基于大学生方程式赛车虚拟仪表系统硬件设计

姜帅琦

（南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031）

0 引言

全国大学生方程式赛车是基于大学生自己设计并制造方程式赛车来进行比赛， 而方程式赛车的仪表盘是方程式赛车的核心部件，也是赛车手了解赛车状况的一个窗口。利用虚拟仪器技术模拟赛车仪表盘，设计综合数据采集、信号分析、仪器面板等多项内容的虚拟赛车仪表盘。 利用单片机自身产生转速、耗油、速度等模拟和数字信号源，然后再进行模拟和数字信号的采集和分析，通过建立转换函数模型在虚拟仪表盘上显示发动机转速、赛车车速、油耗、温度及转向灯等信息[1]。利用虚拟仪器技术模拟赛车仪表盘，不仅可以完成先进赛车仪表盘的功能，而且免去赛车机械及电子器件，降低成本,提高可研性，在计算机测控技术、赛车电子技术等课程的教学及开放实验中具有广泛的实用价值。 本次试验就大学生方程式赛车进行虚拟仪表改造，内容包括赛车本次试验使组员对车载仪数据采集，电路板的设计，源代码的编写，基于labview 的仪表设计及其串口通信功能的实现。通过本次创新性实验， 组员们初步了解如何使用labview 制作虚拟仪表以及电路板的设计，加深了对程序设计的认识，编写程序的能力也有了很大的提高，也更了解了团队合作的重要的技巧。

1 赛车仪表盘的总体设计

1.1 赛车仪表及其显示装置的作用和组成

在驾驶员前方台板上都装有仪表报警灯及电子显示装置，用来指示赛车运行以及发动机运转的状况，以便驾驶员随时了解和掌握赛车各系统、各部件的工作状态，保证赛车可靠而安全地行驶。

赛车上较常用的一般有3 种仪表和3 种相应的传感器，即发动机转速表、发动机温度表、赛车时速表。

仪表板总成分垂直安装式和倾斜安装式两类，二者又各有组合式和分装式两种。 分装式仪表板总成，它是由薄钢板先冲压成一块仪表板，然后将每只单个仪表用夹板及螺栓固装在仪表板上。

1.2 赛车仪表的使用条件

1.2.1 温度

赛车是被广泛使用的交通运输工具，要在各种环境温度下都能正常运行，因此要求汽车仪表在-40~+55℃范围内都能正常工作。温度传感器用于监测冷却液（水箱）温度。

1.2.2 湿度

由于赛车仪表工作的环境条件所限， 因此它还将受到湿度的影响。 潮湿的空气将使仪表零件（特别是黑色金属零件）表面生锈，电气绝缘件的绝缘性能降低甚至漏电。 还由于潮湿空气的变冷，使毛细管内的水分凝聚，引起指示误差以致堵塞。因此，金属零件尤其是黑色金属零件要进行表面处理，如电镀、化学处理、喷漆等工艺。 要求仪表应能在相对湿度为90%的环境下工作，并通过耐潮试验及绝缘介电强度试验。

1.2.3 振动

赛车行驶引起的车身振动，发动机高速运转引起的赛车各部件振动，都会影响仪表指示的准确性，缩短仪表的使用寿命，因此必须在仪表板外面加放橡皮减震垫圈等，以保证仪表零件的足够强度和紧固件的牢固性。

1.2.4 其他

赛车仪表的工作环境还可能遇到其他气候条件（如暴雨、灰尘的侵蚀，阳光辐射，油腻的沾污，霉菌的腐蚀，海洋盐雾的浸蚀以及冰冻等）的影响，因此仪表零件的6 各种金属材料，非金属材料以及各种油类、保护层等都要根据不同的气候条件加以选用。 装有电子钟的仪表板总成，要防止赛车电气设备产生的高频振荡对电子钟走时性能的干扰。

2 界面模块

图1

3 虚拟仪表的硬件设计

传感器简介：

3.1 DS18B20 温度传感器

DS18B20 数字温度传感器接线方便， 封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

3.2 CR-6061-1 数字油位传感器

CR-606 系列电容式油位变送器，是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表，整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。 可安装在各种场合对汽油、柴油、液压油等油位进行准确的测控。也适用于各种非导电液体的测量。

3.3 OHG-01 霍尔效应齿轮传感器

霍尔效应齿轮齿传感器（GTS）是一种重要的自动化检测元件，尤其是在汽车上的应用日益增加，主要实现位置、速度和方向的检测。近年来， 国外关于环保和安全保障的一些立法已对GTS 技术提出了新的更高要求。 为适应这些要求，技术人员正集中精力开发研制GTS 自校准技术。

4 虚拟仪表数据采集卡

霍尔效应齿轮齿传感器（GTS）是一种重要的自动化检测元件，尤其是在汽车上的应用日益增加，主要实现位置、速度和方向的检测。近年来， 国外关于环保和安全保障的一些立法已对GTS 技术提出了新的更高要求。 为适应这些要求，技术人员正集中精力开发研制GTS 自校准技术。

