汽車虛擬儀表的指針設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吉爽，程安宇，鄧勇

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 重慶 400065)

0 引言

近年來隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，汽車儀表電子化程度越來越高：從最初的機(jī)械式儀表，到目前最新的虛擬儀表，經(jīng)歷了電氣式、模擬電子式和數(shù)字組合式儀表的發(fā)展[1]。汽車虛擬儀表通過采用一塊大尺寸TFT(Thin Film Transistor)液晶顯示屏代替了傳統(tǒng)指針式儀表面板[2]，用虛擬指針代替了傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)指針指示。

在汽車虛擬儀表設(shè)計(jì)開發(fā)中，虛擬指針的運(yùn)動(dòng)過程控制是汽車虛擬儀表重點(diǎn)研究內(nèi)容。具體包括兩個(gè)方面：(1)對于轉(zhuǎn)速等劇烈變化的信號，指針必須能夠及時(shí)準(zhǔn)確指示；(2)指針運(yùn)動(dòng)過程中不能出現(xiàn)明顯的跳變、拖尾等現(xiàn)象，應(yīng)該平滑運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。虛擬指針的運(yùn)動(dòng)特性不同于傳統(tǒng)儀表機(jī)械指針，機(jī)械式指針受物理特性約束角度是逐漸變化的，而虛擬指針不存在機(jī)械慣性等約束，指針的位置是可以直接跳變的。虛擬指針運(yùn)動(dòng)控制算法中，文獻(xiàn)[3]中主要的方法是以固定的最小步進(jìn)角驅(qū)動(dòng)車速表指針運(yùn)動(dòng)，指針的運(yùn)動(dòng)過程能夠?qū)崿F(xiàn)緩動(dòng)效果，不過對于較大的角度差指針存在響應(yīng)慢的不足。文獻(xiàn)[4]中主要方法是當(dāng)指針小角度變化時(shí)直接采用角度差作為步進(jìn)角，大角度變化時(shí)采用二次多項(xiàng)式確定步進(jìn)角，同時(shí)為防止出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象對最大步進(jìn)角做了限制。這種方式對于正弦波測試信號具有較好的跟蹤效果，但對于方向頻繁變化的信號步進(jìn)角有可能出現(xiàn)明顯的跳變現(xiàn)象。

基于上述問題，作者提出一種模擬機(jī)械指針運(yùn)動(dòng)機(jī)制與液晶顯示器更新特性相結(jié)合的控制方案。在液晶顯示器更新特性方面，充分考慮液晶顯示器每秒鐘內(nèi)畫面被重繪更新的次數(shù)即幀頻率是固定不變，結(jié)合人眼對動(dòng)態(tài)視覺信號的分辨能力有限，虛擬指針的位置更新頻率需要選擇合適的值。在幀頻率一定的情況下，為了使虛擬指針的運(yùn)動(dòng)過程具有物理指針運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感，在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)引入了傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)式儀表的物理機(jī)制。即虛擬指針運(yùn)動(dòng)控制的本質(zhì)是計(jì)算每幀圖像中指針的步進(jìn)角。在虛擬指針的運(yùn)動(dòng)過程中，引入加減速控制邏輯，呈現(xiàn)出先加速、再勻速、再減速的變化。通過依托某硬件平臺對汽車虛擬儀表的指針運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 虛擬指針控制設(shè)計(jì)

1.1 汽車虛擬儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的虛擬儀表硬件平臺采用的是富士通系統(tǒng)級芯片MB86R01微控制器，其內(nèi)部集成高性能的ARM9處理器內(nèi)核和MB86296圖形顯示控制器[5]。汽車虛擬儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在車輛行駛過程中，MB86R01微控制器通過IO口、CAN總線等信號輸入通道完成整車信息的采集；經(jīng)過軟件對原始信號進(jìn)行加工、運(yùn)算和邏輯分析處理后，在顯示器面板上通過繪制各種圖形圖像來表達(dá)車輛信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 虛擬指針控制的程序設(shè)計(jì)

汽車在行駛過程中，車速表指針轉(zhuǎn)到的具體位置是由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和汽車輪胎直徑等參數(shù)根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得出，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是汽車虛擬儀表通過CAN總線接收汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送的CAN報(bào)文而得到。車速表指針的控制流程如圖2所示。首先，計(jì)算車速信號值和指針目標(biāo)位置；然后，計(jì)算當(dāng)前位置的角度差，如果角度差為0則結(jié)束當(dāng)前周期位置更新操作。

指針運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制任務(wù)是通過與速度步進(jìn)閾值相比較得到當(dāng)前位置差下理論速度，而后對其進(jìn)行校正，防止速度變化快于最大加速度，或超出最大速度限定。確定當(dāng)前周期指針的運(yùn)行速度后重繪指針并更新指針對象的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)束當(dāng)前周期操作。其程序流程如圖3所示。

