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車載抬頭顯示器系統(tǒng)研究

2021-10-22 18:57:26·  來源：汽車實用技術雜志社  作者：武剛，趙光琪，等  
　
摘要：為了解決汽車司機駕駛時需要頻繁低頭查看儀表盤時容易忽略前方路況信息，從而造成交通事故發(fā)生的問題，將早期應用到戰(zhàn)斗機上的抬頭顯示系統(tǒng)（Head Up Disp
摘要：為了解決汽車司機駕駛時需要頻繁低頭查看儀表盤時容易忽略前方路況信息，從而造成交通事故發(fā)生的問題，將早期應用到戰(zhàn)斗機上的抬頭顯示系統(tǒng)（Head Up Display,以下簡稱HUD）應用到汽車上，使司機無需低頭即可查看車輛運行時的一些重要參數信息。采用STM32單片機作為主控，將接收到的數據信息顯示在像源上，將像源中的信息透射到反光鏡中，再反射到合成器上，司機通過合成器即可觀察到像源上顯示的內容。為了驗證本設計的HUD上能顯示準確的溫度值并且顯示的信息能隨環(huán)境亮度而變化，采用溫度傳感器采集水溫的信息來模擬溫度傳感器采集汽車水箱的溫度信息；采用光敏傳感器檢測不同光照強度來調節(jié)像源的亮度。實驗結果表明，像源能在不同光照強度下都能實時顯示水溫變化的信息，且在合成器上顯示的信息穩(wěn)定、可靠。

作者信息：
姓名：武剛，趙光琪，李劍
單位：云南省公路科學技術研究院；水富公路分局；綏江公路分局

隨著社會發(fā)展，汽車已走進千家萬戶，然而過多的車輛使得交通安全越來越嚴重。司機在駕駛車輛時，不僅需要時刻觀察車外的路況信息，還得頻繁低頭查看儀表盤。有研究表明，司機將視線從車外轉移到儀表盤上查看信息后又將視線移到車外觀察路況這一操作時間大約為4~7s，其中消耗在儀表盤上的時間約為3~5s，將司機查看儀表盤用掉的時間定義為駕駛盲區(qū)時間，大約有20%的道路交通事故是由于查看儀表盤的信息而引起。特別是高速行駛的汽車，3~5s的盲區(qū)時間將會導致嚴重的交通事故發(fā)生。因此，采用抬頭顯示器將車輛運行時的重要信息投射在司機眼睛前方的風擋玻璃上，使司機無需低頭就能查看車輛運行時的重要參數信息是極為重要的。
2016年，Intersil公司提出了采用激光掃描MEMS來作為HUD的投影系統(tǒng)，相比于LCD HUD和DLP HUD來說，該系統(tǒng)具有更高的電導率，并且降低了整體光學系統(tǒng)復雜性和尺寸。到2017年，德州儀器又發(fā)布了新一代的DLP HUD技術，采用全新的DLP3030-Q1芯片組來開發(fā)，可將圖像投射到7.5米或更遠的位置。2017年大陸集團提出的DMD抬頭顯示器，將傳統(tǒng)的前風擋玻璃替換為大猩猩玻璃生產的前擋風玻璃，該系統(tǒng)可以得到可視范圍更大的虛像，無需采用楔形結構對光學系統(tǒng)進行修正，有效的防止重影出現。我們國家研究抬頭顯示器系統(tǒng)的時間相對比較晚，缺乏相關研發(fā)經驗，普及率也比較低。華陽集團采用OLED顯示屏研發(fā)出的一款便攜式HUD，和普通液晶屏顯示圖像一樣，不具備遠視的效果。


1 HUD的工作原理
抬頭顯示系統(tǒng)（Head Up Display）最早是出現在第一次世界大戰(zhàn)期間美國的戰(zhàn)斗機上作為瞄準器用的，后來人們將它引用到汽車上輔助駕駛。它主要是利用了光學反射的原理，將汽車的一些重要的參數信息（如速度、油箱油量、導航信息、胎壓信息等）投射在汽車前擋風玻璃或外加的合成器上，由前擋風玻璃或合成器將這些信息反射到司機眼中，司機透過前擋風玻璃或合成器看到漂浮在汽車引擎蓋上方的虛像，司機無需低頭即可查看汽車運行時的一些重要的參數信息。