5 单片机模块

5.1 单片机AT89S52 概述

AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位微控制器，内部具有8K 在系统可编程Flash 存储器。 使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片内Flash 存储器可在线重新编程，亦适于通用的编程器。 通用的8 位CPU 与在系统可编程Flash 集成在一块芯片上，从而使AT89S52 功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。

5.2 AT89S52 的引脚排列及功能

AT89S52 具有 PDIP，PLCC 和 TQFP 三种封装形式，其中 PDIP 封装的引脚排列如图2 所示。

图2 AT89S52 的封装引脚图

5.2.1 P0 口

P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个TTL 逻辑门电路，对端口P0 口写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时， 此组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在FLASH 编程时P0 口接收指令字节，而在程序校验时输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。

5.2.2 P1 口

P1 口是一组带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。

P1 口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。 对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 与 AT89S51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时器/计数器 2 的外部计数输入 （P1.0/T2） 和触发器输入（P1.1/T2EX）。在flash 编程和校验时，P1 口接收低8 位地址字节。P1 口除了作为一般的I/O 口线外，部分引脚还具有第二功能，如表1 所列。

表1 P1 口的第二功能

5.2.3 P2 口

P2 口是一组具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。

P2 口输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚经由内部上拉向外输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16 位地址读取外部数据存储器 （例如执行MOVX@DPTR）时，P2 口送出高8 位地址数据。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。 在使用8 位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。FLASH 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

5.2.4 P3 口

P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。

P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。 对P3 口写入1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作为输入端口使用。若外部负载将P3 口拉低，则经过内部上拉电阻而向外输出电流（IIL）。P3 口可接收一些用于FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，还具有第二功能，如表2 所列。

表2 P3 口的第二功能

5.2.5 其他

1）电平将使单片机复位。 特殊寄存器AUXR（辅助寄存器）(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。

2）ALE 为地址锁存允许信号， 当单片机上电正常工作后，ALE 引脚不断输出正脉冲信号。在访问单片机外部程序存储器或数据存储器时，ALE 输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置 1，可禁止 ALE 操作。 该位置 1 后，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。 否则，ALE 将被微弱拉高。 此ALE 使能标志位的设置在微控制器执行外部程序时无效。 PROG 为本引脚的第二功能， 对FLASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。

3） 为程序储存允许输出控制端， 是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52 在每个机器周期被激活两次，而将不被激活。

PP：欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。

4）XTAL1： 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

6 硬件系统原理图

6.1 电源电路

汽车仪表板卡上的工作电压是 5V， 而汽车蓄电池一般提供 12V电压,所以系统设计了一个 12V 转 5V 的电源电路。 12V 的汽车电源经过整流、滤波和稳压，最终输出稳定的5V 电路板供电电压。

图3 电源电路

6.2 晶振电路

P87C581 的晶振引脚为：XTAL1、XTAL2.本系统选用的是 12MHZ晶振电路。

图4 晶振电路

6.3 复位电路

鉴于本系统板卡对瞬态响应性能、时钟源的稳定性及电源监控可靠性等诸多方面因素，本系统采用了比较通用的复位电路，提高了系统的可靠性。

在振荡器工作时，将RST 脚保持至少两个机器周期低电平（12 个振荡器周期）可实现复位。为了保证上电复位的可靠，RST 保持低电平的时间至少为振荡器启动时间（通常为几个毫秒）再加上两个机器周期。

图5 复位电路

6.4 掉电保护电路

本汽车仪表系统对数据的记录要求较高，实时数据必须及时保存并显示。 如果出现无法预料到的突然断电事件，仪表系统应采取相应的措施对数据进行及时保存，这就需要设计一个掉电保护电路，一旦电源低于某个预设的电压值，仪表系统检测到后立刻对当前数据进行保存。 本系统将掉电保护电路连至处理器的中断引脚，通过采用中断的方式来触发掉电事件以通知处理器执行相应的动作。

图6 掉电保护电路

6.5 串口电路

AT89C52 芯片的串口为TTL 电平，而要连接的外部PC 的串口为RS232 电平，故需要采用一块芯片来实现TTL/RS232 电平转换。 本系统采用常用的MAX232 转换芯片。

MAX232 芯片简介

MAX232 芯片是专门为电脑的RS-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电源供电。 其主要特点如下：

1）符合所有的RS-232C 技术标准；

2）只需要单一+5V 电源供电；

3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V-；

4）功耗低，典型供电电流5mA；

5）内部集成 2 个RS-232C 驱动器；

6）高集成度，片外最低只需4 个电容即可工作。

MAX232 引脚介绍：

第一部分是电荷泵电路。 由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。 功能是产生+12V 和-12V 两个电源，提供给RS-232 串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。 由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。

8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从T1OUT、T2OUT 送 到 电 脑 DB9 插 头 ；DB9 插 头 的 RS-232 数 据 从R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。

第三部分是供电。 15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v）。

7 总结

虚拟仪器是真实仪器设计生产前对代替真实仪器进行一系列的校核和优化工作。虚拟仪器的使用可以大大降低调教优化真实仪器的成本和时间，可以提高试验效率。 通过虚拟仪器对大学生方程式赛车进行虚拟仪表的设计可以加强我们对虚拟仪器的了解，使我们真正掌握虚拟仪器的设计和优化的方法。