电动汽车液晶数字仪表设计

２０１３年（第３５卷）第３期　汽车工程　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

电动汽车液晶数字仪表的设计术　２０１３０５３　

陈新　，张桂香　，肖奇云　（１．湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙４１００８２；２．湖南人文科技学院，娄底４１７０００；　３．娄底市大丰和电动车辆有限公司，娄底４１７０００）　

［摘要］　本文中介绍电动汽车液晶数字仪表的设计。其硬件采用以ＡＲＭ９２０Ｔ为内核的￥３Ｃ２４４０Ａ作为主控　芯片，软件采用ＩｘＣ／ＯＳ—Ｕ操作系统和ＩｘＣ／ＧＵＩ图形显示界面，并实现指针动画显示和Ｊ１９３９协议。为某电动汽车厂　家设计的液晶仪表的实车测试结果表明，液晶汽车数字仪表可满足实际的使用需求，比常规仪表更人性化。　关键词：电动汽车；液晶数字仪表；设计；Ｉ￣Ｃ／ＧＵＩ；Ｓ３Ｃ２４４０Ａ；ｔ￣ｃ／ｏｓ－ＩＩ；ＳＡＥ　Ｊ１９３９　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＬＣＤ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｃｈｅｎ　Ｘｉｎ　一．Ｚｈａｎｇ　Ｇｕｉｘｉａｎｇ　＆Ｘｉａｏ　Ｑｉｙｕｎ。　１．Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｍｉ＠，Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｏｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｂｏｄｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２；　２．Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｕｍａｎｉｔｉｅｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｏｕｄｉ　４１７０００；３．ＤａＦｅｎｇＨｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃａｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｏｕｄｉ　４１７０００　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＬＣＤ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｕｓｅｓ￥３　Ｃ２４４０Ａ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ＡＲＭ９２０Ｔ　ａｓ　ｍａｓｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ＩＣ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉ￣Ｃ／ＯＳ··ＩＩ　ｏｐｅｒ－－　ａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＩｘＣ／ＧＵＩ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｆｏｒ　ｍｅｔｅｒ　ｐｏｉｎｔｅｒ　ａｎｄ　ＳＡＥ　Ｊ１９３９　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ａ　ＬＣＤ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍａｎｕｆａｃ—　ｔｕｒｅｒ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＬＣＤ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｕｓｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｈｕｍａｎｉｚｅｄ　ｔｈａｎ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｏｎｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ＬＣＤ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｄｅｓｉｇｎ；ｐＬＣ／ＧＵＩ；￥３Ｃ２４４０Ａ；ｔ￣ｃ／ｏｓ－ＩＩ；ＳＡＥ　Ｊ１９３９　

日Ｕ百　目前汽车仪表主要分为以下几种。　（１）纯机械式仪表使用电机和机械结构驱动　指针，其它信息通过仪表板上的灯点亮显示。　（２）插接显示屏仪表盘显示屏仍然使用机械　针，但是提供了一个或者多个额外的显示屏，通常位　于量程之间的中心位置。该显示屏可用于显示当前　油料消耗、温度或类似的信息。　（３）纯液晶显示屏全面可配置的仪表盘使用　高分辨率的大尺寸显示屏；没有使用机械式指针，通　过图形处理呈现出逼真的模拟指针。仪表盘内容完　全由软件定义，可灵活地针对具体使用情形调整。　汽车仪表演变过程中第一步是引入液晶显示屏　来显示里程信息和其它简单的字母数字信息。由于　嵌入式系统的发展和液晶显示屏价格的下降，这使　基于图形用户界面的汽车纯液晶仪表的解决方案在　性能上和价格上变得现实。　目前由于电动汽车的仪表和传统仪表显示内容　有差异，而且电动汽车车型和类别众多。开发一个　汽车仪表板须重新设计硬件和外观，这将导致汽车　厂在汽车仪表上投入大量人力和资金。汽车纯液晶　仪表盘总体思路就是以带有图形和动画显示的方式　显示汽车复杂的信息，不少电动汽车公司对纯液晶　仪表设计表现出了强烈的兴趣和开发意愿。本文中　

