嵌入式汽车数字仪表设计方案

一、引言

随着汽车电子技术的飞速发展，汽车数字仪表作为汽车信息的重要显示装置，其功能性和可靠性要求日益提高。本文提出了一种基于ARM架构的嵌入式汽车数字仪表设计方案，详细阐述了系统结构、主控芯片选型及其在设计中的作用，并介绍了各个模块的工作原理和通信方式。

二、系统概述

汽车数字仪表系统需要处理的信号主要包括车速、发动机转速、水温、油量以及各种开关量或报警信号。其中，发动机转速信号和前后灯信号从CAN总线（发动机电控模块和前后灯电控模块）获取，而车速信号、水温、油量和其他开关量信号则从相应的传感器获取。

本系统对车速、发动机转速、水温和油量信息采用步进表头显示，里程信息采用LCD显示，开关量或报警信号采用LED显示。串口EEPROM用于存储里程信息。系统采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510与收发器80C250构成CAN节点，用于实现与汽车其他CAN节点间的通信。

三、主控芯片选型及其作用

1. 主控芯片型号：三星S3C44BOX

型号说明：

• 三星S3C44BOX是一款基于ARM7TDMI内核的16/32位RISC处理器，其工作主频可达75 MHz，内部资源丰富。

• S3C44BOX内部无存储器（内部SRAM用于缓存），因此必须采用总线扩展外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。

在设计中的作用：

• 数据处理核心：S3C44BOX作为主控制器，负责接收并处理来自各个传感器的信号，包括车速、发动机转速、水温、油量等模拟信号，以及开关量和报警信号。

• 通信接口控制：通过内置的SIO接口（与MCP2510的SPI接口时序配合），实现与CAN总线的通信，从而获取发动机转速信号和前后灯信号。

• 显示控制：通过I/O端口控制步进电机表头、LCD显示器和LED指示灯，实时显示车速、发动机转速、水温、油量、里程等信息以及报警信号。

• 存储管理：通过I2C总线方式，利用AT24C04存储器件存储里程信息，确保数据在掉电时能够及时保存。

2. 其他关键芯片

• CAN节点控制器：Microchip公司的MCP2510，具有SPI接口，用于实现与汽车其他CAN节点间的通信。

• 存储器：16 Mbit的FlashSST39VF160作为程序存储器，64 Mbit的SDRAM HY57V641620作为数据存储器。

• 步进电机驱动器件：Switec的汽车仪表专用步进电机X15.168及专用四通道步进电机驱动器件X12.017。

• 电压转换器：7805稳压器作为5V电压转换器，AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分别作为2.5V和3.3V电压转换器。

四、系统结构与设计

1. 电源电路

该汽车数字仪表系统采用汽车蓄电池供电，蓄电池电压约为12V，而系统需采用5V、2.5V和3.3V工作电压。S3C44BOX内核工作电压是2.5V，I/O端口的工作电压是3.3V，调理电路以及一些驱动器件需用5V的工作电压。因此，系统选用7805稳压器作为5V电压转换器，选用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分别作为2.5V和3.3V电压转换器。掉电时能够及时存储里程信息，电源地需接一只1000μF的电容，确保S3C44BOX在掉电时仍能工作一段时间，完成里程信息的存储。

2. 信号调理电路

• 车速脉冲信号调理：由于汽车大多工作在恶劣环境下，车速传感器信号易受到干扰，因此在输入至中断端口EINT0前需要对车速脉冲信号进行处理。采用RC滤波、三极管放大以及斯密特整形方法调理车速脉冲信号。

• 水温、油量信号调理：水温、油量信号是电阻信号，需转化为电压信号，再将其电压信号输入至S3C44BOX的AD端口。

• 开关量信号调理：其他开关量则经过滤波降压后输入至S3C44BOX的I/O端口。

3. 显示模块

• 步进电机表头：选用Switec的汽车仪表专用步进电机X15.168及专用四通道步进电机驱动器件X12.017。S3C44BOX的I/O电平为3.3LVCMOS电平，而X12.017是5VCMOS电平，需采用74LVX4245电平转换。

