張曉曉， 馬其華， 何晨曦， 王悅凡， 韓惠羽

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

設(shè)計參加復(fù)雜賽場環(huán)境的全地形賽車的過程中，直接選配市售的車載儀表系統(tǒng)時，由于受車輛配置所限、功能要求的特殊，難以找到合適的、性價比高的產(chǎn)品。全地形車輛的儀表系統(tǒng)要求在極度惡劣環(huán)境下正常顯示賽車各重要部件工作狀況與工作數(shù)據(jù)，以保障賽車的正常工作[1]。另外由于比賽需要在儀表顯示系統(tǒng)中增加車外擴音、行車軌跡記錄以及賽車手心率采集等功能，因此,自主開發(fā)接布線簡單、成本較低且工作可靠的儀表顯示系統(tǒng)對于賽車的設(shè)計具有重要意義[2]。

1 整體設(shè)計

儀表顯示系統(tǒng)以Arduino NANO開發(fā)板為核心，按照功能要求設(shè)計各模塊電路并配以處理程序，實現(xiàn)了顯示可靠、擴展性強、使用便捷的設(shè)計目的[3,4]。

根據(jù)實際賽車情況，系統(tǒng)顯示系統(tǒng)的主要功能及要求，如表1所示。

表1 儀表系統(tǒng)功能分類

所設(shè)計的儀表系統(tǒng)主要由傳感器模塊、控制器模塊、顯示模塊及供電模塊組成。傳感器模塊檢測所需賽車部分工作數(shù)據(jù)，并發(fā)送給控制器模塊?？刂破髂K選用Arduino NANO開發(fā)板，處理傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給顯示模塊；顯示模塊接收單片機傳回的數(shù)據(jù)，并將其顯示在屏幕上用于提示車手；電源模塊為以各模塊提供持續(xù)穩(wěn)定電能[5]。

控制器模塊選用Arduino開發(fā)板作為系統(tǒng)平臺，負(fù)責(zé)、收集、顯示各模塊數(shù)據(jù)。如圖1所示，控制各模塊中的傳感器及數(shù)據(jù)處理，通過外接電池供電，由各個傳感器從車體不同位置采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)，交由Arduino中已編譯的程序進一步處理，并通過Arduino發(fā)送給顯示模塊，最終車體各參數(shù)將通過LCD顯示屏輸出顯示[6～10]。

圖1 儀表系統(tǒng)模塊框圖

2 基礎(chǔ)功能模塊設(shè)計

2.1 車速采集與顯示模塊設(shè)計

車速采集模塊中用到的傳感器為霍爾傳感器[11]，霍爾傳感器結(jié)構(gòu)為一個半導(dǎo)體器件，有4個引腳，數(shù)據(jù)傳輸用D0引腳與控制器模塊相連，A0引腳連接至Arduino數(shù)字端口的任一空閑引腳，剩余的3個引腳分別連接至Arduino的5 V和GND端，D0引腳與Arduino D6引腳相連。其中，D0端口默認(rèn)輸出高電平，當(dāng)磁鐵的特定一面(磁鐵的另一面無效)靠近霍爾傳感器時，D0會輸出低電平。將磁鐵固定在半軸上，磁鐵特定一面與霍爾傳感器對應(yīng)，其中，半軸轉(zhuǎn)動至磁鐵與霍爾傳感器之間距離最短時，應(yīng)保證霍爾傳感器可以正常工作。Arduino測的單位時間內(nèi)霍爾傳感器傳出低電平的次數(shù)，即為半軸轉(zhuǎn)速n，rad/s;計算車輛行駛速度V=n×r×π×3.6，km/h。

由于Arduino引腳個數(shù)限制，在系統(tǒng)設(shè)計時，選用2塊Arduino作為系統(tǒng)的控制模塊，Arduino 1和Arduino 2，由Arduino1控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速模塊、檔位顯示模塊、車輛速度模塊、加速度模塊和CVT皮帶/輪胎溫度模塊；由Arduino1控制心率模塊、實時對講模塊、軌跡記錄模塊和賽時顯示模塊。

