基于SOC图形显示芯片的汽车虚拟仪表研发

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.65MB 59 页 15积分

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摘要

随着汽车电子的迅速发展，传统的模拟式汽车仪表技术已经不能满足现代汽

车的要求，因此数字化虚拟仪表应运而生。本文介绍一种多功能综合信息显示平

台，通过数字处理及高精度的彩色显示技术，将转速表，速度表，油量表和水温

表等仪表功能进行集成。同时安装简便、体积小、能耗低。

本文介绍的汽车虚拟仪表在硬件方面是基于富士通的图形显示 SOC 芯片

MB86R01，该 SOC 的内核为 ARM926，内部集成了图形显示控制芯片 GDC（图

形显示控制器）及其他外围功能。该芯片不仅能够提供课题所需功能的所有控制，

还提供了 CAN 总线接口。GDC 芯片具有许多 2D 和3D 渲染功能，还具有灵活的

图层概念，支持高屏幕分辨率及抗锯齿处理、Alpha 混合，适合汽车电子显示平

台开发的特性。其中，加上外围功能电路，如数据采集电路、键盘、后视摄影模

块等，可以直接与嵌入式中央处理器（MCU）相连接构成多功能信息平台。在仪

表界面设计上，采用 Fujitsu 的HMI 设计软件，制作各功能模块的界面，并利用

Fujitsu 的开发编译平台软件 Softune，设计虚拟仪表的控制程序。最后利用游戏手

柄模拟方向盘，并借用 Labview 工具，对虚拟仪表进行仿真测试。测试结果表明，

该平台实现的虚拟仪表分度均匀，指示精度高，指示无抖动，指针响应速度快。

本论文主要介绍了汽车虚拟仪表的硬件平台，阐述了虚拟仪表界面设计，以

及嵌入式软件设计，最后给出了虚拟仪表仿真测试结果。

本车载信息显控终端是对汽车仪表总成数字化和虚拟化显示控制的一个有益

尝试，离最后的实用化和产品化还待进一步研究。

关键词：汽车虚拟仪表图像显示控制嵌入式系统

ABSTRACT

With the rapid development of automotive electronics, traditional analogue

instruments techniques can not meet the requirements of modern vehicles, so, there

exists digital virtual instruments. A vehicle’s composite information display panel is

presented in this paper which integrated tacho meter, speed meter, water temperature

meter and fuel meter by using digital process techniques and high precision color

display technology.

The virtual dashboard presented in this paper is designed based on Fujitsu's SOC

MB89R01. This SOC is LSI product for the graphics applications with ARM limited's

CPU ARM926EJ-S and Fujitsu's GDC MB86296 as its core. This product contains

peripheral I/O resources, such as in-vehicle LAN, HDD, and USB; therefore only a

single chip of MB86R01 controls main graphics application system which usually

requires 2 chips (CPU and GDC). The build-in GDC supports high screen resolution,

up to 6 layers overlay, Alpha blending and anti-alias function, so that is suitable for

vehicle display design. Besides, combined with peripheral circuit, such as keyboard,

data acquisition circuit and rear-view camera, this SOC can connect directly with MCU

to construct a multi-functional information display panel. Fujitsu's GDC creator is

adopted for dashboard HMI design, and Softune is used as embedded software design

environment. At last, the virtual dashboard is simulated with Labview and uses a joy

stick as direct system. The result shows that the virtual meter has uniformly divided

dial, high precision and non-jitter pointer indicating and quick response.

The hardware structure of virtual dashboard is described in this paper, the design

of HMI is provided and the embedded software development is also given in this paper.

In addition, the test result is shown in the last of the paper.

The design of vehicle dashboard is only an attempt for automobile instrument

assembly's digitization and virtualization. However, there are many things to do before

application.

