CN101055200A - Can总线式农用机械数字仪表 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字仪表技术领域，具体为CAN总线式农用机械数字仪表，该仪表由检测电路控制模块和仪表驱动模块组成。检测电路模块由输入信号采集、信号处理、以及信号转换电路组成，仪表驱动模块由信号接收、存储数据、以及设备驱动电路等组成。传感器输入的模拟信号或脉冲信号转化为数字信号，通过MB90F428芯片进行数据处理，并实时地送到CAN总线。电路的核心部分采用HB90F428芯片。驱动模块接收到CAN信号，通过MB90F428芯片进行数据处理，并驱动步进电机、LCD、LED等。本仪表具有显示参数直观、精度高、整体性能稳定、各种参数灵活更换等特点。

Description

CAN总线式农用机械数字仪表

技术领域

本发明属于数字仪表技术领域，具体涉及一种CAN总线式农用机械数字仪表。

背景技术

仪表是人和汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息，是每一辆农用机械必不可少的部件。

目前，仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分，可以划分为4个阶段，或称为经过4代。第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称这类仪表为机械机芯表；第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量，通常称这类仪表为电气式仪表；第3代为模拟电路电子式；第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。

随着计算机技术、电子技术、网络技术以及液晶显示技术的发展，汽车仪表的发展趋势将更加体现这些高新技术的结合。如仪表的功能由软件和硬件共同来完成，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。与仅由电子线路硬件组成的汽车仪表相比，带有ECU的汽车仪表，其功能的实现手段更加灵活多样。CAN总线可以将汽车的各个功能控制模块整和在一起，CAN总线协议作为一种简单可靠实时性强的通讯协议，在车用电控单元和仪表上有很好的应用前景，因此CAN总线将越来越多的应用在车用仪表上。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。随着汽车电子半导体技术的发展，多功能、可方便扩展、移植性强、高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断应用于汽车。在能源与环境越来越受到人们重视的今天，节能环保型仪表越来越受到人们的亲寐。正是由于上述对产品的要求，因本发明的CAN总线式车用仪表智能控制系统也就应运而生。

发明内容

本发明的目的在于提出一种CAN总线式农用机械数字仪表，以解决农业机械众多的控制与测试仪器之间的数据交换。

汽车仪表是汽车中不可缺少的组成部分，负责记录并显示汽车的各种数据，其主要包括发动机转速表、油量表、气压表、水温表、电压表等。其核心内容是实现全车运行参数的数字化管理与控制。仪表中央控制器是本系统的核心部分，主要任务包括数据收集、数据存储和管理分析以及数据交换。所有仪表机芯均以Fujitsu公司的MB90F428芯片为核心，实现步进电机、液晶、以及LED指示灯输出。

仪表中央控制器的核心采用Fujitsu公司的8位单片机MB90F428芯片。基本功能包括通过CAN总线与数字仪表进行通讯交换数据、发布控制指令驱动步进电机等；通过CAN总线与汽车的其他总成交换数据、发布控制命令；通过CAN总线与手持式设备交换数据，输出运行数据、输出记录数据、接受配置指令；实现对多路模拟量、开关量、频率量、周期量的实时采样与监控；具有车载电子设备所要求的可靠性、EMC等性能。

本仪表与先前仪表的最显著区别就是仪表机芯的变化。由于一般动圈式指示仪表抗震性差、过载能力弱、指针易抖动等弱点，而动磁式十字交叉机芯也存在一致性、通用性差的缺点，迫切需要一种一致性、通用型、可靠性好的驱动机芯。步进电机刚好满足这些要求，它在工作原理上做出技术创新，通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针工作。步进电机式汽车仪表由微控制器完成各种模拟信号的采集，经过换算后直接控制步进电机，再由步进电机驱动指针，在刻度盘上指示被测模拟信号。步进电机式仪表与动圈式或者动磁式十字交叉线圈仪表相比有显著特点：指示精度高，一致性比较好；重复性和通用性好；可靠性和稳定性好；

