用步进电动机式汽车仪表。其它型号的轿车急需配套该 类型的仪表，如捷达、富康等。供应国内轿车步进电动机式汽车仪表主要是德国 VDO 公司和美国德科公司。我们有充足的理由相信，步进电动式汽车仪表将是未来一段时 间内汽车仪表的主导产品，具有不可估量的发展前景。 1.3 课题的研究背景和意义 至今汽

18、车走过了100多年的发展历程，作为现代汽车关键零部件之一，现代汽车仪 表将广泛采用电子与计算机技术，使之成为现代汽车的信息和控制中心。它主要集中 反映汽车行驶速度、里程累计、电系状况、制动、发动机转速、压力、冷却液温度与 存量、然油量、指示灯状态，以及车辆行驶过程外部环境条件、位置、行驶路线和导 航信息，是一个集感觉、识别、情况分析、信息库、自适应和自控制六大功能与一体 的显示汽车行驶时各种参数、保证安全驾驶的智能化辅助系统。 由于现代汽车仪表所要显示的内容和信息种类越来越多，精度越来越高，传统电气 4 式仪表难以满足更高层次要求，因而汽车仪表的电子化和数字化将成为必然趋势。90 年代，国外制

19、造商为了克服电气式仪表的原理误差和工艺误差，纷纷推广采用电子式 仪表，首先将传感器的模拟信号数字化，如将驱动车速里程表的软轴或电机变换成霍 尔传感器，将机械传动或电量转动变成数字电信号传输。其次是将磁感应指示模块变 成数字显示形式，里程累计由蜗杆传动变成由步迸电机驱动或直接数字化显示。随着 信息技术的高度发展，汽车仪表已从单个仪表电子化迈向集成化和系统化10。 步进电机数字汽车仪表比较传统的模拟仪表有着无可比拟的优势。步进电机数字汽 车仪表采用 CAN 总线技术完成汽车仪表与汽车各电子设备之间的通讯，可以掌握大量 的有关车辆状况的信息，其所显示的信息量是传统仪表无法完成的。步进电机数字汽 车仪

20、表采用步进电机驱动指针，其在响应速度、均匀分度、可靠性方面都有很好的提 高，同时也减少了指针的抖动。步进电机数字汽车仪表使用液晶显示，使显示的信息 内容更加丰富，给驾驶员一个很好的了解车辆状况的窗口。因此对步进电机数字汽车 仪表的开发和研制对汽车信息化发展有着重要意义。 1.4 课题来源及研究的主要内容 随着汽车技术的飞速发展，对仪表的智能化程度提出了较高的要求，如城市公交 车的仪表总成中，需要根据接收到的数字化信息或采集到的传感器信号，采用传统的 汽车仪表方案远远不能达到应用要求，且根据城市公交车的总体控制需求，各单元模 块全部实现了电子化和智能化控制，如整车控制器、电机控制单元等，相互间构

21、建了 CAN 总线网络信息平台，实现了大流量的数据信息交互，开发具备标准 CAN 总线接 口的城市公交车仪表总成，可彻底改善传统汽车仪表中因大量线束造成的信号传输线 路多、电磁干扰大、系统接口复杂等缺点，并具备可靠性高、兼容性好、系统扩展能 力强等特点。 本课题仪表的主要结构应包含步进电机驱动的指针仪表盘，CAN 网络通讯端口， 里程表等。本课题研制的城市公交车组合仪表系统采用两片美国 Freescale 公司的 16 位 微控制器 MC9S12HZ256 为主控芯片，主要研究内容包括： （1） 车速表、燃油量表、机油压力表、水温表等 7 个步进电机指针仪表的控制。 （2） 车速、油压等脉冲量

22、、模拟量的采样，并实现采样值和仪表刻度值之间的转 5 换和指针指示；LED 背光、指示灯灯光等一些开关量的检测和控制。 （3） CAN 网络通讯。 6 2 系统总体方案设计 2.1 系统主要功能 本课题所要研制的组合仪表主要应用于城市公交车上，因此其主要功能也为满足 城市公交车辆状态参数的显示。组合仪表系统的主要功能包括： （1）实现传统的指针式仪表的基本功能，实现车速表、水温表、机油压力表、蓄 电池电压表、燃油量表等 7 个指针式仪表的准确指示。 （2）完成 CAN 总线通讯功能，车辆上的其它电子控制设备通讯，采集车辆信息。 （3）实现车辆里程计算，采用数字 LCD 进行里程显示。 本课题所

