CN1345669A - 一种智能型电子车速表 - Google Patents

Abstract

本发明一种智能型电子车速表,属于电子车速仪表装置,由霍尔车速传感器、液晶显示器、带指针的磁电式表头、电子电路等构成。装置中的车速脉冲信号由霍尔车速传感器调制,计数器计数,产生相同的车速脉冲计数值。该计数值经单片机运算,输出用于驱动液晶显示器显示车速的数字信号;与此同时,单片机也相应输出经由D/A转换器转换,用于驱动指针偏转计速的车速电信号,实现本发明数字模拟兼备、计速同步的一种智能型电子车速表。

Description

一种智能型电子车速表

本发明涉及一种用于汽车、摩托车、火车等机动车行驶速度计量装置，尤其是汽车用的电子车速表。

目前，市面上的电子车速表主要为指针式电子车速表与数字式电子车速表二类。其设计原理绝大多数都是由安于汽车变速箱输出轴上的车速传感器，输出正比于车轮转动圈数的车速脉冲，经一系列电子电路处理驱动指针指示车速；或经单片机计数运算，在数码管或液晶显示器上以数字方式显示车速。前者，车速传感器输出的脉冲信号经整型电路，单稳态电路产生一个固定幅值和脉冲宽度的矩形波信号，调节恒流源输出电流，驱动带指针的磁电式表头。后者，则以车速传感器输出的车速脉冲为距离当量，采用M(测频)法或T(测周期)法测算车速，直接以数码方式显示。

以上，为国内外电子车速表技术及现状。由于上述不同计速方式的电子车速表各有优缺点，故以何种方式为主流技术，在很长一段时间内国际汽车界也未有定论。一方面，指针式电子车速表虽不具备数字式电子车速表在车速信息采集，数据存储读取等方面优势，但却实用可靠，速感及视角效果好，备受驾驶员青睐；另一方面，现技术车用霍尔传感器输出脉冲数无法大幅度提高情况下，造成的数字式电子车速表数显滞后不稳定，计量精度差等缺陷一直存在，以至于近十年来有停止不前趋势，如九十年代末我国从美国、日本引进生产的上海“别克”轿车及广洲“雅阁”轿车，都为指针式电子车速表(仅里程为液晶数字显示)。

为改变指针式与数字式电子车速表分立计速难以优势互补现状，近期，“一种模拟/数字兼备的电子车速里程表表头”(中国专利号：99215805.2)，成功的将指针指示的模拟车速值转换为对应的数字量车速值，解决了长期存在的车速数显跳跃、闪烁、数字显示不稳定难题，但从其转换技术方案上看，其车速计量精度也只能保持在指针的计量标准上，车速数字化方面的精度问题，仍不能从根本方面解决好。

本发明一种智能型电子车速表提出的目的，是在优化车速脉冲计数，提高车速计量精度基础上，直接将车速脉冲处理为车速数码，经D/A方式对应转换为指针偏转至指示的车速刻度值，进而达到在车速表系统内实现以车速数字化为主体技术的车速数显与指针并行，计速同步的智能型电子车速表。

为实现本发明提出的上述目的，本发明在选用的磁感应式车速传感器—霍尔传感器上，采用在不同瞬间车速下，每相连两个霍尔方波信号之间所占用的时间与车速成反比关系，利用随车速变化的霍尔方波信号去调制一个已知固定频率的信号源脉冲，将相连两个霍尔方波信号之间受调制的信号源脉冲个数作为车速脉冲计数值，由单片机将计数值输入后，通过查表方式(受调制的信号源脉冲个数与车速对应表0-220km/h或更高的车速换算值事先写入系统内ROM中)，换算出相对应的车速数值，将换算的车速数值输出到液晶显示电路，实现车速的数字化显示；与此同时，在单片机电路系统内，另外一个也事先写入的与其计数值相对应的车速/电压表刻度值对应表，则可查找得出指针偏转到相对应车速值角度所需电压值。将此电压数值经数字/模拟电压变换器(D/A转换电路)驱动智能型电子车速表内部配套的带指针结构的磁电式表头，或者，事先写入的与车速脉冲计数值相对应的车速/电压表刻度值对应表，也可为事先写入的一个与车速脉冲计数值相对应的车速/电流表刻度值对应表，其指针偏转所需电流值，则经一只电流型D/A转换电路转换驱动表头，实现本发明所提出的目的。