2 HUD系統(tǒng)設計
2.1整體架構介紹


圖1 系統(tǒng)整體構架框圖
采用了基于STM32的車載抬頭顯示系統(tǒng)設計方案。如圖1為系統(tǒng)整體構架框圖。該系統(tǒng)主要分為電源電路、數據采集模塊、信息處理及像源控制模塊、像源模塊、光學投影模塊，其中由電源電路為整個系統(tǒng)供電，采用溫度傳感器去檢測汽車水箱的溫度信息，采用液晶屏來顯示溫度傳感器檢測到的溫度值，采用光敏傳感器來檢測光照強度信息，并通過檢測到光照強度值來調節(jié)背光源的亮度，進而調節(jié)液晶屏顯示圖像的亮度，使液晶屏上顯示清晰的圖像。采用準直透鏡對背光源發(fā)射出來的光源進行準直，使得投射到液晶屏上的光更加均勻，采用反射鏡來接收液晶屏上的圖像信息，并將該圖像反射到合成器中后再反射到司機眼中，司機透過合成器即可查看到液晶屏上顯示的內容信息。
2.2方案選取
目前，投影顯示技術主要分為反射式和透射式兩種投射類型，其中：反射式投射為：硅基液晶LCOS和數碼光路處理器DLP兩種，透射式投射方式有為：液晶顯示器LCD。
其中：硅基液晶（LCOS）是一項相對新穎的顯示技術，將液晶硅涂抹在CMOS集成電路芯片上作為LCD的基片。在磨平的CMOS集成電路芯片上鍍鋁后成為反射鏡，接著將CMOS基板與電極上的玻璃基板相貼合，再注入液晶封裝而成。但是生產工藝阻礙了硅基液晶LCOS的發(fā)展，復雜的工藝導致LCOS良品率較低，這個缺陷使得它的優(yōu)勢未能得到很好的發(fā)揮。
數碼光路處理器（DLP）是美國德州儀器公司開發(fā)的，它的光閥成像器件采用了數字微反射器，它是一種將DMD數字微鏡作為成像器件的技術，使得圖像的灰度等級得到了很大的提高，消除了圖像噪聲，這個技術采用了數字微反射器后，有效的提高了成像器件的總光效率。因為數碼光路處理器采用的處理方式為分時段式，所以用它來播放動態(tài)畫面時，畫面質量會有所下降。而且由于DLP的投影分辨率與成像器件的物理屬性的一定的關聯(lián)性，使得它在高分辨率應用場合中很難控制住生產成本。
LCD投影儀是在液晶屏背后加背光源，將液晶屏上的內容投射出來的一種儀器，由于活性液晶可以透光，驅動液晶屏中對應像素點的液晶分子，使其具有活性，再利用背光源照射在這些具有活性的液晶分子上即可在液晶屏上看到相應的圖像。主流的LCD投影機采用的是三芯片機器，它具有紅色，綠色和藍色的獨立LCD面板。可以在獨立的LCD面板上調整對應通道的亮度和對比度，增加投影效果，能夠得到高保真度的色彩。LCD液晶屏具有低工作電壓、小功率、長壽命、高分辨率、圖像色彩豐富、畫面層次感好的優(yōu)勢，因此比較適合作為投影器件。
基于上述分析，本設計采用單片式LCD投影技術將溫度傳感器檢測到的信息投射到合成器上，選用TFT-LCD作為LCD的像源，根據光敏傳感器檢測到的光照強度信息來調節(jié)背光源的亮度，進而調節(jié)像源圖像的亮度。

