汽车数字式燃油表
分类号密级
8王8573
学谨话支
汽车数字式速度／燃油表的设计
作者姓名塑垦盛
指导导师姓名堡叁焦邀撞
盔ab盘茎主塑兰l§盟塞堑
申请学位级别硕士一学科类别王．主
学科专业名称圭堑王壁
论文提交日期2Q!§生!旦论文答辩日期2QQi1 2：Z￡
学位授予日期
评阅人一
答辩委员会主席——
东北大学
2005年2月
寐经作溃．擎芽筑慧
勿全文公布
东北大学硕士学位论文
汽车数字式速度／燃油表的设计
摘要
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，在人机对话中扮
演着重要的角色，可以随时反映出汽车的运行状态和汽车上各种系统的有用信号，
为驾驶员正确使用汽车及安全驾驶提供了保证。
当前，人们对汽车性能要求愈来愈高，同时随着电子技术的进步、新型传感
器以及显示元器件的发展、电子计算机在汽车控制系统中的广泛应用，汽车仪表
系统的电子化和数字化已成为必然趋势。通过仪表电子化、数字化可为驾驶员提
供高精度的数据信息，同时免去了传统机械式和电气机械式仪表的缺点，所以汽
车仪表的数字化越来越为汽车界所瞩目。本文在分析汽车仪表现状以及其自身特征的基础上，提出汽车数字式仪表系统的设计方案，数字仪表具有外形美观、结
构简洁、反应灵敏、体积小、精度高、显示清晰直观、信息量大、功能扩展方便
等优点。
本文将设计的汽车仪表总体分为三个部分(传感器及其相关控制器件部分、
嵌入式微型计算机应用系统及其相应应用软件部分和显示器件及其相应软件部
分)，进行模块化设计。传感器及其相关控制器件部分是仪表进行信号获取、信号
转换的特征硬件；嵌入式微型计算机应用系统硬件部分是仪表实现信号采集、相
关过程控制、数据处理、数据保存、数据交换等功能的公用硬件；显示器件是人
机接口的最终界面。希望通过为仪表开发人员提供功能完善的嵌入式微型计算机
应用系统及其相应应用软件开发平台束提高新型汽车仪表的开发效率，促进汽车
仪表的智能化、数字化进程。
基于此，本课题做了进一步的可行性研究，文中详细论述了由Philips公司
87C552单片机为核心构成的汽车速度／燃油仪表系统的整体设计，主要包括传感器
设计、单片机的接口设计、显示器件电路设计、小型开关电源设计、系统硬件实
现方法、软件流程、系统的仿真过程。通过采用功能强大的87C552单片机，不但
提高了系统的实时处理速度而且增强了系统的抗干扰能力。液晶显示模块的使用
使得大量的图像和文字信息的显示成为可能。在超速或油量不足时，通过采用声
音报警及时准确地提醒驾驶者。
关键词87C552液晶显示模块传感器多倍周期法模块化
·Ⅱ·
东北大学硕士学位论文ABSTRACT
The Design ofAutomobile Digital
Speedometer／Fuel Indicater
Abstract
Automobile instrument is an important device to connect human and machine as
well as important interface for communion of information between driver and
automobile，it Can provide state of automobile and available signal from other system of automobile at any moment．Automobile instrument may help deriver to drive effective
and safe．
At presenk the people are higher and higher request to the automobile function．耽e fact that automobile instrument become’electronic and digital system is inevitable trend along w{tll electronic technical progress．development of new sensor and display and computer have extensive applied in the controls system of the automobile．The
electronics and digital instrument Can provide information of high precision for driver．Because it has no disadvantage of traditional instrument．them are more and more
people pay attention to the digital instrument．In this paper,I put forward design project of automobile digital instrument system based on analysis for the present station of automobile instrument．The system has following advantage：beauty，simple structure，intelligent response，small physieal volume，high precision，clear display，great capacity information,expand function convenience etc．
In this paper automobile instrument system comprise three parts(sensor including
correlative control component，embedded micmcontroller system with internet
applications and display including its driving software)．Then modularization design is
been introduced to develop the system．The sensor part is the special component to
capture signal and the embedded micro controller system is the communal component to
realize signal data processing and other contr01．Display is ultimate interface contact human and automobile．1 wish to improve the developing efficiency of automobile instrument by providing the communal component for design personnel．
