一种带中控互联功能的7 寸TFT 屏组合仪表设计

魏鹿义

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心， 广西 柳州 545007）

汽车组合仪表是汽车最重要的功能部件之一，是驾驶员和汽车进行信息交流最重要的人车交互窗口和界面。为驾驶员提供所需的汽车实时运行状态信息，把所有整车运行的状态信息都显示在上面，是每辆汽车必不可少的重要部件。随着汽车电子电器技术的发展，以及汽车液晶显示屏的快速应用，汽车仪表已逐步由机械式步入电子化和液晶数字化时代。

1 汽车仪表的技术发展

汽车组合仪表的发展，紧随汽车行业和汽车电子发展趋势和用户需求，由第1代传统机械式组合仪表到第2代采用步进电机驱动的全电子式组合仪表再到第3代液晶屏数字化组合仪表。带里程表软轴的动圈式机械组合仪表由于结构复杂、抗振性能差、过载能力差、指针易抖动、性能不稳定、故障高等原因，现在只有极少数汽车上还在使用，属于技术淘汰型。而电磁式组合仪表因还是采用十字线圈结构的仪表机芯，其存在一致性、通用性差的缺点，且性能不稳定，故障率比较高，随着整车上电子零件的增多，整车零件的电子化，使其很多功能都无法实现，这种型式的仪表也越来越少。近年来，随着汽车电子技术的快速发展，汽车组合仪表上显示的信息不断增加，传统的机械式汽车组合仪表越来越无法满足使用的需求，特别是随着汽车电子、彩色TFT液晶屏技术发展和CAN总线通信技术在汽车中的广泛应用，出现了适合汽车仪表用的彩色TFT屏幕，从而使得以彩色TFT屏幕的组合仪表成为现今汽车仪表发展的主流。

2 组合仪表功能设计

2.1 组合仪表系统架构设计

本设计仪表主要由一个7英寸彩屏、2个步进电机（车速表和转速表）、2个指针、2个段码屏（燃油表和水温表）、LED报警灯、一个扬声器等构成。组合仪表系统框图如图1所示。

图1 组合仪表的系统框图

2.2 7寸彩色TFT屏幕参数

液晶屏采用比例15:9的车规级7寸全彩IPS TFT屏，其工作温度范围-30～85℃，对比度高、色彩鲜艳、亮度范围宽，其屏幕详细参数见表1。

表1 7寸全彩TFT屏幕参数

2.3 组合仪表硬件平台设计

1） 主控MCU。组合仪表主控制器MCU采用英飞凌32位S6J328处理器和容量为32MB的外部Flash，存储开机动画和图片。该方案支持800×480的分辨率，可以实现2D动画效果，具备LVDS、CVBS视频输入功能，CAN总线互联通信和刷新功能，S6J328处理器具体参数如下：①32-bit Arm Cortex-R5F core up to 240 MHz；②2112kB Program Flash/112kB Work Flash；③128kB TC-RAM/2048KB VRAM；④Stepper motor controller（SMC）：Six units；⑤PCM to PWM output unit；⑥Stereo audio DAC；⑦CAN-FD：up to fourchannels； ⑧12 channels： UART/CSIO/LIN/I2C； ⑨Video capture（RGB/BT.656）；⑩GPIO port：Up to 120；11○12-bit A/D converter：Up to 50 channels；12○2*RGB888 output。

2） 存储器。组合仪表存储器应满足以下要求：①外部Flash容量为512MB；②使用MCU的D-Flash存储特殊调节参数配置。

3） 步进电机。车速表和转数表两个表头指示采用步进电机方案，电机使用VID-29，性能参数见表2。

表2 步进电机性能参数

4） 电源供应。供应仪表TFT背光电源应从蓄电池取电，仪表在仅有KL15电源时需在工作电压范围内正常工作。仪表背光分为表盘背光（含段码屏背光）、LCD背光、指针背光，各背光之间独立控制，并由软件PWM进行调节。

5） 段码屏。组合仪表所使用的段码屏应满足以下要求：①Display type：gdv（va），transmissive，negative；②Viewing direction：12:00；③Operating temperature：-30～+85℃；④Contrast ratio：not lower than 800:1 at 20℃。

6） 连接器设计。为做好零件平台化设计并增强其通用性和扩展性，组合仪表的仪表连接器采用32引角的通用连接器，并对32引角进行统一功能定义。通过这种标准化的设计，达到增强零件通用性和扩展功能等方面要求。也为后续新车型开发降低了零件成本和管理成本，并方便零件售后维修，降低了售后维修成本。32引角的通用连接器见图2。电子硬件设计系统如图3所示。