• LCD显示：用于显示里程信息。

• LED显示：用于显示开关量或报警信号。

4. 存储模块

采用AT24C04存储器件来存储里程信息。AT24C04是4Kbit的串行存储器，采用I2C总线方式实现里程信息的存储。

5. 通信模块

• CAN总线通信：采用Microchip公司的具有SPI接口的控制器MCP2510与收发器80C250构成CAN节点，用于实现与汽车其他CAN节点间的通信。S3C44BOX无SPI接口，但有SIO接口，可通过设置S3C44BOX的SIO模块所对应的寄存器实现上升沿发送数据，下降沿接收数据，从而与MCP2510的SPI总线时序相配合。

• 串口EEPROM：用于存储里程信息。

6. 操作系统与任务划分

系统采用Jean J-Labrosse开发的免费的、开源的嵌入式实时操作系统μC/OS-II。μC/OS-II是一个基于优先级的可剥夺型内核，系统所有任务都有一个唯一的优先级别，适用于实时性要求较强的场合。μC/OS-II提供多种系统服务，如消息邮箱、消息队列、信号量管理以及时间延时等，实时内核使得CPU的利用更有效。

本系统主要有8个任务，即车速脉冲测量任务、CAN总线任务、水温采样任务、油量采样任务、开关量处理任务、里程记录及LCD显示任务、步进电机驱动任务、WDT任务。任务间通过消息队列和信号量进行通信和共享数据。

• 车速脉冲测量任务：脉冲信号接EINT0，使用定时器1定时，测量t时间内脉冲数，并将数据发送到消息队列。

• CAN总线任务：等待中断服务程序发送，接收CAN总线数据的信号量，获得CPU使用权后，处理CAN总线数据并将其发送到消息队列，并再次等待接收信号量。

• 水温和油量采样任务：定时采样模拟量，并将采样到的模拟量数值发送到消息队列。

• 开关量处理任务：根据开关量的状态控制LED点亮或熄灭，延时。

• 里程记录及LCD显示任务：当车速脉冲值累加至0.1km计数值，向本任务发出信号量，任务获得信号量后进入准备就绪状态，在任务调度时获得CPU的使用权，显示并记录里程信息，运行后继续等待接收信号量。

• 步进电机驱动任务：首先等待消息队列，再根据送出消息的任务识别出信息内容，根据队列中的数据驱动步进电机旋转相应的步数，运行后再次等待队列中的消息。本任务赋予第2高优先级。

• WDT任务：用于监控，提高系统的可靠性，任务优先级最高，延时。

五、系统实现与测试

1. 初始化与任务创建

主程序在完成初始化（硬件初始化ARMtargetInit()、μC/OS-II初始化OSInit()、建立消息队列等）工作后依次创建各任务，然后调用OSStart()启动操作系统，启动时钟ARMTargetStart()。

2. 系统测试

• 功能测试：验证系统能否正确显示车速、发动机转速、水温、油量等信息，以及能否正确响应开关量和报警信号。

• 性能测试：测试系统的响应时间和数据处理能力，确保系统能够满足实时性要求。

• 可靠性测试：在恶劣环境下进行长时间运行测试，验证系统的稳定性和可靠性。

六、结论

本文提出了一种基于ARM架构的嵌入式汽车数字仪表设计方案，详细阐述了系统结构、主控芯片选型及其在设计中的作用，并介绍了各个模块的工作原理和通信方式。该系统采用三星S3C44BOX作为主控制器，通过CAN总线与汽车其他模块进行通信，实现了车速、发动机转速、水温、油量等信息的实时显示和报警信号的提示。同时，系统采用μC/OS-II实时操作系统进行任务管理和资源调度，提高了系统的实时性和可靠性。经过测试验证，该系统功能完善、性能稳定、可靠性高，具有广泛的应用前景。