圖2 車速表指針控制流程圖

圖3 指針運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制流程圖

其中Speed代表指針當(dāng)前運(yùn)行的速度，Last_Speed用于記錄上一個(gè)周期中指針的運(yùn)行速度，Speed_Deviate代表指針當(dāng)前運(yùn)行速度和上一個(gè)周期指針運(yùn)行速度差；SPEED_THERSHOLD是速度閾值參數(shù)，用于判斷當(dāng)前周期角度差下支持的最大運(yùn)行速度。MAX_SPEED和MAX_ACC兩個(gè)參數(shù)分別限定虛擬指針的最大運(yùn)行速度和最大加速度。其中Cur_Pos代表指針當(dāng)前的位置，文中MIN_POS代表車速表最小刻度0 km/h位置即0°，MAX_POS代表車速表最大刻度150 km/h位置即180°。該控制方法通過使用毫秒級中斷進(jìn)行計(jì)算能在應(yīng)用中使指針得到平滑的運(yùn)動(dòng)。

2 虛擬指針運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬指針的步進(jìn)角實(shí)現(xiàn)

文中配置的液晶顯示器的刷新頻率為60 Hz，即顯示器更新畫面的時(shí)間間隔為16.67 ms，理想的情況下虛擬指針的更新時(shí)間與場同步信號一致[6]。設(shè)定虛擬指針的步進(jìn)角為固定值，測試并標(biāo)定指針在不同速度下勻速運(yùn)動(dòng)的顯示效果，結(jié)果如表1所示。

表1 不同步進(jìn)角下勻速運(yùn)動(dòng)顯示效果測試

從表1可以看到：根據(jù)角度差的大小選擇合適的步進(jìn)角是虛擬指針運(yùn)動(dòng)控制的基本思路。綜合考慮虛擬指針的顯示效果和動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)時(shí)性，實(shí)際應(yīng)用中將步進(jìn)角的取值限定在0.1～3.5°/幀之間，最高角速度限定在210°/s。設(shè)計(jì)中步進(jìn)角取值為2.5°/幀，角速度為150°/s，足夠滿足車速表、轉(zhuǎn)速表的實(shí)時(shí)顯示要求。

2.2 虛擬指針控制參數(shù)的實(shí)現(xiàn)

指針運(yùn)動(dòng)中最重要的參數(shù)是最大加速度MAX_ACC和最大速度MAX_SPEED，前者用于限制速度的變化快慢，作用于指針運(yùn)動(dòng)的起始和結(jié)束階段，模擬機(jī)械指針的慣性特征；后者限制最大角度差，防止更新過快出現(xiàn)拖影等現(xiàn)象。

在CANoe硬件在環(huán)仿真環(huán)境中，初始設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0，而后跳變?yōu)樽畲笾?0 000 r/min(對應(yīng)車速130 km/h)，配置MAX_SPEED為20，速度切換閾值為20，測試MAX_ACC分別為1、3和6時(shí)車速表指針的運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)時(shí)位置變化過程，如圖4所示。

圖4 不同MAX_ACC下車速表的運(yùn)動(dòng)過程

從圖4(a)可以看到：MAX_ACC越大，指針越快到達(dá)最大運(yùn)動(dòng)速度，到達(dá)目標(biāo)位置的90%所消耗的時(shí)間越少，可以提高指針的響應(yīng)速度；不過，MAX_ACC越小，指針的啟動(dòng)和結(jié)束過程越平緩，更符合人的視覺習(xí)慣。從圖4(b)中可以看出：MAX_ACC值的增加對于縮短指針響應(yīng)時(shí)間的作用有限，大于一定值后指針加速直線和位置曲線接近重合。所以，文中MAX_ACC取值為2。同樣的，速度切換閾值仍為20，MAX_ACC取值為2，測試MAX_SPEED分別為10、20和30時(shí)車速表指針的運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)時(shí)位置變化過程，如圖5所示。

圖5 不同MAX_SPEED下車速表的運(yùn)動(dòng)過程

可以看到，指針運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)同樣的線性增長關(guān)系，但車速表指針的運(yùn)動(dòng)過程差別明顯。MAX_SPEED越大，指針的加速過程越長，減速越早。分析報(bào)文數(shù)據(jù)可以得到：最大速度分別為10、20和30時(shí)，指針到達(dá)目標(biāo)位置的90%的時(shí)間分別為2.734 389、1.501 770和1.185 731 s。所以，MAX_SPEED的值可以明顯改變指針的響應(yīng)速度，文中MAX_SPEED的值取20。

