金 杭，麻友良，南 瓊，謝 磊

（1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢保華顯示科技有限公司，湖北武漢 430082）

1 引言

隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，汽車儀表正朝著多功能化，智能化方向發(fā)展，儀表開始廣泛采用液晶屏顯示[1?2]。其中燃油量顯示方式逐步由液晶顯示代替步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)油量顯示方式[3?5]，但此種燃油量顯示方式容易出現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）汽車在行駛過(guò)程中，由于路面起伏變化、坡度、加減速等均會(huì)引起油箱內(nèi)燃油液面起伏波動(dòng)。在這種情況下，由于傳感器采集值變化很大，若實(shí)時(shí)顯示油量瞬時(shí)值會(huì)使儀表上油量顯示波動(dòng)很大，導(dǎo)致油量測(cè)量值和顯示值都無(wú)法反映油量真實(shí)值。

（2）在汽車停車加油后或行駛耗油時(shí)，常出現(xiàn)油量顯示值不能及時(shí)刷新的現(xiàn)象。

為解決油量估算精確度不高和汽車加油耗油顯示策略[6?8]的問(wèn)題，研究如下：（1）通過(guò)功能需求，設(shè)計(jì)油量顯示算法；（2）通過(guò)模擬和實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證算法的可行性和有用性。

經(jīng)驗(yàn)表明在解決以上問(wèn)題時(shí)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)能得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，而軟件設(shè)計(jì)方法可對(duì)數(shù)據(jù)處理滿足儀表開發(fā)需求，能夠使顯示更加準(zhǔn)確。此外需對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬測(cè)試及實(shí)車測(cè)試，只有通過(guò)測(cè)試才能確定滿足儀表開發(fā)需求，因此對(duì)研究如何硬件設(shè)計(jì)、軟件算法、模擬測(cè)試和實(shí)車測(cè)試來(lái)解決油量估算精確度不高和汽車加油耗油顯示不及時(shí)的策略問(wèn)題，對(duì)油量顯示具有重要意義。

2 油量顯示的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 油量測(cè)量與顯示結(jié)構(gòu)

油量測(cè)量與顯示結(jié)構(gòu)主要分四部分：油量測(cè)量模塊，A/D采樣[9]模塊，控制模塊，輸出模塊，其中A/D采樣模塊與控制模塊集成在芯片內(nèi)，如圖1所示。

圖1 油量測(cè)量顯示結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Structure Diagram of the Oil Amount Measurement Display

2.2 油量測(cè)量與顯示工作原理

油量測(cè)量模塊：燃油傳感器置于油箱內(nèi)部，通過(guò)調(diào)節(jié)連桿角度來(lái)調(diào)節(jié)自身電阻的滑動(dòng)變阻器，其連桿端點(diǎn)連接一個(gè)漂浮于汽油液面的浮子[10]，如圖2所示。當(dāng)油箱內(nèi)油量發(fā)生變化時(shí)，液面高度發(fā)生變化，浮子的高度也會(huì)隨之發(fā)生變化，連桿角度改變，觸點(diǎn)位置變化對(duì)應(yīng)滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生不同的阻值，如表1所示。

圖2 燃油傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 The Oil Sensor Structure

表1 油量與傳感器阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The Corresponding Relationship Between Oil Mass and Sensor Resistance

A/D 轉(zhuǎn)換模塊：油量電阻Rx直接接到TP140，電路為DVDD 5V 經(jīng)R79，Rx然后接地，如圖3 所示。經(jīng)A/D 采樣，單片機(jī)以5Hz 頻率采集圖3 中AN0 處A/D 電壓值，采用數(shù)學(xué)中比例思想，如式（1）所示。

