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摘要：汽车仪表盘反映了汽车行驶过程的多种参数，虚拟仪表的指针设计与实现具有重要意义。汽车仪表是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面，它是安全行驶和经济行驶不可缺少的装置。早期，汽车上装备的仪表均是通过机械结构模拟显示，它们存在精度低、响应慢、显示信息量少、信息显示方式单一等缺点。随着计算机技术的日渐成熟、汽车电子的发展、和嵌入式技术的广泛应用，对仪表的数字化和多信息综合显示已成一种重要的发展趋势。
关键词：汽车；虚拟仪表；指针设计
1 虚拟指针控制设计
1.1 汽车虚拟仪表系统结构
设计的虚拟仪表硬件平台采用的是富士通系统级芯片MB86R01微控制器，其内部集成高性能的ARM9处理器内核和MB86296图形显示控制器。汽车虚拟仪表系统结构如图1所示。在车辆行驶过程中，MB86R01微控制器通过IO口、CAN总线等信号输入通道完成整车信息的采集；经过软件对原始信号进行加工、运算和逻辑分析处理后，在显示器面板上通过绘制各种图形图像来表达车辆信息。
1.2 虚拟指针控制的程序设计
汽车在行驶过程中，车速表指针转到的具体位置是由汽车发动机转速和汽车轮胎直径等参数根据相应公式计算得出，其中发动机转速是汽车虚拟仪表通过CAN总线接收汽车发动机ECU发送的CAN报文而得到。车速表指针的控制流程如图2所示。首先，计算车速信号值和指针目标位置；然后，计算当前位置的角度差，如果角度差为0则结束当前周期位置更新操作。
指针运转速度控制任务是通过与速度步进阈值相比较得到当前位置差下理论速度，而后对其进行校正，防止速度变化快于最大加速度，或超出最大速度限定。确定当前周期指针的运行速度后重绘指针并更新指针对象的状态参数，结束当前周期操作。其程序流程如图3所示。
其中Speed代表指针当前运行的速度，Last_Speed用于记录上一个周期中指针的运行速度，Speed_Deviate代表指针当前运行速度和上一个周期指针运行速度差；SPEED_THERSHOLD是速度阈值参数，用于判断当前周期角度差下支持的最大运行速度。MAX_SPEED和MAX_ACC两个参数分别限定虚拟指针的最大运行速度和最大加速度。其中Cur_Pos代表指针当前的位置，文中MIN_POS代表车速表最小刻度0 km/h位置即0°，MAX_POS代表车速表最大刻度150 km/h位置即180°。该控制方法通过使用毫秒级中断进行计算能在应用中使指针得到平滑的运动。
2 虚拟指针运动控制实现
2.1 虚拟指针的步进角实现
文中配置的液晶显示器的刷新频率为60 Hz，即显示器更新画面的时间间隔为16.67 ms，理想的情况下虚拟指针的更新时间与场同步信号一致。设定虚拟指针的步进角为固定值，测试并标定指针在不同速度下匀速运动的显示效果，结果如表1所示。
从表1可以看到：根据角度差的大小选择合适的步进角是虚拟指针运动控制的基本思路。综合考虑虚拟指针的显示效果和动态跟踪实时性，实际应用中将步进角的取值限定在0.1～3.5°/帧之间，最高角速度限定在210°/s。设计中步进角取值为2.5°/帧，角速度为150°/s，足够满足车速表、转速表的实时显示要求。
2.2 虚拟指针控制参数的实现
指针运动中最重要的参数是最大加速度MAX_ACC和最大速度MAX_SPEED，前者用于限制速度的变化快慢，作用于指针运动的起始和结束阶段，模拟机械指针的惯性特征；后者限制最大角度差，防止更新过快出现拖影等现象。
在CANoe硬件在环仿真环境中，初始设置电机的转速为0，而后跳变为最大值10 000 r/min（对应车速130 km/h），配置MAX_SPEED为20，速度切換阈值为20，测试MAX_ACC分别为1、3和6时车速表指针的运动速度和实时位置变化过程，如图4所示。
从图4（a）可以看到：MAX_ACC越大，指针越快到达最大运动速度，到达目标位置的90%所消耗的时间越少，可以提高指针的响应速度；不过，MAX_ACC越小，指针的启动和结束过程越平缓，更符合人的视觉习惯。从图4（b）中可以看出：MAX_ACC值的增加对于缩短指针响应时间的作用有限，大于一定值后指针加速直线和位置曲线接近重合。所以，文中MAX_ACC取值为2。同样的，速度切换阈值仍为20，MAX_ACC取值为2，测试MAX_SPEED分别为10、20和30时车速表指针的运动速度和实时位置变化过程，如图5所示。可以看到，指针运动速度呈现同样的线性增长关系，但车速表指针的运动过程差别明显。MAX_SPEED越大，指针的加速过程越长，减速越早。分析报文数据可以得到：最大速度分别为10、20和30时，指针到达目标位置的90%的时间分别为2.734 389、1.501 770和1.185 731 s。所以，MAX_SPEED的值可以明显改变指针的响应速度，文中MAX_SPEED的值取20。
3结语
如今的汽车行业已经不是一个传统行业，虚拟仪表是是对汽车仪表数字化和多信息综合显示的一个有益尝试，对后期汽车仪表的设计发展有重要的推动意义。
参考文献：
[1]邓宗权，蒋向东，王继岷，等.基于嵌入式Linux汽车智能仪表系统的设计[J].微型机与应用，2014，（4）：26-28.doi：10.3969/j.issn.1674-7720.2014.04.010.