由于本发明在车速脉冲信息的采集、捕捉，也即车速脉冲的速度更新方面有新的设计，大幅度提高了车速计量精度这一久而未决的难题，因而从根本方面解决现有数字式车速表车速数显稳定性、连续性、实时性差，速度读取滞后等缺陷。这样，本发明以车速数字化为主体技术的指针与数显并行，计速同步的智能型电子车速表，除满足驾驶员对指针的偏爱和传统需求外，速度数字化了的车速表系统内接口，更可实施与车体内外部控制信号的连接扩展，特别在适应未来智能高速公路的安全、监控、管理方面，将能发挥更加重要的作用。

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为本发明调制波型图

图2为本发明工作原理框图

图3为本发明电路逻辑原理图

根据图1调制波型图，具体分析介绍本发明一种智能型电子车速表的设计原理如下。

图1中，图1(1)波型为现有霍尔传感器在汽车行驶时发出的一连串方波信号。该方波信号由安于汽车变速箱输出轴的霍尔传感器输出。本发明选用的霍尔传感器在变速箱输出轴每转动一周时发出八个车速脉冲信号，当汽车不停的走完一公里路程时，一般共输出4127个脉冲(可根据输出轴模数及需要改变传感器或输出轴壳体中磁钢数量，以增加一定的脉冲数)。根据固定时间内传感器输出的脉冲数计算车速的测频率(M)法，图1(1)方波信号与车速的函数关系应为N＝K×V(V为代表汽车在0，1，2，3……220km/h车速值；K为汽车在单位速度1km/h时霍尔传感器发出的脉冲个数；N为霍尔传感器在车速为V时发出的脉冲计数值)。显然，以上述方法及函数关系，当汽车以1km/h速度行走时，其N值也为4127个脉冲。按目前技术，数字式车速表每0.3秒需检测一次在时车速计算，此时车速计数器中尚无脉冲进入计数；即使根据测量固定脉冲周期所用时间的测周期(T)法测算，在如此低速(1km/h)的车速状态下，此时霍尔传感器中下一个脉冲信号还未到来，何况用于数字式电子车速表的专用车速传感器如带有磁性电阻元件(MRE)的车速传感器更要求传感器每转动一周至少需输出20个以上的脉冲信号。故图1(1)传统的霍尔方波信号、包括上述专用车速传感器，都难以解决目前存在的车速数字化计量精度差，特别是M法的低速段或T法的高速段测算误差更大。

为此，本发明图1在霍尔脉冲信号中以信号调制方式，包括采用在不同的瞬时车速下，每相连两个霍尔脉冲信号之间所占用的时间不同其时间段与车速成反比关系计速[关系式为：T＝3600÷K÷V(V是该时刻所处车速值；K为单位速度1km/h时脉冲个数；3600是将时间单位由小时变化为秒的常数)]，都是为解决传统脉冲计数测算方面存在的问题而采取的方法。具体设计及方法继续由图1作说明。

图1(5)波型为本发明受调制脉冲波信号，该信号在霍尔脉冲信号的上升沿图1(3)及下降沿图1(2)之间受调制而产生。图1中，本发明利用随车速变化的霍尔脉冲去调制一个已知固定频率(60kHz)的信号源脉冲〔波型如图1(4)〕，该信号源脉冲以高频率高稳定性的脉冲量优势，为本发明车速脉冲计数值的精度计数提供充分的保证。至此，图1(5)所示随车速变化的受调制脉冲波，以及本发明为适用受调制脉冲波而设计的新技术表明：当车辆处于某一车速值V₁或V₂或V₃……时，霍尔传感器输出的脉冲间隔时间，也决定了相应的受调制脉冲频率的脉冲N₁或N₂或N₃……个数；相反的，若已知两个霍尔脉冲信号之间有多少受调制了的脉冲个数，则可反推算出其相对应的车速数值，从而有效的解决因车速传感器输出脉冲数受限制而影响数字式车速计量精度。

