代 政，王 成，金 星，

（1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；2.上海科技大学 上海 200031；3.浙江中科领航汽车电子有限公司 浙江 杭州311228）

电动汽车全液晶仪表系统的硬件设计

代 政1，2，王 成3，金 星1，2，3

（1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；2.上海科技大学 上海 200031；3.浙江中科领航汽车电子有限公司 浙江 杭州311228）

针对传统机械仪表在新能源电动汽车应用上的不足，设计了一种全液晶仪表的硬件系统方案。该系统采用富士通公司的MB91F522K作为主控芯片采集并处理汽车CAN总线信号和电平信号，选取Freescale公司的i.MX6Quad芯片作为图形显示处理器，通过LCD显示电动汽车的车速、转速、电机和电池组状态、警示等信息。实验表明该仪表系统能准确直观地显示电动汽车的复杂运行参数。

电动汽车；液晶仪表系统；i.MX6Quad；CAN总线

近年来新能源汽车产业在国家和企业的重视下大规模发展，其中以电动汽车占主导地位。仪表作为驾驶员直观掌握汽车行驶状态的平台，是汽车整个系统中十分重要的部分[1]。电动汽车内部的电机控制单元和电池管理系统的参数复杂，加上胎压监测，地图导航，倒车雷达等汽车电子装置的使用，传统仪表因为功能简单，信息量不足，已经无法满足显示需求。为了能准确显示电机参数、电池组状态等电动汽车特定信息[2]，发展显示更直观，功能更齐全，精度更高的全液晶电动汽车仪表是必然的趋势，为此设计了一种电动汽车全液晶仪表的硬件系统方案。

1 系统硬件架构

本液晶仪表系统的硬件包含底板和核心板[3]，底板上采用了富士通公司的MB91F522K 32位处理器作为主控MCU，负责采集汽车信号和系统电源管理，核心板上采用了Freescale公司基于ARM®Cortex®-A9架构的i.MX6Quad处理器[4]作为CPU，对仪表界面显示处理。系统硬件原理框图如图1所示。底板部分由MCU最小系统，电源转换电路，存储电路，信号采集电路，液晶屏显示，按键及蜂鸣器电路等组成。核心板部分主要由CPU最小系统，电源转换电路，接口电路，DDR及eMMC电路等组成。电动汽车的电机和电池状态、车速、电机转速，以及故障报警信息[5]利用CAN总线和信号采集电路传输给MCU，MCU对CAN报文和电平信号解析并处理，然后将处理后的状态信息通过UART发送给CPU，CPU调用用户界面应用程序中的图形文字与状态信息进行属性绑定，通过LCD实时显示汽车运行状态。

图1 系统硬件原理框图

2 核心板电路

2.1 i.MX6Quad处理器简介

i.MX6Quad是基于 ARM®Cortex®-A9架构的四核处理器，其内核运行速率最高1 GHz，片内集成有2D、3D图形加速功能，支持DDR3/LVDDR3等扩展，具 有 2 路 CAN、5 路 eCSPI、3 路 I2C、5 路 UART、USB-OTG、PCIE等接口，可同时支持LVDS、并行接口、HDMI、MIPI 4种显示接口， 支持 NAND Flash、Nor Flash、eMMC、SD卡等外部存储器件，具有wifi、蓝牙、GPS、摄像头等设备接口[6]。i.MX6Quad的强大性能和丰富的外设接口完全可以满足液晶仪表平台处理器的要求。

2.2 核心板电源电路

核心板的电源输入为4.2V，i.MX6Quad处理器及其外设的供电电压由i.MX6系列专用的电源管理芯片MMPF0100将4.2V电源转换得到。MMPF0100内部集成了6路降压型可配置DC-DC模块SWx，6路LDO模块VGENx，1路升压型DC-DC模块SWBST[7]。该芯片具备I2C总线控制功能，CPU可通过I2C总线动态调节各个模块的输出电压，满足CPU不同运行频率下的内核电压需求，从而降低系统的功耗。MMPF0100对i.MX6Quad的电源分配如图2所示。i.MX6Quad的1.375V内核电压由MMPF0100的SW1供给，DDR接口及外设DDR内存的1.5V驱动电压由 SW3提供，i.MX6Quad内部 eMMC、LCD、FLASH、LVDS等接口的3.3V驱动电压由SW2产生。SWBST升压产生的5V作为USB接口的供电电源。SW4产生的3.15V电压作为MMPF0100内部2路LDO的输入电压，另外4路LDO的输入由电源4.2V电压和SW3产生的3.3V电压提供，6路LDO的不同输出电压可为i.MX6Quad其他外设接口及设备供电。当系统4.2V电源接入后，MMPF0100可根据i.MX6Quad的上电时序要求配置相应电压输出顺序，保证CPU能正常启动并工作。

