相關知識

一、汽車電子顯示裝置

汽車儀表是駕駛員與汽車進行信息交流的重要裝置，對駕駛員正確判斷汽車的運行狀態及安全行車起著重要的作用。隨著現代汽車工業和電子技術的發展，汽車環保、安全性、經濟性、智能化要求的不斷提高，對汽車行駛和各部分工作狀態的信息需求量顯著增加，汽車儀表的功能正在迅速擴展，將成為一個集感覺、識別、情況分析、信息庫、適應和控制六大功能于一體的提供行駛信息、保障安全駕駛的智能化系統。

電子顯示裝置在駕駛員信息系統中擔負著重要的角色，直接影響和制約駕駛員信息系統的應用和發展。圖2.1所示為一種電子顯示裝置。

A—機油壓力表；B—電壓表；C—水溫表；D—燃油表；E—警告燈；F—小車速表；G—轉速表；H—里程表

圖2.1 電子顯示裝置

目前，汽車上使用的顯示裝置主要有發光二極管（LED）、熒光顯示器（VFD）、液晶顯示器（LCD）和陰極射線管顯示器（CTR）、風窗玻璃顯示器（HUD）等。

1.發光二極管（LED）

發光二極管是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，簡稱LED，具有體積小、結構簡單、耐用（使用壽命長達5萬小時以上）等特點。

（1）發光二極管的結構如圖2.2所示，PN結為特殊材料制成的。

1—塑料外殼；2—二極管芯片；3—陰極引線；4—陽極引線；5—導線

圖2.2 發光二極管的結構

（2）發光二極管組成的光條圖顯示器如圖2.3所示。

1—漫射器；2—LED；3—印制電路板；4—分割器

圖2.3 發光二極管組成的光條圖顯示器

（3）發光二極管組成的數碼顯示器如圖2.4所示。

1—二進制編碼輸入；2—邏輯電路；3—譯碼器；4—驅動器；5—小數點；6—發光二極管電源；7—“8”字形

圖2.4 發光二極管組成的數碼顯示器

（4）發光二極管組成的點陣顯示器如圖2.5所示。

發光二極管還常用做汽車儀表板上的警告指示燈，若燃油、制動液、風窗洗滌液等液面過低，制動蹄片過薄，制動燈、尾燈、前照燈等燒壞，這時警告指示燈就會點亮。

發光二極管的缺點包括：在環境暗的情況下效果較好，在陽光直射下便很難辨別；若要增大其亮度，則需要相當大的電流，功率消耗較大，故使用受到限制。

2.液晶顯示器（LCD）

液晶是一種有機化合物，由長形桿狀分子構成。在一定的溫度范圍內，它既具有普通液體的流動性，也具有晶體的某些特征。液晶顯示器是一種被動顯示裝置，具有顯示面積大、耗能少、顯示清晰、在陽光直射下不受影響等特點，應用非常廣泛。

（1）液晶顯示器是一種新型的非發光型平板顯示器，其結構如圖2.6所示。

1—前偏光鏡；2—前玻璃板；3—后玻璃板；4—后偏光鏡；5—反射鏡

圖2.6 液晶顯示器的結構

（2）如圖2.7所示，液晶的分子排列方式將來自垂直偏光鏡的光波旋轉90°。

（3）如圖2.8所示，當液晶加上電場被激發時，將不能使光波旋轉。

通過以上分析可知：當液晶不加電壓時，光線可穿過液晶到達反射鏡反射過來，可看到液晶呈亮的狀態；當液晶加上電壓時，液晶分子方向改變，將不能使光波旋轉，來自垂直偏光鏡的光波經液晶后將不能通過水平偏光鏡，無法到達反射鏡，看到的液晶是暗的狀態。這樣在液晶上制成字符段，分別控制每個字符段的通電狀態，即可控制哪些字符段呈亮的狀態，哪些字符段呈暗的狀態，便可在液晶上看到字符，如圖2.9所示。

