汽车仪表原理介绍及提高仪表可靠性研究

范红生

摘要：汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要平台和界面，是车辆安全行驶的重要保障。它不但可以显示车辆的各种行驶信息，还可以监控汽车主要系统和模块的运行状况，对汽车的安全和经济行驶起着重要作用。汽车仪表一旦发生故障，直接被驾乘人员感觉到，会造成所监控的系统模块故障不被探出或显示出故障的假象，比车辆一般故障更容易造成客户不满和恐慌。因此，避免和消除汽车仪表的一些常见故障，提高其工作可靠性就显得特别重要。

关键词：汽车仪表；原理介绍；仪表可靠性；提高研究

1、前言

近年来，随着汽车电器功能集成化和复杂化，整车电气架构也在不断扩展，汽车仪表作为车辆信息的主要显示载体，需要与整车进行大量的数据交换。

2、汽车仪表原理介绍

2.1 汽车仪表结构

汽车仪表主要由玻璃面罩、前框、刻度盘、PCB（印刷电路板）、后盖组装而成，车辆警告和提示信息通过刻度盘和LCD显示。玻璃罩、前框和后盖之间主要通过卡扣联接，玻璃罩和前框通过超声波焊接工艺联接。

在功能显示方面，汽车仪表包括发动机转速表、车速表、发动机水温表和燃油表，分别显示发动机转速、车辆行驶速度、发动机冷却液温度和燃油量，它们采用的显示方式常有两种，一种是步进马达驱动的指针式仪表，另一种是芯片驱动LED或LCD显示。仪表盘上有各种报警灯及信息显示中心，包括远光灯、转向灯、ABS警告灯、驻车制动及制动系统警告灯、发动机故障灯、安全带未系警告灯、车门开启警告灯、行李箱盖开启指示灯等；信息中心显示里程、档位等信息，集成了行车电脑的信息中心功能就更加强大，可以显示里程小计、续航里程、累计里程、平均油耗、档位模式以及车门开关等报警图标及各种Message报警信息等。其中由Computer-Trip按钮进行功能切换和各种行车电脑功能的重置。

2.2 汽车仪表的电气原理

根据整车总体功能要求，汽车仪表是相关硬件和基于一定平台上软件的结合体，常采用32位的主芯片，兼有CAN收发器和处理器模块。如某款汽车仪表，软件基于在Volcano平台上，主芯片采用32位的NEC芯片，CAN收发器采用TJA104X类型，采用4种颜色的LED发光管，双层的PCB板，32-PIN的连接器。

2.3 仪表工作原理

汽车仪表基本工作原理就是仪表内部各模块将外部输入的信号处理后输出相应的控制信号，实现仪表的显示功能。如常见的车速表，汽车仪表通过CAN总线从ABS模块接收到轮速传感器的脉冲信号，仪表MCU通过处理计算出车辆行驶速度，驱动步进电机带动指针指示到相应刻度位置或者是驱动段码LCD数字化显示。再如常见的发动机转速表，汽车仪表通过CAN总线，接收发动机EMS传输上的发动机转速信号，仪表MCU对信号处理后驱动发动机转速步进电机带动指针转动到相应刻度位置；对于燃油表，油量传感器将油箱油位对应的阻值直接传递给仪表芯片进行数模转换，然后通过仪表内部运算，并进行防抖动处理后，驱动步进电机带动指针指示实际燃油值，同时还设有油量过低报警显示。

仪表盘上的各种报警指示灯和信号灯，一般有2种信号处理模式：CAN信号和硬线信号。由CAN传输的信号，仪表芯片接收CAN信号后，驱动LED报警灯点亮或熄灭；另一种是传感器或开关单元直接硬线连接到仪表，仪表判断后直接驱动报警灯点亮或熄灭。

3、提高仪表可靠性的对策

产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。对产品而言，可靠性越高意味着无故障工作的时间就越长。

3.1 提高仪表设计可靠性

这是决定产品质量的关键。在保证实现仪表基本功能和充分实验验证的前提下，两大因素对仪表设计的可靠性尤其重要。

1）仪表PCB板的散热性

现在汽车仪表的电子元件的装置密度不断增加，从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，大部分仪表又集成了原来没有承担的防盗电子模块功能，从而使内部温度增高，散热条件恶化。设计阶段要根据实测结果分析CPU、电源模块和外围电路元器件的温度特性，并结合热分析软件进行热优化设计，提高系统的可靠性。

2）电磁兼容性要求

仪表本身、仪表与整车及仪表与外部环境之间的电磁兼容性，要有一定的规定要求：既要求有一定的抗干扰性，又保证不能影响周边的零部件。具体是指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存而不影响仪表的正常工作。在开发阶段，可以对仪表进行无线电发射干扰、传导发射干扰、瞬时传导干扰、静电放电（工作状态和非工作状态）等EMC（电磁兼容性）测试，同时也必须对整车做EMC测试，只有测试通过才能满足仪表的电磁兼容性要求。

3.2 提高仪表生产过程的可靠性

1）提高生产环境的清洁度

电子元器件对环境的灰尘、异物、静电等异常敏感，往往一点异物侵蚀会造成整个仪表功能异常。这就要求仪表必须在无尘、防静电车间生产，在人機料法环等方面与国际接轨。

2）建立机制消除疏忽性故障

如今仪表生产过程的都是流水线式，成熟的工艺和过程相对比较稳定，过程问题主要表现在操作疏忽性故障。解决对策一方面应加强操作员工的质量意识和岗位技能的培训，优化作业指导书，对非正常作业流程制定预防和控制计划。另一方面稳定的生产过程是确保零件质量的前提，供应商应具备保证产品质量和可靠性所需的一切必要手段，来确保产品和过程质量的稳定性和一致性。

3.3 提高仪表电子元器件的可靠性

仪表PCB上集成了很多电子元器件，这些电子元件形成了一个有机的系统整体，整个仪表的可靠性还取决于所用元器件可靠性，因为任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越突出，为保证仪表可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高。这里主要从两方面提高电子元件的可靠性：

1）电子元件的选型和等级要适合（汽车零部件一般要求选用工业级或军品级元器件）；

2）同一型号和等级的元器件，尽量选用批量使用过且知名品牌供应商的器件。具体方法可以从供应商选择、供应商现场质量审核、零部件入库检验以及建立问题的快速响应机制等方面提高电子元件来料的可靠性。

参考文献：

[1]徐涛.汽车仪表显示系统应用与研究[J].汽车实用技术，2013，（11）：26-27.

[2]任家权，徐庆华，吴奇峰.中国汽车仪表发展的历程及方向[J].叉车技术，2013，（01）：69-70.

（作者单位：长城汽车股份有限公司

河北省汽车工程技术研究中心）