新款宝马7系平视显示屏HUD技术剖析

刘春晖，魏金铭

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

新款宝马7系平视显示屏HUD技术剖析

刘春晖，魏金铭

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶人可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响等显示，此时如果前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。为避免这种情况发生，有些高档车辆装配了抬头显示系统，它可以将有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶人平视范围上，且显示位置、显示亮度可调，这样可以避免低头看仪表，从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间。对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。

HUD是英文Head Up Display的缩写，意为“抬头显示”或者“平视显示器”。同许多战争发展出来的技术一样，HUD最初的应用就是在战斗机上，最早装备HUD的飞机是法国的幻影战斗机。这种由电子组件、显示组件、控制器以及高压电源等组成的综合电子显示设备，能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息，以图像、字符的形式，通过光学部件投射到座舱正前方组合玻璃或者头盔上的显示装置上。下面以宝马新7系F01／F02车型为例，阐述平视显示系统在高档车上的应用。

从“平视显示”可直接联想到“头部高度”，这一名称已经体现出了HUD系统的主要特点。平视显示屏HUD将一个虚拟图像投射到驾驶人的视野范围内。在风挡玻璃上反射出定速巡航控制数据或箭头导航数据等重要信息，便于驾驶人随时了解。就像喷气式飞机的飞行员一样，宝马车驾驶人也可以在视野范围内直接看到重要数据和图像。

宝马的第1套平视显示系统2004年出现在宝马5系车型上，比其他汽车厂家的同等性能产品亮相要早。宝马7系的平视显示屏HUD最早应用在2009年款F01／F02车上。新款BMW 7系的平视显示屏可提供多种有助于提高交通安全性和驾驶舒适性的功能。平视显示屏可显示定速巡航控制系统（DCC）、导航系统、检查控制信息以及车速等方面的信息。新款宝马7系F01／F02平视显示屏HUD如图1所示。

1 平视显示屏HUD的功能

新宝马7系平视显示系统的电路如图2所示，HUD控制单元上的K-CAN信号功能如表1所示。

1.1 平视显示屏HUD的工作原理

平视显示屏HUD相当于一部投影装置，其工作原理如图3所示。需要一个光源来投射HUD信息，使用红色和绿色2个LED灯组作为光源，通过TFT投影显示屏产生图像内容。TFT投影显示屏相当于一个滤波器，允许或阻止光线通过。由一个图像光学元件确定HUD显示图像的形状、距离和尺寸，图像看起来就好像自由漂浮在道路上方，风挡玻璃的作用相当于偏光镜。平视显示屏HUD投射图像内容距离观察者的眼睛大约2.7m，如图4所示。

表1 HUD控制单元上的K-CAN信号

1.2 接通条件

当平视显示屏HUD的总线端15接通、并且按压驾驶人辅助系统操作单元BEFAS上的按钮（HUD、图5）时，平视显示屏HUD才会接通，允许有光线通过。

1）接通状态HUD通过K-CAN接收总线端30接通状态信号。总线端R接通后，HUD在一定程度上处于准备就绪状态，即HUD可通过K-CAN与车载网络的其它连接设备进行通信；TFT投影显示屏进行初始化并变为黑屏；LED熄灭。

HUD通过K-CAN接收总线端15接通状态信号。总线端15接通后，HUD进入准备就绪状态，此时可以通过BEFAS上的按钮接通背景照明装置，调节HUD高度和亮度，通过HUD显示信息。

车辆起动时处于总线端50状态。在总线端50状态期间，即车灯关闭时，HUD进入保持状态，这种保持状态会一直延续到总线端50状态结束后。

2）关闭条件当总线端R关闭时，按压BEFAS上的按钮就会关闭平视显示屏HUD。

3）亮度偏差亮度偏差是一项个性化配置功能PIA。驾驶人可通过亮度偏差功能自行调节并存储HUD亮度设置，如图6所示。每次接通HUD时都会执行HUD亮度偏差设置。通过控制器在CID内进行亮度设置，可选择-10至+10之间的设置值，中间值为0，设置值通过K-CAN发送至HUD。