圖3 單A/D采樣電路Fig.3 The Single A/D Sampling Circuit

式中：Rx—油量對(duì)應(yīng)的電阻值；VREF—采樣參考電壓；R79—上拉電阻；R82—分壓電阻；YAD—A/D采樣值，3FF表示10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的滿值。實(shí)際上，參考電壓VREF存在波動(dòng)，影響采集A/D準(zhǔn)確性，為消除A/D采樣受參考電壓的影響，對(duì)A/D采樣電路有改進(jìn)，如圖4所示。

圖4 差分A/D采樣電路Fig.4 The Sampling Electric Circuit of Difference A/D

和單A/D采樣方法類似，實(shí)際有效電路由DVDD 5V，經(jīng)R63，R74，油量電阻Rx，然后接地。單片機(jī)對(duì)AN0和AN3兩點(diǎn)采樣，得式（2）和式（3），通過(guò)兩者相除可消去參考電壓VREF，使所得油量電阻Rx不受參考電壓的影響。

控制模塊：電位器的分壓提供模擬量的輸入計(jì)算出油位傳感器電阻值，然后通過(guò)油量與傳感器對(duì)應(yīng)阻值關(guān)系可得油量的值，如表1、表2所示。

輸出模塊：最終油量數(shù)據(jù)以油量條顯示在TFT（Thin Film Transistor）液晶顯示屏上，其中靠近右側(cè)車速表盤的弧形格子表示剩余油量，如圖5所示。

圖5 油量顯示效果圖和實(shí)物圖Fig.5 The Impression and Practicality Drawing of Oil Amount

3 油量算法設(shè)計(jì)

3.1 油量算法設(shè)計(jì)流程圖

油量算法流程圖，如圖6所示。

圖6 油量算法流程圖Fig.6 The Oil Algorithm Flow Chart

3.2 油量算法各狀態(tài)策略

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程包含系統(tǒng)和油量算法初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果計(jì)算，其中數(shù)據(jù)采集過(guò)程包含平均值濾波處理，將當(dāng)前采樣值與前9次采樣值的和求取平均值。

算法設(shè)計(jì)主要以車速，轉(zhuǎn)速及IGN 狀態(tài)判斷儀表進(jìn)入某一工況。

根據(jù)用戶體驗(yàn)和顯示油量更新速度快慢將響應(yīng)速度分為快速響應(yīng)、慢速響應(yīng)以及怠速響應(yīng)。各工況算法策略如下：

（1）當(dāng)儀表IGN OFF→ON時(shí)，若油量實(shí)際值與油量記憶值的差值超過(guò)閾值5L判斷汽車在IGN OFF狀態(tài)下加油，若未超過(guò)閾值儀表進(jìn)入快響應(yīng)狀態(tài)，將記憶油量值賦給油量顯示值，油量指示到記憶油量位置；若加油超過(guò)閾值儀表進(jìn)入快速響應(yīng)狀態(tài)，將當(dāng)前實(shí)際油量值賦給油量顯示值，油量指示當(dāng)前油量位置。

（2）當(dāng)車速u>0 時(shí)，儀表處于慢響應(yīng)狀態(tài)，燃油實(shí)際值在減小，顯示值燃油顯示10s刷新一次，將實(shí)際油量值傳遞給油量顯示值；當(dāng)車速u=0，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n>0時(shí)，儀表處入怠速響應(yīng)狀態(tài)，儀表按怠速油耗速率相應(yīng)指標(biāo)，燃油顯示值100s刷新一次；當(dāng)車速u=0，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0 時(shí)，則儀表顯示不發(fā)生變化。

（3）糾錯(cuò)處理是當(dāng)傳感器采集超過(guò)持續(xù)20s非正常數(shù)據(jù)時(shí)，將燃油顯示置為無(wú)段顯示，表示傳感器故障；修復(fù)傳感器后，采集超過(guò)持續(xù)20s正常數(shù)據(jù)時(shí)，快速響應(yīng)到實(shí)際油量位置，油量表恢復(fù)正常顯示。