3 HUD硬件電路設計
3.1 HUD主控電路設計
采用STM32單片機作為HUD的控制器。對溫度傳感器和光敏傳感器檢測到的數據進行分析處理后，將溫度信息寫入到液晶屏中顯示，并根據光敏傳感器檢測到的光照強度信息來改變背光源亮度，進而改變液晶屏顯示的圖像亮度。
HUD的主控電路主要包括主控芯片、電源電路、啟動配置電路、調試測試電路、復位電路、掉電數據保存電路。如圖2為HUD的主控電路圖。
1）主控芯片
主控芯片采用STM32F103RCT6，其優(yōu)點在于STM32F103RCT6采用了Cortex M3作為內核，提供了豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設，自帶512K字節(jié) FLASH，并外擴16M字節(jié)SPIFLASH，滿足大數據存儲需求。工作頻率可以達到72MHz。擁有3個12位的ADC、6個定時器（通用16位和PWM），I2C接口有2個，SPI接口有3個，I2S接口有2個，SDIO接口有1個，USART接口5個，USB接口1個，CAN接口1個。

圖2 HUD的主控電路圖
2）電源電路
本設計在HUD主控電路中加入了電源電路，以確保主控芯片不會被燒壞。STM32F103RCT6采用了3.3V穩(wěn)壓電源供電，故采用電源線性穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在3.3V，該芯片型號為AMS1117-3.3，是一種正向低壓降穩(wěn)壓器，將輸入的電壓轉化為3.3V輸出。它具有4個數字電源端口和一個模擬電源端口，電源輸入、輸出端口分別接上一個濾波電容，采用LED燈珠提示電源的工作狀態(tài)。同時還設有液晶屏指示燈（LED），用于提示液晶屏的工作狀態(tài)，當對應的LED燈亮時，說明液晶屏處于工作狀態(tài)。
3）啟動配置電路
在STM32復位后，需要對STM32的啟動模式進行選擇，STM32本身具有BOOT0（B0）和BOOT1（B1）兩個啟動選擇引腳，設置BOOT0（B0）和BOOT1（B1）的輸出電平來實現不同的功能，需要采用串口下載程序時，將BOOT0設置為1，BOOT1設置為0，若讓STM32一按復位時就開始工作，將BOOT0設置為0，BOOT1隨意設置。啟動模式與BOOT0（B0）和BOOT1（B1）之間的對應關系如表1所示。
表1 STM32啟動模式引腳的配置


4）調試測試電路
STM32支持兩種調試接口，分別為JTAG調試接口和SWD調試接口。其中：標準的JTAG調試接口需要占用5個IO口，容易導致IO口不夠用的情況，而用SWD調試接口只需2個IO口，大大節(jié)約了IO數量。由于兩種調試接口達到的效果一樣，所以選用SWD接口進行硬件調試。
5）復位電路
采用復位電路對STM32F103RCT6芯片進行復位，通過一個電阻和一個電容組合而成的RC復位電路，這個電路可以延時，當不考慮流入RESET端的電流時，這個電路是一階RC電路。當RESET處于高電平的時間達到兩個機器周期時，即可實現STM32F103RCT6芯片復位。
6）掉電數據保存電路
為了使系統(tǒng)掉電后數據不會丟失，采用掉電數據保存器來保存數據，掉電數據保存器選型為可擦可編程只讀存儲器EEPROM（型號為24C02）。將24C02芯片直與STM32的IO連接，即可在系統(tǒng)掉電后將重要的數據存儲起來。
3.2像源設計
3.2.1像源選型
綜合考慮，車載抬頭顯示器系統(tǒng)的像源采用SONY公司研發(fā)的1.8寸LCX028AMT液晶屏。其部分參數如下：屏尺寸：1.8寸；顯示比例：4:3；對比度：250:1；響應時間：33ms；驅動電壓：5V。
3.2.2像源驅動電路設計
本設計采用兩片數據驅動器CXA7004R來作為LCX028AMT的驅動器，接收STM32控制器發(fā)送來的12位數字輸入信號，CXA7004R對這12位數字信號轉化為6個相位的模擬信號輸出?？梢栽贑XA7004R中產生預充脈沖波，但是該預充脈沖波不可以對液晶屏直接進行驅動， 所以需要在液晶屏和CXA7004R之間加上一個緩沖器，本設計采用LT1206緩沖器作為CXA7004R的緩沖；另外還將CXA7004R產生的VCOM電壓來驅動液晶屏。如圖3為像源驅動電路原理圖。