图2 核心板电源分配图

2.3 DDR3接口设计

i.MX6Quad内的DRAM接口可支持16/32/64位的DDR3/LVDDR3扩展[8]，内存容量最高支持8 Gbits的DDR器件和4 Gbytes的双通道LPDDR器件。由于全液晶仪表系统中程序的运行需要较高的内存带宽，因此本方案中采用4片Micron公司的16位DDR3芯片MT41K256M8级联组成容量为1 Gbytes，数据带宽为64位的内存。i.MX6Quad通过片上的SDQ[7:0]8组差分信号分别与4片DDR3上的LDQS差分线、UDQS差分线连接来控制每片DDR3的16位数据线的选通[9]。由于DDR3的信号线属于高速信号，PCB设计时需控制其单端信号线特征阻抗为50 Ω，差分线特征阻抗为100 Ω[10]。本方案的DDR3 PCB走线采用T形拓扑结构，并且采用分组等长走线。将时钟线、地址及相关命令线、控制信号线分组设置等长，数据位及其选通信号线按字节分组设置等长，其中时钟线等长误差不超过±5 mils，数据位和地址线等长误差不超过±25 mils，控制线等长误差不超过±50 mils[11]。

2.4 eMMC设计

I.MX6Quad有多种BOOT程序启动方式，可通过配置其BOOT MODE引脚电平状态，选择eFuse、SerialDownload、BoardSetting3 种方式启动[12]。而Board Setting方式又可通过BOOTCFG选择从Nor Fash、NAND Flash、SD卡、eMMC等存储器件启动。本系统的Bootloader程序选择从eMMC启动，并且仪表的操作系统和用户界面应用程序也存放在eMMC中。eMMC选用的是Micron公司的MTFC4GMVEA-4M AIT，存储容量大小为4 GB，支持JEDEC/MMC标准4.41版，读速度最高支持44 MB/s。eMMC接口数据位采用MMC 8位I/Os数据模式，其核电压和I/O引脚电压均采用3.3V供电。

3 底板电路

3.1 底板电源电路

仪表的电源输入为车载电源的12V，由于车上有点火系统、发电机及较多的感性开关负载，其电压值会受浪涌、电压跌落、脉冲群等干扰出现波动[13]。因此需在电源转换电路前加入抗干扰电路。电源抗干扰电路如图3所示。车载12V电源有两路供给，分别是汽车点火后发电机的12V电源IG+和汽车蓄电池的常用12V电源Battery。当汽车未发动时由蓄电池Battery供电，启动后由IG+与Battery共同供电。IG+电源首先经过防反接的整流管S2M（抗反向电压达1 000V），再通过具有抗浪涌和ESD防护的TVS管 SM8S30A（击穿电压 36.8V），经过 D5后滤波。电感L2和电容C26构成LC低通滤波器，滤除电源中的高频成分，且C26为470 uF的电解电容，能对电压跌落起缓冲作用，去耦合电容C27和C28进一步滤波。电源IG+利用电阻R34和R35分压得到的oACC信号通知MCU，汽车已点火启动。BAV99用于欠过压保护，防止MCU被烧坏。

图3 电源抗干扰电路

经过抗干扰处理后的12V电源降压得到核心板4.2V电源和底板5V电源。核心板供电电流大，因此4.2V转换选用DC-DC模块，而底板电流需求相对核心板要小，5V电源转换采用的LDO模块，4.2V和5V电源转换电路如图4所示。在4.2V电源转换电路图中，电源芯片采用BD9781HFP，具有宽输入电压范围：+7～+35V，开关频率范围：50～500 kHz，最大输出电流为4 A。12V电源通过并联去耦电容C34和C35输入。RT是芯片的开关频率配置引脚，此处开关频率选取典型的100 kHz，振荡频率配置电阻R37设置为390kΩ。芯片使能引脚EN由MCU的VCC_4V2_EN信号控制，由此MCU可以控制CPU的电源通断。FB引脚和INV引脚间接的R45和C36组成的RC电路用于BD9781同步模式的相位补偿。二级管D8、电感L3和电容C33构成降压基本回路。R43和R48是输出反馈电阻，可以调节输出电压，当输出电压为4.2V时，根据数据手册中公式：V0=1×（1+R43/R48），配置电阻 R43=32kΩ，R48=10kΩ。

在5V电源转换电路图中，LDO芯片采用的是BD4275，其输入电压范围：-0.3～+45V，输出电压：5V，输出负载电流最大为500 mA。主要用于MCU及其外设供电，并且为MCU提供复位脉冲。

图4 电源转换电路

3.2 信号采集电路

3.2.1 CAN信号通讯电路

电动汽车的电机驱动模块、电池管理系统模块以及其他汽车电子装置的信号由CAN总线传输，而CAN总线模块主要由CAN控制器和CAN总线收发器构成[14-15]。MB91F522K内部集成了3路CAN控制器，CAN收发器采用的是NXP公司的高速CAN收发器芯片TJA1043，该收发器具备高速（达1 Mb/s）收发能力和良好的EMC、ESD防护性能，并且拥有低功耗管理控制功能。当进入低功耗熄屏模式时，汽车仪表可通过有效CAN报文（主要是车门开的CAN信号）即可唤醒仪表。CAN总线接口电路如图5所示，车辆状态信息通过CAN总线输入，经过ESD防护器PESD2CAN，再经过共模滤波器ACT45B滤波后进入CAN收发器，最后经过MCU的CAN控制器解析CAN报文后进行数据处理。跨接在CAN信号线上的R89、R90为总线阻抗匹配电阻，减小信号在线路中的反射[16]，电容C343、C344为总线旁路滤波电容。

