电喷摩托车组合仪表的设计与开发

电喷摩托车组合仪表的设计与开发

陈泉

陈泉

湛江德利车辆部件有限公司524094

摘要：利用摩托车电喷系统的资源，设计了低成本的组合仪表，提出共享电喷系统传感器资源、选用通用和专用元器件的设计方案，实现了仪表功能的最大化。指针与数码管相结合的显示方案符合人的视觉因素，且有报警功能及时提示影响安全行驶的信息用C5l语言设计的模块化、结构化的软件具有很好的移植和参数更改特性，可以应用在不同的车型上。系统软、硬件设计合理，并通过测试达到实用要求。

关键词：摩托车；组合仪表步进；电机控制；速度算法

引用

随着国家越来越严格的有关排放法规的实施和用户需求的不断增加，各摩托车厂家相继开发了电控燃油喷射系统，以满足动力性、排放性、经济性的要求。在此基础上，若采用传统的蜗轮蜗杆机械式测速与显示系统，将会增加测速元件，同时由于具有误差大、易损坏的缺点很难满足系统高精度和实时性的要求。

在分析摩托车电喷系统原理和结构的基础上，提出了一种共享电喷系统传感器信号资源的设计方案。该方案以低成本为设计宗旨；以显示功能最大化为目标；采用低成本的单片机与元器件；利用先进的串行总线接口技术，实现了低成本的摩托车仪表系统。本系统将显示摩托车运行状态的主要信息、且具有良好的扩展性。指针与数码管的布局符合人体工程学的人体视觉因素。系统开发过程通过运用Proteus和keil软件进行软、硬件联合仿真，加速了系统的开发速度，减少了开发的中间环节，节省了开发成本。

一、系统总体方案设计

1.1系统功能方案设计

按照国家有关法规川，摩托车行驶时车速是必须显示的，此外还应显示发动机转速、行驶总里程、行驶小计里程、油量、电瓶电压等。随着摩托车行业的发展，用户在以上的显示信息基础上，要求显示更多的信息，如发动机壁面温度、总行驶时间、超速警示、油量不足警示、电瓶电压过低警示等，为此在设计中应尽可能的满足用户的需求。根据人体视觉因素对最为重要的信息采用指针指示，对次要的信息采用数码管显示，对影响安全行使的信息采用报警电路报警提示。

设计系统的功能如下：指针指示发动机转速、车速、油量和温度。数码管显示总行驶里程、小计行驶里程、总行驶时间、电瓶电压和挡位信息。设置超速、油量不足、电瓶电压过低、温度过高等报警警告。在开机时数码管能够显示生产厂家和车型信息。

1.2信号采集方案设计

车轮的转速信号通过光电传感器从摩托车的前轮碟式制动片上提取。通常为了增加制动效能，减少制动距离，摩托车的前轮多采用碟式制动器且在制动盘的边缘设有等距的散热孔。这种结构正好能够和光电传感器配套使用，不需要增加其它的传感器就能够取得车轮的转速信号。发动机转速信号取自电喷系统安装在曲轴上的电磁式曲轴位置传感器；同样发动机壁面温度信号也是来自电喷系统安装在发动机壁面上的负温度系数的热敏电阻式温度传感器。自行设计了档位传感器，通过装在换档杆上滑动触头取五个10K的电阻串联组成回路的不同点的电压值代表当前的档位信号。同时，通过光敏电阻采集外界的光强信号；通过液位传感器采集油量信号。通过MCU对采集的数据进行处理，实时的显示以上信息。电喷系统ECU工作可靠性要求很高，如果从其内部处理好的信号，必须在ECU开发阶段设计好接口电路和程序，势必会增加系统的成本，而且还会影响系统的可靠性。从系统的可靠性和成本考虑，共享的信号通过接口取自传感器信号的输出端，经简单的硬件接口处理电路传至单片机中，满足组合仪表系统的需求。

二、系统硬件设计

2.1系统主控芯片

系统主控芯片选择高性价比的AT89C5lRCZ单片机，该器件是80C51微处理器的派生器件，除具备MCS一51系列原有的特点外，还具有自己强大的功能。它的一个机器周期由6个时钟组成，运行速度是80C51的两倍。具有32K的可编程的非易失性的FALSH存储器，256字节的数据存储器，完全能够满足C语言程序存储空间大的要求和系统后续的可扩展性的要求。3个定时器，多个中断源，4个中断优先级、嵌套中断结构完全满足系统的要求。定时器2可工作在捕捉模式下对速度信息的处理更为方便。内置看门狗（WDT）电路；温度范围达到工业标准（一40℃一+85℃），本身具有极好的电磁兼容性。所以，该芯片能够完成组合仪表系统的处理功能和将来系统功能的扩展。