圖3 像源驅動電路原理圖
CXA7004R索尼公司專門為驅動TFT-LCD面板而開發(fā)的驅動IC，它的主要功能有：支持12位輸入；低輸出偏差；具有3線通訊調整功能；支持點和線反轉驅動方式；最高支持SXGA信號；VCOM電壓產生電路；產生預脈沖波形。
3.3背光源設計
本設計的采用LCD作為像源。由于TFT-LCD中的液晶分子是一種處于固態(tài)和液態(tài)之間的一種特殊物質，其自身沒有發(fā)光的能力，所以需要為液晶屏設置背光源才能顯示圖像。同時背光源的亮度也會影響液晶屏顯示圖像的亮度，所以需要對背光源的亮度進行調節(jié)。
為了適應司機眼睛的視覺感知，調節(jié)LED的亮度時，采用線形調節(jié)方式，使得LED的亮度不會迅速增強或減弱，有效的避免對眼睛的傷害。為了達到這一目的，設計了LED亮度調節(jié)曲線。顯示亮度和亮度等級之間的函數關系為：

(1)
準直透鏡將背光源LED的光束準直擴束均勻的照射到液晶屏上，使得液晶屏顯示出來的圖像更加清晰，對比度更高。
本設計采用恒壓驅動方式驅動LED燈,通過STM32F103RCT6芯片控制GS6200驅動芯片的狀態(tài)來控制流過LED的電流，進而改變經過LED的電流大小，達到調節(jié)LED亮度的效果。采用兩顆LED并聯(lián)后與電阻串聯(lián)的方式形成一個LED燈組，三個LED燈組并聯(lián)后形成液晶屏的背光源，當某一支路的LED發(fā)生斷路或者短路時，不會影響其它支路的LED燈工作。其中，GS6200是一個PWM降壓轉換器（DC/DC轉換器），它能輸出固定的頻率（52kHz），可以驅動一個2A的負載，具有高效率、恒定電流、恒定電壓充電的優(yōu)點，其可靠性強，輸入電壓范圍為,輸出電壓可從1.35V調整到37V，圖4為背光源的電路原理圖。STM32F103RCT6芯片控制GS6200的開關引腳EN，由STM32F103RCT6芯片輸出PWM信號實現調光。
圖4 背光源的電路原理圖
3.4 HUD電源電路設計
本設計中用到的電源有5V、12V等不同級別的電壓源，其中5V電源為主控電路供電，12V電源為抬頭顯示器系統(tǒng)供電，分別采用LM7812、LM7805降壓器將汽車上的24V電壓分兩路降壓為12V和5V電壓，這樣可以防止像源驅動電路、背光源電路和主控電路之間產生干擾，從而影響畫面。如圖5為HUD的電源電路圖。
3.5信息采集及數據處理電路設計
現有汽車上的信號主要有交流信號、直流信號、脈寬調制信號、頻率調制信號、串行數據信號等5類；其中汽車的水箱溫度信號屬于直流信號。所以將采集到的汽車水箱溫度信號顯示在抬頭顯示器上，同時為了驗證液晶屏顯示溫度的準確性，在同一環(huán)境下，通過溫度傳感器和水溫計分別同時伸入裝有不同溫度的水的杯子中進行水溫測量，以此來驗證HUD上顯示的溫度值的準確性；此外，需要在不同光照條件下都可以看到清晰的圖像，所以需要采集光照強度信息來改變背光源亮度，從而改變液晶屏顯示信息的亮度。


圖5 HUD的電源電路圖
3.5.1溫度的獲取
本設計采用了DS18B20溫度傳感器來檢測水溫，相對于熱敏電阻來說，它的適用電壓更寬、體積小、可以簡單的與微處理器接口。DS18B20的檢測范圍為-55℃至+125℃，具有5℃的精度。
如圖6為DS18B20的內部框圖。它的配置寄存器可以允許自定義溫度轉換為9Bits、10Bits、11Bits、12Bits精度。將DS18B20接入主控芯片時，需要在其信號輸出端接一個上拉電阻，向DS18B20供電時，電容旁邊的二極管導通，使外部電源VDD變?yōu)閮炔侩娫?，內部電源一方面為電容充電，另一方面?4位ROM存儲器供電，由于電容上方的二極管反向鏈接，所以外部電源不會通向數據線DQ，當外部電源斷開時，電容為64位ROM存儲器供電，此外，DS18B20可以不需要外部電源來提供電源，當數據線DQ接收到高電平時，由數據線DQ為64位ROM存儲器供電，同時為電容充電，當數據線DQ上的信號變?yōu)榈碗娖綍r，電容放電來為64位ROM存儲器供電。