23、要研制的城市公交车组合仪表的大部分数据是通过 CAN 总线与整车控制 器和其它的城市公交车电控单元进行数据交换，获得这些数据。为了使该款仪表能适 应不同类型城市公交车的要求具有更为广泛的适应性，该款组合仪表还要具有直接从 传感器获得其它的一些信息的能力。 2.2 系统总体方案 根据组合仪表系统所要完成的主要功能和兼容其它类型城市公交车仪表的需要等 方面的考虑进行仪表系统总体方案的设计。仪表系统总体结构框图如图 2.1 所示。组合 仪表系统需要控制对 7 个步进电机进行控制，分别用于指示车速、水温、燃油量、蓄 电池电压、油压等信息。采用一片 Freescale 公司的 MC9S12HZ256 单

24、片机无法满足应 用要求，因此采用两片单片机为主控单元，对传感器信号进行采集。主控制器对所采 集到的信号进行处理通过步进电机实现传统的指针式仪表的驱动，通过液晶显示模块 信息输出，增强信息显示效果。 7 图 2.1 仪表系统总体结构框图 2.3 系统关键技术 城市公交车组合仪表研制中需要解决的关键技术问题主要有以下几个方面： (1)组合仪表中用于指针控制的步进电机驱动技术：两片单片机对 7 个步进电机的实 时控制。断电指针归零；通电指针归零检测；步进电机驱动过程中进行调速，使步进 电机达到较为理想的运行模式。 (2)液晶屏显示控制及车辆实时工况的分析和状态指示：对微控制器采集到的数据进 行数字化

25、显示。 (3)数据采样和仪表盘标度：对脉冲量、模拟量、开关量进行准确的采样并把采样数 据根据仪表盘刻度转换为步进电机步距值。 (4)组合仪表的 CAN 总线通讯：使组合仪表能与城市公交车的各个电子模块进行通讯， 准确反映车辆的信息。 8 3 系统硬件设计 组合仪表硬件是实现组合仪表功能和软件设计的基础，优良的系统硬件设计可以 大大的减化系统软件的代码，使组合仪表工作的更有效率。在系统硬件设计中，主要 为系统主要器件的选择和各个主要电路接口的设计，而对组合仪表系统中主要器件的 选择决定了各主要电路和接口的设计。 3.1 系统主要器件选择 本课题所研制的城市公交车组合仪表系统中的主要器件包括：微控

26、制器、步进电 机、液晶显示等。微控制器作为主控单元控制仪表的数据采集、步进电机驱动、液晶 模块控制、CAN 网络通讯；步进电机是仪表的指针驱动设备，用来驱动车速表等仪表 指针。 3.1.1 主控制器（MCU）选型 系统MCU的选型在整个方案设计中至关重要，是主要功能实现的关键元件，并直 接关系到外围元器件的配置要求和整体方案的可实现性。系统性能的稳定性、功能需 求的可靠性以及市场定位要求和合理的经济性都是在MCU方案选择中必须考虑的。选 择的MCU过于昂贵，即使性能良好也会因为价格的原因而失去市场；系统方案满足实 验室台架试验，其价格也比较合理，但却不能满足汽车电气设备基本技术条件 (QCT4

27、13-2002)中的振动、高低温、耐酸等试验，这同样会使你的开发方案失去价值。 所以在进行开发方案系统设计时，选择适合本系统的MCU是开发方案成功的重要一步 11。 针对本系统要完成的各种功能，要在众多的汽车仪表专用单片机中选择一款，就 需要考虑到该款汽车仪表用单片机的经济性和实用性，既能完整的实现要汽车仪表系 统要实现的各种功能又要考虑到系统的开发成本和开发的方便性。美国飞思卡尔 （Freescale）公司的 16 位 MC9S12HZ 系列单片机性能强大，而且价格适中，根据 MC9S12HZ 系列的片内资源选择了 MC9S12HZ256 单片机作为系统的主控制器1215。 MC9S12HZ

