汽车车载时钟的设计与研究

2018-05-09谢玉录邹建强

汽车电器 2018年4期

谢玉录，邹建强，李岩，孙进

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林长春 130000）

随着生活水平的不断提高，汽车已经成为人们日常生活中的重要交通工具。汽车数量的不断增加，使人们对汽车的功能性、安全性、舒适性的要求也在不断提高。在以互联网和大数据为代表的信息时代，为适应新时代的发展，人们的生活、工作节奏不断加快，这也促使人们更加关注时间的重要性。汽车车载时钟正是在这种社会背景下得到了大量应用和推广，并逐步发展成为汽车的基本配置。

1 种类与划分

汽车车载时钟具有多种实现方式和显示样式，总体来说，可按下述2种划分方法对车载时钟进行分类和识别。

1）按位置不同划分通常可分为仪表时钟和中控时钟两大类。集成在组合仪表上显示的时钟称为仪表时钟（图1），通常在仪表LCD显示屏中进行显示，主要显示小时和分钟信息，常有12H和24H两种显示格式，可通过仪表功能键对时间进行调整和设置。

图1 仪表时钟

仪表LCD显示屏又分为段码屏、点阵屏以及TFT显示屏等，如图2所示。段码屏和点阵屏主要应用在低端车型仪表上，TFT显示屏（又分单色显示和彩色显示2种）主要应用在中高端车型仪表上。

图2 仪表LCD显示屏

中控时钟是指设置在仪表板中控系统附近处的时钟，主要有机械时钟和屏显时钟2种，如图3所示。机械时钟作为单独的时钟模块，采用机械指针（一般为时针和分针）进行指示，时钟电机进行驱动，主要应用在豪华车型上。屏显时钟主要指在娱乐系统的LCD显示屏中模拟显示的时钟。

图3 中控时钟

2）按显示形式划分通常可分为数字式时钟和指针式时钟两大类。数字式时钟主要将小时和分钟以数字形式进行显示，应用广泛（参见图2）。指针式时钟主要采用机械指针（或模拟机械指针）进行时间指示，主要应用在中高端车型上（参见图3）。

2 系统及构成

数字式时钟（主要为仪表时钟和屏显时钟）均是集成在LCD显示屏中进行的时钟显示，是显示屏显示功能的一部分，因而没有独立的系统及构成。而机械时钟作为独立的电器模块，与其它汽车电器件一样，也是由电气系统和机械结构两部分构成。

1）电气系统机械时钟通常使用CAN或者LIN总线通信，采用专用的时钟电机进行驱动，主要有GPS智能同步和总线信号同步2种时间同步方式。玛莎拉蒂、克莱斯勒等豪华车型采用GPS智能同步，时间精准。而对于一般的中高端车型来说，通常采用性价比高的总线信号同步，其典型的电气系统原理如图4所示。

图4 系统原理

2）机械结构机械时钟的机械结构及构成都是相似的，通常由前壳、面罩、间隔环、时钟表盘、导光体、时针、分针、电路板、后壳、标签等部件构成，如图5所示。

图5 结构构成

3 时间同步

在同一辆汽车上通常同时具有多个不同形式类别的车载时钟（如仪表时钟、机械时钟、中控屏显时钟等）。由于时间显示偏差的客观存在，这就需要对各个时钟进行时间同步，统一时间显示。

时间同步的具体方法是：以某个特定的时钟时间作为同步基准，在特定的时间内，将其时间信息作为同步信号，通过总线通信传递给其它时钟模块，完成时间同步。

4 时间校准

作为同步基准的时钟，其时间显示上也存在一定的偏差，因此需要对其进行时间校准，尽量减小偏差，提高时间显示的准确性。当前在车载时钟上主要应用的时间校准方法有：晶振偏差调校法、温度自动补偿法、射频信号校准法、GPS时间校准法等。

1）晶振偏差调校法仪表时钟、屏显时钟通常依据石英晶振的振荡频率作为时钟信号源进行计时，其时间偏差主要受晶振本身误差影响，晶振误差越大，相应的时钟时间偏差就会越大。例如：理论晶振频率为8 MHz，8分频后为1 MHz，当时钟的计数频率设为1 MHz时，计算1000个频率周期即为1 ms（见图6），循环计时实现时间显示。

图6 频率计时

然而实际晶振的频率为8.008 MHz，计数频率实际为1.001 MHz，则实际计算1 ms只需999个周期，若依然以1000个周期为1 ms计算会导致时钟稍快。所以通常会将此类时钟的计数周期作为一个NVM变量，工厂生产时根据具体测量值重新写入，从而达到时间校准的目的。即使如此，由于外界温度的影响及校准精度的问题，时间误差依然存在。

2）温度自动补偿法温度自动补偿法是对晶振偏差调校法的改进。时钟系统根据外界温度变化，通过查表法读取出当前温度对晶振误差的影响值，从而计算出时间偏差值。当时间偏差累积到一定值后（时间补偿值），时钟系统将自动对当前显示时间进行时间补偿，并显示更新后的时间［1］，如图7所示。

图7 频率-温度特性示意图［1］

3）射频信号校准法射频信号校准法是在原有时钟模块基础上，新增一个射频信号接收模块，用于接收射频信号的标准时钟信号。标准时钟信号和时钟模块的时钟信号产生时间差，时钟处理模块根据上述时间差计算出时间补偿值。在射频信号接收模块能够接收到射频信号的标准时钟信号时，时钟显示模块显示标准时钟信号的时间。在射频信号的标准时钟信号消失时，时钟处理模块对时钟模块的时钟信号进行补偿［2］，补偿后的时钟模块重新进行时间显示。射频信号校准法原理图见图8。

图8 射频信号校准法原理图［2］

射频信号校准法的标准执行流程见图9。

图9 射频信号校准法流程图［2］

4）GPS时间校准法与射频信号校准法的原理类似，GPS时间校准法是应用GPS卫星时钟同步信号对车载时钟模块的时钟信号进行时间校准的一种方法［3-4］。

GPS接收模块（通常集成在音响娱乐系统中）负责接收卫星时钟同步信号，通过CAN总线通信，对车载时钟模块的时钟进行校正。

GPS系统在每颗卫星上都装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校正［3］，因此GPS卫星时钟同步信号的时间准确性高，但该系统的应用成本也相对较高。

5 误差检测

在产品设计阶段，需要对车载时钟的时间显示误差进行检测，确保车载时钟的时间显示精度满足设计要求。一般采用对比运行时间的方法进行误差检测［5］：检测设备通常采用GPS时间作为检测基准，从某一时间点开始计时并记录车载时钟的起始时间T1，基准时钟和车载时钟同步运行，当基准时钟运行满H时间后，记录此时车载时钟的显示时间T2，车载时钟的运行时间T=T2-T1，计算得到误差值△T（△T=T-H），最后依据误差检测结果，对车载时钟精度进行调整和修正。标准的时钟误差检测见表1。