Based on above mentioned，this paper has discussed in detail the total design of
automobile fuel／speed system composing wim 87C552 single chip processor，the
interface design of single chip processof，the design of sensor，systematic hardware and
东北大学硕士学位论文ABSTRACT
software realization method，as well as power system and system emulating process．
The 87C552 single chip call improve real time speed and anti-jamming capability of
system．It has become possible that plentiful image and word display by use LCD．
When exceeding the speed limit or the insu fficiency of fuel，through adopting
acotlsto—optic report drivers will take notice ofinformation in time．
Key words 87C552 LCD sensor many times ofperiod method modularization
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取
得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或
撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确
的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：锄多颇
El 期：沈妒厂．2．z厂
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学
位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的
复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学
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(如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)
学位论文作者签名：
签字日期：
导师签名：
签字日期：
东北大学硕士学位论文第一章绑沦
'第帚一旱章三百绪下论匕
1．1本课题的目的和意义
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，在人机对话中扮
演着重要的角色，它为驾驶员提供其所需的信患，对汽车的安全与经济行驶起着
重要的作用。随着汽车工业的发展，现代汽车的各种机构日趋复杂，附属装置也
日益增多，为了使驾驶员更详细更迅速地掌握各种机构和装置的状态，以便更有
效地控制汽车使其正常工作，作为现代汽车信息中枢的汽车仪表显得越来越重要，
并伴随着汽车电子技术的发展而快速发展。
初期，汽车上装备的仪表有车速表、里程表、发动机水温表、电流表等。这
些传统的机械式和电气机械式仪表，都是通过指针和刻度实现模拟显示，它们存在着准确率低、显示信息量少、体积较大、可靠性差、容易使驾驶员疲劳等缺点。
特别是作为测量汽车行驶过程中最重要参数的车速表，大多还采用机械传动机构，
由软轴驱动指针偏转来显示车速，其缺点非常明显：低速时，机械式车速表的指
针摆动剧烈，测量及显示精度不高；高速时，其显示误差随速度的增大而增大；
此外，软轴高速旋转时受到材料交变极限应力限制易疲劳断裂，使仪表失效。当前，人们对汽车性能要求愈来愈高，同时随着电子技术的进步，新型传感
器、显示元器件的发展，电子计算机在汽车控制系统的广泛应用，汽车仪表系统
的电子化和数字化已成为必然趋势。通过仪表电子化数字化可为驾驶员提供高精
度的数据信息，同时免去了传统机械式和电气机械式仪表的缺点，所以汽车仪表
的数字化越来越为汽车界所瞩目。通过借助先进的计算机辅助设计技术手段，采
用智能化单片微型计算机控制技术——在一块芯片上集成中央处理器(cPU)、只读存储器(ROM)、输入／输出接口(I／O)、可编程定时器／计数器、A／D转换器等
来完成模拟量和开关量的采集、处理和控制计算，然后输出控制信号，指示汽车
行驶状态的各种技术参数指标，具有集成度高、功能强、体积小、速度快、存储
量大、指令丰富、抗干扰性强、性能价格比高等优势和特点【42』。
带有电子控制单元(ECU)的数字技术在汽车仪表上的广泛应用，将是汽车
仪表发展的必然。其优势主要有以下几点：
(1)仪表的功能由软件和硬件共同实现，而且主要是通过软件实现。这对于
量大且对成本极为敏感的汽车仪表有特殊意义，因为软件的开发费用分摊到每个
仪表上是非常少的。
(2)与电子线路硬件组成的汽车仪表相比，带有ECU的汽车仪表，其功能的
东北大学硕士学位论文第一章绪论
实现手段更加灵活多样。
(3)产品的“柔性”更好，即在推出新款产品时，能最大限度地利用以前产
品的硬、软件设计成果，仅做少量修改便可，这在产品更新换代很快的今天和未
来特别重要。
(4)随着汽车电子化水平的提高，必须要求汽车仪表与汽车上其它装置交换
数据，即要求接入到汽车的计算机系统总线上。
汽车电子仪表设备不仅可衡量代表一个国家汽车生产技术水平重要标志的汽
车电子化程度，而且还可推动我国汽车工业的发展，因此，汽车电子仪表是处于
快速发展过程的重要的汽车高新技术，值得各界引起高度重视。
1．2汽车电子技术的发展历史16】
社会需求的牵引、法规的推动和技术的进步，是导致汽车上采用电子技术并
蓬勃发展的根本原因。安全方面是最早的法规，随后陆续制订了排气污染、噪声
控制、燃油经济性等一系列日益严格的法规。它们强制性地推动了电子技术在汽
车上的广泛应用，许多机械控制系统被电子控制系统所取代，使汽车电子化的程
度越来越高，并形成了三个阶段：
第一阶段：从二十世纪60年代中期N70年代末期，主要是从技术革新着眼，
应用电子装置改善部分机械部件的性能。这些革新往往是局部的、不很关键的，
按汽车各部件完成相对独立的自动控制功能，在汽车总体设计中不予以系统考虑。
例如采用硅整流发电机、发动机晶体管无触点点火、电子控制燃油喷射、电子时
钟等。
第二阶段：从70年代末期N90年代中期，汽车电子技术的雏形开始形成，主
要特点是在汽车大部件乃至总成的设计和生产中，重视“机电一体化”的思想与
技术，应用电子装置解决机械部件无法解决的复杂自动控制问题。在这一阶段，
大规模集成电路和4位、8位微处理器被广泛应用，从而减小了电子系统的体积，