3 虛擬指針指示測試

虛擬指針指示測試分為兩個(gè)內(nèi)容：一個(gè)是指示功能測試，包含指示準(zhǔn)確性測試和指示響應(yīng)時(shí)間測試；另一個(gè)是指示性能測試。測試主要用的工具包括上位機(jī)、CANoe、CANcaseXL接口卡、穩(wěn)壓電源和被測虛擬儀表等。整個(gè)測試環(huán)境的搭建如圖6所示。

圖6 測試環(huán)境搭建

3.1 指示功能測試

(1)指示誤差測試

判斷虛擬指針車速信號的實(shí)際指示角度與理論角度之間的誤差。輸入信號：電機(jī)控制器采集轉(zhuǎn)速信號值并共享至CAN總線，儀表根據(jù)相應(yīng)公式將轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際車速。根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，車速表的指示值不低于理論車速，指示車速與當(dāng)前理論車速之間符合如下關(guān)系：

0≤v1-v2≤v2/10+4

(1)

其中:v1表示車速表的指示值;v2表示理論車速。從圖7中可以看到：虛擬儀表的顯示車速符合設(shè)計(jì)要求，低于標(biāo)準(zhǔn)誤差限，滿足JLYY-JT-08乘用車組合儀表基本誤差與指針響應(yīng)時(shí)間測試規(guī)范的指示精確度要求。

圖7 車速指示誤差分析

(2)響應(yīng)時(shí)間測試

判斷車速或轉(zhuǎn)速信號值在明顯改變后虛擬指針能否及時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置。指針的運(yùn)動(dòng)過程需要平滑穩(wěn)定，無明顯抖動(dòng)現(xiàn)象。圖8是測試上位機(jī)trace窗口的輸出結(jié)果為最大轉(zhuǎn)速到最小轉(zhuǎn)速的時(shí)間戳。

圖8 指針響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

指針的運(yùn)動(dòng)平滑穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的拖尾和抖動(dòng)現(xiàn)象。通過計(jì)算可以得到，指針順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)平均時(shí)間分別為2.793 564和2.793 471 s，即滿刻度測試的平均響應(yīng)時(shí)間為2.793 518 s。根據(jù)文獻(xiàn)[8]規(guī)定：取指針的響應(yīng)時(shí)間上限為10 s，而被測儀表響應(yīng)時(shí)間未超出此上限，虛擬指針響應(yīng)時(shí)間特性符合JLYY-JT-08乘用車組合儀表基本誤差與指針響應(yīng)時(shí)間測試規(guī)范的基本要求。

3.2 指示性能測試

汽車行駛過程中，轉(zhuǎn)速信號的波動(dòng)頻率非?？欤瑢τ谥羔樀膭?dòng)態(tài)性能要求極高。所以有必要在高頻率波動(dòng)下對指針的指示精確程度進(jìn)行長時(shí)間測試。

在仿真環(huán)境中對轉(zhuǎn)速信號(生成對應(yīng)車速)進(jìn)行模擬，配置轉(zhuǎn)速信號的生成方式為隨機(jī)模式，隨機(jī)信號的波形如圖9(a)所示。測試1 100 min后停止，分析報(bào)文可以得到此時(shí)轉(zhuǎn)速信號的值為1 295 r/min(8 465×0.153)，計(jì)算車速為：

(2)

指針的實(shí)際位置如圖9(b)所示，數(shù)字顯示為17 km/h，指針在隨機(jī)信號測試下能夠保證準(zhǔn)確。

圖9 隨機(jī)生成轉(zhuǎn)速值后測試車速表的結(jié)果

4 結(jié)束語

首先對現(xiàn)有的汽車虛擬儀表指針控制方法進(jìn)行了對比分析，針對現(xiàn)有方法存在的缺陷，設(shè)計(jì)了虛擬儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和車速指針表軟件總體流程；然后通過仿真實(shí)驗(yàn)確定軟件設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)值；最后通過上位機(jī)硬件在環(huán)仿真搭建汽車虛擬儀表測試環(huán)境，定量分析了指針的運(yùn)動(dòng)性能。測試結(jié)果表明：利用文中提出的控制方案，不僅實(shí)現(xiàn)了車速、轉(zhuǎn)速等劇烈變化的信號指針能夠及時(shí)準(zhǔn)確地指示，而且指針運(yùn)動(dòng)過程無明顯跳變和拖尾等現(xiàn)象。雖然實(shí)現(xiàn)此方案的載體是汽車虛擬儀表，但是軟件設(shè)計(jì)中的控制方法對各類虛擬指針的運(yùn)動(dòng)控制都具有普遍的適用性。因此設(shè)計(jì)開發(fā)人員在利用文中提出的控制方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的相應(yīng)需求，在軟件開發(fā)時(shí)對相應(yīng)參數(shù)作適當(dāng)修改，就能實(shí)現(xiàn)虛擬指針指示的平滑性、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。

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