4 油量測(cè)試

油量測(cè)試分模擬測(cè)試和實(shí)車測(cè)試。模擬測(cè)試是實(shí)車測(cè)試的前提，在模擬測(cè)試時(shí)若發(fā)現(xiàn)顯示問(wèn)題，對(duì)軟硬件優(yōu)化能避免實(shí)車測(cè)試不必要的人力物力浪費(fèi)。

4.1 模擬測(cè)試

模擬測(cè)試主要是儀表外接ZX25a型直流電阻箱，通過(guò)調(diào)節(jié)精密電阻阻值觀察儀表油量顯示刻度值準(zhǔn)確性滿足表2要求，以及油量顯示響應(yīng)速度快慢來(lái)判斷是否滿足常規(guī)測(cè)試、加油漏油測(cè)試車況模擬測(cè)試要求。

表2 油量與LCD顯示對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding Relation Between Oil Mass and LCD Display

常規(guī)測(cè)試是針對(duì)儀表油量顯示指示準(zhǔn)確性和響應(yīng)快慢及指示燈報(bào)警測(cè)試。加油漏油測(cè)試是針對(duì)汽車加油耗油時(shí)響應(yīng)時(shí)間及指示準(zhǔn)確性來(lái)判斷加油漏油是否正常。其中包括IGN OFF是否加油，IGN 切至ON；停車IGN OFF 后是否超過(guò)5s，將IGN OFF切至ON，以及IGN ON與IGN OFF兩種狀態(tài)頻繁切換等情況觀察儀表的響應(yīng)快慢和顯示的準(zhǔn)確性。車況模擬測(cè)試包括模擬行車路況變化、模擬顛簸路面等測(cè)試。

通過(guò)對(duì)儀表顯示的觀察可知，油量算法能滿足常規(guī)測(cè)試、加油漏油測(cè)試、車況模擬測(cè)試的測(cè)試要求，初步驗(yàn)證了算法的可行性，能解決儀表顯示不夠穩(wěn)定以及儀表顯示刷新不及時(shí)的現(xiàn)象。

4.2 實(shí)車測(cè)試

因整車信號(hào)比較復(fù)雜且路面情況存在較多隨機(jī)性對(duì)油量顯示產(chǎn)生各種干擾，因此不能僅依賴于油量模擬測(cè)試，需進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，如圖7所示。

圖7 儀表實(shí)車測(cè)試圖Fig.7 The Instrument Field Test Chart

測(cè)試前儀表顯示區(qū)域顯示油量即時(shí)值，即車輛不論處于何種行駛方式，儀表能夠按照取樣周期顯示此時(shí)油量值。由測(cè)試可知油量波動(dòng)變化過(guò)大情況有兩種：一是油量處于中間波段，即3至6格顯示，油箱內(nèi)有足夠空間使油量浮標(biāo)擺動(dòng)；二是油量對(duì)應(yīng)的電阻值變化最小區(qū)間，即1Ω的電阻會(huì)造成很大油量變化。

油量實(shí)車測(cè)試其中一個(gè)重要目的就是要找出以上兩種情況所對(duì)應(yīng)的變化區(qū)間。實(shí)車測(cè)試進(jìn)行了直路、顛簸路、轉(zhuǎn)彎路及坡路測(cè)試。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)車測(cè)試時(shí)，利用CAN 總線分析儀Kvaser Leaf Light V2 來(lái)記錄實(shí)車測(cè)試時(shí)的CAN數(shù)據(jù)，然后將記錄的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上回放，并提取數(shù)據(jù)中油量顯示部分的數(shù)據(jù)，然后將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。

選取典型實(shí)車測(cè)試若干時(shí)間段分析，如圖8 所示。圖形左側(cè)為油量電阻坐標(biāo)，右側(cè)為實(shí)時(shí)油量和顯示油量坐標(biāo)。汽車加滿油時(shí)在各個(gè)工況下穩(wěn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各工況實(shí)車測(cè)試油量數(shù)據(jù)Tab.3 The Data of Field Tests of Oil Amount