增加了可靠性。这一时期产生了许多汽车综合电子控嗣系统，包括发动机电子管
理系统、动力传动总成控制系统、制动防抱死系统、电子控制空气悬架、电子控制转向系统、电子仪表群和复杂的娱乐系统等。
第三阶段：从90年代中期，预计到2010年，汽车电子作为工程技术己经成熟，
将积累形成汽车电子技术群，并导致“汽车电子学”这门集机电一体化、多学科综合、特色鲜明的新兴学科的诞生。在这一时期，电子工业将继续为汽车工业提供大批量的更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量内存的16位或32位微处理器等。汽车的总体设计将在考虑整车机电系统协调匹配的基础上进行，强调汽·2·
东北大学硕士学位论文第一章绪论
车整体设计的机电一体化，重视总体、系统，设计者将不再采用出现在第一和第二阶段的“机械功能替代”或“增添”式的设计思想和方法。同时，汽车电子技术的重点也将由解决汽车部件或总成的自动控制问题开始向广泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化、智能化，以及解决汽车与社会联结等问题转移。1．3国内外的研究现状及发展趋势
我国汽车电予在整车上装置费用现状见表1．1。国外汽车电子应用情况见表
1．2。
表1．1我国汽车电子装置费用
Tablel．1 Our country spending ofelectronic devices on automobile
年份1978 1980 1985 1986 1990 1995 2000
电子装置费用
(元，车)
1．72 3 119 146 355 1500 7000
表1．2国外汽车电子装置费用
Tablel．2Foreignspendingofelectronicdevices on automobile
年份1970 1975 1980 1984 1990 1995 2000
电子装置费用
(美元／车)
25 60 128 585 900 1125 2000
由表1．1和表1．2比较可见，与国外同年份相比，以1990年为例，国外每年
的电子装置费用为900美元，而我国仅为355元，两者相差近20倍，至于技术水
平上的差距则难以用数字来衡量。因此可以说，我国的汽车电子产业无论在企业规模、技术水平还是产品类别、整体实力等方面都处于比较低的水平，汽车电子产品还停留在低档次阶段，如电子电压调节器、转向闪光器、雨刮器延时控制器等。近几年来，在汽车电子技术方面加大了引进国外先进技术力度，但主要是汽油发动机电子控制系统和防抱死电子制动系统等方面。
早在上世纪60年代，国外就已开始了汽车仪表盘的电子化研究，直到80年代，
随着非接触式测量技术和电子显示技术的发展，汽车仪表的电子化进程得以进一步发展，纯机械式的汽车仪表逐步被电气化、电子化、数字化和智能化组合仪表所取代。在技术领先的德国和日本，其汽车仪表产品已由传统的组合仪表板向汽车集成信息系统方向发展。
当前正在使用的汽车组合仪表类型也很多，其规格档次各不一致，主要体现
·3 ·
东北大学硕士学位论文第一章绪论
车整体设计的机电一体化，重视总体、系统，设计者将不再采用出现在第一和第
二阶段的“机械功能替代”或“增添”式韵设计思想和方法。同时，汽车电子技
术的重点也将由解决汽车部件或总成的自动控制问题开始向广泛应用计算机网络
与信息技术，使汽车更加自动化、智能化，以及解决汽车与社会联结等问题转移。
1_3国内外的研究现状及发展趋势
我国汽车电子在整车上装置费用现状见表1 1。国外汽车电子应用情况见表
表1．I我国汽车电子装置费用
Tablel．1 Our country spending ofelectronicdevicesonautomobile
1 年份1978 1980 1985 1986 1990 1995 2000 J
l电了装置费用
l (元库) 】．72 3 119 146 355 1500 ，ooo l
表1 2国外汽车电子装置费用
Tablel 2 Foreien spending ofeleelronic devices on automobile
1 年份1970 1975 1980 1984 1990 1995 2000
l电子装置费用
l(美元，车) 25 60 128 585 900 1125 2000
由表I．1和表1．2比较可见，与国外同年份相比，以1990年为侧，国外每年
的电子装置费用为900美元，而我国仅为355元，两者相差近20倍，至于技术水
平上的差距则难以用数字来衡量。因此可以说，我国的汽车电子产业无论在企业
规模、技术水平还是产品类别、整体实力等方面部处于比较低的水平，汽车电子
产品还停留在低档次阶段，如电子电压调节器、转向闪光器、雨刮器延时控制器
等。近几年来，在汽车电子技术方面加大了引进国外先进技术力度，但主要是汽
油发动机电子控制系统和防抱死电子制动系统等方面。
早在上世纪60年代，国外就已开始了汽车仪表盘的电子化研究，直到80年代，
随着非接触式测量技术和电子显示技术的发展，汽车仪表的电子化进程得以进一
步发展，纯机械式的汽车仪表逐步被电气化、电子化、数字化和智能化组合仪表
所取代。在技术领先的德国和日本，其汽车仪表产品已由传统的组合仪表板向汽
车集成信息系统方向发展。
当前正在使用的汽车组合仪表类型也很多，其规格档次各不墩，主要体现当前正在使用的汽车组合仪表类型也很多，其规格档次各不一致，主要体现
·3 ‘
东北大学硕士学位论文第一章绪论
在汽车行驶车速和行驶里程两参数的测量上，有传统的机械软轴式车速里程表，
有频率——电压转换式电子车速里程表，也有较为先进的以数字电路为基础的数
显式车速里程表，采用微处理器为核心的数字显示和图文显示式智能化组合仪表
研究应用才处于刚刚起步阶段。我国汽车工业比较落后，汽车电子化程度较低，
汽车仪表行业产量小，品种少，规格也低。加入WTO后，我国汽车产业发展很快，
并且作为国家重点发展产业得到了国家重点扶持，汽车仪表电子化进程也进一步
加快。
伴随汽车工业规模生产和规模经营的形成，以及对环保、安全保障、人机一
体化等方面提出的更高要求，越来越需要汽车仪表具有集感觉、识别、情况分析、
信息库、适应和控制六个方面为～体的智能化系统功能。两汽车电子技术的不断
发展和计算机在信息与控制领域的广泛应用，特别是近年发展起来的在线故障自
诊断系统、智能交通系统、全球定位导航系统和电子自动巡航系统等，新技术产
品的陆续装车应用对汽车仪表提出了更高的要求，使得仪表显示的信息量迅速增
加，数据的精确度要求更高，普通的汽车仪表再也无法满足汽车电子技术发展的
需要。
目前，汽车电子技术主要集中在“动力传动总成的电子控制(Powertrain-
Contr01)”、“底盘的电子控制(Vehicle Contr01)”、“车身的电子控制(Body
Contr01)”和“信息通讯系统(Information&Communication)”四个方向，而且
各控制系统正在进一步向着智能化、集中化、网络化的方向发展，只有以嵌入式
信息处理系统为核心的智能化汽车仪表才可以方便地利用现代汽车总线技术
(cAN总线)与其它电子集中控制系统进行数据交换，有利于汽车集中控制系统
的发展和实现!