工信部核高基重大专项（２００９ＺＸ０１０３８—００１）、湖南省娄底市科技计划项目和湖南娄底战略性新兴产业项目资助。　原稿收到日期为２０１１年９月２９日，修改稿收到日期为２０１１年１１月３０日。　

学兔兔 www.xuetutu.com２０１３（Ｖｏ１．３５）Ｎｏ．３　陈新，等：电动汽车液晶数字仪表的设计　·２７３·　针对某电动车厂的仪表进行了改造和设计。　

１　硬件设计　纯液晶仪表包含传统仪表的所有功能，以液晶　屏作为显示终端，将所需的大量、复杂的信息以图形　和文字方式，灵活、准确地显示在ＬＣＤ屏幕上，可以　准确、清晰地显示速度、转速、里程、左右转向、大灯　和报警等信息。仪表基本的要求是：高实时Ｉ！生响应、　高亮度显示图形和指针动画，能接收来自ＣＡＮ总线　和传感器的信号等。对于仪表硬件的选择须考虑如　下几点。　（１）屏幕尺寸根据实际仪表大小，可选择７　１０英寸的高分辨率液晶。　（２）动画频率为实时显示指针的快速移动，　就必须提供一个较高的动画频率，如速度表和转速　表中的量程指针。　（３）处理能力和内存大小由于要运行复杂的　图形系统和处理各种信息，要保证主控芯片有足够　的处理速度；另外为防止刷新屏幕时抖动，须先进行　运算等操作，要有足够大的内存空间进行存储。　整个系统硬件采用了三星公司生产的基于　ＡＲＭ９２０Ｔ内核的￥３Ｃ２４４０Ａ，最高运行频率为　４００ＭＨｚ，集成专用ＤＭＡ的ＬＣＤ控制器，支持最多　４Ｋ色ＳＴＮ和２５６Ｋ色Ｔ　ＦｒＩ＇液晶，可较方便地连接高　分辨率液晶。￥３Ｃ２４４０Ａ丰富的外设方便了用户的　硬件设计，该仪表包括液晶模块、大容量ＮＡＮＤ．　ＦＬＡＳＨ、６４Ｍ的ＳＤＲＡＭ、ＣＡＮ总线接口、音频接口、按　键和ＥＥＰＲＯＭ存储芯片ＡＴ２４Ｃ０８等，如图１所示。　ｌ　６４Ｍ　ＳＤＲＡＭ　ＭＣＰ２５１０　ＵＤＡ３４１３　ｌ　ＮＡＮＤ－ＦＬＡＳＨ　Ｓ３Ｃ２４４０Ａ　ＡＴ２４Ｃ０８　ＬＣＤ　ｌ　按键　图１仪表硬件原理框图　１．１液晶接口电路　液晶模块采用了群创公司生产的７英寸　ＡＴ０７０ＴＮ８３　Ｖ．１液晶，分辨率为８００ｘ４８０，采用４０　脚数字接口。￥３Ｃ２４４０Ａ集成的ＬＣＤ控制器有１个　支持从系统存储器的视频缓冲器接收图像数据的专　用ＤＭＡ，可在屏幕上显示视频数据而无须ＣＰＵ的介　入。ＬＣＤ控制器包括用于传输图像的数据端口ＶＤ　［２３：０］和必要的控制信号，如ＶＦＲＡＭＥ、ＶＬＩＮＥ、　ＶＣＬＫ、ＶＭ等。ＬＣＤ控制器和ＡＴ０７０ＴＮ８３　Ｖ．１液晶　模块的电路示意图如图２所示。除了上述控制线　外，ＬＣＤ中的ＭＯＤＥ管脚定义液晶控制模式，Ｌ／Ｒ　和Ｕ／Ｄ则定义液晶的扫描模式，￥３Ｃ２４４０Ａ通过Ｉ／Ｏ　口提供一个２００Ｈｚ频率的方波给管脚，利用占空比　调节ＬＣＤ亮度¨　。　