接着，再以图2工作原理框图，说明本发明实现方法。

图2中图2(1)为汽车变速箱输出轴。本发明选用的霍尔传感器(2)安于变速箱输出轴上，产生随车速变化的不同频率电脉冲信号。也就是说，当车速恒定不变时，霍尔传感器输出一个固定频率的电脉冲信号，其两个脉冲之间所占时间段是相同的；当车速提高时，使脉冲频率增加，则两个脉冲之间所占时间段变小；相反地，车速降低时，脉冲频率降低，而脉冲间隔加大。

将作为车速传感信号的霍尔电脉冲信号经脉冲整形电路(3)整形后，由开关信号分离电路(4)分离出一个开始信号一个结束信号。

其中：开始信号在两个脉冲间隔的超始位置出现，结束信号在两个脉冲间隔的后一个脉冲到来时出现。

信号源(5)作为受调制频率〔见图1(4)〕，其频率值已知(60kHz)，并且在霍尔传感脉冲频率调制后输入到计数电路(6)中。计数电路受开关信号控制而进行开始计数，直到停止信号到来后终止计数。如此，就形成了在霍尔传感器两个脉冲之间都有一个相应的计数数值，即图1(5)受调制脉冲波计数值。开关分离电路输出的关信号同时通知系统中的单片机(7)，由单片机将计数电路所统计的数字读出，随后由清零信号清除此计数器内容，以便进行下一周期脉冲个数的统计。

图2中，单片机将计数值输入后，可通过查表方式方便地换算出相应的车速数值，将车速数值输出到液晶显示电路(8)实现车速的数字化显示，同时在单片机系统内，利用计数值查另外一个车速/电压对应表，可得出使模拟表指针偏转到相应车速值角度所需电压数值。将此数值由数字/模拟电压变换器D/A转换电路(9)转换成相应电压值输出驱动模拟表指针(10)指示车速刻度值。

附：代表车速数值的脉冲数转换成车速及模拟电压的计算公式及工作过程如下：

首先由公式  N＝3600÷4127÷V×60000(60kHz)即可得出一组车速V与计数值N之间的对应关系表，存贮在单片机电路中，以后每输入一个计数值N，就可以方便地查到车速值。如：车速V为1km/h时，计数值N为52337个脉冲。以下按公式计算类推，则：

车速V＝2km/h：    受调制脉冲数N＝26169

车速V＝3km/h：    受调制脉冲数N＝17446

车速V＝4km/h：    受调制脉冲数N＝13084

车速V＝5km/h：    受调制脉冲数N＝10467

车速V＝6km/h：    受调制脉冲数N＝8723

……

车速V＝219km/h：  受调制脉冲数N＝239

车速V＝220km/h：  受调制脉冲数N＝238

(对应关系表整表略)。

另外根据公式Uout＝Vp÷220×V(其中Uout是驱动模拟表指针偏转的电压值；Up是最大车速220km/h时所需最大偏转电压；V是该时刻车速数值)，再计算出一个脉冲数N与偏转电压相对应的关系表，也存入单片机电路中，供单片机简单的查表、输出到D/A电路进行变换驱动，即可得到指针指示的车速刻度值。

车速V＝1km/h：   偏转电压Uout＝0.011伏

车速V＝2km/h：   偏转电压Uout＝0.023伏

车速V＝3km/h：   偏转电压Uout＝0.034伏

车速V＝4km/h：   偏转电压Uout＝0.045伏

车速V＝5km/h：   偏转电压Uout＝0.057伏

车速V＝6km/h：   偏转电压Uout＝0.068伏

……

车速V＝219km/h：偏转电压Uout＝2.489伏

车速V＝220km/h：偏转电压Uout＝2.500伏

(对应关系表整表略)。

如果采用电流驱动方式，可根据公式Iout＝Ip÷220×V(其中Iout是驱动模拟表指针偏转的电流值；Ip是最大车速220km/h时所需最大偏转电流；V是该时刻车速数值)，再计算出一个脉冲数N与偏转电流相对应的关系表，也存入单片机电路中，供单片机简单的查表、输出到一只电流型D/A电路进行变换驱动，即可得到指针指示的车速刻度值。