当今世界，把汽车上采用电子技术装置作为衡量汽车水平、档次高低的重要
标志。而且，目前汽车性能的提高，使用功能的拓展，在很大程度上依赖于汽车
电子技术的进步，因此汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的重要革命。汽
车仪表作为车——人信息交换接口和信息通讯显示系统的重要组成部分正不断融入当今各学科和各领域的新技术、新材料成果，向功能多元化、机电一体化、系
统工程化、高度集成化方向发展，以嵌入式信息处理系统为核心的、豪华、多功
能智能化组合仪表是汽车仪表发展的必然趋势。对我国来说，汽车综合信息显示
系统可推动我国汽车电子化的进程，而且具有缩短与国外汽车电子技术水平的差
距，迅速赶上国际水平的意义。
·4 ·
东北大学硕士学位论文第一章绪论
1．4本文的主要研究内容
本课题仪表系统选择车速表、燃油表两大部分组成。具体研究内容主要包括
以下几方面：
(1)数据测量方法：
(2)传感器、单片机和显示器件选型；
(3)硬件电路设计；
(4)软件系统设计；
(5)系统仿真方法。
·5·
东北大学硕士学位论文第二章测量方法的研究
第二章测量方法的研究
本课题的两个测量对象中，车速测量实际上是对车速传感器输出的与车速成
正比的脉冲信号频率的测量，而燃油量的测量是通过测量油箱液面的高度间接得
到的，油箱液面的高度与传感器发出的电阻信号成反比，通过测量其分压大小即
可知液而的高度。所以，需测量的对象为频率量和模拟量两类。
2．1车速的测量原理
2．1．1频率量的测量方法
常见的频率测量方法有频率法、
的测量方法不仅会影响到测量精度，
测量原理进行简单的介绍。
周期法、混合测频法以及频压转换法。频率
而且也会影响到动态性能．故下面对它们的
脉冲
信号
时钟
脉冲
图2．1频率法硬件实现原理
Figure2．I Hardware theory offrequency method
专
M
|：{ij㈣
图2．2频率法原理
Figure2．2 Theory offrequency method
·6·
东北大学硕士学位论文第二章测量方法的研究
2．1．1．1频率法
频率法又叫直接计数法，就是在某一选定时间闸门T内，对被测量的信号脉
冲进行计数，然后根据计数值M和闸门时间T求得所测信号的频率，其硬件原理如图2．1所示，数学原理如图2．2所示。若在闸门时间T内计数脉冲值为M，则被测信号频率为：
，'：．生(2．1)
。2
’
频率法的测量时间基本恒定，动态性能由闸门时间T决定，T越小，动态性
能越好。根据误差传递公式可推出：一Af—AM坚(2．2)
／肘Z’
在式(2．2)中，可以看出误差是由两部分组成，一部分是由石英晶体振荡器
引起的时基误差，这部分误差通常是在10。6以下，可忽略不计。另外一部分是数字化仪器所特有的误差称为±1误差，±1误差产生的原理如图2．3所示，第一个丢失的脉冲是由于开始检测时脉冲宽度已小于机器周期T，第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外例。
闸门时间T
输入脉
丢失
丢失
图2．3测量误差产生原理
Figure2．3 Theory of measure errol'
由以上分析可得：
笪。坐：望(2．3)
{ M Tj
由式(2．3)可以看出，在T固定的情况下，f即频率越低则误差越大，所以
·7·
东北大学硕士学位论文第二章测量方法的研究
频率法比较适合用于高频信号测量。
实际测量时，一般采用微处理器内部定时器给出一定的时间间隔控制信号，
控制计数器在设定的时间内计数信号脉冲的个数M，由此可以计算出被测信号脉冲
的频率。
2．1．1．2周期法
基本原理是在被测信号的周期T内，对某一基准时间进行计数，基准时间与计
数值的乘积便是周期T。如图2．4所示，被测信号周期为疋，参考脉冲的频率为正，
被测信号的周期为：
r：丝(2．4)
。
，，。
脉
信
时钟
脉冲
M
∈≥
厂J厂]厂]厂1厂]厂]厂]r]厂]r]几几r]几厂]r_
圈2．4周期法原理
Figure2．4 Theory ofperiod method
?AM丝(2．5) ·-—。一一测量误差值：坚
--‘一L^J，
T：M {x
同频率法测量误差相似，式(2．5)中第二项可以忽略不计，仅考虑±1误差，
则式(2．5)写为：
竖。旦(2．6)
1c 1 c|x
显然，在正一定的条件下，￡越大则测量误差越小，可见周期法适合用于低
频信号的频率测量。图中信号周期数为1，称为单倍周期法，若信号周期大于1则
·8 ·
东北大学硕士学位论文第二章测量方法的研究
称为多倍周期法。
如图2．5所示，实现周期法测频必须满足两个硬件条件，一是具有使闸门时间
等于被测信号一个周期时间的控制电路，二是具有对时钟信号变化次数进行计数
的计数器。用单片机实现周期测频法不需要任何外加电路，实际测量时，～般将
信号脉冲上升沿或下降沿作为微处理器内部定时器的启停控制信号，控制计数器
对微处理器工作时钟计数，从而换算出信号脉冲周期，由此可以计算信号脉冲的
频率【MJ。
苴
片
机
图2．5周期法硬件实现原理
Figure2．5 Hardware theory ofperiod method
2．1．1．3混合测频法
在前面已经介绍过的两种方法里，频率法在测量低频时的误差较大，周期法
在测量高频时的误差较大，因此这两种方法都不适合用于通频带的测频。但是，
如果能够把测试频段具体划分为高频段和低频段，然后在高频段应用频率法，在
低频段则应用周期法，这样显然可以有效的提高测量的准确度。这种对高低频具
体划界，分别运用频率法、周期法进行测量的方法就是混合测频法。
2．1．1．4频压转换法
频压转换法又称V／F法，其硬件原理如图2．6所示，利用频压转换芯片，设置好
参考电压对应的信号频率，然后通过对转换后的信号电压的测量来计算出脉冲信
号的频率：
，：矿×五二』；(2．7)
。％一吒
式中：卜脉冲信号转换后的电压值；“——A，D芯片正压参考值；
”——A／D芯片负压参考值；
^——％对应的脉冲频率；
·9·
查苎塑圭兰堡堡圣苎三主型重查望塑翌垄———————_——————————‘—————。—————‘———————
———————————————-————_—‘_—_。—————————，—k——————————————————————————一
∥——吒对应的脉冲频率。
这种方法实际应用中比较复杂，经过芯片转换后的精度也很难保证，所以在
实际应用中很少使用。
图2．6频压转换法硬件实现原理
Figure2 6 Hardware theory ofV／F method