液晶顯示裝置可分為動態散射、扭曲向列和二向色3種類型，目前汽車上廣泛采用的是扭曲向列型液晶顯示裝置，其結構如圖2.10所示。

3.真空熒光顯示器（VFD）

真空熒光顯示器是一種主動顯示系統，使用壽命長，色譜寬，控制電路連接容易，環境溫度適應性強，可改變其顯示亮度，能顯示數字、單詞和柱狀圖表等。

真空熒光顯示器實際上是一種低壓真空管，圖2.11所示為汽車用數字式車速表的真空熒光顯示器，其工作原理如圖2.12所示。

1—前玻璃罩；2—燈絲（陰極）；3—控制柵格；4—筆畫小段（陽極）；5—電位器（亮度調節）；6—計算機控制電子開關（使某筆畫段受激發光）

圖2.11 真空熒管顯示器

1—陰極（燈絲）；2—電子；3—加速柵極；4—陽極字符段；5—玻璃面板

圖2.12 真空熒光顯示器的工作原理

真空熒光顯示器十分明亮，所以大多數制造廠都進行了這樣的處理：每當接通燈光開關時，真空熒光顯示器的亮度便降至75%。為了在白天有足夠的亮度，燈光開關的變阻器可使真空熒光顯示器的亮度增強。由于真空熒光顯示器是一種真空管，為保持一定的強度，必須采用一定厚度的玻璃外殼，所以體積和質量較大。

4.陰極射線管顯示器

陰極射線管（CRT）也稱為顯像管或電子束管，其結構原理與電視顯像管、計算機顯示系統相同。它有一個發射電子的陰極和一個吸收電子的陽極，電子轟擊到屏幕上哪個點，哪個點便發亮，偏轉板控制電子束的方向。陰極射線管（CRT）屏幕是觸摸式的，通過觸摸屏幕上的按鈕（菜單）便能變更顯示的內容。

5.風窗玻璃顯示器

要觀看儀表信息，駕駛員的視線就不得不離開道路，這是任何汽車儀表顯示器或者監視器都需要解決的一個問題。另外，在許多情況下，實際上，駕駛員是用不著看顯示器的，但是因此有時也會忽視像機油壓力過低這樣重要的警告信息。可以采用像警告蜂鳴器或將儀表布置在接近視線的位置上等許多新技術，而最新的技術之一就是風窗玻璃顯示器（HUD）。HUD最早是飛機工業為戰斗機駕駛員而開發的。飛機設計者們面對在顯示機艙內的多達100個不同的警告裝置時，也曾遇到類似的難題。

在HUD系統中，來自顯示裝置（可以是一個陰極射線管）的信息會被投射到具有部分反光能力的鏡子上。因此，對該系統來說，在陰極射線管（CRT）上顯示的信息必須呈倒像。在正常的情況下，駕駛員能夠透過鏡子看到道路。當然，必須對顯示器的亮度進行調節，以便適應環境光線的狀況。當對該系統實施計算機控制時，大量的數據將會被顯示出來。目前，HUD系統都是在車輛向前行駛時使用的，但是可自動變暗以減輕前照燈眩目的液晶后視鏡就可以用做后端盲區檢測雷達的信號顯示屏。

精確地確定某一時刻風窗玻璃顯示器應該投射在什么地方，這項技術涉及微型攝像機，與來自駕駛員眼睛角膜反射的光束相配合，從而能夠精確測量出他或她正在往哪里看。除了這項技術的應用正在研究中之外，眼睛運動探測器也是生物力學研究中所使用的一系列工具之一，它能直接檢測駕駛員的身體狀況。最終，這些工具中的某些還會用于主動控制汽車，或者主動喚醒將要入睡的駕駛員。

儀表板或顯示板所用的技術（和布置）非常重要，在很大程度上，集中在易讀性問題上。對設計師而言，有如此多的技術可以使用時，人們可能很想使用最先進的。然而，這樣并非總是最好。試想一個簡單問題：對這種應用來說，什么是最合適的顯示器技術?人們對儀表的布置和組合方式，已經進行了許多研究工作。當駕駛員讀取顯示器信息時，眼睛要離開道路，合理布置和組合儀表可減少駕駛員讀取信息的時間。好的儀表板結構非常緊湊，幾乎不需要駕駛員的眼睛逐個掃過每個讀數，全部信息便可盡收眼底。儀表板漂亮的外觀往往是汽車的一個重要的賣點。但在某些情況下，這一點與獲得最佳易讀性相矛盾。

二、電子儀表板

汽車電子儀表板以數字或光條圖形式，配以國際標準（ISO）符號，用于監測汽車或發動機各系統的工作情況。

1.電子儀表板的多路復用傳輸

電子儀表板需要很多導電接頭向光柱或光點供電。7筆畫字形顯示需要7個電接頭來形成l位數字，車速顯示需要3位數，因此需要21個電接頭和21根纜線，同時還需用1個搭鐵接頭。為降低成本、節省空間，電子儀表板采用了多路復用傳輸，即幾個數字采用獨立的搭鐵接頭。圖2.13所示的7筆畫顯示的多路復用傳輸中，三位數字共用7位電接頭。

