在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代車輛儀表系統(tǒng)必須能夠監(jiān)控所有關(guān)鍵功能，該系統(tǒng)甚至是個(gè)性化的。汽車儀表板成為匯集車輛安全和管理所有信息的神經(jīng)中樞，為駕駛員顯示各種信息盾饮。業(yè)界需求發(fā)展導(dǎo)致出現(xiàn)了很多半導(dǎo)體解決方案，從ASSP到全定制器件等懒熙。這些方案可能都是功能固定的解決方案档价，不能靈活地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)人員的要求囤乎。作為對(duì)比靡黑，可更新解決方案在一條車輛產(chǎn)品線上支持多種相似的應(yīng)用，沒有任何多余的成本開銷敢薄。這類定制解決方案以很低的成本滿足了所有需求帽惠。

本文簡(jiǎn)要介紹一種創(chuàng)新的CPLD體系結(jié)構(gòu)，完全避免了使用微控制器及其驅(qū)動(dòng)器艇线，從而提供了低成本剧鹏、低功耗組合數(shù)字儀表板解決方案。這一模擬儀表板解決方案（ADS）高效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字汽車網(wǎng)絡(luò)游鹿，充分發(fā)揮了數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)盔惑。

組合儀表板解決方案

傳統(tǒng)上，以機(jī)械方式獲得行駛里程等儀表實(shí)時(shí)輸出义誓，使用模擬驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行顯示律坎。然而，隨著這些數(shù)據(jù)輸入的數(shù)字化蟋定，步進(jìn)電機(jī)和LED替代了儀表和量表粉臊。采用昂貴的微控制器來(lái)顯示數(shù)字輸出草添。后來(lái)出現(xiàn)了ASSP，導(dǎo)致較高的一次性成本開支（NRE）扼仲，限制了產(chǎn)品更新和改進(jìn)远寸。產(chǎn)品生命周期以及對(duì)不同產(chǎn)品線的支持也是促使采用低廉的可編程替代產(chǎn)品的主要因素。

在指針式儀表顯示板上采用了步進(jìn)電機(jī)屠凶，將電脈沖轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的機(jī)械動(dòng)作驰后。當(dāng)電控制脈沖按照一定的順序嫁到步進(jìn)電機(jī)上時(shí)，電機(jī)軸以不連續(xù)的步進(jìn)增量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)阅畴。組合數(shù)字儀表一般采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)仿效模擬面板和指針顯示板的性能以及視覺效果倡怎，同時(shí)提供數(shù)字設(shè)置需要的非常精確的位置信息迅耘。需要對(duì)這些點(diǎn)擊進(jìn)行微步進(jìn)控制贱枣，已實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的指針移動(dòng)。此外颤专，測(cè)得的采樣值從車輛傳感器廣播道相應(yīng)的儀表部位纽哥，而采樣數(shù)受限于數(shù)字鏈路的帶寬，在一定的時(shí)間間隔后衙猾，每測(cè)量采樣值才顯示在組合儀表上柬激。在這類組合儀表上，迫切需要采取措施克服不能連續(xù)顯示信息的難題斧与，當(dāng)傳感器沒有向儀表輸出數(shù)據(jù)時(shí)行忘，確保指針處于正確的位置。要解決這些難題筋劣，必須提高處理能力牡徘，從而增加了數(shù)字儀表板系統(tǒng)成本，較低的性價(jià)比阻礙了其在車兩中的應(yīng)用正脸。

基于CPLD的組合儀表板控制器

使用CPLD很容易克服這種高成本解決方案所帶來(lái)的限制式伶。采用ADS，客戶只需要在設(shè)計(jì)中更新或者修改編程文件鄙叼，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品換代贡金，因此，非常靈活群娃。此外衅侥，還可以在現(xiàn)場(chǎng)增添新功能或者更新產(chǎn)品，不但提高了技術(shù)實(shí)現(xiàn)效率劫瞳，而且還滿足了特殊的用戶和產(chǎn)品需求棠耕。使用相同的基本系統(tǒng)，稍作改動(dòng)柠新，就很容易在新產(chǎn)品線上采用不同的器件窍荧。