2．1．2关于本课题的测频方法选择
设主减速器的减速比为i，车速传感器每转一周产生的脉冲数为z，传感器转
子与车轮的转速比为k，车轮的直径为D cm，汽车的速度为V Krrffh，车速脉冲信号频率为fHz，则有；
厂=豢警矿(2ts)
取上述参数i=8，z=4，k=4，D=50cm，考虑到实际车速，同时为了使误差分析
更具有普遍适应性，选取V=0～200km／h。则有：
f=0—u 4527 Hz
可见车速脉冲信号的频率分布不是很宽，且汽车绝大部分时间试运行在低中
速状态下，其频率主要处于低频带，从全局来看车速脉冲的测量选用测量周期法，为保证测量精度决定采用多倍周期法(W=4)进行测量。
2．1．3车速信号的计算方法
因为车速传感器输出的脉冲信号的频率是与车速成正比的，所以测得输出脉
冲信号的频率后就可计算出车速的大小。
矿：3．6×石×D×』×士(2．9)
式中：
f～频率；
i——主减速器减速比；
k——传感器转子与车轮的转速比；
D——车轮外径；
z——车轮每转一圈传感器输出的脉冲信号数。
在式(2．9)中可见，除频率外的其他参数都是车辆的具体参数，随着车型的
·10 ·
东北大学项士学位论文第二章测量方法的研究
而确定，所以令C：主旦兰_三兰旦，则有：
f×三×k
矿=Cf (2．10)
2．2燃油量的测量原理
2．2．1电压信号的测量原理
随着数字技术的快速发展，尤其是计算机在控制领域和数字信号处理领域的
广泛应用，用数字技术来处理模拟信号的情况越来越多。为了实现模拟信号的数字处理，首先必须将其转换为数字信号，计算机才能进行处理，实现这种功能的是模数转换电路(Analog to Digital Converter目pADC)。广义的说，将输入的任何一种模拟量转变成数字量输出的装置，都称为模数转换器。但在实际应用中，一般都已经将模拟量转换成直流电压，因此通常说的“模数转换”多指直流电压到数字量的转换，本系统应用的就是这种A／D转换。
模拟信号是一种幅度和时间都是连续的信号，而数字信号是一种幅度和时间
均为离散的信号。要将模拟信号转换为数字信号需要完成两个方面的转换：首先将时间进行离散化处理，这一步是通过取样来实现的，然后将信号的幅度进行离散化，该功能是通过量化来实现的。这仅是一个理论的过程，实际分为取样、保
持、量化、编码四个过程口”。
(1)取样mc?公么。t
s(t)}
。臼口口口口口口口，
∞∞÷
。山皿—4
图2．7取样工作过程
Figure2．7 Work process ofsampling
取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。具体
来说，就是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，各个脉冲是等距离的，其
东北太学硕士学位论文第二章测量方法的研究
幅度取决于输入的模拟量。其工作过程如图2．7所示。
在图2．7中，如果取样频率较低，其输出波形将不能严格保留输入信号的信息；
如果取样频率较高，其转换的输出与输入波形能做到较好的一致，但输出的脉冲
次数也就较多，这又是不希望的。那么取样的频率如何确定呢?选择的原则是根
据一个著名的定理，即取样定理。取样定理描述了将模拟信号转变成离散信号并
且从离散信号中可以恢复其原始信号所需要的最低取样频率。如果原始信号的最
高频率为R ，则取样频率．正应遵循下列公式：
工≥2％ (2．11)
(2)保持
从以上取样输出波形可以看出，两个取样点之闯的时间段没有输出信号，由
于取样脉冲的宽度一般都比较窄，在这个较短的时间内有信号输出是不便于进行
量化和编码的，故需要将两个取样点之间的信号连接起来。这样，两个取样点之
间的时间间隔对应的幅度保持不变，可以稳定地进行量化编码。保持电路实际上
是利用电容器的存储特性。在实际应用中，取样和保持两个过程是合二为一的。
图2．8给出了一个典型的取样——保持电路的原理及工作波形。
ui ∞甫
∞∞。毫_}u㈣上。o固+ ”。匕二Σ．』，·12·
一∞
U
东北大学硕士学位论文第二章测量方法的研究
目的，其输出的格式不同，既输出编码的形式不同，这就需要进行编码。编码就
是将量化的结果转换为需要的编码形式，这也就是模数转换最后所得到的数字量
的结果。
A／______D转换可分为直接转换和间接转换两类。直接转换以并行比较和逐次逼近比
较两种电路为主；间接转换有双积分型和v——_F型A／D转换电路。这些A／D转换电
路中以并行比较的速度最快，双积分型转换速度较慢，最大的优点是可以消除工
频干扰对测量的影响。但是并行转换由于比较器属于模拟电路，集成度不是很高，
给制造带来不便，价格也比较高，所以应用很少。实际应用较多的是结构比较简
单的逐次逼近式A／D转换电路，尤其是一般中速的A／D转换的场合。
2_2-2本系统的A／D转换过程
本系统的电压测量模块硬件原理如图2．9所示，将传感器信号经前置处理后输
入到单片机87C552的A／D转换的输入端，利用芯片内部的A／D转换器完成测量。
f害霉H簇卜苴
片
机
参考电压b-
图2．9 A／D转换硬件原理
Figure2．9 Hardware theory ofA／D convert
87C552内部A／D转换器模拟输入电路包括一个8输入模拟多路复用器和一个10
位标准二进制逐次逼近式ADC，A／D还可通过置位ADC8配置成快速转换的8位模
式，8位结果保存在ADCH寄存器中。模拟参考电压和模拟电源通过单独的输入脚
连接。对于10位精度转换需要50个机器周期，对于8位精度转换需要24个机器周期，输入电压范围为O～+5V。
对于电压信号A／D转换的结果，其计算公式为：
D：旦×26 (2．12)
％
式中：
D—一A，D转换结果。
矿——电压信号(V)5
％——A／D参考电压(V)；
3 ·
·】
东北大学硕士学住论文第二章测量方法的研究
b—～A仍转换位数。
2．2．3燃油量的计算方法
通常，人们只需知道剩余燃油大致的量而无须了解其具体数值，所以油量的
测量相对比较简单。根据浮子式传感器原理，液位与电阻成反比，只要测得其即
时电压与油箱充满时的电压对比即可得到大致的油量，其计算方法如下：
C：堡x100％(2．13)
‰d
式中：
c——剩余燃油量占油箱容积的百分比；
矿。——当前液位时传感器输出的信号电压；
‰，——油箱充满时的传感器输出信号电压a
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东北大学硕士学位论文第三章系统总体方案设计
第三章系统总体方案设计