28、256 单片机具有以下特点： 9 （1） 低功率消耗 只对输入时钟进行2分频，避开了功耗更大的高频电路，总线速率为8MHz时，只 需使用16MHz晶体。此外，还具有WAIT和STOP模式进一步降低功耗。它还可以使用 低频率晶体（例如32K）的节能方式，通过PLL倍频后供MCU使用。程序可控制PLL在 满足要求的前提下尽量降低时钟速率，自动平衡性能与功耗之间的关系。 （2） 兼容性 CPU12完全兼容HC11的源程序，多数指令汇编后生成相同的目标代码它的程序设 计模型与中断相应的堆栈操作顺序与HC11完全相同。此外CPU12增加了不少新的指令。 （3） 提高速度 CPU12是16位的处理器，AL

29、U在某些运算中为20位。MC9S12内部所有数据总线为 16位，外部总线可扩展为16位工作方式，也可以扩展为8位工作方式，这样可用8位的 存储器件构成低成本的应用系统。即使选择了这种8位的工作方式，CPU12仍然按16位 方式操作，智能总线接口自动将其分成两次8位操作，期间暂时冻结CPU。其次， CPU12具有一个类似流水线的指令队列，用于缓冲指令代码。CPU开始执行任何一条 指令时，除了8位操作码以外，至少另外两个字节的目标代码对CPU可见。这意味着对 于多数指令来讲，开始执行时，所需代码已经进入CPU，可在单个周期内完成，而无 需等待取指令操作。取指令操作固定按照16位进行，与指令代码长度

30、无关，因此不要 求代码长度是偶数字节，从而提高了代码效率。CPU12的指令队列逻辑和微代码使对 齐的和非对齐的指令执行时间完全相同。 （4） 片内集成32KB的闪速存储器（FLASH）和2KB RAM 近年来，随着闪速存储器在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应 用又迎来了一次新的飞跃。FLASH是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的 读取一样方便，而对它的写操作却比EPROM还要快。同时在系统掉电后，FLASH中的 内容仍能可靠保持不变。FLASH的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于 FLASH可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再

31、需要昂贵的仿真器。2KB的RAM使得CPU能够适应大多数中高级系统的需求。 （5） 应用锁相技术提高了系统的电磁兼容性 在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高 10 （通常从几兆赫兹至几十兆赫兹）而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、 线路板布局带来了很多不便。MC9S12的时钟发生系统中巧妙地使用了锁相技术，因而 可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系统时钟，从而降低 了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。 （6） 背景开发模式 简单的背景开发模式（BDM）使得开发成本进一步降低也使得现场开发和系统升 级变得比较方便。 （7） 硬件断点

32、如果程序位于ROM中，调试过程需要使用硬件断点逻辑。HCS12可以提供两个普 通断点，或者一个包括16位地址、16位数据及读写信号R/W的条件断点。断点处理方 案包括在匹配地址前停止CPU或者产生软件中断SWI。双地址断点模式下，通过SWI可 以为ROM中的程序作两个软件补丁。例如在初始化阶段对断点逻辑进行设置，使它在 遇到错误地址时产生SWI，SWI服务历程可以调用安排在EEPROM中的补丁程序，替代 受损的指令序列最后跳转到错误指令序列后面继续运行。 （8）集成丰富的外围资源 除集成FLASH和内部RAM以外，该芯片还集成多种功能模块： 定时器子系统：由16位自由计数器、中断逻辑等组成，具

33、有8通道的控制输入端 输出和6通道的控制输出端。 脉冲累加器：可用于外部事件计数或者引脚脉冲宽度测量。 A/D转换器：10位8通道，最小转换时间在8s以下，精度1个LSB，采用全电 容电荷再分配技术，无需采样保持。 串行接口：包括同步串行设备接口（SPI）和异步串行通信接口（SCI）SPI的从 机最高位速率为2.1Mb/s，主机最高位传送速率为1.05Mb/sSCI波特率及帧格式可软件设 定，可产生11038400之间的所有标准波特率，可选8/9位UART及硬件奇偶校验。 运行监视电路：即时钟监视器和看门狗电路（COP） ，若内部时钟低于10KHz， 时钟监视电路自动将复位端拉低，强制MCU复