车速V＝1km/h：  偏转电流Iout＝0.136毫安

车速V＝2km/h：  偏转电流Iout＝0.273毫安

车速V＝3km/h：  偏转电流Iout＝0.409毫安

车速V＝4km/h：  偏转电流Iout＝0.545毫安

车速V＝5km/h：  偏转电流Iout＝0.682毫安

车速V＝6km/h：  偏转电流Iout＝0.818毫安

车速V＝219km/h：偏转电流Iout＝29.863毫安

车速V＝220km/h：偏转电流Iout＝30.000毫安

(对应关系表整表略)。

当然，还何以采用其他的计算方法，得到车速以及输出驱动电压或电流值，比如直接计算法。即由公式

N＝3600÷4127÷V×60000推导出车速——脉冲数的函数关系式为

V＝3600÷4127×60000÷N经简化得V＝52338÷N。单片机根据每周期采样输入的受调制脉冲数N，就可以直接用除法程序计算出对应的车速值V。

最后，结合图3电路逻辑原理图，进一步详明实现本发明的具体细节。

在图3中，X1插头是本电路与霍尔传感器的接口，其1点3点为霍尔车速传感器提供工作电压+12V和地，2点为霍尔车速传感器的信号输出端。

电阻R1接霍尔车速传感器的输出端，以达到电压匹配的作用。电阻R2、R3使三极管V1达到合适的放大工作点，使霍尔车速传感器输出的信号整形放大匹配成标准TTL逻辑的方波脉冲信号。

D1：74121是一只单稳态多谐振荡器，它的作用是将TTL逻辑方波的占空时间固定，以避免由于车速高低形成的传感信号的方波宽窄不匀的问题。其占空时间，可由元件R4和C1的参数设置和调整。霍尔车速传感器输出的随车速变化的脉冲，经R2、R3和三极管V1作用后形成的标准TTL逻辑方波信号，输入到D1：74121的ACK端后，就形成占空时间相同的一串方波信号，其波形如图1(1)。

D2：A和D2：B是同一只74LS221双单稳态多谐振荡器的两个部分，这个元件与D1：74121单稳态多谐振荡器功能完全相同。其中，D2：A的用途是在D1：74121输出的方波的上升沿时，产生一个较窄的负电平脉冲用作停止信号(STOP)，它的脉冲宽度由R5和C2的参数来确定，波形如图1的(2)；而D2：B的用途是在将D1：74121输出的方波的下降沿时，产生一个较窄的正电平脉冲，用作启动信号(START)，其脉宽由R6和C3的参数决定，波形如图1的(3)。

D3：74LS74在启动(START)和停止(STOP)的作用下，产生开启、关闭信号，打开一个控制门D4：A74LS08。在开启(START)和关闭(STOP)两信号之间，控制门D4：A74LS08打开，其余时间关闭。

D7：89C52是一只单片机，其片内的定时器可很方便的设置一个重复频率信号，由它的P10/T腿上输出，此处选择让其输出一个60KHz频率的信号，作为计数用时钟的频率源。它的波形如图1的(4)。

D8：A、D8：B74LS393是一只8位的二进制计数器，D9：A、D9：B74LS393是一只8位二进制计数器，这两只8位的计数器，组合成一只16位的计数器，对启动(START)和停止(STOP)之间开门输出的60KHz频率源信号计数统计，此信号波形如图1的(5)，其最大计数值为65535，可以满足霍尔车速传感器在最低车速1km/h时的最大计数量。

在每个方波计数周期的结束端产生停止信号(STOP)，此信号不但要关闭D4：A74LS08控制门，而且使单片机D7：89C52产生中断(INTO)，通知计算机可以取两只计数器的计数值，单片机在将D8、D9两只计数器所统计的数值读取完毕后，向它们发出一个清零信号(CLEAR)，将这两只计数器清零后等待开启信号(START)到来后重新做下一周期的计数统计工作。

单片机在每一个开启、关闭周期结束后，利用读取的计数值，查找在单片机内部存储的脉冲计数值——车速关系表，即可找出对应于该时刻的相应车速数值，以上程序循环往复，则实现了实时车速的数字化工作。