2.信息選送

汽車一旦啟動，發動機轉速、溫度、燃油液位等多種信息便將同時傳輸給計算機進行處理。由于傳輸信息項目多，需要多路傳輸技術把各種不同信號分開，所以采用多路信號轉換開關選擇信號源，如圖2.14所示。

信息經計算機處理后，還需要一個與其能正確配合的開關，以便把信號適時傳輸給相應的顯示裝置，為此采用了信號分離開關。

3.顯示系統結構

圖2.15所示是一個各種顯示裝置的多路傳輸系統。

4.行車計算機系統

由于使用了電子儀表系統和各種相關的傳感器，所以可以利用這些信號為行車計算機系統提供信息輸入。行車計算機系統顯示日期和時間，還能計算平均車速、行車時間、燃油消耗量、瞬時耗油量和平均耗油量等。除里程表和時鐘所需信號外，基本儀表系統中還要安裝相應傳感器，以滿足行車計算機系統的需要。

5.電子儀表板的組成

一般情況下，電子儀表板有3組由計算機控制的獨立液晶顯示器，分別用于顯示車速、油耗及發動機轉速等信息，其中車速和轉速既有數字顯示，又有曲線圖顯示，如圖2.16所示。儀表板中央有一個駕駛員信息中心，用于顯示燃油存量、潤滑油壓力、冷卻液溫度、累計行駛里程及平均油耗等信息；同時，駕駛員信息中心還有一套報警燈系統，用于指示機油壓力、冷卻液溫度、冷卻液液面高度不足、蓄電池充電電壓、制動蹄片磨損、燈泡故障及車門未關等異常情況。

1—車速表；2—駕駛員信息中心；3—發動機轉速表

圖2.16 雪佛蘭汽車電子儀表板

各種信息在電子儀表板上有三種顯示方式：

（1）數字顯示（包括曲線圖顯示）。

（2）模擬顯示。

（3）指示燈亮滅顯示。

車速表和轉速表常用數字顯示和曲線圖顯示，燃油表可數字顯示，也可模擬顯示。為了更準確地顯示信息，計算機系統對數字顯示信號每秒修正2次，對曲線圖顯示信號每秒修正16次，對駕駛員信息中心顯示的各種信號每秒修正1次。

大多數電子儀表板都有自診功能，進行自診時，按下儀表板上的選擇鈕，當點火開關轉到ACC或RUN擋時，儀表板便開始一次自檢。檢驗時通常是整個儀表板發亮。與此同時，各顯示器的每段字段都發亮。在自檢過程中，電子儀表板上用于監測各系統的ISO標準符號一般都閃爍，檢驗完成時，所有儀表都顯示當時的讀數。若發現故障，便顯示一個提醒駕駛員的代碼。

6.電子儀表的語音報警系統

有些電子儀表裝有語音合成器，可將其監控的情況向駕駛員報警。語音報警系統是對電子儀表上的報警燈系統的補充，用來引起駕駛員的注意。

語音合成器是通過計算機技術和聲響裝置的揚聲器實現的，事先將所需的單詞或詞組的語音轉換成電信號存儲在計算機的芯片中。當監測系統發出警告時，計算機產生所需要的語言電信號，再由聲響裝置的揚聲器把電信號轉換成聲音。根據監控系統的多少，語音報警系統復雜程度也不相同。

語音報警系統由一塊字母數字讀出板、一幀用汽車圖形表示的情況/位置指示器和一塊電子語音報警模塊組成。

（1）字母數字讀出板：提供要顯示的報警信息。如圖2.17所示，讀出板上顯示一條警告駕駛員的文字信息，信息一直顯示到報警情況糾正后才消失。

（2）汽車圖形表示的情況/位置指示器。在語音報警系統的監控系統中，傳感器可分為4類：

① 監控前照燈、尾燈和駐車燈等是否正常的模塊。

② 監控發動機機油油位的熱敏電阻。

③ 檢測充電系統輸出的電壓傳感器。

④ 當有故障或危險情況時向中央處理器提供搭鐵信號的動合式開關。

三、汽車電子儀表

1.車速表

如圖2.18所示為美國通用汽車公司采用的數字式車速表原理圖。

原理：車速傳感器為磁脈沖式車速傳感器，當轉子旋轉時，信號線圈便產生微弱的交變電壓。交變電壓信號送至發動機控制模塊ECM（即發動機ECU）與車身計算機控制模塊BCM（即車身計算機ECU）。交變電壓信號經發動機控制模塊ECM先被放大，然后被整形為數字信號，再經車身計算機控制模塊BCM中的中央處理器進行計算，由輸出接口的驅動電路將信號提供給電子儀表的車速顯示器，數字儀表板IPC的車速顯示器開始顯示車速。