34、位。若因为干扰等原因，CPU运行过程 中没有按时复位看门狗电路，CPU的复位端也被拉低，强制复位，使MCU自动重新启 动。两种监视措施均可通过软件禁止或启用。 综上所述本课题选择 MC9S12HZ256 单片机为佳。图 3.1 是 MC9S12HZ256 的功能 11 模块框图22。 图 3.1 MC9S12HZ256 功能模块框图 3.1.2 步进电机选型 步进电机是纯粹的数字控制电动机2325。它将脉冲信号转变成角位移，即给一 个脉冲信号，步进电机就转动一个固定的角度（即一个步距角） 。脉冲输入越多，电机 转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快17。因此可以通过 控制脉

35、冲个数来控制步进电机的转动角度，从而达到准确定位的目的；同时可以通过 控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度，从而达到调速的目的。 步进电机有以下特点1618： 12 （1） 位置及速度控制简便：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量 做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正 比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。 （2） 可以直接进行开环控制：因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器 以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。 （3） 高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 （4） 具有定位保持

36、力矩：永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输 入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 （5） 中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺 服电机提供更大的扭力输出。 比较常用的步进电机包括以下 3 大类： （1） 反应式步进电动机。反应式步进电机（Variable Reluctance，VR） ，其转子是 由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步进角可以做得很小， 但是动态性能较差。 （2） 永磁式步进电动机。永磁式步进电动机（Permanent Magnet，PM） ，其转子 是用永磁材料制成的，转子本

37、身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子 的极数与定子的极数相同，所以步进角一般比较大。 （3） 混合式步进电动机。混合式步进电动机（Hybrid，HB）综合了反应式和永 磁式两者的有点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂。 汽车仪表中指针的指示范围较大并且指针应有较快的响应，同时在选用步进电机 时步进电机应有较小的步进角，这样可以提高指针指示的精度，混合式步进电机是一 个很好的选择，因此在本系统设计中选择二相混合式步进电机为仪表指针驱动设备。 针对仪表要求采用扁平的汽车仪表用步进电机，这样可使仪表变的更薄26。 本系统采用瑞士 SONCEBOZ 公司生产的 6405r2

38、01 型步进电机作为仪表指针驱动 设备。瑞士 SONCEBOZ 公司是一家专业的电机制造企业，其生产的 6405rxxx 系列步 进电机专业用于各类工业仪表尤其是汽车、摩托车仪表盘。该步进电机为二相混合式 步进电机，具有相应灵敏、动态特性好、输出转矩大的特点。 3.1.3 液晶显示模块选择 LCM1010为10位8段式(8.8.8.8.8.8.8.8.8.8.)液晶显示模块， 3-4 线串行接口，可与 13 任何单片机、接口IC接口，低功耗特性：显示状态50A(典型值)，省电模式1A，工 作电压2.7-5.2V ，视角对比度可调，显示清晰,稳定可靠,使用编程简单。 表 3.1 LCM1010

39、参数 注:以上参数条件为:T=25,VDD=3V/5V下,WDT/定时器， （）内为典型值。 图 3.2 模块尺寸单位 mm 3.2 系统硬件电路设计 组合仪表系统通过单片机对传感器信号和 CAN 总线信息进行采集，经过对采集信 号和信息的处理，将采集到的信息通过步进电机指针和液晶显示模块显示出来。仪表 系统的主要电路包括：系统电源电路、单片机最小系统、SCI 串行通讯接口电路、液 晶模块接口电路、步进电机接口电路、CAN 总线接口电路、信号采集电路组成。 3.2.1 系统电源电路 电源在仪表系统中起着关键的作用，不仅仅为仪表系统提供相应的供电电压，而 14 且也是防止干扰使仪表系统工作稳定的