结合农用机械仪表的技术和性能指标，以及简化硬件电路的要求，我们选择Fujitsu公司的MB90F428芯片为微控制器控制模块进行农机仪表的设计。MB90F428芯片是16位单片机，内部有CAN总线接口，FLASH ROM，主要应用于汽车与工业等；其CAN总线符合V2.0 Part A、Part B，能支持更灵活的信息缓冲处理。支持高级语言，可扩展地址模式，有增强乘除指令，增强位操作指令等；微控制器有32位累加器(长字处理)；周边资源有：8通道的8/10BitA/D转换器，UART，扩展I/O串行接口，8/16Bit定时器，I/O定时器(输入捕获，输出比较)、8路外部中断、CANBUS接口、4路步进电机驱动模块、LCD显示模块(可驱动24×4的笔段式液晶模块)等。4路16位输入捕捉通道可以捕捉发动机转速传感器输入的脉冲信号，A/D转换器可以用来转换水温、油量、油压传感器输入的电压信号，I/O口则进行诸多信号指示灯的信号输入，CAN接口主要和CAN总线收发器PCA82C250芯片收发CAN信号，步进电机驱动模块和LCD显示模块用于驱动仪表盘上的4个步进电机指示、工作时间的显示。这种片上自带驱动模块的设计方法，提高了系统的可靠性，降低了成本。在设计上从微控制器软件编程、外围器件选择、电路设计方面最大限度的减少了系统功耗。

本发明设计的CAN总线式农用机械数字仪表，主要由两大模块：检测电路控制模块和仪表驱动模块组成，如图1所示。检测电路模块主要由输入信号采集、信号处理、以及信号转换电路组成。这里输入的信号有农用机械的转速、水温、油压、油量等信号，还有左右转向，电池充电、刹车、驻车、远光等信号，信号处理电路包括脉冲信号处理、模拟信号处理、开关信号处理等电路，这些电路分别与芯片MB90F428连接。首先，农用机械(如汽车)状况通过相应的传感器检测，转换为电压、脉冲信号，进行滤波放大，然后再输入MB90F428芯片进行内置A/D转换和数字处理，获得所需要的数字量信号，并实时地将所处理好的数字量送到CAN总线。仪表驱动模块主要由信号接收、存储数据、设备驱动以及指针断电归零电路等组成。电路的核心部分采用MB90F428芯片。当驱动模块接收到CAN信号，通过MB90F428芯片进行数据处理，来驱动步进电机、里程LCD显示和LED指示及报警灯等。点火开关打开时，仪表监测到这一信号后，首先对自身进行检测(此过程中诊断指示灯常亮)，并由FLASH RAM里记录的历史工况确定当前的仪表是否需要修正，经过几道程序将仪表初始化。自检程序通过之后，仪表开始由非工作状态进入工作状态，将对转速、油压、水温、油量等信号进行相应的处理，并通过指针和指示灯将当前工况表现出来。

本发明突出优点之一是在仪表彻底断电时指针能智能归零。目前解决指针归零通用的解决办法是采用带电归零，这样既耗电又增加了线束。同时存在步进电机仪表与模拟指针仪表不匹配。使用大电容放电很好的解决了上述问题。在功耗上，比同类产品至少降低50％的功耗；采用模块化的设计方法，很好的解决了仪表功能更新以及维修上的麻烦；故障诊断、报警、智能控制模块，具有报警信息准确可靠，发出控制命令通过CAN总线传输到各个电控模块，起到保护各个对象的作用。这种由计算机芯片结合先进的算法对车辆运行状况数据进行分析与判断，发现错误及时发出控制信息，确保整车良好运行；采用了内部倍频技术，大大提降低了仪表电磁对外辐射以及对自身的干扰。直接由外部高频晶振向微控制器提供时钟，由于它频率高，对整个系统都是一个很大的干扰源，这里我们采用了锁相环频率合成技术，它可以在使用外接32kHZ晶振情况下，通过软件编程得到最大8MHZ的总线时钟频率。大大降低了对外辐射干扰，提高了系统的可靠性。在发动机运行时也会有比较强的高频干扰信号，以及考虑到车辆供电电压不稳的情况，对此采取了看门狗监视复位、低电压极限检测复位，使系统受到干扰时也能自动恢复正常。

