步進(jìn)電機(jī)(Step motor)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰芿(或線位移S)的開環(huán)控制元件，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件,。工作原理是建立在被勵磁的定子電磁鐵吸引可選轉(zhuǎn)的銜鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn),，即靠磁鐵引力作用把電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移,。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速,、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率
和脈沖數(shù),，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號,，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角,。脈沖的個數(shù)決定了轉(zhuǎn)角的大小，而脈沖的頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn),。使得在速度,、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。一般步進(jìn)電機(jī)可分為二相,、三相,、四相和六相。

    本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)選用深圳偉力驅(qū)動有限公司的VID29系列二相汽車儀表步進(jìn)電機(jī),。 vID29-XX/VID29~xXp儀表步進(jìn)電機(jī)是一種精密的步進(jìn)電機(jī),，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，主要應(yīng)用于車輛的儀表指示盤,，也可以用于其他儀器儀表裝置中,，將數(shù)字信號直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為模擬的顯示輸出。VID29步進(jìn)電機(jī)需要兩路邏輯脈沖信號驅(qū)動,，其特點(diǎn)如下:

可以工作于3.5V一10V的脈沖下;
輸出軸的步距角最小可以達(dá)到1/12⁰,，最大角速度600⁰/s，輸出轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動范圍為315⁰,?？捎梅植侥Ｊ交蛭⒉侥Ｊ津?qū)動。
選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)特種材料和汽車級特殊工程塑料,，同時兼顧防火等安全性能;

采用具有最低噪聲和超低摩擦效果的特殊齒形,，保證了馬達(dá)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和性能。

    步進(jìn)電機(jī)的分步驅(qū)動控制模式:VID29步進(jìn)電機(jī)是經(jīng)三級齒輪減速轉(zhuǎn)動輸出的,，驅(qū)動要求是用標(biāo)準(zhǔn)的SV邏輯電路電壓,，可以以分步驅(qū)動模式直接驅(qū)動馬達(dá)，電流需求為20mA,。在分步模式下,，每個脈沖可以驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動600(即輸出軸轉(zhuǎn)動1/3度)。電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向取決于施加在電機(jī)左右線圈上的周期性脈沖序列的相位差,。如下圖所示,，左線圈電壓UL相位超前于右線圈電壓UR時(相位差為/3),，VID29一XX系列的電機(jī)輸出軸將順時針旋轉(zhuǎn)，VID29一XXP系列的電機(jī)輸出軸將逆時針旋轉(zhuǎn),。

分步驅(qū)動模式脈沖序列如圖4一14所示:

微步驅(qū)動模式(細(xì)分驅(qū)動)脈沖序列如圖4-15所示:

它的轉(zhuǎn)速n(或線速度v)與脈沖頻率f成正比,。步距角越小，指針轉(zhuǎn)動角度越小,，儀表顯示的精度越高,。步距角與脈沖頻率的關(guān)系可用以下關(guān)系式來計算:

φ=180*f/(I*S)
式中φ:步進(jìn)電機(jī)的步距角
f:脈沖頻率
I:電機(jī)齒輪減速比
S:驅(qū)動模式分布數(shù)(分步/微步)

步進(jìn)電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定,。

由于H128內(nèi)部集成了6個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊,，所以無需擴(kuò)展電路即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與H128硬件接口電路的連接。通過分布驅(qū)動模式,，每個脈沖可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動1/3度,，滿足汽車儀表的精度要求(如需更高精度，可通過擴(kuò)展微步驅(qū)動芯片,，使步進(jìn)電機(jī)每個步為1八2度),。步進(jìn)電機(jī)與H128的硬件連接如圖4一16:

圖中PUO一PU7，PVO一PV7,，PWO一PW7直接與H128的輸出引腳連接,。由于各步進(jìn)電機(jī)直接由H128驅(qū)動，所以可以通過修改程序數(shù)據(jù)輸出接口辦法改變步進(jìn)電機(jī)布置,。

4.8 復(fù)位電路及E²PROM設(shè)計
單片機(jī)系統(tǒng)通常是在一個特定的客觀環(huán)境下為完成或?qū)崿F(xiàn)某種功能而設(shè)計的,，因此系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，勢必會受到各種外界干擾因素的影響,。這種外界干擾因素會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯,，甚至?xí)?yán)重影響程序的運(yùn)行，使單片機(jī)受到干擾失控導(dǎo)致導(dǎo)致程序跑飛或陷入死循環(huán),，通過采取一定的軟硬件措施使程序脫離死循環(huán)或重新運(yùn)行,。