利于基于CPLD的ADS辉巡，產(chǎn)品開發(fā)人員和生產(chǎn)商可以根據(jù)需要從不同的期間中進(jìn)行選擇，而不同擔(dān)心半導(dǎo)體元件過(guò)時(shí)的問(wèn)題蕊退。它具有較低的銷售價(jià)格郊楣，支持高端功能，未來(lái)擴(kuò)展余地非常大瓤荔。其體系結(jié)構(gòu)使用Altera的MAX II CPLD净蚤，包括6個(gè)模塊：串行傳感器數(shù)據(jù)單元、注意動(dòng)控制和算數(shù)單元输硝，以及4個(gè)PWM發(fā)生器今瀑。串行傳感器數(shù)據(jù)單元接收來(lái)自傳感器的輸入，主移動(dòng)控制和算數(shù)單元完成必要的計(jì)算点把，PWM發(fā)生器為步進(jìn)電機(jī)所有相位提供合適的控制信號(hào)橘荠，接受來(lái)自主模塊的命令。

在詳細(xì)說(shuō)明這一ADS體系結(jié)構(gòu)之前氢碰，首先要理解窄帶車輛數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同模塊的功能克酿，以及驅(qū)動(dòng)指針儀表板的步進(jìn)電機(jī)是怎樣完成微步進(jìn)控制的。由于組合儀表板所有顯示面板并不需要連續(xù)的傳感器數(shù)據(jù)申广，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)時(shí)限匕，系統(tǒng)保持指針位置不變。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)顯示东六，發(fā)送給指針的移動(dòng)命令是當(dāng)前偏轉(zhuǎn)函數(shù)困荤，不會(huì)產(chǎn)生急促的指針步進(jìn)變化。

PWM發(fā)生器

4 個(gè)PWM發(fā)生器模塊驅(qū)動(dòng)指針儀表板步進(jìn)電機(jī)待讲，指示來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)捎鹤。

微步進(jìn)控制功能用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，產(chǎn)生平穩(wěn)的點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)欢巡。在微步進(jìn)控制中瞒礼，點(diǎn)擊產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是和激勵(lì)線圈平行，而是有一定的角度致驶。這樣芯勘，能夠在更多的位置產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子保持在激勵(lì)線圈兩個(gè)極軸之間腺逛。激勵(lì)線圈加電后荷愕，產(chǎn)生的磁通量與流過(guò)的電流成正比。如果所有激勵(lì)線圈加電棍矛，就可以通過(guò)兩個(gè)繞組電流的矢量和得到電流方向以及磁場(chǎng)安疗。因此，如果步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流逐漸增大，那么可以產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)的一組等距位置荐类，提高電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)精度怖现。利用這一原理，步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)被分成轉(zhuǎn)軸實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的為補(bǔ)長(zhǎng)玉罐。

4個(gè)PWM模塊向步進(jìn)電機(jī)提供固定占空比的恒定PWM脈沖屈嗤，使指針按照一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)保持恒速轉(zhuǎn)動(dòng)吊输。它們接收來(lái)自移動(dòng)控制單元的移動(dòng)命令以及方向輸入饶号，在繞組上輸入合適的電壓，使每個(gè)電機(jī)在要求的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微步長(zhǎng)季蚂。

移動(dòng)控制和算數(shù)單元

delta發(fā)生器是移動(dòng)控制和算數(shù)單元的主要組件对轴。該模塊接收來(lái)自傳感器的4個(gè)步進(jìn)電機(jī)中每個(gè)電機(jī)的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)信號(hào)。接收到目標(biāo)偏轉(zhuǎn)信號(hào)后肥刻，兩路信號(hào)被送入各自的PWM模塊中亮史。一路信號(hào)，也就是觸發(fā)脈沖冗吟，將當(dāng)前的占空比值改為PWM模塊中的下一值俱报。因此皂计，當(dāng)跨距范圍較大時(shí)演侍，以較高的頻率發(fā)送脈沖，PWM模塊快速遍歷各占空比值辉九，從而是步進(jìn)電機(jī)以較高的速度旋轉(zhuǎn)色递。當(dāng)指針達(dá)到目標(biāo)偏轉(zhuǎn)位置后，停止向PWM模塊發(fā)送觸發(fā)脈沖祷书，而PWM模塊輸出占空比恒定的脈沖粪趋，是轉(zhuǎn)軸有效地保持位置不變。另一路信號(hào)指示PWM模塊舔艾，指針應(yīng)向哪一方向轉(zhuǎn)動(dòng)磺浙。