图2 32引角的通用连接器

图3 硬件设计系统框图

3 组合仪表7寸屏显示内容设计

7寸显示屏显示区域划分为3个区域：顶部区域A、中间区域B、底部区域C。顶部区域A用于显示5个选项卡信息（行车电脑、设置及报警、娱乐、电话、导航），游标切换时，区域B中的内容也会随之变化。中间区域B为功能信息显示区域，内容根据选项卡切换而进行改变。顶部区域C用于显示车外温度、挡位信息、总里程表。组合仪表显示屏显示区域划分如图4所示。

图4 组合仪表显示屏显示区域划分

3.1 仪表行车电脑菜单栏设计

组合仪表TFT屏幕行车电脑显示内容包含设置及报警信息、娱乐信息、电话信息、导航信息5个常规界面。行车电脑界面设计效果如图5所示。

图5 行车电脑界面设计图

通过短按组合仪表返回键，可以切换不同的选项卡，当切换至选项卡5时，再操作组合仪表返回键，此时将回到选项卡1。界面之间切换逻辑如下：①处于界面1时，此时可通过操作上一页按键和下一页按键实现行车电脑信息的切换，组合仪表确认键可以对部分行车电脑信息进行清零操作；②处于界面2时，可以进行相关的车辆信息设置；③处于界面3时，可以进行相关的中控系统信息显示；④处于界面4时，可以进行相关的蓝牙电话信息显示；⑤处于界面5时，可以进行相关的导航信息显示；⑥按键持续按下时间0.2s≤t＜2s为短按，t≥2s为长按，长按后如果按键一直未松开，仪表只执行一次长按功能（背光调节功能除外），直到按键松开。界面之间切换逻辑流程如图6所示。

图6 界面之间切换逻辑图

3.2 仪表界面切换方向盘按键设置

此组合仪表通过方向盘仪表按键来切换仪表界面和菜单内容显示、设置，设计为上一页、下一页、确认和返回4个菜单操作按键。仪表检测到方向盘按键模拟量输出控制菜单操作，仪表需要根据按键的持续按下时间做长按和短按判断，按键持续按下时间0.2s≤t＜2s为短按，t≥2s为长按，长按后如果按键一直未松开，仪表只执行一次长按功能，直到按键松开，定义需要短按才能实现对应功能时，长按按键仪表不作处理。方向盘上的仪表按键如图7所示。

图7 方向盘仪表按键

4 组合仪表与中控系统互联设计

4.1 互联架构设计

组合仪表与中控系统交互通过速率为500kb/s的高速CAN总线通信。中控系统将电台、音乐、蓝牙、导航等娱乐信息发送给仪表显示，使得组合仪表除了可以显示车辆实时运行速度、车辆故障状态、车辆行驶里程等车辆行驶状态信息外还可以显示导航、音乐、电话等信息，增加了仪表和中控一体设计感和科技感，提升了人机交互体验。组合仪表与中控系统交互系统框架如图8所示。

图8 组合仪表与中控系统交互系统框架图

4.2 互联通信设计

组合仪表与中控系统交互通过CAN总线通信。导航系统发送交互信息的报文，报文类型为周期型，当中控系统检测到ACC挡信号时，周期性发送该报文，中控系统以周期形式将当前互联信息发送给仪表。当中控系统发送的信息为多帧信号时，需接收到仪表回复的互联报文，随后中控系统的互联报文更改周期，当发送完此次多帧报文，则重新开启计时器，互联报文恢复周期。组合仪表与中控系统互联的报文节点信息如图9所示。

图9 组合仪表与中控系统互联的报文节点信息图

4.3 互联交互信息字符编码设计

交互信息的文字传输编码使用UTF-8编码，仪表显示的字符集为GB 18030。导航系统遇到无法读取的文字时，按“X”发送，仪表按“X”显示，仪表接收到无法显示的字符时，按“X”显示，具体交互信息的文字传输编码定义见表3。

表3 文字传输编码定义

4.4 互联交互显示策略设计

双屏互联功能包含3个显示界面：娱乐信息界面、电话信息界面、导航信息界面。3个界面显示内容以CAN发送为准，仪表各交互信息显示的刷新周期为100ms。仪表对所有接收的交互信息都不记忆，在接收到新的交互信息后清除当前显示的交互信息，替换显示为接收的新交互信息。仪表交互功能的默认状态为：娱乐信息界面仅显示“中控系统连接建立中”；电话信息界面仅显示“电话未连接”；导航信息界面仅显示“导航连接建立中”。

