基于MC9S12HY32的电动汽车仪表盘设计
2012-01-15刘源杨马建辉王知学李研强
刘源杨，马建辉，王知学，李研强
（山东省汽车电子重点实验室山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014）
电动汽车仪表盘是一种集LED、LCD显示技术、步进电机控制技术于一体，适应电动汽车电子化、数字化、信息化发展的高新技术产品，它是驾驶员与汽车进行信息交流的窗口，是一个多信息显示平台，显示电机状态、电池组状态、行驶信息、底盘信息、指示报警等其它信息。Freescale的S12HY32是汽车仪表盘设计专用16位MCU，笔者以S12HY32为核心设计了一款电动汽车仪表盘，它采用步进电机进行指针的指示，具有很好的数据控制特性，并能及时反映汽车加减速、电压电流上升与下降等各种工况，提高了整个系统的平稳性和定位精度，同时保留了机械指针指示的直观、有动感、符合驾驶员习惯等优点。采用LED显示转向灯、远近光变换、车门状态、安全带未系提示、充电指示、报警等状态[1]，采用LCD数字显示里程表和故障状态。文中介绍S12HY32的功能特性和应用要点，并剖析电动汽车仪表盘的设计原理和软硬件结构。
1 硬件设计
1.1 MC9S12HY32简介
MC9S12HY32是一款可扩展入门级的汽车仪表盘应用16位微控制器，集16位性能和许多专用功能于一身[2]，如LCD驱动和步进电机驱动，同时服务于需要CAN/LIN的应用，非常适合经济高效的汽车仪表盘应用。其芯片资源及特性如下[3]：
1）32 MHz总线频率的HCS12 CPU内核；
2）带有ECC（错误校正码）的32 kB程序闪存和4 kB数据闪存，4 kB片内SRAM；
3）字段式LCD控制器，最多可配置为40x4段；
4）4个步进电机控制器，可以进行电机失速检测；
5）两个16位定时器模块，可提供16位输入捕捉、输出比较、计数和脉冲累加器功能；
6）8通道10位逐次逼近型ADC；
7）SPI/I2C 模块，一个 SCI模块，支持 LIN 2.0、2.1和 SAE J2602通信；
8）MSCAN模块，支持 CAN协议 2.0A/B。
1.2 系统结构
仪表盘由CAN总线接口、信号采集电路、步进电机、LCD、LED、报警装置组成，用于各种工况下汽车运行信息的采集和显示，图1给出了仪表盘硬件结构，下面结合S12HY32的内部资源介绍下仪表盘的硬件设计。
S12HY32内部资源专为仪表应用而设计，4个步进电机驱动器可以进行车速、电机转速、电流和电池组电压的指针指示，LCD控制器可以控制字段式LCD显示总里程、小计里程和电机故障信息，内部有MSCAN模块支持CAN总线应用，可以通过CAN总线获取一些关键信息，同时保留直接进行信息采集的能力：内置定时捕捉模块可以进行车速/电机转速脉冲的捕捉与统计，内置ADC进行电机温度等模拟量的采集。下面以车速信号检测为例介绍下仪表盘电路设计。
1.3 车速信号检测
车速是仪表盘需要显示的关键信息，根据汽车原理和拓扑结构，车速信号来源是CAN总线或者车速传感器。车速传感器输出0～12 V的脉冲信号，其信号频率大小与车速值大小成线性关系，随车速增加而增加[4]，通过图2所示的整形电路将车速传感器信号转换为TTL电平，然后通过定时捕捉模块捕捉脉冲信号的上升沿或下降沿，进行统计分析即可得到车速大小。
2 软件设计
2.1 软件流程设计
因为没有采用操作系统，软件设计采用循环体+中断的软件结构[5]，主循环体完成主体功能，中断服务程序进行底层协议设计和驱动管理，软件流程图如图3所示，下面简单介绍一下该流程。首先进行全局变量和所用外设 （包括IO、PWM、TIMER、SCI、CAN、LCD、MOTOR CONTROLLER） 的 初始化，初始化完成后，进入主循环，然后在循环体内依次进行定时器管理、开关信号检测、车速检测、CAN通讯管理、里程计算及存储、报警控制、LCD控制和步进电机控制。各软件模块次序如图3所示。下面以车速检测为例介绍下软件的详细设计。
2.2 车速信号检测软件设计
车速信号整形后得到TTL脉冲，S12HY32的定时捕捉模块以中断的方式捕捉脉冲的沿变化[6]，在中断处理函数中进行脉冲个数累加。设计脉冲统计结构体和一200 ms的周期定时器，采用“滑动时间窗口脉冲统计法”进行车速的计算，脉冲统计结构体设计如下：
typedef struct{
uint8_t bank；
uint16_t cnt；
}s_PulseCnt；
在上述结构体中，cnt表示脉冲个数，bank表示数据是否有效。滑动时间窗口脉冲统计法设计如下：
定义成员个数为6的脉冲统计结构体数组Speed_pulse[6]，周期性存储车速脉冲个数，脉冲率等价于一秒内的脉冲个数，则有公式如下：
FACTOR由变速比和轮胎直径共同决定。