3．1系统硬件总体方案设计
汽车仪表系统功能的实现，包括信息的采集、分析以及显示这一整个过程，
如图3．1所示。
图3．1信息流程图
Figure3．1 Flowchart ofinformation
3．1．1传感器的选择
3．1．1．1汽车用传感器的要求
传感器是一种变换器，广义而言，传感器是将被测的物理量(信号)按一定
规定转换成与其对应的另一种(或同种)物理量的输出装景。目前一般对传感器
的理解是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电物理量(如温度、流量、车速等)以电量形式输出的一种装置。
信息是以信号的形式进行交换的，汽车仪表系统的信息采集是依靠车用传感
器来完成的，可以形象地说车用传感器就是汽车感知外界和感知自身的“神经”
和“触手”，汽车上被测的信号通过车用传感器处理后转换成模拟信号或数字信号再输入到电子控制单元。传感器是汽车电子控制系统的关键性部件，如果没有传
感器，则微机控制根本无法实现。近年来，随着汽车智能化、电子化、小型化和
轻型化，汽车对传感器的需求已经成为众多行业中之最。车用传感器应满足以下
几点要求：
(1)适应性强、耐恶劣环境。
汽车可能行驶在地球上的任何区域，环境条件差别极大，既有南北极的极严
寒地区，也有类似赤道地区的酷热气候，因此要求传感器具有极强的适应性，能
够在一40"(2～80'C的条件下，勿须调整正常工作。汽车可能工作在极度恶劣的气候条件下，有时尘土弥漫，有时风雨交加，所以传感器应具有很好的密封性，耐潮湿、抗腐蚀能力强。
(2)抗干扰能力强。
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传感器除了能够适应外界恶劣环境之外，也要能够抵抗来自发动机内部的各
种干扰。传感器大都安装在发动机舱中，除了能够承受发动机工作时的高温、高压、燃烧废气腐蚀之外，还要求有良好的抗震性能，抵抗发动机工作时的强烈震动。另外，发动机工作时会产生电磁波，因此要求传感器具有抗干扰能力。汽车
电源(发电机、蓍电池等)电压可在6～16V变化，有时甚至迭加超过IOOV的正
负高电压脉冲，故还应具有抗电涌能力等。
(3)稳定性和可靠性高。
汽车的各种零部件一般要求能运行10万公里以上，并且勿须更换和调整仍能
满足规定的技术指标。因此，传感器必须具有高稳定性和高可靠性。
(4)价格低廉，适应大批量生产。
目前汽车传感器总的发展趋势是：多功能化、集成化、智能化和微型化。多
功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上物理参数或化学参数。集成化是指
利用集成电路制造技术和半导体特性制作单片集成(IC)式传感器。智能化传感
器是指传感器与大规模集成电路(LSI)相结合，带有微处理器，具有智能功能的
高档传感器。它具有检测、信息处理功能，自动进行各种误差补偿，精度高，量
程覆盖范围大，稳定性好，输出信号大，信噪比高，传输中抗干扰性能好，可远
距离输送信号，有的还带有自检功能。微型化是指微机械加工技术，除全面继承
氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术、各向异
性腐蚀和机械分断技术【32】。
3．1．1．2车速传感器的选择
车速传感器检测汽车的车速，在汽车上磁电式、光电式及霍尔式传感器是应
用最多的几种车速传感器，输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是光电式数字信号或者是霍尔式数字信号。下面简要介绍一下这三种常用车速传感器。(1)磁电式车速传感器：磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它
们产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状翼轮(有时称为磁组轮)转动经过
传感器时，线圈里将产生交流电压信号。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出信号的振幅与磁组轮的转速(车速)成正比，
信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。
(2)光电式车速传感器：光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它
由带孔的转盘和两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供
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东北大学硕士学位论丈第三章系统总体方案设计
足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号(开关脉冲)。发光二
极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。转盘上间断的孑L可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。
光电式车速传感器输出波形的方法与霍尔式车速传感器完全一样，只是光电
传感器有一个弱点即它们对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感，所以光电传感器的功能元件通常被设计成密封的十分好，但损坏的分电器或密封垫容器在使用中会使油或赃物进入敏感区域，这会引起行驶性能问题并产生故障码。(3)霍尔式车速传感器：霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合的包
含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转予穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场。因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应像开关一样地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备。霍尔式转速传感器是利用霍尔效应的原理制成的，霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过，此时如有一磁场也作用于该半导体材料上，则在垂直于电流方向的半导体两端会产生一个很小的电压，该电压就称为霍尔电压。当磁性材料制成的传感器转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙时，就会有一个变化的磁场作用于霍尔元件(半导体材料)上，使霍尔电压产生脉冲信号，根据所产生的脉冲数目即可检