本系統(tǒng)采取了外擴(kuò)芯片實(shí)現(xiàn)的硬件方式，選取xlc0R公司的x5045[sll,。集成了看門狗定時器,、EZPROM數(shù)據(jù)存儲器、和電源監(jiān)測為一體,，采用SPI的方式與MCU相連,，用于低電壓復(fù)位信號的單片機(jī)(H128為低電壓復(fù)位)。因其體積小,、占用UO口少等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,、儀器儀表等領(lǐng)域 。

CS:芯片選擇輸入端，當(dāng)CS為低電平時芯片處于工作狀態(tài)
50:串行數(shù)據(jù)輸出端,，在串行時鐘的下降沿,，數(shù)據(jù)通過50端移位輸出
Sl:串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)在串行時鐘的上升沿鎖存
SCK:串行時鐘,，,，為數(shù)據(jù)讀/寫提供串行總線定時
WP:寫保護(hù)輸入端，當(dāng)WP為低電平時,，向X5045的寫操作被禁止,，但器件的其他功能正常。
RESET:復(fù)位信號輸出端,。

x5045除了wTD(看門狗)功能外,，另一個重要的基本功能就是作為EZPROM數(shù)據(jù)存儲器使用，內(nèi)部包含 512xs的串行EZPROM,，以保證系統(tǒng)在掉電后仍可維持重要數(shù)據(jù)不變,。x5045與H128采用SPI總線接口連接方式，程序,，獲得準(zhǔn)確的脈沖累計計數(shù)，并將此值傳送給X5045存儲,。X5045是理想的自動貯存非易失性SRAM,，內(nèi)部含有EEPROM，存儲容量256bit,，能夠在失去vCc的時候自動執(zhí)行存儲操作 (SRAM—EEPRoM),，非常適合對里程的累計記錄。芯片內(nèi)部包含一個指令移位寄存器,，該寄存器可以通過SPI來訪問,。X5045與H128連接的電路如圖4一18所示:

其中PKO一PK3、RESET分別與H128上相應(yīng)的管腳相連,。

4.9 其他外圍器件電路設(shè)計

4.9.1 晶振電路

本系統(tǒng)所用的晶振為SMHZ,，分別對應(yīng)接到H128單片機(jī)的引腳XTAL和EXTAL上，然后利用其內(nèi)部壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）把這個頻率提高到25MHZ,，作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時鐘,。



4.9.2 儀表背光調(diào)節(jié)電路

儀表背光在汽車啟動后常亮，駕駛員可根據(jù)各環(huán)境下外部光線的明暗度對汽車儀表的背光進(jìn)行調(diào)節(jié),，以達(dá)到最合適的感官效果,。儀表背光電路通過調(diào)節(jié)電位器改變電阻值，從而改變電流的大小,，MCU根據(jù)接受到的信號的值來改變PWM脈寬占空比的輸出,，從而改變背光的明暗度1401.調(diào)節(jié)電路圖如圖4一19：



其中開關(guān)SWI為一可調(diào)電阻，通過改變電阻的大小控制電流，輸出到H128的A/D轉(zhuǎn)換接口RAD07,，MCU根據(jù)周D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)調(diào)整PWMI的輸出占空比,，輸出接口CONV得到的模擬量和占空比有關(guān)，如占空比為1：1,，則得到的電壓值就為Vmax的1/2,，即2.5v.占空比的改變使得輸出電壓變化，從而使儀表背光顯示的亮度改變131].輸出背光調(diào)節(jié)電路如圖4一20：


其程序流程圖比較簡單,，直接在此進(jìn)行了分析,，如圖4一21所示：

4.9.3 狀態(tài)指示燈電路在汽車儀表的電路

設(shè)計中，一般根據(jù)外圍電子元件的布置采用正控（開關(guān)控制正極電路）和負(fù)控（開關(guān)控制負(fù)極電路）相結(jié)合的方式來控制各種狀態(tài)指示燈,，同樣在本儀表也采用了這種設(shè)計方法,。功能指示燈都采普亮的發(fā)光二極管，而儀表照明則采用的高亮度發(fā)光二極管,，分有紅,、黃、綠三種顏色,，對應(yīng)不同的顯示和警告信息,。發(fā)光二極管及其對應(yīng)的限流電阻，我們都采用了貼片封裝的元件,。

同時,，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障后，如發(fā)動機(jī)水溫過高,，由MCU控制對應(yīng)的故障燈會閃爍,。發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，其指示一般顯示為紅色,，并伴隨有蜂鳴器報警,。