ＶＭ　ＤＥ　Ｖｌｅｄ　５．０　ＶＦＲＡＭＥ　ＶＳ　Ｖｃｃ　·－－－－一－Ｊ３．２　ＶＬＩＮＥ　ＨＳ　ＭｏＤＥ　——　ＶＣＬＫ　ＤＣＬＫ　ｌ（　

￥３Ｃ２４４０　Ｉ／Ｏ　ＡＤＪ　ＡＴ０７０ＴＮ８３　

ＧＮＤ　——一Ｉ．　Ｂ０－Ｂ５　ＶＤ２～ＶＤ７　１Ｏｋ　

Ｇ０－Ｇ５　ＶＤｌＯ～ＶＤ１５　Ｌ／Ｒ　—　Ｒ０～Ｒ５　ＶＤｌ８－ＶＤｌ　Ｕ／Ｄ　———一ｌｌ　

图２　ＬＣＤ控制器和液晶的电路示意图　

３＿３Ｖ　３Ｖ　

１．２　ＣＡＮ总线电路　ＣＡＮ总线部分电路原理图如图３所示。　￥３Ｃ２４４０Ａ本身不带ＣＡＮ控制器，须通过外部的　ＣＡＮ控制器来实现ＣＡＮ总线通信。ＭＣＰ２５１０是一　种带有ＳＰＩ接口的ＣＡＮ控制器，它支持ＣＡＮ技术规　范Ｖ２．０　Ａ／Ｂ，能发送或接收标准的和扩展的信息　帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。　￥３Ｃ２４４０Ａ通过ＳＰＩ接口与ＭＣＰ２５１０进行数据传　输，最高数据传输速率可达５Ｍｂ／ｓ。ＳＮ６５ＨＶＤ２３０　是德州仪器公司生产的３．３Ｖ　ＣＡＮ总线收发器，该　收发器具备差分收发能力，最高速率可达１Ｍｂ／ｓ。　广泛用于汽车和工业自动化等相关领域。　

ＲＥＳＥＴ　１７　ＶＤＤ　ＴＸＣＡＮ　ＧＰＧ２／ｎＳＳ０　１６　ＲＥＳＥＴ　ＲＸＣＡＮ　ＧＰＥｌ　１／ＳＰＩＭＩＳＯ０　１５　ＣＳ　ＧＰＥ１２／ＳＰＩＭＯＳ１０　１４　ＳＯ　ＧＰＥｌ３／ＳＰＩＣＬＫ０　ｌ３　ＳＩ　ＣＬＫＯＵＴ　

１２　ＳＣＫ　ＲＸＯＢＦ　ＧＰＧ０厄ＩＮＴ８　ＩＮＴ　ＲＸＩＢＦ　

￥３Ｃ２４４０Ａ　Ｔ）（ＯＲＳＴ　ｏＳＣ２　ＴＸ１ＲＳＴ　ＯＳＣ１　６　ＴＸ２ＲＳＴ　Ｖｓｓ　

ＭＣＰ２５１０　Ｇ　Ｄ　

图３　ＣＡＮ总线部分电路原理图　

２软件设计　图形用户界面是软件和最终用户的接口，在很　大程度上决定着软件的成败和显示效果。目前嵌入　式图形用户界面开发工具主要包括：（１）诺基亚公　司的产品Ｑｔ，是完全面向对象的跨平台图形用户界　

