基于串口屏的纯电动汽车组合仪表设计

王佳，赵耕云，雷小强

（兰州工业学院汽车工程学院，甘肃 兰州 730050）

前言

随着纯电动汽车的普及，汽车电子技术的发展，尤其是TFT-LCD液晶屏技术的快速发展，传统的机电式仪表及步进电机控制的模拟仪表，已经不能满足当今用户对汽车时尚的追求。越来越多的汽车，尤其是国外高端的纯电动汽车开始更多的配置全液晶屏幕组合仪表，因此，为纯电动汽车设计一种基于液晶屏的组合仪表具有现实意义和市场需求，符合汽车仪表技术的发展趋势。

1 系统总体设计

系统以某品牌纯电动汽车为应用对象，该纯电动汽车相关参数如表1所示：

表1 某品牌纯电动汽车参数

选用大彩工业串口屏（10.4英寸）作为组合仪表的显示屏幕。大彩工业串口屏内部集成TFT显示驱动、图片字库存储、GUI操作、RTC显示、各种组态控件与一体。整个系统采用Cortex-M3+高速FPGA处理器设计，ARM主要实现协议的解析处理和USB图片下载，FPGA主要完成Flash的图片读取和TFT控制显示，设备内部结构如下图1所示。

图1 串口屏内部结构图

选用飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128作为组合仪表控制器，内部集成有一个CAN控制器。由德国Bosch公司开发的 CAN总线是车载网络中的第一大总线。选用CAN总线作为组合仪表控制器与汽车其他电控单元直接的通信总线。系统总体示意图如图2所示：

图2 系统总体示意图

2 硬件设计

2.1 仪表界面设计

串口屏带组态控件功能，屏幕的很多功能可直接在 PC中配置完成，无需单片机的参与，可以减少程序开发量。通过上位机VisualTFT软件对工程画面中的所有仪表和指示灯控件进行配置，即可在无用户程序参与下，自动实现画面的切换，按钮的按下和弹起，自定义指令输出等功能。

图3 a-车速表、b-剩余电量表

车速表和剩余电量表设计：在工程画面Screen0.tft中，点击菜单栏中仪表控件“”，并将其拖入到画面中，打开“属性窗口”，在表盘框点击“表盘类型→选择自绘表盘，并进行仪表数值、旋转方向、背景色、刻度颜色、指针形状及颜色等外观设计，同理设计剩余电量表。最终设计完成的车速表和剩余电量表效果如图3所示。

转向指示灯设计：点击菜单栏的图标控件“”制作转向指示灯闪烁动画。在弹出对话框中点击“增加帧”，打开左转向灯熄灭状态下的图片，再点击“增加帧”，打开左转向灯亮起状态下的图片，点击“生成图标”。制作过程如图4所示。

图4 转向灯图标制作

选择菜单栏动画控件“”，在Screen0.tft画面中拖动打开动画控件，在属性窗口中设置为动画帧。选中制作完成的右转向灯动画帧，拖动至合适位置保存。同理制作左转向灯、档位指示灯及其他警示灯。

里程表设计：在Screen0.tft画面通过添加文本控件“”实现。

最终设计完成的组合仪表显示界面如图5所示。

图5 组合仪表显示界面

2.2 电路设计

汽车仪表系统总线在车载网络总线中划分为信息系统高速总线。ISO 11898是一个使用CAN总线协议的汽车高速通信国际标准。组合仪表系统采用 CAN总线来实现仪表电控单元和汽车上其他电子系统的信息交流，仪表所需的数据信息由 CAN总线来传递，从而大大降低了系统的设计复杂性和布线难度。同时，仪表和整个车身 CAN网络相连接，形成了一个完整的汽车一体化网络控制系统。

MC9S12XS128内部集成有CAN控制器，完成支持CAN协议2.0A/B版，5个具有FIFO存储机制的接收缓冲器，3个具有“本地优先级”的发送缓冲器。由于CAN控制器只是协议控制器，不能提高物理层驱动，所以在实际使用时每个CAN节点物理上要通过一个收发器与CAN总线相连。选用TJA1050高速CAN收发器，该收发器与ISO11898协议完全兼容，传输速率最高可达1Mbps，电磁辐射极低，抗干扰性极好，终端电阻120欧姆。

串口屏与XS128的串行口连接，实现通信。设计完成的系统电路简图如图6所示。

图6 系统电路原理简图

3 软件设计

MC9S12XS128接收相关控制开关的输入信号，如转向灯开关信号、手制动开关信号、档位开关信号等，以及车载网络系统中其他电控单元通过 CAN总线送来的数据信号，如车速数据信号、剩余电量数据信号、里程数据信号灯。控制信号和数据信号经过 XS128单片机解析后通过串行口向大彩串口屏发送控制指令，使串口屏的仪表数据更新、指示灯状态改变。

MC9S12XS128主程序流程如图7所示：

图7 XS128程序流程图

大彩串口屏拥有一套实现各种功能的指令集，一条完整的串口屏指令帧格式包括帧头、指令、指令参数、帧尾组成，指令最长为1024字节，为编程方便，将所有控制指令编写成指令函数，方便编程和后期维护。控制仪表数据更新指令如下：

SetMeterValue(0,1,Get_AD0_Result()/256.0*100); //车速仪表数据更新

SetMeterValue(0,2,Get_AD1_Result()/256.0*100); //剩余电量仪表数据更新

控制转向指示灯闪烁与停止的指令如下：

AnimationStart(0,4); //左转向灯开始闪烁

AnimationStop(0,4); //左转向灯停止闪烁。

4 系统调试结果

最终设计完成的纯电动汽车组合仪表系统如图8所示，经过试验，各仪表及警示灯显示清晰，工作稳定可靠，对实时变化的数据如车速等，更新及时。

图8 纯电动汽车组合仪表

5 结论

本文设计的基于串口屏的电子组合仪表电路结构简单，仪表界面友好，符合汽车仪表设计要求，仪表更新升级时不需硬件电路改动，方便快捷、成本低。采用 CAN总线可以实现与车载网络系统中其他电控单元的信息通信，对原车电路改动极小，方便安装。设计完成的电子组合仪表基本满足纯电动汽车对仪表系统的要求。

参考文献

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[2] 李铮,鲜继清.邓炳光等.基于CAN总线的汽车组合仪表[J].仪器仪表用户.2006.

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