車速顯示模塊采用64×256點陣圖形顯示字符的液晶顯示器，反應(yīng)速度僅10 μs左右，能夠縮短儀表系統(tǒng)的反應(yīng)時間，提高儀表系統(tǒng)的精度。將顯示屏放置在方向盤上，根據(jù)賽車手眼睛到方向盤的距離和顯示屏尺寸設(shè)置車速顯示模塊字符的大小為34×58，先在Arduino1中寫入"Serial.print('Speed:')"，即在顯示屏中顯示字符"Speed:"，然后將車速顯示排布在字符后面，車速的刷新頻率為0.01 s。

將得到的車輛速度進行擋位劃分。車速為0～10 km/h為1擋，10～30 km/h為2擋，30～40 km/h為3擋，40～60 km/h為4擋，60～80 km/h為5擋，80 km/h以上為6擋。將相應(yīng)程序?qū)懭階rduino1，Arduino1采集到發(fā)動機轉(zhuǎn)速后，通過單位換算并分析轉(zhuǎn)速所在范圍，然后將相對應(yīng)的擋位發(fā)送到顯示模塊，并顯示在顯示屏上，用以提示賽車手，為合理駕駛提供參考。

2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集與顯示模塊設(shè)計

此模塊中使用到導(dǎo)線、燈條WS2812和4位數(shù)碼管3416BS，將導(dǎo)線纏繞到火花塞點火線上，通過采集發(fā)動機點火脈沖頻率，發(fā)動機點火脈沖頻率與曲軸轉(zhuǎn)速和發(fā)動機缸數(shù)相關(guān)，即n=30τf/I。其中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；τ為沖程數(shù)；f為點火脈沖頻率，Hz；I為發(fā)動機缸數(shù)(賽車使用單缸發(fā)動機，I為1)。

將此模型寫入單片機Arduino 1，當(dāng)采集到的發(fā)動機點火脈沖頻率輸入Arduino 1后，Arduino 1根據(jù)寫入的公式進行計算，計算結(jié)束后，Arduino 1將計算得到的數(shù)據(jù)分別發(fā)送并顯示在顯示模塊和4位數(shù)碼管3416BS上，與此同時，Arduino 1將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化控制燈條WS2812的亮度及個數(shù)的變化，賽車手在競賽過程中更為直觀地可以觀察到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化。

當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生異常時，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過某設(shè)定值后，Arduino 1處理后將向顯示屏發(fā)送報警信號并顯示在顯示屏上，用以提醒賽車手。設(shè)定值為5 000 r/min。

2.3 加速度采集與顯示模塊設(shè)計

采用九軸姿態(tài)MPU9150傳感器，其具有體積小、重量輕、靈敏度高等特點，該傳感器集成了PNI三軸磁傳感器、三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和傳感器融合算法，通過I2C接口輸出測量數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)的功能要求，只選用了九軸姿態(tài)傳感器中三軸加速度傳感器部分[12]。

作為三軸加速度傳感器的5個功能引腳，VCC和GND為供電引腳，INT引腳輸出低電平中斷請求信號，SCL引腳輸出I2C串行時鐘，SDA引腳輸出I2C串行數(shù)據(jù)，SCL引腳數(shù)據(jù)線與SDA端口數(shù)據(jù)線構(gòu)成I2C總線的串行總線。信息傳輸中，將Arduino1設(shè)置為主控器，MPU9150設(shè)置為發(fā)送器。Arduino1向MPU9150發(fā)出一個信號后，等待MPU9150發(fā)出一個應(yīng)答信號，Arduino1接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，則判斷MPU9150出現(xiàn)故障。將模塊放置在中控板上，即間接放置在車體上，隨著車體的運動并檢測出車體的位置變化，繼而測出車體的空間加速度，能夠相對全面地反映出車體的運動性質(zhì)。

Arduino1將通過MPU9150采集到的加速度數(shù)據(jù)分析并發(fā)送至顯示模塊，先在Arduino1中寫入“Serial.print(‘X:’)”、“Serial.print(‘Y:’)”和“Serial.print(‘Z:’)”，即在顯示屏中分別顯示字符“X:”、“Y:”和“Z:”，在加速度數(shù)據(jù)輸出時，將各數(shù)值的顯示位置設(shè)置在上述字符后，加速度的刷新頻率為0.01 s。