4.9.4 語音報警電路

設(shè)計本儀表系統(tǒng)有蜂鳴器報警模塊，主要是為了提醒駕駛員注意相關(guān)的危險信息,，如：水溫過高,，水位過低，機(jī)油壓力過低,、變速箱故障等等,。MCU將采樣得到的數(shù)據(jù)與存儲在EZPRoM單元中的允許數(shù)值變化范圍比較，如果超過額定范圍,，則發(fā)出信息到輸出端口,，蜂鳴器報警，同時對應(yīng)的報警指示燈閃爍,。在下次的采樣過程中,，如果采集的數(shù)據(jù)在額定范圍之間,，則蜂鳴器解除報警，狀態(tài)指示燈熄滅,。

本系統(tǒng)選用的蜂鳴器為頻繁短促鳴叫,，頻率為2.6KHz，音量大小為75db.由于系統(tǒng)UO端口資源非常豐富,，可以共用一個端口,，也可以單獨(dú)占用一個端口，單獨(dú)占用端口,，有利于故障維修檢查,，本系統(tǒng)在H128上預(yù)留BPO一BP3為報警電路輸出端口。

4.9.5 時鐘發(fā)生器

電路RTC模塊（實(shí)時時鐘電路）有巧個內(nèi)存映射寄存器,，通過秒,、分鐘、小時計數(shù)器提供的時間,；通過星期,、日、月份,、年提供日歷功能,。以上計數(shù)器每次加1時都可以產(chǎn)生中斷，并分別對相應(yīng)的中斷標(biāo)志置位,，如果相應(yīng)的中斷被允許則可以產(chǎn)生CPU中斷請求,。

用于驅(qū)動時間和日歷的IHZ時鐘使內(nèi)嵌的補(bǔ)償單元能夠補(bǔ)償晶振的誤差，這樣通過頻率補(bǔ)償機(jī)制能夠使IHZ時鐘獲得用于驅(qū)動整個模塊的晶振更高的精度,。

補(bǔ)償值可以在模塊的校準(zhǔn)操作時通過應(yīng)用軟件設(shè)置或自動獲取澎].計時功能是通過一個時鐘頻率為128Hz（CGMXCLK/256）的計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的。

這個計數(shù)器可以在任何時候開始,、,。停止和清除。這個計數(shù)器的值被換算到looHZ對應(yīng)的值,，并存儲到計時數(shù)據(jù)寄存器中（chronographdatarcgister）,。因此，數(shù)據(jù)寄存器中的值為O一99,，每增加1代表1/1005（loms）,。數(shù)據(jù)寄存器的值滿足以下關(guān)系式：S=「（128HzeountervalueX25）+16]/32計時計數(shù)器的精度是士sms.

4.10 PCB板的設(shè)計

在以往儀表電路設(shè)計過程中，儀表的電路通常是在儀表背后附上一層軟性塑料（撓性塑料）,，在塑料上覆銅進(jìn)行電路連接,，這種接法通常適用于比較簡單的電路。由于電子技術(shù)的發(fā)展,，軟性塑料已不能滿足儀表功能繁多的要求,，并逐漸為

硬質(zhì)板取代。也就是印制板，通常所說的PcB板 ,。

電路板設(shè)計與電路圖設(shè)計不同之處在于,，電路板屬于比較實(shí)體化的東西，而電路圖屬于比較抽象的東西,。所以,，在設(shè)計電路圖時，比較著重于電路的電氣性質(zhì),。而在設(shè)計電路板時,，比較著重于電路的實(shí)際尺寸與空間配置（立體）。下面就電路板的設(shè)計分為以下幾步,；

第一步,，先設(shè)計電路圖，確定元件的排序和元件的封裝（Footprint）,，然后通過程序所提供的ERC檢查,。
第二步，電路圖設(shè)計完成后,，利用CreateNetlist功能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表,。
第三步，進(jìn)入PCB編輯器,，首先定義板框,，即板子的大小、板層數(shù)與形狀,。
第四步,，加載網(wǎng)絡(luò)表，如果網(wǎng)絡(luò)表（或電路圖）有錯誤,，或接口上的問題,，將會在此階段中出現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)生的錯誤,，重新會到電路圖進(jìn)行修改。
第五步,，布置元件,，這項(xiàng)工作是電路板設(shè)計中最基礎(chǔ)、最麻煩也是影響最大的工作,。
第六步,，定義設(shè)計規(guī)則，進(jìn)行手工布線或自動布線,。
第七步,，完成布線后,，進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證檢查。如果沒有發(fā)現(xiàn)錯誤,，即可存盤輸出,。

印制板通常有紙質(zhì)覆銅板、環(huán)氧樹脂板,、玻纖板等,，在這里考慮到價格的因素以及性能的要求，我們選取環(huán)氧樹脂板,，其價格適中,，也能滿足汽車運(yùn)行的工作環(huán)境，PCB采用雙面布線,，并在部分信號電路增加焊盤測點(diǎn),，以利于儀表電路功能的檢測，減少故障返修率,。