学兔兔 www.xuetutu.com汽车工程　２０１３年（第３５卷）第３期　面开发工具，是Ｌｉｎｕｘ系统中最流行的开发工具之　也是在Ｕｎｉｘ上自由软件开发的主流＿２　；（２）　ＭｉｎｉＧＵＩ是一个高效、可靠、可定制和小巧灵活的图　形用户界面支持系统，具有跨硬件平台、跨操作系统　的可移植性　；（３）￣Ｃ／ＧＵＩ是Ｍｉｃｒｉｕｍ公司开发的　通用的嵌入式图形用户界面软件，该界面软件被设　计用于为任何使用１个图形ＬＣＤ的应用提供一个　有效的不依赖于处理器和ＬＣＤ控制器的图形用户　接口。ＩｘＣ／ＧＵＩ适用于使用任何ＬＣＤ控制器和ＣＰＵ　的任何尺寸的物理和虚拟显示，具有源代码开放和　模块化设计的特点。　汽车仪表涉及多个任务，如图形显示与刷新和　ＣＡＮ总线的通信与语音提示等，图形界面设计也须　用到消息和多任务支持，设计中使用了ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ操　作系统＋ＩｘＣ／ＧＵＩ图形用户界面的组合，系统软件的　整体架构如图４所示。　应用程序层　｛　ｌ”ｃ／ＧｕＩ图形界面ｌ　、　，　｛　Ｌ　ｌ　ｔｌＣ／ＯＳ＿Ｔｌ操作系统Ｉ　｛　、　ｒ　Ｉ　Ｎ￣Ｋｇｃ／ｏｓ＿Ｉｌ　Ｊ　Ｉ　ＬｃＤ驱动　｛　｛　Ｉ￥３Ｃ２４４０Ａ＋外设　图４软件整体架构　软件层　硬件层　２．１￣ｃ／ｏｓ－ＩＩ操作系统　￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ的代码被分为处理无关的代码、与应　用相关的代码和与处理器相关的代码３个部分。系　统移植时只要考虑与处理器相关的代码。与处理器　相关的代码由ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ和ＯＳ—ＣＰＵ　Ａ．Ｓ　３个文件组成。ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ中包括数据类型　的定义和实现宏Ｓ＿ＥＮＴＥＲ—ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）和ＯＳ—ＥＸ—　ＩＴＣＲＩＴＩＣＡＬ（）。ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ中最主要的是实现　任务的堆栈结构，操作系统的一些钩子函数也在文　件中实现。ＯＳ—ＣＰＵ—Ａ．Ｓ包括处理器部分汇编函数　实现，其中包括：ＯＳＳｔａｒｔＨｉｇｈＲｄｙ（）来使就绪态任务　中优先级最高的任务开始运行；ＯＳＣｔｘＳｗ（）任务级　上下文切换函数；ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）中断任务退出函数；　ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ（）时钟中断处理函数　。　由于￣Ｃ／ＯＳ．Ⅱ是一个占先式的内核，采用基于　优先级的抢先式调度算法，有效地保证了实时性的　要求。根据需要，系统的主要任务为：（１）Ｊ１９３９协　议通信；（２）图形显示与刷新；（３）ＲＴＣ时间读取；　（４）语音播放和按键读取；（５）将里程写入ＥＥＰ—　ＲＯＭ。每个任务都有自己的堆栈和ＣＰＵ寄存器，并　且被赋予一定的优先级。这些任务优先级由低到　高，优先级高的任务一旦处于就绪状态，则立即抢占　正在运行的低优先级任务的处理器资源。Ｉ￣Ｃ／ＯＳ．　Ⅱ有任务级和中断级两种任务调度方式，其中Ｊ１９３９　协议通信采用了中断级任务调度，其它采用任务级　任务调度，这样保证了Ｊ１９３９协议通信的实时性和　避免其它任务的干扰。　２．２　ｔｔＣ／ＧＵＩ图形显示界面的实现　ＩｘＣ／ＧＵＩ是一个通用的嵌入式图形软件，具有　模块化的特点，由于ｔｘＣ／ＧＵＩ采用分层结构，即具有　驱动接口层和应用层；而且ｔｒＣ／ＧＵＩ的代码全部用　Ｃ语言编写，因此它可方便地移植到各种ＣＰＵ下使　用。ＩｘＣ／ＧＵＩ目录结构见表１。