单片机D7：89C52由解码电路Decoder选择一只标准液晶显示器Disply：TM82A，将数字化的车速数值显示出来，并同时驱动一只D/A变换器D5：AD5310，将数字化的车速值再转换成模拟表指示时偏转所需的电压值，经一只放大器D6和电阻R7组成合适的电压放大器(或电流放大器)驱动十字叉线圈模拟表头，带动指针，实现本发明车速数显与指针并行、计速同步的一种智能型电子车速表。说明：1.标准频率源的频率值选择可按表头最大车速值设计选择，重要的是保证使车速在最大时，受调制脉冲数仍可区分两个相邻车速数值，并使车速在最小时，受调制脉冲数不超过计数器可统计的最大值(如：2的16次幂65536)。2.本发明计算车速值时，由于单片机的能力有限，所以首先选择查表法计算车速等数值。这样，可保证最高车速周期内，将所有计算工作完成。若选择较强功能的DSP(数字信号处理器)，比如：TMS320C2X，就可以优先选择直接计算法，但其成本相对较高，故单片机型号选择不受图3标示型号限制。3.无论使用那种方法进行计算，都要考虑传感器抖动造成的不稳定性。使用查表法时，可扩大区域。比如，N＝8723是车速为6km/h，查表时，可以考虑输入的受调制脉冲数是否在8700～8750之间，若是，则认为车速既是6km/h；当使用计算法时，可加修正量。比如，输入的受调制脉冲数是8708，根据公式V＝3600÷4127×60000÷N计算，V＝6.45，用4舍5入法即可简单的选取V＝6，以便在软件阻尼调整控制下，保证车速变化的增量不超过“±1”。4.本发明实施例选用的霍尔传感器属磁感应式车速传感器中通用的一种，其它磁感应式一类车速传感器也适用于本发明所采用实施。如：用于输出轴接口带齿式结构的磁感应式车速传感器；带有磁性电阻元件(MRE)的车速传感器，其输出的车速脉冲信号经现技术整形为矩形波后，都可用本发明所述原理及方法实施。(原理及方法与采用霍尔传感器相同，略)5.本发明脉冲频率信号源也可采用外置方式，其作用及效果与采用单片机内部时钟频率源时相同。

Claims (5)

1.一种用于汽车、摩托车、火车等机动车用的智能型电子车速表，该车速表由车速传感器、液晶显示器、指针式磁电表头、单片机及电子电路组成，其特征在于：

——用于车速脉冲计数的车速脉冲信号，是由一个有固定频率的脉冲信号源受霍尔车速传感器等一类磁感应式车速传感器方波信号调制，且以相连两个方波信号之间受调制的脉冲数反映车辆的速度；

——单片机内有事先写入的一个随车速变化的车速脉冲计数值N与车速V之间的对应关系表及一个随车速变化的车速脉冲计数值N与指针偏转电压值U相对应的关系表或随车速变化的车速脉冲计数值N与指针偏转电流值I相对应的关系表存储于ROM系统中；

——液晶显示器与并行计速的磁电表头，都有随车速变化的相同车速脉冲计数，该计数值由计数器计数，输入单片机换算，从单片机输出经由译码器译码并驱动液晶显示器显示车速的数字信号，同时，也相应输出经由D/A转换器转换，用于驱动指针偏转的车速电信号。

2.根据权利要求1所述车速表，其特征是：所述用于反映车速的车速脉冲计数值，是由霍尔方波信号相连两个信号之间受调制的脉冲信号源脉冲数量与车速成反比关系，并以T＝3600÷K÷V公式测算车速的；

3.根据权利要求1所述车速表，其特征是：与液晶显示器并行的磁电表头，可以由代表车速的车速脉冲计数值换算为驱动指针偏转所需的电压数值，也可以换算为驱动指针偏转所需的电流数值，再分别由一个数字/模拟电压变换器或数字/模拟电流变换器转换为驱动指针指示与液晶显示器同步计速的相应电压值或电流值；

4.根据权利要求1所述车速表，其特征是：所述霍尔传感器可以根据汽车输出轴模数或输出轴转动一圈时特定的脉冲数对霍尔传感器磁铁片进行专用的配对或选定；

5.根据权利要求1或2或4所述车速表，其特征是：所述一个受霍尔方波信号调制的脉冲信号源，可以是在单片机定时器内选择设置的一个合适的频率信号；

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