40、重要前提。仪表系统中存在多种不同电压需求 的器件，需要将蓄电池电压进行降压转化，以适应不同的电气元件的供电电压要求， 因此在本仪表系统中有着多路由 24V 向不同电压值转换的电源转换电路。 3.2.1.1 传感器电源电路 汽车上不同的传感器有着不同的供电电压，例如车速传感器的供电电压为 12V， 水温、燃油量等传感器的工作电压为 5V，因此传感器电源电路需要将蓄电池的 24V 电 压转换为 12V 的电压为车速传感器供电，同时也要有 5V 电压输出的电路为其它传感 器供电。仪表系统的传感器电源电路如图 3.3、3.4 所示。 图 3.3 电源 24V12V 稳压电压转换电路 图 3.4 12V

41、5V 转换电路 3.2.1.2 单片机和系统背光照明电源电路 LED显示屏作为一项高科技产品引起了人们的高度重视，采用计算机控制，将光、 电融为一体的大屏幕智能显示屏已经应用到很多领域。LED显示屏的像素点采用LED 发光二极管(将许多发光二极管以点阵方式排列起来构成LED,阵列，进而构成LED屏幕。 通过不同的LED 驱动方式，可得到不同效果的图像。 因此驱动芯片的优劣，对LED 显示屏的显示质量起着重要的作用。 LED 驱动芯片可分为通用芯片和专用芯片。 通用芯片一般用于LED显示屏的低 端产品，如户内的单、双色屏等。由于LED是电流特性器件，即在饱和导通的前提下， 其亮度随着电流大小的变

42、化而变化，不是随着其两端电压的变化而变化。因此，专用 15 芯片的一个最大特点是提供恒流源,恒流源可保证LED的稳定驱动，消除LED的闪烁现 象。 LED专用驱动芯片的主要参数如下： （1） 最大输出电流 目前主流的恒流源芯片最大输出电流多定义为单路最大输出电流，一般90mA左右。 电流恒定是专用芯片的基本特性，也是得到高画质的基础。而每个通道同时输出恒定 电流的最大值（即最大恒定输出电流）对显示屏更有意义，因为在白平衡状态下，要 求每一路都同时输出恒流电流。 一般最大恒流输出电流小于允许的最大输出电流。 （2） 恒流输出通道 恒流源输出路数有8位（8 路恒源）和16 位（16 路恒源）两种规

43、格，现在16位源 占主流，其主要优势在于减少了芯片尺寸，便于LED驱动板（PCB）布线， 特别是对 于点间距较小的LED 驱动板更有利。 （3）电流输出误差 电流输出误差分为两种，一种是位间电流误差，即同一个芯片每路输出之间的误 差；另一种是片间电流误差，即不同芯片之间输出电流的误差。 电流输出误差是个很 关键的参数，对显示屏的均匀性影响很大。误差越大，显示屏的均匀性越差，很难使 屏体达到白平衡。目前主流恒流源芯片的位间电流误差（bit to bit）一般在6%以内, (chip to chip)片间电流误差在15%以内。 （4） 数据移位时钟 数据移位时钟决定了显示数据的传输速度， 是影响显

44、示屏的更新速率的关键指标。 ,作为大尺寸显示器件，显示刷新率应该在85Hz 以上，才能保证稳定的画面（无扫描 闪烁感） 。较高的数据移位时钟是显示屏获取高刷新率画面的基础。 目前主流恒流源 驱动芯片移位时钟频率一般都在15MHz以上。 单片机和组合仪表系统的背光电压均为 5V。对组合仪表系统而言，单片机需要稳 定的电压来保证其工作的稳定性，而组合仪表系统背光照明所消耗的电源功率较高， 若采用单片机与组合仪表背光照明系统采用同一电源供电，则可能导致单片机工作不 稳定，因此单片机电源和背光照明电源分别单独供给，以保证系统工作的稳定性。单 片机电源和系统照明电源分别从蓄电池接入，采用 LM2576