测转速【33】。
图3．2霍尔式车速传感器
Figure3．2 Hall—effect vehicle speed measuring transducer
在这三种传感器中，磁电式传感器结构简单，抗干扰能力强，在汽车发动机
转速的检测中有很多的应用，但由于它为自发电性，在低速时输出信号很微弱，
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在速度接近零时无法使用。光电式传感器分辨率高，但易受外界的影响，灰尘、振动等干扰很容易使其失效。而霍尔式转速传感器就克服了这些缺点，其能保证
在很低的速度下都有很强的信号。所以，选择有良好的低速性能和抗干扰性能的霍尔式传感器作为车速传感器较为理想。
3．1．1．3燃油液位传感器的选择
与车速不同，对于油量来说，驾乘者一般都只想知道大致的量而无须了解其
精确数值，根据这种现实情况本系统选择了燃油液位浮子式传感器。
该传感器主要用于检测燃油箱油量，属于模拟量输出型液位传感器，其组成
如图3．3所示。当传感器的浮子随液位上下移动时滑片就在可变电阻上滑动，从而改变搭铁与浮子之间的电阻值，从而使检测回路产生不同的电信号。当在整个电阻外部接上固定电压时，燃油高度就可根据接触片相对地线的电压变化输出测量值。
l
13传零惑蠢器褰接曩线线柱柱42瀑浮孛子
图3．3燃油液位浮子式传感器
Figure3．3 Floater sensor offuel quantity
3．1．2微处理器(MCu)的选择
由于单片机与通用微处理器相比有其独有的技术特性和应用特点，其技术发
展道路与通用微处理器数据总线的8位、16位、32位、64位的迅速更新完全不同。自从1976年第一次推出8位单片机以来，单片机技术有了极大的发展，而发展至
今其主流芯片仍然以8位机为主。不仅如此，许多著名的半导体厂家，电气厂商
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都在制定21世纪的8位机发展战略，力争在21世纪8位机市场中占有一席之地。
8位单片机的巨大市场得益于不少供应商将最新的亚微米CMOS工艺技术用
于8位单片机以提高8位机的速度、降低功耗以及在芯片上集成更多的功能，如
先进的模拟／数字接口、数字处理功能以及灵巧电源功能等。而8位机的巨大市场前景又促使供应商致力于发展新型单片机，以适合下一世纪的各种应用。
在开发21世纪8位单片机的争夺战中，80C51系列处于极为有利的地位。Intel
公司采取的80C51 MCU的扩散政策吸引了全世界众多的厂商致力于以80C51结构
为基础来提高其性能，目前80C51已成为世界上单片机电路设计中最广泛使用的
基础结构。
Intel制定并正在执行的MCS51-ZX计划，将重新设计80C51系统，与现有的
80C51软件兼容，功能提高3．5倍，以解决与16位处理器之间的差距，从而满足
新的应用领域，如计算机分系统、电信设备、智能销售点终端等的应用要求。Dallas Semiconductor公司则将80C51设计成采用1／3的时钟周期执行一个指
令，并可运行在33MHz时钟下。这种新设计具有许多特性，从而可以使用以高级
语言编译的程序代码。
ATMEL公司于1993年推出了具有快擦存贮器的89C51，该公司计划增加芯
片中非易失存贮器的数量并提高其性能。
长期以来对80C51倾注了几乎全部心血的Philips公司为发展新一代80C51单
片机做出了卓越的贡献，推出的电磁兼容性、现场总线型、芯片问串行总线型单片机，吸引了众多的用户。Phil,s公司制定80C51-XA计划将使80C5I目标代码
的运行速度提高4倍，如果在XA计划的C语言支持下，其目标代码速度更快，
从而将性能提高10倍。
我国以80C51为主流的单片机市场在Intel的MCS51一ZX计划和Philips的
80C51-XA计划支持下可望获得新的飞跃[2】。
3．1．2．1单片机的选型
在本文设计的汽车电子仪表系统中，微处理器是核心部分。它首先完成对传
感器送来的模拟信号的A／D转换和脉冲信号的测量，然后计算并控制所需的输出值，按要求适时地向显示控制器发送控制信号。在选择微处理器时不仅要注重满
足技术要求，还要综合考虑成本等因素，不能片面地追求高速和高位数。
由于成本和安装空间的要求，仪表结构应力求简洁，体积要尽可能小；同时
应满足实时性和测量精度的需要，微处理器运算速度要快，反应要灵敏、精度要高。因此微处理器机型的选择是决定性能的关键，原则上应考虑选择宽电压、功
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耗低、电磁兼容性好、可靠性高、程序代码保密性好、体积小、最好是内置模数
转换(A／D)电路和硬件看门狗电路(WAT)的微处理器【4]。
目前，国内应用较广、开发手段较强的芯片是MCS51系列芯片，MCS51系列
微处理器己为大家广泛熟悉，其特点是通用性强、堆栈丰富、指令功能全、特别
是布尔计算尤其表现突出，编程简单容易。但是这些芯片内部资源不足，需要大
量扩展外设，包括A／D转换芯片、通道选择电路、外部串行EPROM、定时计数器等。这样必定会降低系统可靠性，增加成本，降低电磁兼容性。因此，在本系统
的设计中选用功能更为强大的Philips公司生产的87C552微控制器。
3．1．2．2 87C552特性例
87C552单片8位微控制器采用先进的CMOSI艺制造，是80C51微控制器家族
的派生品，其指令集与80C51指令集完全相同。其引脚配置如图3．4所示，它具有以下性能：
·80C51中央处理单元(CPU)：
·8KB片内非易失性EPROM，外部可扩展至64KB；
·256字节片内RAM，外部可扩展至64KB；
个附加的具有捕获和比较锁存功能的16位定时器：
·1
个具有8路模拟量输入的10位ADC转换器；
·1
·快速8位ADC选项；
·2个标准的】6位定时，计数器；
·4中断优先级的15个中断源；
·5组8位I／O端口；
个串行I／0口(uART和J2C)：
·2
个片内看门狗定时器(wDT)；
·1
个片内振荡器和时序电路：
·1
·操作电压范围2．7～5．5V(0．16MHz)；
·宽温度范围。