2.4 CVT皮帶溫度采集與顯示模塊設(shè)計

為保證賽車運行時皮帶工作的可靠性，采用MLX90614紅外測溫傳感器對溫度進行實時監(jiān)測。傳感器工作范圍為-40～+125 ℃,作為非接觸式傳感器其測量范圍為-70～+380 ℃。正常工作時，其精度可達0.5 ℃[13]。MLX90614紅外測溫傳感器共有4個引腳，其中VCC和GND兩個引腳是為其供電，SCL引腳輸出時鐘信號，SDA引腳通過PWM波的形式輸出物體溫度。將該傳感器固定在CVT殼體內(nèi)部并保持在距離皮帶2 cm的位置，當(dāng)傳感器工作時，其內(nèi)部的微處理器通過相應(yīng)的寫命令和讀數(shù)據(jù)指令，從MLX90614的RAM中地址為07H的存儲單元里讀出16位溫度數(shù)據(jù)，由高8位(DataH)和第8位(DataL)組成，讀出的數(shù)據(jù)(DataH:DataL)(:表示將高8位和低8位接合在一起組成16位數(shù)據(jù))，換算成溫度T(單位為℃)，Arduino1即可得到皮帶溫度，T=(DataH:DataL)×0.02-273.15。 Arduino1將通過MLX90614采集到的加速度數(shù)據(jù)分析并發(fā)送至顯示模塊，先在Arduino1中寫入“Serial.print(‘Temp:’)”，即在顯示屏中顯示字符“Temp:”，在溫度數(shù)據(jù)輸出時，將顯示位置設(shè)置在上述字符后，賽車手即可在顯示屏上看到溫度數(shù)據(jù)。其中， 溫度數(shù)據(jù)的刷新頻率為0.01 s。

3 擴展功能模塊設(shè)計

3.1 心率采集與顯示模塊設(shè)計

為方便車手操作，采用體積小、靈敏度高、采集數(shù)據(jù)方式多樣且不會限制被測人的活動的脈搏傳感器，該傳感器為一種用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，僅需將其佩戴在待測對象耳垂、手指等皮膚表面。其工作原理是通過光電容積法測量心率，即利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量。通過導(dǎo)線連接，將采集到的模擬信號傳輸給Arduino 2單片機，用于轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過Arduino 2數(shù)據(jù)處理分析等到心率數(shù)值。

PULSE SENSOR共有3個引腳，其中VCC和GND為PULSE SENSOR供電，S引腳為信號輸出端，將S引腳與Arduino 2 28號引腳相連，將其佩戴在手指或耳垂處，S引腳即可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給Arduino 2。

Arduino 2將通過PULSE SENSOR采集到的心率數(shù)據(jù)分析并發(fā)送至顯示模塊，先在Arduino2中寫入“Serial.print(‘HR:’)”，即在顯示屏中分別顯示字符“HR:”，在心率數(shù)據(jù)輸出時，將數(shù)據(jù)的顯示位置設(shè)置在上述字符后，心率刷新頻率為0.1 s。

3.2 實時對講模塊設(shè)計

采用CJMCU-9812擴音模塊實現(xiàn)實時對講功能。模塊具有封裝尺寸小、重量輕和功耗低等特點，可將其與夾子相連接，使用時放置在使用者衣領(lǐng)上，可以減少外界因素干擾又較為輕便。由于模塊已經(jīng)封裝，使用相對方便，只有“VCC”，“GND”和信號輸出“OUT”三個引腳，其中，“VCC”和“GND”引腳與Arduino 2相對應(yīng)的引腳相連，由Arduino 2為其持續(xù)供電即可正常工作。

3.3 軌跡記錄與顯示模塊設(shè)計

為減少儀表系統(tǒng)體積，所需數(shù)據(jù)將從加速度模塊導(dǎo)入。將Arduino 1中采集的MPU9150數(shù)據(jù)通過串口通信的方法，發(fā)送至Arduino 2中，在串口通信過程中，Arduino 1中的TX引腳與Arduino 2中RX引腳相連，Arduino 1中的RX引腳與Arduino 2中TX引腳相連，將數(shù)據(jù)處理成字符形式后，發(fā)送至Arduino 2中， Arduino 2即可采集到軌跡記錄模塊需要的數(shù)據(jù)[14,15]。