45、直接将 24V 的蓄电池电压 降至 5V，供两个系统单独使用。图 3.5、3.6 是两个系统的电源电路。 16 图 3.5 单片机电源电路 图 3.6 系统背光照明电源电路 3.2.2 单片机最小系统 单片机最小系统是指可使内部程序运行所必须的外围电路2022。MC9S12HZ256 单片机的最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路、PPL 电路、BDM 调试接口电 路。本小节为单片机的复位电路、晶振电路等电路的设计。 3.2.2.1 复位电路 图 3.7 MC9S12HZ256 复位电路 MC9S12HZ256 单片机在响应各种外部或侦测到的内部系统故障时可以进行系统复 位。MC9S12HZ

46、256 单片机有 4 种事件可以触发复位：外部复位、加电复位、看门狗复 位、时钟监控复位。图 3.7 是 MC9S12HZ256 外部复位电路。 17 MC9S12HZ256 单片机的引脚为低电平有效复位引脚，当这个引脚电压为RESET 低时，触发复位。按键 JA03 未按下时引脚为高电平，当按键 JA03 按下RESET 引脚为低电平触发复位。MC34064 为一个集成欠压检测电路芯片23，当电源RESET 电压下降时引脚输出低电平，使单片机复位。RESET 3.2.2.2 晶振电路 图 3.8 MC9S12HZ256 晶振电路 MC9S12HZ256 单片机的 EXTAL 和 XTAL 是

47、连接外部晶振的两个引脚，EXTAL 是外部时钟输入，XTAL 是晶体振荡器放大器的输出。所有单片机内部系统时钟是来 自在 EXTAL 输入频率。图 3.8 是 MC9S12HZ256 晶振电路，电路输出的晶振频率为 8MHz。 3.2.2.3 PPL 电路 图 3.9 MC9S12HZ256 的 PPL 电路 MC9S12HZ256 单片机片内的 PPL 电路兼有频率放大和信号提纯的功能， 因此可 以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低高速开关时钟所造成的高频噪 声。如图 3.9 的 PPL 电路中，VDDPLL 引脚由单片机提供 2.5V 电压； CA09、CA10、RA14 的值

48、由数据手册得出。 18 3.2.2.4 BDM 调试接口电路 图 3.10 MC9S12HZ256 的 BDM 调试接口电路 背景调试模式 BMD（Background Debug Mode）是 Freescale 半导体公司自定义片 上调试规范。BDM 调试方式为开发人员提供了底层的调试手段。图 3.10 是 MC9S12HZ256 的 BDM 调试接口电路。 3.2.3 SCI 串行通讯接口电路 SCI 串行通讯是单片机与上位机通讯的接口。组合仪表系统采用串行通讯的方式 进行系统软件程序的写入，与上位机软件进行通讯方便系统软件的调试。 MC9S12HZ256 的 SCI 串行通讯电路如图

49、3.11 所示。 图 3.11 MC9S12HZ256 的 SCI 串行通讯接口电路 MC9S12HZ256 集成有 SCI 串行通讯模块，通过串行通讯电平转换芯片 MAX232，实现由单片 机发出的 TTL 电平向 RS232 电平的转换24。MC9S12HZ256 的 SCI 接口由发送引脚（TxD）和接收引脚（RxD） ，发送和接收 TTL 电平。在串行通 讯中发送时将发送引脚的 TTL 电平转换为 RS232 电平，接收时将 RS232 电平转换为 19 TTL 电平。电平的转换通过 RS232 电平转换芯片 MAX232 完成。 3.2.4 液晶模块接口电路 由于LCM1010内部有上拉电阻,为保证低功耗,每次送数之后,/CS /RD /WR DATA必 须接高电平或悬浮。根据采用的MCU不同,采用不同方式接口,不必使用分压电阻。若 MCU与LCM1010工作电压相同，可直接相接。 图 3.12 接口应用方块图 表 3.2 引脚说明 读/写格式及指令. （1） 读格式: 只读显示RAM 20 （2）写命令: 表 3.3 代码定义 （3）写数据 21 表 3.4 显示 RAM 对应笔划 3.2.5 步进电机接口电路 步进电机的驱动通常是由步进电机驱动芯片完成。