Key Word ：virtual dashboard, graphics display, control, embedded

system

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§ 1.1 课题背景 ................................................... 1

§ 1.2 汽车虚拟仪表国内外发展现状 ................................. 1

§ 1.3 本课题主要研究内容以及关键技术 ............................. 2

第二章虚拟仪表显示系统需求分析 ...................................... 3

§ 2.1 课题意义 ...................................................... 3

§ 2.2 系统需求分析 .................................................. 4

第三章虚拟仪表显示系统总体设计方案 .................................. 6

§ 3.1 系统硬件平台总体设计 .......................................... 6

§ 3.2 系统控制软件总体设计 ....................................... 7

第四章虚拟仪表显示系统硬件平台 ..................................... 10

§ 4.1 器件选型及模块设计 ........................................ 10

§ 4.1.1 处理器芯片选型 ....................................... 10

§ 4.1.2 DDR2 SDRAM 芯片选型及接口设计 ........................ 12

§ 4.1.3 UART 模块设计 ........................................ 14

§ 4.1.4 NAND FLASH 选型及其模块设计 .......................... 15

§ 4.1.5 LCD 显示器件选型及模块设计 ........................... 16

§ 4.1.6 电源模块设计 ......................................... 17

§ 4.2 PCB 制板注意事项 .......................................... 19

§ 4.3 小结 ...................................................... 20

第五章虚拟仪表显示系统界面及控制软件设计 ........................... 21

§ 5.1 虚拟仪表人机接口界面设计 .................................. 21

§ 5.1.1 GHC 简介 ............................................. 21

§ 5.1.2 图层概念 ............................................. 23

§ 5.1.3 素材准备 ............................................. 24

§ 5.1.4 生成 GHC 源代码 ....................................... 27

§ 5.2 GDC 控制原理 .............................................. 28

§ 5.2.1 GDC 结构 ............................................. 28

§ 5.2.2 图层控制 ............................................. 29

§ 5.2.3 显示控制 ............................................. 32

§ 5.2.4 绘图过程 ............................................. 32

§ 5.3 嵌入式软件设计 ............................................ 34

§ 5.3.1 JADE 资源使用说明 .................................... 34

§ 5.3.2 程序模块设计说明 ..................................... 35

§ 5.3.3 转速显示控制模块设计 ................................. 36

§ 5.3.4 水温表油量表指示显示控制模块设计 ..................... 41

§ 5.3.5 UART 通信控制模块设计 ................................ 42

第六章开发环境及软硬件调试 ......................................... 45

§ 6.1 开发与调试环境 ............................................ 45

§ 6.2 调试 ...................................................... 46

§ 6.3 基于 LabVIEW 的模拟测试软件 ................................ 50

§ 6.3.1 通信算法 ............................................. 50

§ 6.3.2 双机通信 ............................................. 51

§ 6.4 软硬件调试结果 ............................................ 52

第七章小结 ......................................................... 53

参考文献 ............................................................ 54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 56