每次將點火開關置于ACC或RUN擋，計算機控制系統便對數字儀表板IPC自檢一次，每次自檢約3s，自檢順序如下：

（1）所有顯示字符段都發亮，如圖2.19（a）所示。

（2）所有顯示字符段都熄滅。

（3）顯示0km/h，如圖2.19（b）所示。

電子式車速表所采用的車速傳感器有：① 磁脈沖式；② 霍爾效應式；③ 光電開關式。

通用汽車采用的光電式傳感器如圖2.20所示。

1—車速表驅動軸；2—接里程表；3、5—光電式傳感器；4—儀表的插頭；6—車速表軟軸連接器；7—信號轉子

圖2.20 光電式車速傳感器

2.里程表

和數字式車速表配合使用的里程表有兩種：步進電動機的機電式里程表和IC（集成電路）芯片的電子式里程表。

（1）步進電動機。機電式里程表所使用的步進電動機如圖2.21所示，其電樞內部有一個永久磁鐵，定子部分由2個或4個磁場繞組組成。來自車速表的數字信號脈沖經二分頻電路處理，步進電動機接收的信號脈沖頻率是車速傳感器信號脈沖頻率的一半。當步進電動機的磁場繞組接到計算機的控制信號后，定子產生磁場，步進電動機的轉子便旋轉，里程表的計數器便開始工作。

通用公司的汽車，步進電動機與車速表共用同一個信號脈沖，脈沖信號送至“里程表驅動IC”。如圖2.22所示，里程表驅動IC由多個晶體管組成“H門”，“H門”輪流激勵步進電動機的一對線圈，并不斷地變換系統的極性，使永久磁鐵電樞以同一方向旋轉。

（2）IC芯片。IC芯片式里程表采用一片非易失RAM芯片。非易失RAM芯片接收來自車速表或計算機控制系統的行駛里程信息。計算機控制系統每0.5s刷新一次里程表顯示值。

許多數字儀表板能同時顯示短程行駛里程數和累計里程數，駕駛員必須做出選擇，如圖2.23所示。

如果里程表電路發生故障，顯示器將會以特殊的信息提示駕駛員，如圖2.24所示。

3.發動機轉速表

多數發動機轉速表以柱狀圖形來表示發動機轉速的大小，并可通過發動機點火線圈的前沿觸發信號來測量（脈沖信號時間反比于發動機轉速），這種前沿脈沖信號通過中斷口輸入到微處理器。

轉速表控制系統如圖2.25所示。

4.電子燃油表

如圖2.26所示的汽車燃油計一般采用柱狀或其他圖形方式來提醒駕駛員油箱內可用的剩余燃油量。燃油計控制系統如圖2.27所示。

為了在系統第一次通電時加快顯示，通常A/D轉換約每0.4s進行一次。在一般的運行環境下，為防止浮子因汽車行駛過程中振動等因素造成突然擺動而導致顯示不穩定，ECU將A/D轉換的結果設為平均每26s一次。另外，鑒于僅靠平均的辦法還不足以使顯示完全平衡下來，系統控制顯示器只允許在更新數據時每次僅升降一段，并且顯示結果經數次確認后才顯示出來。

四、綜合信息顯示系統

隨著汽車電子技術的飛速發展，汽車電子控制系統所用的傳感器不斷增多，汽車儀表的電子顯示系統已從簡單地顯示傳感器信息，發展成為可以對各種信息進行分析計算、加工處理的綜合信息系統。

綜合信息系統能夠從大量的信息中選擇出駕駛員所需要的各種信息內容，包括電子行車地圖、維修、后視鏡等信息，還可以顯示電視、廣播、電話等信息。

如圖2.28所示為綜合信息系統配置原理。該綜合信息顯示系統的顯示器可顯示電子地圖、燃料消耗和行程信息等綜合信息。

1.綜合信息顯示系統所顯示的信息種類

（1）地圖信息：公路交通圖可按不同的比例顯示，與一般地圖的區別在于它可以滾屏顯示，使需要的內容可以被單獨顯示出來。另外，借助導航系統，汽車的當前位置也可以顯示在電子地圖上，且導航系統可以直接在電子地圖上標出汽車的當前位置。