综上所述，87C552微处理器的片内资源非常丰富，功能相较传统MCS51系列
芯片更为强大，使用它可以大大简化硬件电路的设计，系统的可靠性也大大提高，同时也减小了系统体积，降低了成本，相比其他型号的微处理器来说更适合进行
本系统的数据采集与处理工作。
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图3．4 87C552；l脚
Figure3．4 Pins of 87C552
3．1．3显示器件的选择
汽车在各种复杂的条件下使用，要求汽车所用的电子显示器件具有很高的可
靠性，即各种信息的显示必须准确、可靠、及时、清晰，便于操纵者观看和辨认，同时也是出于安全的需要。
3．1．3．1电子显示元器件所要求的功能114】
(1)工作特性：能适应从严寒冬天的夜间到炎夏阳光直射下，温差极其悬殊
·21 ·
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的条件下使用，而且必须与车速、发动机转速等参数快速变化紧密配合，而在低温时不允许出现显示滞后的现象。其次从直射日光到黑夜，在广阔的外光变化条件下，必须保证具有足够可视性的对比度等显示功能。
(2)耐环境性：例如在日本国内，由JIS(日本工业标准)和JASO(日本汽车
技术标准)所规定的车载环境试验，必须通过最低限制水乎，工作寿命要超过】O 年。此外，要保证电子元器件不致对其它电子元器件产生电磁噪声。
(3)工作电压：利用从车用蓄电池获得的电压进行工作，进一步说，利用驱
动和控制显示元器件的半导体元件相同的电压(如直流+5v)进行工作。
(4)色彩显示：在机械式仪表中，通常显示色是蓝色和绿色，报警显示使用
红色。为了更迅速正确地向驾车者传递信息，智能电子化仪表也需要各种显示色。
(5)显示容量：与机械式仪表一样，若能够显示出为驾车者所必需的最低限
度的信息，则不需要更大显示容量。但是，今后仪表将被进一步赋予导航和各种信息终端的功能，要求开发应用诸如布朗管(CRT)一样的可进行大容量信息显
示的元器件。
(6)显示面积：为了向驾车者提供可视性良好的显示，就要进行大面积显示。
此外，从人机工程学的观点看，对于特性布置与设计，还要求容易变更和修
改，重量和价格不应高于机械式仪表。
3．1-3．2显示元器件介绍
电子显示元器件可分为发光型和非发光型，前者有真空荧光显示管(VFD)、
阴极射线管(cRT)、冷阴极放电管(ccDT)、等离子显示板(PDP)，发光二
极管(uD)、电场致光显示器件(ELD)；后者有液晶(LCD)并已经装车实用。
由于各种显示器件各有其优缺点，所以目前才有多种显示器件应用于同一领域的现象。将最常用的几种显示器件性能加以比较如表3．1所示。
由于汽车经常会在野外，或在比较苛刻的条件下运行，因而要求汽车所用的
电子显示器件具有很高的可靠性，一般情况下采用发光二极管(LED)、真空荧
光显示(VFD)和液晶显示(LCD)，它们的性能及显示效果都很好。VFD和LCD
作为汽车的小型显示器，正向仪表盘的大型化方向发展。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体
和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入
的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的篚量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向
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东北大学硕士学位论文第三章系统总体方案设计
工作状态即两端加上正向电压时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发
出从紫到红不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED亮度高、工作电压低、
功耗小、小型化而易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击而且性能稳定，缺点是无法显示复杂字符，而且画质较差。
表3．1各类显示器性能比较
Table3．1 Capacity compare for kinds ofdisplays
显示器
性能
LCD显示器LED发光二极管CRT电子束VFD显示器
显示容量很大大大不大
对比度好很好很好好
彩色化很好不好很好不好
灰度很好不好很好不好
亮度很好很好很好好
驱动电压很低低很高很低
功耗极小小大大
响应速度较慢很快很快很快
器件结构平板立体立体平扳
厚度薄不厚很厚薄
画面大小大小大大
数字驱动好好不好好
寿命很长很长一般一般
成本较高低较高低
真空荧光管属于主动显示器件，它是一种低压真空管，由玻璃金属等无机材
料构成。当管中的灯丝通电加热使阴极发射电子，显示元件上覆盖着的磷经过正
电压加速的电子撞击后即可发光。VFD的优点是具有较高的可靠性和抵抗恶劣环
境的能力，且只需要较低的操作电压，并能提供彩色显示。缺点是因封装在玻璃
壳内而容易震碎，且功耗较大。
液晶显示器是一种被动式显示器件，它本身并不发光。LCD是由液态晶体(简
称液晶)所组成的，它是一种有机材料，在特定的温度范围内，既具有液体的流
动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光、温度等
外界条件变化而变化。液晶显示器件的显示功能是靠夹持在两片玻璃基板之间、
有序排列的液晶分子在电场作用下发生排列上的变化而导致外界光来完成的【2lJ。图3．5是最常见的TN型液晶显示器件的结构示意图。
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构成液晶显示器件的有上下玻璃基板。在玻璃基板内侧，镀有如，q·跏D，透
明导电膜，膜层被分别光刻成前后电极图形。在光刻透明导电图形的电极表面被
涂复上一层有机的定向膜。这层定向膜表面被机械方法摩擦成指向一个方向的细
沟槽。这些定向沟槽可使液晶分子按沟槽方向排列，将上下玻璃基板四周印刷上
封接胶框条，按摩擦定向沟槽方向，上下垂直地将玻璃基板对合，热封后形成一
个极薄的扁平盒。盒厚约7／．tm，在盒中灌注上向列型液晶材料。由于液晶材料的分子是长形棒状的极性分子，所以在平时，液晶分子均按某一方向定向排列。这
样的液晶材料在如前所述的液晶盒中，由于边界效应在上下玻璃基板表面上，液