为了针对不同光线效果进行补偿，根据晴雨传感器的信号自动进行亮度调节。自动调节亮度时不会出现HUD亮度跃变情况。平视显示屏HUD产生不同光线效果的原因为：①环境条件，例如白天、夜晚、阳光、乌云、雨、雪、雾等；②建筑情况，例如隧道、地下车库等；③驾驶人可通过滚花轮调节仪表照明的亮度；④自总线端58g车灯亮起后，根据仪表照明亮度设置确定HUD亮度。

平视显示屏HUD的亮度大小取决于调光轮设置、亮度偏差以及晴雨传感器RLS。HUD内集成了一个用于HUD和LED灯组的运行计时器。

4）平视显示屏的显示范围平视显示屏HUD尺寸大约为200mm×100mm，显示屏分辨率为480× 240像素。HUD分为2个显示区域，如图7所示。为了便于区分，图7明确划分了2个区域。上部区域以符号、显示条和文字形式显示导航信息和CC信息，下部区域以单位、当前车速和定速巡航控制形式显示与车速有关的内容。

5）平视显示屏HUD颜色选择由不同的控制单元规定相应的显示符号。组合仪表针对HUD显示内容执行相关颜色规定。为了达到最佳的符号可视效果，使用2D“平面符号”，橙色为标准色，红色或黄色用于报警信息，绿色用于定速巡航控制系统，HUD背景为透明色。

2 平视显示屏HUD部件安装位置及结构

平视显示屏HUD安装在转向柱上方，紧靠在组合仪表后部。通过3个六角螺栓将其固定在前围板支撑结构上，如图8所示。平视显示屏由玻璃盖板、反射镜、2个LED灯组、TFT投影显示屏、主印刷电路板及壳体等部件构成，还包括风挡玻璃、车灯模块和BEFAS、晴雨传感器、车顶功能中心和接线盒、HUD挡板等附属部件。HUD系统通过BEFAS上的打开／关闭按钮、车灯开关中心内的车灯开关、仪表照明调光器以及控制器等部件进行操作。

2.1 组成部件

1）玻璃盖板玻璃盖板由防划涂层聚碳酸脂（PC）材料制成（图9），它是HUD的上部盖板。玻璃盖板可防止灰尘和无意放到显示屏上的物体进入HUD内部。玻璃盖板和HUD挡板都采用曲面设计，以免无法将射入的光线反射给驾驶人。此外还通过散光效果等方式，确保顺利将显示屏上的信息投射到风挡玻璃上。

2）反射镜平视显示屏内装有2个反射镜，如图10所示。反射镜将显示屏上的信息反射到风挡玻璃上。曲面镜负责对风挡玻璃上的图像进行补偿调节，即调节图像尺寸和距离。平面镜是负责确保光线在特定空间内传输的偏光镜。曲面镜由塑料制成，平面镜由玻璃制成。

3）LED灯组平视显示屏HUD使用2个LED灯组。LED灯组在一个平面内布置了8个LED。LED灯组为TFT投影显示屏提供背景照明，负责产生达到HUD亮度所需的灯光。LED灯组内安装红色和绿色LED，根据主印刷电路板的控制情况达到所需HUD亮度。

4）主印刷电路板主印刷电路板（图11）上安装了K-CAN接口、处理器（CPU）、LVDS控制器、EEPROM存储器以及供电装置等组件。组合仪表通过LVDS导线将图像信号发送到显示屏上。

5）壳体壳体（图12）由铝合金制成，包括下端部件和塑料盖板。散热装置（铝合金散热片）和供电装置固定在下端部件上，玻璃盖板集成在盖板内。

2.2 风挡玻璃

所用风挡玻璃是一种特殊玻璃（图13），它是反射显示内容的重要部件。与批量生产风挡玻璃一样，外层和内层车窗玻璃也粘有一层塑料膜。但与批量生产风挡玻璃不同的是，该塑料膜并非以平行分布方式而是以楔形分布方式覆盖在整个风挡玻璃上。这种楔形分布方式可防止HUD显示内容重影。楔形尖端向下，从距离风挡玻璃下边缘大约10 cm处开始向上加厚。楔形末端大约位于风挡玻璃高度2／3处。在风挡玻璃上部1／3区域内，外层和内层车窗玻璃间的塑料膜平行分布。楔形尖端的厚度为0.8mm，末端的厚度为1mm。风挡玻璃下边缘的总厚度为4.5mm，上边缘的总厚度为4.7mm。