当下计算的车速表示过去1 s内的平均车速，在下一个200 ms到达后，将下标为1到5的结构体变量依次“滑动复制”到下标为0到4的结构体变量中，然后更新下标为5的结构体变量，此时根据公式（1）和公式（2）进行计算得到的车速为0.2～1.2 s之间的平均速度。这种方式计算得到的车速实时性更强，而且车速变化更加平滑，反映在指针的变化上也更加平稳平滑，能得到更佳的视觉体验，其代码实现如下：
void SpeedDetect（void）
{
uint16_t i，j；
uint16_t Carspeed_pulse_frequency=0；
if（1==Speed_detect_enable）{
if（1==Timer[SPEED_PULSE_ACCUMU_200MS].overflow_flag）{
for（i=0；i＜=5；i++）{
if（0==Speed_pulse[i].bank）{
Speed_pulse[i].cnt=Car_speed_pulses；
Speed_pulse[i].bank=1；
if（5==i）{
Carspeed_pulse_frequency=Speed_pulse[5].cnt－Speed_pulse[0].cnt；
Ev_speed =（float32_t）Carspeed_pulse_frequency*CAR_PULSE_FACTOR；
EvSpeedRangeCheck（）；
for（j=0；j＜5；j++）{
Speed_pulse[j].cnt=Speed_pulse[j+1].cnt；
}
Speed_pulse[i].bank=0；
}
break；
}
}
}
}
}
3 结束语
笔者采用MC9S12HY32设计实现了一款电动汽车仪表盘，从处理器特性、硬件结构、车速信号检测等方面描述了仪表盘的硬件设计，从软件流程设计，车速信号检测的软件实现上描述了仪表盘的软件设计。该仪表盘经装车试验，运行稳定，功能可靠，已经进入小批量预生产阶段，具有很高的实用价值。
[1]戴方全，王建.基于μC/OS－Ⅱ的全数字汽车仪表[J].汽车科技，2007（4）:43－46.DAI Fang-quan，WANG Jian.Study of digital dashboard based on μC/OS－Ⅱ[J].Auto Mobile Science&Technology，2007（4）:43－46.
[2]朱维杰，于湘珍.基于MC9S12HZ的智能汽车组合仪表[J].仪器仪表用户，2009（2）:46－48.ZHU Wei-jie，YU Xiang-zhen.Design of intelligent automotive dashboard based on MC9S12HZ[J].Electronic Instrumentation Customer，2009（2）:46－48.
[3]Freescale semiconductor.MC9S12HY64 Reference Manual Covers MC9S12HY/HA Family[EB/OL].（2010 －11）.http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/MC9 S12HY64RMV1.pdf.
[4]王知学，马建辉，车晓波，等.基于MC9S12XS128的汽车BCM的设计与实现[J].电子设计工程，2011（3）:190－192.WANG Zhi-xue，MA Jian-hui，CHE Xiao-bo，et al.Design and implementation of vehicle BCM based on MC9S12XS128[J].Electronic Design Engineering，2011（3）:190－192.
[5]钟龙平，陈建清，缪传杰，等.基于CAN总线的组合汽车仪表盘的设计[J].传感器世界，2010（4）:32－36.ZHONG Long-ping，CHEN Jian-qing，MIAO Chuan-jie，et al.Design a combined-type car dashboard based on CAN bus[J].Sensor World，2010（4）:32－36.
[6]王春武，姜文龙，刘春玲，等.霍尔车速传感器检测系统设计新方法[J].微计算机信息，2009（29）:198－199.WANG Chun-wu，JIANG Wen-long，LIU Chun-ling，et al.The new design method of a detecting system for hall vehicle speed sensor[J].Microcomputer Information，2009（29）:198－199.