delta發(fā)生器還有另一重要功能，周期性地發(fā)送代表采樣值的數(shù)據(jù)徒坡。如果這一信息直接加在步進(jìn)電機(jī)上撕氧，那么，指針會(huì)急促轉(zhuǎn)動(dòng)喇完。為避免出現(xiàn)這種轉(zhuǎn)動(dòng)伦泥，delta發(fā)生器使用修正后的數(shù)值，表示為delta δ锦溪。每次接收到新的目標(biāo)偏移值后不脯，發(fā)生器針對(duì)這一指針值重新計(jì)算δ。然后，將這一遞增值δ加到指針當(dāng)前偏轉(zhuǎn)上防楷，其處理速率要比接收到新目標(biāo)偏移值的情況快得多牺丙。在整個(gè)過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)視單元的當(dāng)前偏轉(zhuǎn)复局。當(dāng)它變化時(shí)赘被，發(fā)送使步進(jìn)電機(jī)按照要求方向步進(jìn)一個(gè)微步長(zhǎng)的命令。如果目標(biāo)偏轉(zhuǎn)值大于當(dāng)前偏轉(zhuǎn)值赚朱，那么為順時(shí)針?lè)较蚩称绻∮诋?dāng)前偏轉(zhuǎn)值，則為逆時(shí)針?lè)较颉?/span>

這樣谁班，在接收兩個(gè)目標(biāo)偏轉(zhuǎn)值間隔期間笛蛋，指針以較快的速率旋轉(zhuǎn)，通過(guò)較小的步長(zhǎng)打到目標(biāo)值诊乐，從而產(chǎn)生平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)绢拓。它推斷出能夠覆蓋這一間隔合適的值，無(wú)論輸入怎樣變化晰等，都能夠保持平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)然怕。

傳感器輸入單元

傳感器數(shù)據(jù)輸入單元使用SPIrit接口，支持與慢速外設(shè)之間的通信歉莫，可以周期性的訪問(wèn)這些外設(shè)鱼灶。采用主機(jī)/從機(jī)方式和外設(shè)進(jìn)行通信，由主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)幀张绊。當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)信高，選擇從機(jī)器件后，可以單向或者雙向傳送數(shù)據(jù)涛贯。在CPLD后面實(shí)現(xiàn)SPI從機(jī)模塊诽嘉，以便系統(tǒng)輸入。傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)入到算術(shù)和移動(dòng)控制單元弟翘，是某一傳感器或者新LED數(shù)據(jù)的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)值虫腋。傳感器數(shù)據(jù)和目標(biāo)地址一同發(fā)送，以區(qū)別其來(lái)源稀余。

很容易在不同的平臺(tái)上調(diào)整基于CPLD的ADS悦冀，提高其精度，實(shí)現(xiàn)更高端的功能滚躯。它能夠?yàn)椴煌能囆吞峁┎煌难b配布局，只需要在程序上稍作改動(dòng)掸掏，幾乎沒有額外成本茁影，開發(fā)時(shí)間呈指數(shù)下降募闲。ADS可以結(jié)合可靠的公用汽車數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)步脓，融入到生產(chǎn)工藝中空崇，而靈活的CPLD很容易實(shí)現(xiàn)置入式功能。

結(jié)論

使用低成本滥尉、低邏輯密度CPLD居绸，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的ADS，克服傳統(tǒng)儀表板解決方案的缺點(diǎn)昼反。由于ADS具有內(nèi)在的可編程優(yōu)勢(shì)因登，設(shè)計(jì)重用意味著能夠使用越來(lái)越多的IP和內(nèi)核庫(kù)來(lái)迅速開發(fā)其他解決方案。很容易重新進(jìn)行配置塔奋，更快地向用戶推出新產(chǎn)品步鸣。由于產(chǎn)品生命周期較長(zhǎng)，比較容易收回NRE醇帅，生產(chǎn)商能夠延長(zhǎng)已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品的生命周期醒囊，而且沒有新的NRE投入。

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