1）未安装正确风挡玻璃正常风挡玻璃的成像，反射到HUD风挡玻璃上的2个图像会在楔角作用下相互重叠，因此驾驶人只会看到一个图像，其机理如图14所示。HUD图像始终反射到风挡玻璃的内侧和外侧。由于批量生产风挡玻璃存在倾斜角度，因此2个反射图像会彼此错开而形成重影的图像，如图15所示。

2）有效视线范围有效视线范围指的是驾驶人可以自由移动而且不会影响HUD图像可视效果的移动空间。在有效视线范围内的自由移动空间大致为：130mm水平移动距离（图16），70mm垂直移动距离±30mm调节范围（图17）。超出有效视线范围时将无法看到完整的HUD显示内容。

2.3 组合仪表

为了选择车速进行显示，分为加速、制动和滑行阶段。车辆处于滑行阶段时，取3个连续数值的平均值并更新车速读数。所有CC信息也都显示在HUD内，组合仪表针对这些信息执行主控功能，符号和相关文字由组合仪表传输。CC信息先于其它显示内容显示，例如导航信息等。一条CC信息显示8s，同时显示多条CC信息时，每条CC信息显示3s。

2.4 操作元件

1）驾驶人辅助系统操作单元BEFASHUD打开／关闭按钮位于BEFAS内。该按钮以电阻方式设码，直接连接至HUD。HUD可根据电阻设码识别出按钮信号或按钮故障。

2）仪表照明调光启用行车灯时会针对HUD执行调光器设置，由车灯模块发出调光器信号。

3）控制器可在CID内使用控制器调节HUD的亮度和高度，亮度调节又称为亮度偏差，也可以使用控制器在“功能选择”菜单内设置导航等功能。因此这些设置会间接影响到HUD显示效果。

3 维修信息

1）调节HUD亮度

可单独调节HUD的亮度。CID是亮度调节的显示仪表，控制器是亮度调节的操作元件。调节的步骤如下：①通过按压菜单按钮调出主菜单；②按压控制器，调出“设置”菜单选项；③转动控制器直至选中菜单栏内的“平视显示屏”，随后按压控制器进行确认；④转动控制器直至选中“亮度”，随即进行确认；⑤通过转动控制器设置所需亮度，并按压控制器进行确认。

2）调节HUD水平高度

新宝马7系F01／F02的驾驶人可根据需要，使用iDrive控制器调节图像位置和有效视线范围。有效视线范围最多可上下偏移±30mm。其步骤如下：①通过按压菜单按钮调出主菜单；②按压控制器，调出“设置”菜单选项；③转动控制器直至选中“平视显示屏”，随后按压控制器进行确认；④转动控制器直至选中“调节高度”，随后按压控制器进行确认；⑤转动控制器设置所需高度，并按压控制器进行确认。

3）使HUD垂直旋转

HUD出厂时使用规定的基本设置。在进行更换风挡玻璃等工作时，维修人员可通过垂直旋转功能使HUD图像水平转动，通过电机在-3°至+3°范围内调节显示屏。

4）调出／退出测试功能

某些测试功能可按照以下方式直接通过HUD调出，无需使用BMW诊断系统，步骤如下：①按住BEFAS上的按钮约20 s再放开；②通过再次按压按钮调出其它测试功能；③需要结束这项功能时，按住BEFAS上的按钮20s以上。

4 平视显示屏HUD的更换

如果未按规定安装HUD或风挡玻璃，可能就会投射出有问题的HUD图像。图18列出了一些可能会在更换HUD或风挡玻璃时出现的问题。在不利光线条件下，光线照射到风挡玻璃或HUD上会造成图像反白，HUD过热时也会造成图像反白，如图19所示。如果更换风挡玻璃后图像扭曲变形，可通过校正扭曲变形功能改善图像显示情况。

［1］宝马F01／F02平视显示屏HUD［Z］.2008.

［2］陈浩.车载平视显示器HUD系统［J］.轻型汽车技术，2009（5-6）：34-35.

［3］宝马E70平视显示屏HUD［Z］.2006.

（编辑 杨景）

U463.65

B

1003－8639（2014）07－0029－04

2012-11-02；

2012-11-16

刘春晖（1974－），男，高级工程师，山东德州人，汽车维修高级工程师，现从事汽车电气设备和汽车电控方面的教学、实操工作，在各级汽车维修类杂志上公开发表论文15篇，出版汽车维修类图书10部。