（2）行車信息：可顯示從出發開始的行程計算、行程時間和燃料消耗，并可根據燃料消耗率和存油量顯示剩余燃料可能行走的里程。

（3）維修信息：顯示如發動機換機油、更換輪胎以后所行駛的里程，供駕駛員確定下次維修時間與維修項目參考。

過去，車輛的技術狀態靠定期檢驗來評定，一般每4800km就要進行一次。在兩次檢驗期間，還要進行許多預防性維護和檢查工作，才能保證車輛正常地工作到下次檢驗期。由于維護費用日益增加，車輛停下來維護又給用戶帶來不便，制造廠逐漸把檢驗周期延長到20000km，甚至更長。在這樣長的間隔期內（不論從時間或行駛里程上說），各種油液要消耗，很多重要部件要磨損。為了避免因某一系統的故障而影響安全或機件損壞，制造廠商就研制生產了車輛狀況監測系統。

車輛狀況監測系統除包括原先在車輛維護時要進行的檢測項目以外，還包括了由駕駛員負責進行的檢測項目，如機油壓力和冷卻液液位高度。監測系統的先進程度要看車輛的檔次，這種系統一般先在高級車輛上應用，以后由于價格逐漸降低，低級車輛也開始使用這種監測系統。有些監測裝置，如機油壓力表和水溫表、充電指示燈、燃油表、前照燈的遠光和轉向指示燈，已經使用多年。近來中級車輛上許多系統裝置也使用下列監測和信號裝置：制動摩擦片需要更換；制動缸液位過低或制動操縱系統發生故障；機油液位低于標準；因燈泡或電路故障而使照明系統失效。不同顏色和圖案的警告標志，單獨裝在儀表板的一個顯著位置。它以適當的警告信號引起駕駛員的注意。在有些車輛上，監測系統還配上語音合成裝置，以強化其警告作用。這種裝置用語音直接告訴駕駛員要做什么，或者給予警告以彌補直觀信號顯示的不足。大多數車輛狀況監測系統用電子數字裝置來處理從車上各處傳感器送來的信息。很多傳感器只起一個開關的作用。當出現某一故障需要給出警告信號時，傳感器開關接通或中斷該電路中的電流。這一電流變化觸發監測系統控制裝置中的一個電子開關，使儀表板上按國際標準設置的某一警告圖形發亮。為使駕駛員信任這一監測系統，應定期檢測各個傳感器電路，以確保系統的技術狀態良好。這種檢查通常在點火開關接通時進行，使測試電流通到各個傳感器和指示燈約5 s，讓駕駛員檢查整個檢測系統的工作狀況。

（4）日歷信息：可顯示駕駛員的日歷和日程表。

（5）空調信息：顯示空調的操作模式和風扇的設置，通過觸摸屏幕上的鍵盤可以操作空調系統。

（6）音響系統信息：顯示音響系統的操作模式，通過觸摸屏幕上的鍵盤可以控制音響系統及顯示音響系統的音樂資料。

（7）電視廣播：可接收電視、廣播節目。

（8）電話信息：顯示諸如移動電話號碼等信息，并可通過觸摸屏幕鍵盤來實現撥號和掛機。

（9）后視攝像機信息：在倒車時，顯示安裝在車后部的鏡頭攝取的景象信息。

2.觸摸鍵盤

顯示系統的觸摸鍵盤通常以模擬形式顯示在屏幕上，用手指觸摸鍵盤即可進行操作，從而簡化了選擇信息的過程。通常采用紅外觸發開關來檢測屏幕是否被觸摸，開關的原理圖如圖2.29所示。

在顯示器的兩端都有一個發光二極管和光敏三極管相對。在顯示器鍵盤未被觸摸時，發光二極管的光束到達光敏三極管促使其導通。鍵盤被觸摸時，發光二極管光波被截斷，光敏三極管立即截止。發光二極管和光敏三極管的混合體安放在顯示器的多個地方，如圖2.29（b）所示。

因此，屏幕上被觸摸到的鍵盤位置由被關斷的光敏三極管所在位置測定。