4.5 互联交互通信策略设计

1） ACC挡到ON挡

当仪表检测到KL15挡信号后，可以进行互联握手，如收到来自中控系统的互联报文包含“01 01 01”信息，表明“MODE ON”请求，则回复互联报文包含“02 01 01”信息，表明“MODE ON”请求答复。中控系统收到互联报文包含“02 01 01”信息的发送，表明握手完成。

当中控系统接收到互联报文包含“02 01 01”信息时，将自身的互联标志位Mark_Interaction置1。当连续3个周期没有收到互联报文包含“02 01 XX”信息，则将Mark_Interaction置0。

当Mark_Interaction=1时，中控系统将当前互联事件信息发送给仪表，当Mark_Interaction=0时，中控系统不能进行互联，需以100ms周期发送互联报文包含“01 01 01”，表明“MODE ON”请求，请求再次握手。

2） 互联信息回馈

当中控系统Mark_Interaction=1，并发送互联事件后，例如歌曲名FucID=50，中控系统在下一个发送周期达到时，将该事件信息发送给仪表，当仪表完整收到该互联信息后，回复互联报文包含“02 01 FucID”，例如“02 01 50”，表明FucID=50的互联信息已完成接收。当中控系统接收到该回馈报文时，表明FucID=50的互联信息已发送成功，可以进行下一个互联信息的发送。

3） 互联信息重发机制

由于CAN通信故障，进行以下机制处理：①没有收到互联报文时，仪表不进行互联报文发送；②如接收到的多帧信息不完整时，仪表回复互联报文包含“02 01 00”信息，表明没有收到完整的互联信息。

当中控系统由于本地互联事件（FucID=50） 触发了互联报文的发送，如没有收到仪表的互联回馈信息，或者仪表互联回馈信息中包含的FucID为“00”或与自己发送的互联FucID不相同，则中控系统需在下个互联报文周期达到时进行互联信息（FucID=50） 的重发。互联报文的重发需遵循中控系统内部的互联事件优先级，如有优先级高的事件发生，则优先发送优先级高的新事件；如该重发事件有更新（例如FucID=50），则将更新的信息发送出去，舍弃旧的信息。

4） 中控系统开关机处理

当整车处于KL15挡位时，如中控系统的关机按键被触发，则中控系统退出互联，在下个互联报文周期达到时，发送包含“01 01 02”信息，表明“MODE OFF”请求，仪表收到该信息后，回复互联报文包含“02 01 02”信息，表明“MODE OFF”回应，同时仪表停止互联信息的显示。

5） 中控系统掉线处理

当整车处于KL15挡位时，如仪表连续5个周期未收到中控系统的互联报文，则退出互联，停止互联信息的发送。

6） 仪表掉线处理

如中控系统连续3次发送完整的互联报文（不包含多帧传输报文），都没有收到仪表的报文回复，则将Mark_ Interaction置0。中控系统需以100ms周期发送报文包含“01 01 01”，表明“MODE ON”请求握手。

4.6 导航信息显示设计

导航系统在未使用导航指引时，不会发送导航信息信号，点火后仪表默认导航状态为关闭，仪表导航信息界面按默认状态显示。使用导航系统导航时，导航系统发送导航指引信息到仪表，仪表在接收到任意下一道路名称、导航信息后，激活当前导航信息显示。

导航系统发送下一指引符号和指引距离给仪表，导航系统需要定义合适的指引距离发送周期，在较长距离时发送时间间隔较长，较短距离时发送时间间隔较短。仪表需要对接收的指引距离进行处理，当指引距离大于等于1000m时，仪表按照km为单位显示，精确到0.1km，最大显示999.9km，当接收距离小于1000m时，仪表按照m为单位显示，精确到1m。中控系统发送的导航指引符号报文和对应显示信息设计如表4所示。

表4 中控导航报文显示信息设计

5 总结

通过创新性设计，对仪表造型美化设计和功能分布进行优化设计，在仪表中增加中控系统互联功能，在仪表中显示蓝牙电话、音乐、收音机、导航等功能，使中控系统大部分功能都能在仪表中显示，方便驾驶员察看和操作。通过仪表增加中控互联功能，提升了人机交互体验和车型的科技感。

通过此项目的设计开发及应用，建立起一套完整的仪表&导航互联液晶屏仪表的设计开发技术、试验标准、设计流程等规范，为互联技术平台化应用奠定良好的基础。

此带中控互联功能的7寸液晶仪表提升了产品品质，提高了客户使用的安全性和便利性，为公司品牌和产品销量提升做出了积极贡献。通过此创新设计方案，提高了产品性能和品质，提升了该车在市场上的竞争力，实现产品“低成本、高价值”的设计理念。此仪表与中控系统互联功能丰富，人机交互良好，获得市场一致好评。最终组合仪表显示效果如图10所示。

图10 组合仪表显示效果图