2.2步进电机及驱动

采用摩托车仪表步进电机驱动指针。VID29内置180l/的减速比齿轮系，它只需要两路驱动信号，输出轴的步距最小达1/12度，能够将数字信号准确转化为模拟形式显示输出。驱动采用viD66一06双极性步进电机驱动芯片可同时驱动四路步进电机。简单易用，只需要速度和方向两个控制信号就可以控制步进电机以微步转动，且内置输人端干扰过滤器，降低电磁干扰。两者的结合使用为系统软件开发带来了极大的方便，且相对其他方案成本较低。

2.3显示及驱动芯片

由于系统需要显示的位数多，如果采用传统的LED显示方式将会占用大量的硬件资源尤其是UO口资源，为了减少MCU硬件资源的占用率，采用同步串行外设接口（SPI）总线控制方式，选用武汉力源公司生产的Ps7219LED显示驱动芯片。该芯片是一个高性能，低价格的多位LED显示驱动器。其SPI接口可与任何一种单片机方便连接，并可同时驱动8位LED（或64只独立LED）。PS7219内部具有15xSRAM功能控制器寄存器，可方便寻址、对每位数字可单独控制、刷新，不需重写整个显示器。而且，显示亮度可数字控制，每位都具有闪烁使能控制位，更适合本系统的要求。通过光敏电阻感受外界光强变化情况，用程序控制PS7219的特殊功能寄存器，改变输出电流控制LED显示的亮度。白天亮度增加，以提高显示清晰度，夜晚亮度变弱，避免眩目。为保证白天亮度，应采用超高亮度数码管。

2.4里程存储芯片

里程的存储必须保证掉电数据不能丢失，上电可以读写，而E，PRoM正好具有上述特点。采用具有I2c总线接口的A孔4eoZ（E2PRoM）存储器，用虚拟I2c总线软件包，利用普通的1/0模拟I2c总线，可以节约系统的硬件资源。里程必须每隔0.Ikm存储一次，而AT24C02具有100万次的擦写寿命，要保证里程的10万km准确性，显然靠单一单元很难办到。因此，软件中采用了多次备份和滚动存储技术。

2.5电源电路

电源芯片采用日本TOSHBIA公司一款专为汽车、摩托车微处理器系统设计的电源芯片TA800OS，它不需要调节，依赖其本身的参考电压和放大电路就可输出SV士0.25V。当上电时其输出一复位信号去复位系统，它也可由于外部干扰或其它原因引起的掉电（低于SV输出电压的85%），它也会输出一复位信号。另外，它还集成了一个看门狗定时器，用于自诊断系统，当系统出错时，CI将立即产生一复位脉冲，以防止系统程序跑飞。

2.6其他硬件电路

转速信号处理电路，来自光电传感器和磁电传感器的正弦波首先经过低通滤波电路（Rl、Cl）去除附加在信号中的干扰信号后，由Dl、DZ限幅后，再送人由运放LM139构成的比较器，比较输出就是标准的TTL方波信号。光强、油量、温度、档位和蓄电池电压模拟信号经ADCO809处理后进人MCU中。

三、系统软件设计

系统软件采用模块化、结构化的设计方案。它通过前台和后台的方式运行，前台始终执行系统的主程序，后台执行系统的中断等子程序。前台主程序执行系统最主要的任务即是步进电机与ELD的驱动，由初始化子程序和驱动子程序组成，初始化子程序完成系统定时器/计数器、中断等功能标志位的设定工作。后台程序由两个中断子程序组成，外部输人中断子程序负责车速的计算滤波与处理工作；100ms中断子程序负责发动机转速计算、里程计算和存储、模拟信号的采集与处理。

系统软件采用高级语言C5l语言进行编程。为了减少误差，车速每采样10个点调用一次平均值滤波子程序滤波处理作为当前的速度值；延长发动机转速的采样时间达500ms，以减少外界干扰带来的误差。

为了保证存储数据的可靠性，采用多次备份和读出比较差错技术保证读写的正确性。采用滚动的存储来增加E2PRoM的使用寿命；采用软件陷阱和看门狗等技术保证系统的可靠运行。

结束语：

本系统是基于摩托车电喷系统而设计的，通过共享电喷系统传感器信息资源，达到降低系统成本的目的。系统采用先进的sPI和I2C总线技术，减少硬件资源，增加资源的利用率。系统硬件选择合理，既考虑了经济性和实用性，又考虑到系统后续功能的扩展需求。采用C5l语言设计的模块化、结构化的软件具有很好的移植和参数更改特性，可以应用于不同的车型。系统开发过程采用了Proteus和Keil软件对系统的软、硬件进行联合仿真测试，加快了系统的开发进程。通过试验验证，结果表明该系统工作正常、计数正确、显示稳定。通过后续不断努力将按照标准完成耐温度、湿度、震动的循环变化的试验等相关的程序达到批量生产装车应用的要求。

参考文献：

[1]严天峰.单片机应用系统设计与仿真调试2016

[2]何立民.HC总线应用系统设计2017

[3]王武.基于MCU的全数字式摩托车仪表2017