车用智能数字仪表系统的设计

车用智能数字仪表系统

的设计

Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】

车用智能数字仪表系统的设计

雷跃

[摘要]本文介绍以SPCE061A单片机为主控器，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件、以HS12864-1液晶模块为显示屏的新型车用数字仪表系统的设计，说明此仪表系统显示直观、准确，使用方便、可靠，信息语音播报、告警等突出的优点，展现车用仪表系统未来的发展趋势和广阔的开发空间。

[关键词] SPCE061A单片机 DS18B20 HS12864-1 车用数字仪表

一、引言

传统的汽车仪表一般是机电式模拟仪表，只能给驾驶员提供汽车行驶中必要而又少量的数据信息，已远远不能满足现代汽车新技术、高速度发展的要求。随着现代电子技术的发展，多功能、高精度、高灵敏度、读数直观的智能数字仪表是汽车仪表发展趋势。下面对以单片机为核心的新型全数字车用仪表系统设计作详细介绍。

二、系统设计思想

系统功能由硬件和软件两大部组成。硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。设计的整体框图如图1所示。

SPCE061A单片机依次查询各

传感器的输出信号（气压、油压

等模拟传感器输出的模拟信号需

要经过A/D转换）；然后

SPCE061A对输入信号进行相应处

理后通过HS12864-1液晶模块输

出，同时还可输出各种告警信

号。利用单片机内部的D/A数模

转换器，把各种告警信号事先设

置好的语音信号经过该数模转换

通道送到扬声器，利用SPCE061A 的语音功能实现语音播报告警。

图1 系统框图

三、系统硬件设计

系统硬件主要包括以下几个模块：SPCE061A主控模块、传感器模块、HS12864-1液晶模块等。其中SPCE061A主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，HS12864-1液晶模块完成字符、数字的显示功能。

（一）主控模块

系统中采用的SPCE061A单片机，是凌阳公司继μ’nSPTM系列产品SPCE500A等之后推出的又一款16位单片机。SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH），较高的处理速度使μ’nSPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。其内部具有七通道10位电压A/D模数转换器和两个10位D/A数模转换通道，这样节省电路板面积，简化了硬件电路。具体应用时，只需在编写程序中加入启动A/D转换的指令即可完成操作。SPCE061A内部自带两个10位D/A转换通道，比较容易实现语音功能。

（二）温度传感器DS18B20

DS18B20是美国Dallas公司推出的数字式智能温度传感器，它是单线数字式测温芯片，能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。它能够直接读出被测温度并可根据实际要求通过简单的编程实现9～2位的数字值读数方式。而且采用了三线制与单片机相连，将测温部分与A/D 转换于一起，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20测温范围为-55～125℃，精度为±2℃，而在-10～85℃范围内，其精度为℃。

DS18B20与SPCE061A单片机的接口电路图如图2所示，其中DS18B20工作在外部电源供电方式，SPCE061A单片机采用IOB6和DS18B20通信。

图2 8B20与单片机接口电路图3 HS12864-1的结构

（三）HS12864-1液晶模块

HS12864-1是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可实现图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。 HS12864-1液晶内置HD61102图形液晶显

示模块，驱动和控制系统是由HD61102 作为64 路行驱动器，同时HD61102 配备了一套显示存储器的管理电路和与MCU接口电路，可以直接与MCU的总线连接。HS12864-1的结构见图3。

HS12864-1具有简单而功能较强Array的指令集，可实现字符移动、闪烁等

显示功能，共有7 条指令，单片机只

需通过D/I、R/W、DB0~DB7送入数

据或指令便可显示其指定内容或显示

方式。HS12864-1与SPCE061A单片

机的硬件接口电路见图4。图中采用

并行通信方式，单片机的IOA0-IOA7

口与液晶模块的DB0-DB7口相连作

为数据输入输出用；即IOB0- IOB 4

口与液晶模组的CS1、CS2、D/I、R/W、E相连作为单片机对液晶图4 HS12864-1与单片机接口电路

的控制口。

（四）测速传感器及其他模拟传感器

速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以该系统测速传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆的行驶的瞬时速度，累计开关信号可计算出车辆行使的距离。它具有灵敏度高、价格低廉、不易损坏等优点。

气压、油压、油量等参数的测量采用模拟传感器，其输出的模拟信号通过SPCE061A 单片机模数转换后经过相应软件处理后输出。

四、系统软件设计

该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A/D转换子程序、显示子程序、告警子程序等六大模块组成，因为C语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器

代码质量高、可读性强、移植好，所以本系统的软件采用C语言编写。

主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能，主程序流程图如图5所示。数据采集与A/D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样、量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。显示子程序完成符号、数值的显示输出。中断子程序有三种中断源：键盘、车轮（车轮每转一圈产生一个中断脉冲）及掉电保护电路，分别完成面板功能设置、测速功能和掉电保护。本系统中断源共有6个，而SPCE061A单片的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源。告警子程序主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当冷却液温度升高到接近沸点(例如95～98℃)时，或燃油箱内的燃油量少于某一规定值时，音频告警装置会发出语音告警信号，同时相应的指示灯发亮（点亮告警指示灯的任务由显示子程序来完成），以引起驾驶员的注意。图5 主程序流程图

五、语音功能的实现

系统的语音功能的实现，主要体现在当告警信号输出的同时, 扬声器中会发出语音提示，如“冷却液温度异常”、“燃油量异常”等等。

语音处理大致可以分为A/D转换、编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等步骤。SPCE061A单片机具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式，同时具备双通道10 位DAC方式的音频输出功能，因此可以解决上述语音处理问题。SPCE061A的开发软件具有一个SACM–LI库，可以将A/D、编码、解码、存储、D/A做成相应的模块, 对于每个模块都有其应用程序接口API，在了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容后，调

用该API函数即可实现语音处理功能。对于常用的SACM–A2000和SACM–480两种放音算法则要涉及到语音资源的添加问题，即将所需要的WAV文件按照需要的压缩比进行压缩,变成资源表形式在程序中调用。这样,当把录制好的语音文件经过压缩存入存储器后，在程序执行过程中调用该语音模块的API函数即可实现语音输出功能了。

六、系统抗干扰设计

由于本仪表系统是为汽车、摩托车设计的，而汽车、摩托车的点火系统有较强的电磁干扰，另外车辆移动性大，有可能处于较强电磁干扰的环境中，因此必须采取抗干扰措施，否则系统难以稳定、可靠运行。本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。

（一）采用抗干扰电源

单片机系统供电线路是干扰的主要来源，本系统的电源由车载电瓶提供，车辆的点火系统、音响设备等都可能对本系统产生干扰，为此，可将车载电瓶12V电源经磁珠和电容组成π形滤波电路后，再经过UA7805C稳压、滤波得到本系统电源。另外给每个集成电路芯片都安置一个的陶瓷电容器，来消除大部分高频干扰。同时，良好接地是系统稳定工作的重要条件，由于本系统既有模拟电路又有数字电路，因此设计时将数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连。

（二）光电隔离

在I/O通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电气上隔离开来，很大一部分干扰可被阻挡。

（三）过压保护电路

本系统在输入输出通道上也设计了过压保护电路，它由限流电阻和稳压管组成，以防止引入高电压，损害单片机系统。

另外，本系统中，为消除按钮动作时产生抖动干扰，在按键与SPCE061A间加入一个Schmitt触发器74HC14。