致谢 ................................................................ 57

第一章绪论

§ 1.1 课题背景

如今，汽车仪表正处于技术更新的转型期，要求接入到汽车的计算机系统总

线上，即要求汽车仪表与汽车上其它装置交换数据。高精度、多功能、高灵敏度、

读数直观的数字电子显示及图像显示的仪表已不断地在汽车上应用，汽车电子仪

表逐步取代了常规的机电式仪表。另外，随着液晶显示器件的性能和工作温度范

围的拓宽，价格又进一步降低，汽车仪表的功能将会极大地拓宽，显示形式也将

发生根本性的改变，高清晰度就是一个很明显的特征。而且，随着计算机技术的

日益发展，在车辆制造行业中对于仪表的的数字化显示已经成为一种主流趋势。

虚拟仪表系统是计算机资源、接口电路以及数据采集与分析、图形用户界面等结

合成的仪表系统。虚拟仪表具有参数及功能可自定义以及动态画面可视效果好的

特点。

随着汽车上的电子设备越来越多，为了汽车能够安全、经济、舒适地行驶，

需要掌握的车况信息也越来越多，这时用传统的汽车仪表来显示大量的车况信息

就显得比较困难了，因此车况信息综合显示是大势所趋。利用数字化的虚拟仪表

灵活方便的显示以及可编程的特点，使仪表板从空分制布局阶段过渡到以时分制

为主的布局阶段，极大地提高了仪表的利用率，而且它具有良好的人机交互界面

以及高精度的显示界面。它还具有许多扩展功能：导行信息、电子地图、GPS 定

位系统和车辆数字电台等，而且体积小、安装简便、质量轻，能耗低、还节省车

内空间[1][2]。

§ 1.2 汽车虚拟仪表国内外发展现状

由于国外的嵌入式计算机技术、通信技术、汽车电子技术发展较快也比较完

善，所以车载信息系统技术和综合显示技术也比较成熟。在国外，将计算机系统

与组合仪表和汽车监视系统共同组成一套驾驶员信息系统是很普遍的。例如德国

的奥迪系列以及日产汽车都能为驾驶员提供时间、行驶时间、车内外温度、平均

耗油量、平均车速、燃油储备可行驶里程、发动机转速和冷却水温等，实现了对

汽车主要质量以及状态参数的实时采集、记录和显示，还可进行实时的故障诊断。

现在，国外的汽车信息系统是包括了汽车数字仪表显示系统、语音提示与告警系

基于 SOC 图形显示芯片的汽车虚拟仪表研发

统、汽车故障诊断与“黑匣子”记录系统、汽车导向与全球定位系统(GPS)、汽车

地理信息系统(GIS)、汽车无线通信技术(GSM)以及娱乐视听系统的多功能智能系

统。

国外的豪华轿车上，3G 系统已变成了标准设备，美国最大的车载信息服务提

供商 Onstar 公司其产品就有 3G 系统、无线互联网系统、视听娱乐系统等。微软

公司也有面向汽车的“Windows Automotive Software”，应用蓝牙和 USB 等接口技

术搭建系统，可使驾驶员的手机、PDA 以及音乐播放机等便携式设备和车载设备

实现互联，从外部设备和网络获得信息，还可以实现免提功能[3][4]。

我国汽车仪表行业的生产主要集中在东部沿海发达地区，而且本土主机厂采

购商及合资品牌采购商的数量占到了 87.3％，由于汽车仪表盘产品本身具有体积

大、损耗小等特性，其产品主要以国内配套市场为主，而且出口量小，国内外买

家采购量也小。

业内专家表示，我国汽车仪表领域技术水平低、造型设计单调，数字化程度

低，产品耐久性和可靠性差，跟不上整车的发展，另外，与发达国家相比，技术

水平有很大差距。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但国内本土

企业还不具备相应的技术条件。在汽车仪表的市场格局上，一方面是国际大公司

在中高端市场上占有较大份额；另一方面中国本土厂商经过多年奋斗也占据一定

市场份额，本土厂商与国际大公司联合，可以争取更多的市场和资源，以低成本

抢夺低端市场。从技术发展领域来看，中国本土厂商在技术上处于跟进状态，在

产品发展路线把握方面和技术储备方面还有待提高[5][6]。

§ 1.3 本课题主要研究内容以及关键技术

主要研究内容

本课题基于富士通的图形显示 SOC 芯片 Jade 建立多功能的综合信息平台，

并基于该平台开发嵌入式应用软件，实现包括车速里程表、转速表、燃油表和温

度表的电子仪表。虚拟仪表分度均匀，指示精度高，指示无抖动，指针响应速度

快。

主要关键技术

由于本设计中使用的芯片使用高速时钟信号，则在硬件设计中，需要解决高

速信号布局布线的难题；在软件设计中，由于仪表数据的实时性，所以指针显示

就需要高速高精度的刷新控制；另外，多项信息同时发出请求更新时，还需要用

竞争解决机制来安排更新顺序。

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摘要：

摘要随着汽车电子的迅速发展，传统的模拟式汽车仪表技术已经不能满足现代汽车的要求，因此数字化虚拟仪表应运而生。本文介绍一种多功能综合信息显示平台，通过数字处理及高精度的彩色显示技术，将转速表，速度表，油量表和水温表等仪表功能进行集成。同时安装简便、体积小、能耗低。本文介绍的汽车虚拟仪表在硬件方面是基于富士通的图形显示SOC芯片MB86R01，该SOC的内核为ARM926，内部集成了图形显示控制芯片GDC（图形显示控制器）及其他外围功能。该芯片不仅能够提供课题所需功能的所有控制，还提供了CAN总线接口。GDC芯片具有许多2D和3D渲染功能，还具有灵活的图层概念，支持高屏幕分辨率及抗锯齿处理、Alp...

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