[2]廖雄方，刘淼，金星，等. 全液晶汽车仪表测试方法的研究[J]. 电子设计工程，2016，（16）：82-85.doi：10.3969/j.issn.1674-6236.2016.16.026
（作者单位：长城汽车股份有限公司-哈弗技术中心）
第一作者简介：赵雪苗，女，汉，河北保定唐县，本科，初级工程师，汽车电子电器开发。
关键词：汽车；虚拟仪表；指针设计
1 虚拟指针控制设计
1.1 汽车虚拟仪表系统结构
设计的虚拟仪表硬件平台采用的是富士通系统级芯片MB86R01微控制器，其内部集成高性能的ARM9处理器内核和MB86296图形显示控制器。汽车虚拟仪表系统结构如图1所示。在车辆行驶过程中，MB86R01微控制器通过IO口、CAN总线等信号输入通道完成整车信息的采集；经过软件对原始信号进行加工、运算和逻辑分析处理后，在显示器面板上通过绘制各种图形图像来表达车辆信息。
1.2 虚拟指针控制的程序设计
汽车在行驶过程中，车速表指针转到的具体位置是由汽车发动机转速和汽车轮胎直径等参数根据相应公式计算得出，其中发动机转速是汽车虚拟仪表通过CAN总线接收汽车发动机ECU发送的CAN报文而得到。车速表指针的控制流程如图2所示。首先，计算车速信号值和指针目标位置；然后，计算当前位置的角度差，如果角度差为0则结束当前周期位置更新操作。
指针运转速度控制任务是通过与速度步进阈值相比较得到当前位置差下理论速度，而后对其进行校正，防止速度变化快于最大加速度，或超出最大速度限定。确定当前周期指针的运行速度后重绘指针并更新指针对象的状态参数，结束当前周期操作。其程序流程如图3所示。
其中Speed代表指针当前运行的速度，Last_Speed用于记录上一个周期中指针的运行速度，Speed_Deviate代表指针当前运行速度和上一个周期指针运行速度差；SPEED_THERSHOLD是速度阈值参数，用于判断当前周期角度差下支持的最大运行速度。MAX_SPEED和MAX_ACC两个参数分别限定虚拟指针的最大运行速度和最大加速度。其中Cur_Pos代表指针当前的位置，文中MIN_POS代表车速表最小刻度0 km/h位置即0°，MAX_POS代表车速表最大刻度150 km/h位置即180°。该控制方法通过使用毫秒级中断进行计算能在应用中使指针得到平滑的运动。
2 虚拟指针运动控制实现
2.1 虚拟指针的步进角实现
文中配置的液晶显示器的刷新频率为60 Hz，即显示器更新画面的时间间隔为16.67 ms，理想的情况下虚拟指针的更新时间与场同步信号一致。设定虚拟指针的步进角为固定值，测试并标定指针在不同速度下匀速运动的显示效果，结果如表1所示。
从表1可以看到：根据角度差的大小选择合适的步进角是虚拟指针运动控制的基本思路。综合考虑虚拟指针的显示效果和动态跟踪实时性，实际应用中将步进角的取值限定在0.1～3.5°/帧之间，最高角速度限定在210°/s。设计中步进角取值为2.5°/帧，角速度为150°/s，足够满足车速表、转速表的实时显示要求。
2.2 虚拟指针控制参数的实现
指针运动中最重要的参数是最大加速度MAX_ACC和最大速度MAX_SPEED，前者用于限制速度的变化快慢，作用于指针运动的起始和结束阶段，模拟机械指针的惯性特征；后者限制最大角度差，防止更新过快出现拖影等现象。
在CANoe硬件在环仿真环境中，初始设置电机的转速为0，而后跳变为最大值10 000 r/min（对应车速130 km/h），配置MAX_SPEED为20，速度切換阈值为20，测试MAX_ACC分别为1、3和6时车速表指针的运动速度和实时位置变化过程，如图4所示。
从图4（a）可以看到：MAX_ACC越大，指针越快到达最大运动速度，到达目标位置的90%所消耗的时间越少，可以提高指针的响应速度；不过，MAX_ACC越小，指针的启动和结束过程越平缓，更符合人的视觉习惯。从图4（b）中可以看出：MAX_ACC值的增加对于缩短指针响应时间的作用有限，大于一定值后指针加速直线和位置曲线接近重合。所以，文中MAX_ACC取值为2。同样的，速度切换阈值仍为20，MAX_ACC取值为2，测试MAX_SPEED分别为10、20和30时车速表指针的运动速度和实时位置变化过程，如图5所示。可以看到，指针运动速度呈现同样的线性增长关系，但车速表指针的运动过程差别明显。MAX_SPEED越大，指针的加速过程越长，减速越早。分析报文数据可以得到：最大速度分别为10、20和30时，指针到达目标位置的90%的时间分别为2.734 389、1.501 770和1.185 731 s。所以，MAX_SPEED的值可以明显改变指针的响应速度，文中MAX_SPEED的值取20。
3结语
如今的汽车行业已经不是一个传统行业，虚拟仪表是是对汽车仪表数字化和多信息综合显示的一个有益尝试，对后期汽车仪表的设计发展有重要的推动意义。
参考文献：
[1]邓宗权，蒋向东，王继岷，等.基于嵌入式Linux汽车智能仪表系统的设计[J].微型机与应用，2014，（4）：26-28.doi：10.3969/j.issn.1674-7720.2014.04.010.
[2]廖雄方，刘淼，金星，等. 全液晶汽车仪表测试方法的研究[J]. 电子设计工程，2016，（16）：82-85.doi：10.3969/j.issn.1674-6236.2016.16.026
（作者单位：长城汽车股份有限公司-哈弗技术中心）
第一作者简介：赵雪苗，女，汉，河北保定唐县，本科，初级工程师，汽车电子电器开发。