圖8 實(shí)車測(cè)試油量變化曲線Fig.8 The Curve of Field Test of Oil Amount

通過(guò)跑車測(cè)試，可確定油量變化最大的區(qū)間段（如車輛油箱滿值為50L，測(cè)試后得知油量值在（41～28）L的區(qū)間段變化最大）和導(dǎo)致油量變化過(guò)大的行車方式，此時(shí)，可將油量控制在41L到28L這個(gè)區(qū)間進(jìn)行多次測(cè)試，根據(jù)記錄的油量變化數(shù)據(jù)和時(shí)間。

如圖8在A到B時(shí)間區(qū)間內(nèi)，汽車靜止時(shí)，實(shí)時(shí)油量、顯示油量及油量電阻均不變；在B到C時(shí)間區(qū)間內(nèi)，IGN ON后，汽車進(jìn)入怠速模式，實(shí)時(shí)油量值，顯示油量在短時(shí)間內(nèi)，有微小幅度下降，油量電阻有微小幅度的上升；C時(shí)刻慢速啟動(dòng)在D前后減速行駛2s，減速結(jié)束到E時(shí)刻時(shí)汽車加速度不斷增大，實(shí)時(shí)油量下降很快，油量電阻相反增加很快，顯示油量沒有變化；在E到F時(shí)間區(qū)間內(nèi)，汽車加速度基本上保持不變，實(shí)時(shí)油量和油量電阻較穩(wěn)定的顯示，在F到G時(shí)間區(qū)間內(nèi)加速度減小，實(shí)時(shí)油量值變大，油量電阻減??；類似的在G到H時(shí)間區(qū)間內(nèi)，加速度值不斷變化引起實(shí)時(shí)油量和油量電阻波動(dòng)，但顯示油量按著較理想曲線下降。

如表3所示，當(dāng)汽車處于勻速直線和怠速時(shí)，油箱狀態(tài)比較平穩(wěn)，儀表顯示值與實(shí)際油量值的差距很小，顯示誤差分別為0.02%與0.16%；當(dāng)汽車處于上坡和加速時(shí)，油箱傾斜，使浮子的液面高度降低，使顯示油量值變小，顯示值的誤差分別為1.12%和1.01%；當(dāng)汽車處于下坡和減速時(shí)，油箱傾斜，浮子液面升高導(dǎo)致顯示油量值變大，顯示誤差分別為1.11%和1.04%。當(dāng)儀表以油量格顯示時(shí)，對(duì)顯示不會(huì)造成顯示錯(cuò)位的現(xiàn)象。綜上分析，汽車在各工況油量顯示誤差都在誤差允許范圍內(nèi)，能滿足儀表開發(fā)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于硬件設(shè)計(jì)以及軟件算法，模擬和實(shí)車測(cè)試來(lái)研究汽車油量液晶顯示不夠準(zhǔn)確、精確度不高的問(wèn)題，具體可得出以下結(jié)論：

（1）A/D 采集硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)能提高A/D 采樣精度，對(duì)提高油量顯示精度有重要意義。（2）軟件設(shè)計(jì)的控制策略能解決油量顯示不夠準(zhǔn)確，精度不高的問(wèn)題。（3）模擬測(cè)試能初步驗(yàn)證軟件與硬件設(shè)計(jì)的合理性，為實(shí)車測(cè)試提供有利的參考。（4）在各種路況下，顯示油量數(shù)值大小能在實(shí)時(shí)油量瞬時(shí)波動(dòng)很大的時(shí)候保持不變，且在整個(gè)實(shí)車測(cè)試過(guò)程中呈現(xiàn)平穩(wěn)的下降趨勢(shì)，曲線比較理想；顯示油量值相對(duì)于實(shí)際油量值的誤差較小，精確度較高。

綜上可知，通過(guò)軟硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及實(shí)車驗(yàn)證，能為汽車油量液晶顯示提供借鑒。