圖6 DS18B20的內部框圖
 
3.5.2光線采集
采用光敏傳感器來檢測光線強度，將采集到的信號處理后發(fā)送給主控芯片分析處理，主控芯片根據檢測到的光照強度來調節(jié)背光源的亮度，從而調節(jié)液晶屏顯示圖像的亮度，使得司機在不同光照強度下均能清楚地查看抬頭顯示器上的圖像信息，避免司機的眼睛受到液晶屏亮度的干擾。

將光敏電阻采集到數據經過雙電壓比較器LM393放大、濾波后接入到主控芯片，采用LED燈作為光敏傳感器的指示燈，當光敏傳感器檢測到光照強度低于預設值時，數字開關量輸出端（AO ）輸出高電平，當外界環(huán)境光照輕度比設定閥值高的時候，AO端輸出低電平。AO端與主控芯片直接連接，通過主控芯片來檢測AO端傳來的電平高低，由此來判斷光線的強度，通過D0輸出端直接與主控芯片的ADC引腳相連，可以得出更加準確的光照強度值，由于本設計需要根據光照強度的具體值來調節(jié)LED的亮度，所以將LM393的D0輸出端口接入主控芯片。其中采用過寬電壓LM393比較器處理光敏傳感器檢測到的數據，可以減小輸出信號的雜波，且波形完整，驅動能力可超過15mA。

4 軟件設計
本設計的軟件設計主要包括系統(tǒng)主程序設計、數據采集程序設計、顯示控制程序設計。
4.1系統(tǒng)主程序設計


圖7 系統(tǒng)主程序流程圖
系統(tǒng)初始化后即開始判斷接收標志位，若標志位無效，則繼續(xù)判斷接收標志位，若標志位有效時，則清除接收標志位，啟動溫度傳感器和光敏傳感器工作，使溫度傳感器和光敏傳感器將數據發(fā)送到主控芯片，主控芯片對溫度傳感器和光明傳感器采集到的數據進行處理，最后將處理過的信息顯示在液晶屏上，由于主控芯片需要實時接收溫度傳感器的數據信息并處理后控制液晶屏顯示相應的圖像信息，對光敏傳感器傳來數據進行分析處理后，調節(jié)GS6200的輸出電流，進而調節(jié)LED的亮度，使得LED的亮度隨光照強度的變化而變化。所以系統(tǒng)主程序應該循環(huán)接收并處理溫度傳感器和光敏傳感器傳來的數據信息。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。
4.2數據采集程序設計
先對DS18B20進行系統(tǒng)初始化，接著檢測DS18B20的輸出端有沒有數據傳輸進來，當DS18B20未將數據傳輸給主控芯片時，則需要繼續(xù)接收DS18B20采集的數據，直到DS18B20采集到數據后，通過ROM操作命令將數據存儲到存儲器中，再啟動存儲操作命令將溫度信息讀取出來。由于DS18B20需要實時檢測汽車發(fā)動機的溫度，以便于司機能實時查看發(fā)動機的溫度，確保發(fā)動機溫度不超過預設值，所以需要循環(huán)檢測發(fā)動機溫度信息。如圖8為DS18B20采集溫度信息流程圖。


圖8 DS18B20采集溫度信息流程圖
對系統(tǒng)進行初始化后開始檢測LM393的DO口是否有輸出，未檢測到LM393的DO端口有輸出值時，需要讓光敏電阻不停的檢測，并將檢測到的值經LM393電路放大濾波后傳輸給主控芯片，主控芯片讀取DO端口輸出的數據，并通過主控芯片對傳來的信息進行AD轉換，將這些數據轉換為對應的光照強度值，根據光照強度值的大小來調節(jié)GS6200的輸出電流，進而調節(jié)LED的亮度，使得液晶屏上顯示的圖像信息能隨著光照強度的變化而變化，達到司機眼睛舒適的值。如圖9為光敏傳感器采集溫度信息流程圖。
圖9 光敏傳感器采集光線信息流程圖

