隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車(chē)電子中的應(yīng)用越來(lái)越多，傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表已經(jīng)逐步被電子儀表所代替。電子儀表有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地節(jié)約車(chē)內(nèi)有限的空間。其以數(shù)字、文字或圖形方式顯示汽車(chē)信息時(shí)，顯示直觀、信息量大，可以根據(jù)不同需要修改不同的顯示內(nèi)容。

抬頭顯示器
HUD是英文Head Up Display的縮寫(xiě)，意為“抬頭顯示”或“平視顯示器”。最初的應(yīng)用就是在戰(zhàn)斗機(jī)上，是由電子組件、顯示組件、控制器以及高壓電源等組成的綜合電子顯示設(shè)備，能將飛行參數(shù)、瞄準(zhǔn)攻擊、自檢測(cè)等信息，以圖像、字符的形式，通過(guò)光學(xué)部件投射到座艙正前方組合玻璃上的顯示裝置。由于使司機(jī)不必低頭察看儀表盤(pán)，HUD可以大大縮短司機(jī)的讀表時(shí)間。與傳統(tǒng)的儀表板相比，人們使用HUD可以更有效地察覺(jué)在行車(chē)前方發(fā)生的事件。

1 總體功能
抬頭顯示系統(tǒng)采用LED直接投射式，在前擋風(fēng)玻璃處采用反射膜的反射成像方式。顯示光經(jīng)過(guò)位于駕駛座前方的半透明反射板反射后，映入駕駛員的眼睛。駕駛員通過(guò)反射板對(duì)行車(chē)前方的路況和顯示圖像以相重疊的形式進(jìn)行信息識(shí)別。顯示像通過(guò)透鏡系統(tǒng)能在無(wú)限遠(yuǎn)點(diǎn)處成像，所以能夠縮短視線的移動(dòng)和焦點(diǎn)調(diào)節(jié)所需要的時(shí)間。系統(tǒng)具備CAN總線通信功能，可以通過(guò)總線接收并指示車(chē)速、轉(zhuǎn)速、超速報(bào)警、巡航狀態(tài)、擋位等信息。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框

2 實(shí)現(xiàn)方案
① 器件選擇
本系統(tǒng)有三個(gè)主要器件，CAN收發(fā)器、微處理器和LED顯示驅(qū)動(dòng)器。主控板需要通過(guò)CAN總線接口來(lái)獲取車(chē)輛的車(chē)速、油量、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)等信息，接口電路包括了協(xié)議收發(fā)器以及總線隔離放大器等部分。由于STM8S系列單片機(jī)自帶CAN協(xié)議通信接口，所以在這里可以省略以往設(shè)計(jì)中采用的SJA1000系列CAN總線收發(fā)器，僅添加CAN物理層接口器件TJA1040就可實(shí)現(xiàn)與整車(chē)之間的完整通信鏈路。TJA1040作為汽車(chē)級(jí)芯片，可以在-40～+125℃溫度范圍內(nèi)工作，能承受6kV靜電放電電壓沖擊，且具備差動(dòng)發(fā)送和接收功能，可以支持最高為1Mb/s的通信速率，單芯片實(shí)現(xiàn)了CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、隔離、保護(hù)功能。微處理器選擇ST公司的STM8S206xx系列，該處理器片內(nèi)集成CAN控制器，支持CAN 2.0B協(xié)議。于MCU的I/O管腳驅(qū)動(dòng)能力有限，而直接驅(qū)動(dòng)LED段碼需要較大的電流。所以需要在MCU和LED段碼屏之間增加LED驅(qū)動(dòng)電路ST2225A，以增強(qiáng)LED屏的驅(qū)動(dòng)電流。ST2225A是采用CMOS工藝的LED驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用電路，具備連續(xù)背光控制和串行數(shù)據(jù)輸入功能。

② 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用車(chē)載12V電源，帶有ACC鑰匙控制和外部開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)外部開(kāi)關(guān)處在關(guān)閉狀態(tài)下時(shí)，無(wú)論汽車(chē)是否啟動(dòng)，HUD系統(tǒng)都不會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)(處于關(guān)閉狀態(tài))。當(dāng)外部開(kāi)關(guān)處在打開(kāi)狀態(tài)下時(shí)分為兩種情況。在汽車(chē)熄火拔鑰匙狀態(tài)下，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅耗費(fèi)極微小的電量；當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，從CAN總線讀取數(shù)據(jù)并顯示在LED顯示屏上。

CAN網(wǎng)絡(luò)兩端通常需要連接兩個(gè)終端電阻，其作用是防止數(shù)據(jù)在到達(dá)線路終端后像回聲一樣返回而干擾原始數(shù)據(jù)。為了防止外界電磁干擾或向外輻射騷擾，兩條數(shù)據(jù)線通常平行纏繞在一起，電位相反，電壓和總等于常值。

圖2 串行協(xié)議時(shí)序

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顯示驅(qū)動(dòng)芯片ST2225A的串口數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議如圖3所示，輸入數(shù)據(jù)是以一個(gè)“1”開(kāi)始的35位數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)?6個(gè)數(shù)據(jù)傳送完畢后，將與時(shí)鐘使能（DATA ENABLE）同步生成載入信號(hào)，進(jìn)而將35位數(shù)據(jù)被載入鎖存器中。時(shí)鐘禁止可以生成復(fù)位信號(hào)，用于清除移位寄存器中的數(shù)據(jù)并等待下一組35位數(shù)據(jù)。串口通信的時(shí)鐘頻率最高可以設(shè)置為500Kbps。

圖3 基本軟件

為了達(dá)到連續(xù)背光控制，LED的亮度是通過(guò)一個(gè)可變電阻來(lái)設(shè)置參考電流。圖4給出了ST2225A的接口電路圖。由于要顯示的內(nèi)容較多，總共需要驅(qū)動(dòng)82個(gè)LED燈。而ST2225A只有35個(gè)輸出端，因此必須利用其中幾個(gè)引腳做公共端，采取分時(shí)掃描的驅(qū)動(dòng)方式。但是公共端越多，輸出占空比越小，LED燈的亮度會(huì)受到一定影響，所以公共端不能太多。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，3個(gè)公共端對(duì)LED燈的亮度沒(méi)有太大影響，為了使LED燈保持原有亮度，可以適當(dāng)加大供電電壓。

③ 軟件流程
在系統(tǒng)啟動(dòng)后，屏幕顯示提示信息，用戶(hù)輸入時(shí)間，日期信息確認(rèn)后顯示屏開(kāi)始顯示日期信息，此時(shí)汽車(chē)顯示速度為零。汽車(chē)啟動(dòng)后系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)處理的近似車(chē)速和已經(jīng)行駛的里程信息。在行駛的過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)解析車(chē)身總線發(fā)送來(lái)的CAN信息幀進(jìn)行汽車(chē)的里程計(jì)數(shù)，單片機(jī)利用定時(shí)中斷定期對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，從而得到速度等信息，程序不斷將速度值和門(mén)限值進(jìn)行比較，如果超過(guò)給出報(bào)警提示。

總結(jié)
本文主要討論了車(chē)載抬頭顯示的基本實(shí)現(xiàn)框架和實(shí)現(xiàn)所需的主要元器件，著重討論了CAN總線接口、顯示屏控制器接口和電源接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際工程化論文中所提出的設(shè)計(jì)方案，證實(shí)其具有可實(shí)現(xiàn)程度高、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。