附图说明

图1为汽车仪表板结构框图。

图2为电源电路。

图3为转速信号调理电路。

图4为CAN接口电路。

图5为软件流程图。

具体实施方式

仪表板硬件设计

1、电源电路

蓄电池提供12V左右的电源，而该仪表板需要两路电源：+5V和+12电源。5V电源用于给MB90F428、CAN接口芯片(PCA82C250)和EEPROM等供电，12V电源给LED、蜂鸣器等供电。考虑到成本和易购性，我们选用7805芯片作为电源转换芯片。当仪表正常供电时，IRQ为高电平，当电门关闭瞬间，由于二极管的反向截止特性，电容放电被二极管截止，因此IRQ引脚突变为低电平。这时微处理器立即执行中断服务程序，此时微处理器及步进电机驱动归零供电由两个1000uf的大电容放电提供。大电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成外部中断的服务程序。中断服务程序主要有指针归零程序与写存储器FLASH程序。这样就完成了指针归零及行使数据的保存。如图2所示。其中，电源电路由电压转换与断电信号采集两部分组成。蓄电池正极VBAT+一路通过二极管D2，电阻R16输入到稳压电源转换芯片U2。另一路是二极管D3，电阻R4、R5三个串联与负极相连。单片机的外部中断引脚IRQ通过开关二极管D7采样R5两端的电压，R5两端并联一个电容C5。

2、调理电路

发动机转速传感器通常采用磁电转速传感器。当发动机开始运转时，磁电转速传感器开始产生一连串脉冲信号，脉冲的个数将随着转速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变。为了改善波形，在输入捕获定时器管脚外添加调理电路，对脉冲信号进行整形放大，这里我们通过RC滤波和三级管放大的方法处理。如图3所示。其中，开关二极管D11、D12、D13、D14串联形成回路再与电阻R3串联，起到转速信号电压钳位。电容C12滤除杂波。转速信号经过二极管钳位、电容C12滤波、三极管Q2放大，输入到单片机的计时器引脚T2CH0。

3、CAN接口电路

选用CAN收发器PCA82C250芯片进行数据发送与接收，它最初就是为汽车高速通信(最高达1Mbps)应用设计的，器件可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，它与ISO/DIS11898标准完全兼容，CANH和CANL双线也防止在汽车环境下可能发生的电气瞬变现象。由于汽车经常在恶劣的环境下工作，因此，我们对收发器进行一定的抗干扰处理，这里我们选用光电耦合器(6N137芯片)，如图4所示。该接口电路为常规电路。

其他电路

除了以上这些电路以外，硬件设计还包括EEPROM电路、LED驱动电路、LCD显示电路、步进电机电路，由于MB90F428芯片是专为汽车设计的芯片，片上自带了大部分驱动，因此简化了硬件驱动电路的设计，节约了成本，提高了系统的可靠性。

仪表板软件设计

如图5所示为仪表板主程序的软件流程图，程序由点火信号控制，当点火开关打开时，仪表板进入主程序循环。整个系统软件由主程序、数据采集子程序、AD转换子程序、数据处理子程序、CAN通讯子程序、LCD/LED显示子程序、步进电机工作子程序等组成。整个程序的流程为硬件初始化、读取RAM数据、判断电机是否回到0位、液晶显示控制、各信号处理、故障报警与控制、各电机控制、判断点火开关状态、转入断电处理程序(主要为行使数据写入EEPROM、控制电机归位)。

Claims (2)

1.一种CAN总线式农用机械数字仪表，其特征在于由检测电路控制模块和仪表驱动模块经由CAN总线连接组成，其中，检测电路控制模块由输入信号采集电路、信号处理电路以及信号转换电路依次电路连接组成，电路的核心部分采用MB90F428芯片；仪表驱动模块由信号接收电路、数据存储、设备驱动电路和指针归零电路经电路连接组成；这里输入信号有农用机械的转速、油压、油量以及左右转向、电池充电、刹车、驻车、远光信号；信号处理电路有脉冲信号处理电路、模拟信号处理电路和开关信号处理电路；这些电路分别与MB90F428芯片连接；农用机械的状况由传感器检测，经过输入信号采集电路、信号处理电路和转换电路、转换为电压脉冲信号，经过滤波放大，然后输入MB90F428芯片进行内置A/D转换和数字处理，获得所需的数字量信号，并实时地将该数字量信号送到CAN总线；仪表驱动模块接收到CAN信号，通过MB90F428芯片进行数据处理，驱动步进电机、里程LCD显示和LED指示及报警灯。

2.根据权利要求1所述的CAN总线式农用机械数字仪表，其特征在于所述MB90F428芯片是16位单片机，内部有CAN总线接口，微控制器有32位累加器；周边资源有：8通道的8/10BitA/D转换器、UART、扩展I/O串行接口、8/16Bit定时器、I/O定时器、8路外部中断、CANBUS接口、4路步进电机驱动模块和LCD显示模块。

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