图5 CAN总线接口电路

3.2.2 电平信号采集电路

电动汽车的转向、开关门、前后灯、充电指示等信号线主要是电平信号，根据信号类型可分为低电平有效和高电平有效。由于汽车电子电器模块分布在车身各个部分，易受到干扰，因此需在信号采集电路中加入滤波电路和ESD防护。高低有效电平信号采集电路如图6所示，两组信号输入端均接有ESD防护的瞬态抑制双齐纳二级管MMBZ15VDLT1。在低电平信号采集电路中，无信号输入时默认为高电平。当低电平信号输入时，二级管D33导通，A点电位被D33钳位拉低，信号经过RC低通滤波器输入MCU判断。其中电阻R229兼备限流作用，防止电流过大烧坏MCU管脚。在高电平信号采集电路中，高电平（12V）信号输入时通过两个去耦电容，再经过电阻R230和R231分压得到MCU的逻辑高电平（5V），最后通过RC低通滤波器输入MCU判断。

3.3 液晶显示电路

本方案的液晶屏采用的是夏普LQ101K5DZ01型号的10.1寸车载TFT-LCD，分辨率为1 280*422，信号输入为RGB（24 bits）模式。该液晶屏的逻辑电平电压为3.3V，背光输入电压范围:+7～+18V，背光电流范围：最大750 mA。本方案设计核心板的MMPF0100输出3.3V电源作为液晶屏逻辑电平，背光电源输出的+12V驱动液晶屏背光LED，MCU输出PWM信号控制液晶屏的BL_PWM引脚，改变背光LED的通断时间比，即可调节液晶屏的亮度。液晶屏背光驱动电路如图7所示，采用的是BD00C0AWFP2，最大输出电流为1 A，实际输出电流随负载变化。当背光电源输入电压为12V电源时，输出电压由式（1）确定。

ADJ的典型值为0.75V，R134取值范围为5～10kΩ，为得到12V背光驱动电压VLED+，设置电阻R133=150kΩ，R134=10kΩ。其中CTL为MCU控制的使能引脚。

图6 高低有效电平信号采集电路

图7 液晶屏背光驱动电路

4 硬件测试

本方案设计的液晶仪表实物如图8所示，上电测试5V和4.2V电源以及MMPF0100输出电压正常。下载MCU程序后MB91F522K控制的车身转向灯亮，MCU能正常工作。使用USB下载Bootloader程序到核心板CPU，串口可输出调试信息，CPU最小系统能工作。利用Freescale的DDR测试工具DDR_Stress_Tester，在i.MX6Quad运行频率为528MHz时，设置DDR3的最低运行频率为528 MHz，通过频率递增测试方式，测得最高运行频率可达672 MHz，且经过12小时的的反复压力测试，DDR3均能稳定运行。移植Linux操作系统和QT用户界面程序后，利用Kvaser CAN总线分析仪，在PC端使用Kvaser CanKing软件发送CAN报文模拟车身CAN总线信号，系统能通过LCD显示CAN报文中的车辆状态信息。

图8 液晶仪表实物图

5 结束语

新能源汽车采用全液晶仪表系统是未来的发展趋势，本文介绍了一种便于二次开发的底板+核心板的液晶仪表硬件设计方案，并且分析了其中多个模块的电路原理。在该硬件设计下，通过修改仪表的用户界面应用程序，即可设计不同主题风格的电动汽车仪表界面，提高了系统的通用性和多样性。通过试验验证该液晶仪表系统各模块电路工作稳定，LCD显示车辆状态信息正常，达到预期效果。

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Hardware design of full LCD instrument system for electric vehicles

DAI Zheng1，2， WANG Cheng3， JIN Xing1，2，3
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology， Shanghai 200050， China；2.ShanghaiTech University， Shanghai 200031，China；3.Zhejiang Autorock Electronics Co.，Ltd，Hangzhou 311228，China）

Aiming at shortcomings of traditional mechanical instruments in the new energy electric vehicles applications，a hardware system solution of full LCD instrument is designed.The system uses Fujitsu's MB91F522K as the main chip to collect and process vehicle CAN bus signal and level signal，and select Freescale's i.MX6Quad chip as a graphics display processor.Then use LCD to display electric vehicle speed， revolving speed， motor and battery group status， alerts information and so on.Experiments show that the instrument system can accurately visualize complex operating parameters of electric vehicles.

electric vehicle；LCD instrument system；i.MX6Quad；CAN bus

TN919.5

：A

：1674－6236（2017）15-0170-06

2016-07-20稿件编号：201607146

代 政（1992—），男，湖南常德人，硕士研究生。研究方向：汽车电子。