4.3顯示控制程序設計


圖10 顯示控制程序設計圖
對系統(tǒng)進行初始化，當需要液晶屏顯示內容信息時，對液晶屏的顯示界面進行設計，使得抬頭顯示器顯示的顯示畫面整潔，讓司機能一眼看出汽車發(fā)動機的溫度值，無需司機到處尋找發(fā)動機溫度值顯示的位置，液晶屏的顯示界面設計好后，將DS18B20采集到的數據處理分析后，轉化為相應的溫度值顯示在液晶屏上，因為液晶屏需要實時顯示溫度值，所以需要循環(huán)檢測系統(tǒng)是否需要顯示溫度信息，如果不需要液晶屏顯示圖像時，即可結束顯示信息。圖10為顯示控制程序設計圖。

5 運行測試
5.1測試方法
為了驗證液晶屏顯示DS18B20檢測水溫到的溫度值的準確性，將連接好主控芯片的DS18B20探頭和水溫計同時依次伸入裝有不同溫度的水的杯子中，觀察水溫計上顯示的溫度值，再對比抬頭顯示器上顯示的溫度值，并記錄同一時刻水溫計的讀數值和抬頭顯示器上顯示的溫度值，對不同的水溫進行3次測量，并記錄下來。由于實驗條件的限制，無法得到水溫的標準值，所以本設計擬采取水溫計檢測到的水溫為標準，采用水溫計和DS18B20同時對同一水溫進行測量，改變水溫再查看抬頭顯示器上顯示的溫度值和水溫計檢測到的溫度值，計算出DS18B20檢測到的溫度值是否在精度范圍內。表2為水溫計和抬頭顯示器上顯示的溫度值。
表2 水溫計和液晶屏上顯示的溫度值


分析比較水溫計和DS18B20同時對同一水溫進行測量的結果表明，不同的水溫環(huán)境下，DS18B20檢測到的溫度值均處于它的精度范圍之內。由此表明本設計的抬頭顯示器系統(tǒng)顯示DS18B20采集到的數據的準確率高，誤檢率比較低，因此符合本設計中溫度采集的要求。
5.2測試結果


圖11 抬頭顯示器系統(tǒng)顯示溫度信息的效果圖
為了測試本設計顯示溫度信息的準確性和顯示信息的亮度隨光照強度變化而變化，在液晶屏上顯示“head up display”字樣，在“head up display”下方顯示溫度的數據信息，由背光源將液晶屏上顯示的內容信息投射到反光鏡上，通過反光鏡反射到合成器上，由合成器中特殊的材質將信息反射到人眼，透過合成器即可觀察到液晶屏上顯示的內容信息。將抬頭顯示器系統(tǒng)放到不同的光照條件下觀察顯示的內容信息，抬頭顯示器系統(tǒng)上顯示的圖像信息亮度會隨著光照強度的變化而變化。測試結果表明，本設計的抬頭顯示器系統(tǒng)在不同的光照強度下，能夠清晰顯示溫度信息，滿足設計要求。圖5-1為抬頭顯示器系統(tǒng)顯示溫度信息的效果圖。
6 總結
采用STM32單片機作為主控，為車載抬頭顯示器系統(tǒng)設計相應的主控電路、背光源電路、像源驅動電路、電源電路等，通過DS18B20來采集水杯中水的溫度，達到模擬溫度傳感器采集汽車水箱溫度的效果，并將采集到的溫度信息顯示在液晶屏上，將像源中的信息透射到反光鏡中，再反射到合成器上，通過合成器即可觀察到像源上顯示的溫度信息，通過溫度傳感器和水溫計同時依次伸入裝有不同溫度的水的杯子中進行水溫測量，以此來驗證HUD上顯示的溫度值的準確性，同時采用光敏傳感器檢測不同光照強度來改變像源的亮度，使司機在不同的光照環(huán)境下能清晰的查看HUD上顯示的水箱溫度信息。測試結果表明，合成器上顯示的信息穩(wěn)定、可靠。

排版：張博雅
審核：王 蕾
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