將Arduino 2通過調(diào)用u8glib庫函數(shù)的方法在顯示屏上畫出所需軌跡范圍邊界，此處為64×64的方框，將采集的數(shù)據(jù)通過Arduino 2處理后發(fā)送至顯示屏，并將這些點存儲并保留在顯示屏上，即可匯聚出賽車運行的軌跡圖像，方便賽車手觀察。

3.4 賽時采集與顯示模塊的設(shè)計

采用DS3234時鐘驅(qū)動芯片作為比賽顯示模塊。模塊采取SPITM總線的實時時鐘(RTC)并且集成了電池備份的256字節(jié)SRAM。DS3234共有7個引腳，實際操作中只用到6個引腳，除VCC和GND兩個引腳為DS3234供電外，另外MOSI、MISO、SS及CLK四個引腳用來數(shù)據(jù)傳輸,其中，MOSI端口為主機輸入從機輸出，MISO端口為主機輸出從機輸入，此處，將Arduino 2設(shè)置為主機，DS3234設(shè)置為從機。

Arduino 2將通過DS3234采集到的心率數(shù)據(jù)分析并發(fā)送至顯示模塊，先在Arduino 2中寫入“Serial.print(‘TIME:’)”，即在顯示屏中分別顯示字符“TIME:”，在時間數(shù)據(jù)輸出時，將數(shù)據(jù)的顯示位置設(shè)置在上述字符后，時間數(shù)據(jù)的刷新頻率為0.1s。

3.5 供電模塊及各模塊之間連接設(shè)計

供電模塊采用5 V電源持續(xù)為Arduino供電，再由Arduino為傳感器模塊和顯示模塊持續(xù)供電，該電源體積小，質(zhì)量輕，拆卸方便。為減小系統(tǒng)體積并且增加電路穩(wěn)定性，模塊之間選用PCB連接。運用軟件Altium Designer Release進行PCB板的設(shè)計[16]，在設(shè)計PCB時，根據(jù)PCB線寬與允許最大電流關(guān)系，設(shè)計兩種不同線寬，主路通過的電流較大，線寬設(shè)計為0.30 mm、厚度50 m，允許通過最大電流1.10 A；支路通過的電流較小，線寬設(shè)計為0.15 mm、厚度50 m，允許通過最大電流0.50 A，原理圖如圖2所示。

圖2 PCB板原理

系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會遇到浸水的情況，因此，將儀表系統(tǒng)中控板和各個傳感器用盒子密封，各模塊之間通過防水接頭連接，使得不同模塊與Arduino之間的連接可隨意拆卸，達到可根據(jù)不同車型及功能需要隨意選擇不同模塊與Arduino進行組合的效果。

4 校準(zhǔn)與性能測試

將各模塊測試數(shù)據(jù)與儀器測得實際數(shù)據(jù)進行比較，各模塊更新頻率滿足使用要求，可達到最少3次/s的更新頻率。經(jīng)偏差校準(zhǔn)，儀表系統(tǒng)各模塊工作偏差范圍為±1 %。經(jīng)實車測試，車速模塊、發(fā)動機轉(zhuǎn)速模塊、加速度模塊和CVT皮帶溫度模塊基礎(chǔ)模塊均可正常工作；心率采集模塊、軌跡記錄模塊和賽時顯示模塊等擴展模塊均可正常工作。測試過程中，儀表系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速模塊、溫度模塊及心率模塊所測數(shù)值高于設(shè)定值時，系統(tǒng)會在儀表顯示模塊界面顯示報警信號，達到報警的目的。如圖3所示。

圖3 測試效果

5 結(jié) 論

通過在不同路況下全地形賽車上的測試，系統(tǒng)顯示功能可靠，監(jiān)測響應(yīng)及時，滿足賽車各工況需要與測試要求。該儀表系統(tǒng)電路設(shè)計簡單、程序編制簡易，既可在類似場合與環(huán)境使用，又可為初學(xué)者學(xué)習(xí)相關(guān)控制原理提供實驗平臺。