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车载抬头显示器系统研究
2021-10-22 18:57:26· 来源：汽车实用技术杂志社 作者：武刚，赵光琪，等
摘要：为了解决汽车司机驾驶时需要频繁低头查看仪表盘时容易忽略前方路况信息，从而造成交通事故发生的问题，将早期应用到战斗机上的抬头显示系统（Head Up Disp
摘要：为了解决汽车司机驾驶时需要频繁低头查看仪表盘时容易忽略前方路况信息，从而造成交通事故发生的问题，将早期应用到战斗机上的抬头显示系统（Head Up Display,以下简称HUD）应用到汽车上，使司机无需低头即可查看车辆运行时的一些重要参数信息。采用STM32单片机作为主控，将接收到的数据信息显示在像源上，将像源中的信息透射到反光镜中，再反射到合成器上，司机通过合成器即可观察到像源上显示的内容。为了验证本设计的HUD上能显示准确的温度值并且显示的信息能随环境亮度而变化，采用温度传感器采集水温的信息来模拟温度传感器采集汽车水箱的温度信息；采用光敏传感器检测不同光照强度来调节像源的亮度。实验结果表明，像源能在不同光照强度下都能实时显示水温变化的信息，且在合成器上显示的信息稳定、可靠。
作者信息：
姓名：武刚，赵光琪，李剑
单位：云南省公路科学技术研究院；水富公路分局；绥江公路分局
随着社会发展，汽车已走进千家万户，然而过多的车辆使得交通安全越来越严重。司机在驾驶车辆时，不仅需要时刻观察车外的路况信息，还得频繁低头查看仪表盘。有研究表明，司机将视线从车外转移到仪表盘上查看信息后又将视线移到车外观察路况这一操作时间大约为4~7s，其中消耗在仪表盘上的时间约为3~5s，将司机查看仪表盘用掉的时间定义为驾驶盲区时间，大约有20%的道路交通事故是由于查看仪表盘的信息而引起。特别是高速行驶的汽车，3~5s的盲区时间将会导致严重的交通事故发生。因此，采用抬头显示器将车辆运行时的重要信息投射在司机眼睛前方的风挡玻璃上，使司机无需低头就能查看车辆运行时的重要参数信息是极为重要的。
2016年，Intersil公司提出了采用激光扫描MEMS来作为HUD的投影系统，相比于LCD HUD和DLP HUD来说，该系统具有更高的电导率，并且降低了整体光学系统复杂性和尺寸。到2017年，德州仪器又发布了新一代的DLP HUD技术，采用全新的DLP3030-Q1芯片组来开发，可将图像投射到7.5米或更远的位置。2017年大陆集团提出的DMD抬头显示器，将传统的前风挡玻璃替换为大猩猩玻璃生产的前挡风玻璃，该系统可以得到可视范围更大的虚像，无需采用楔形结构对光学系统进行修正，有效的防止重影出现。我们国家研究抬头显示器系统的时间相对比较晚，缺乏相关研发经验，普及率也比较低。华阳集团采用OLED显示屏研发出的一款便携式HUD，和普通液晶屏显示图像一样，不具备远视的效果。
1 HUD的工作原理
抬头显示系统（Head Up Display）最早是出现在第一次世界大战期间美国的战斗机上作为瞄准器用的，后来人们将它引用到汽车上辅助驾驶。它主要是利用了光学反射的原理，将汽车的一些重要的参数信息（如速度、油箱油量、导航信息、胎压信息等）投射在汽车前挡风玻璃或外加的合成器上，由前挡风玻璃或合成器将这些信息反射到司机眼中，司机透过前挡风玻璃或合成器看到漂浮在汽车引擎盖上方的虚像，司机无需低头即可查看汽车运行时的一些重要的参数信息。
2 HUD系统设计
2.1整体架构介绍
图1 系统整体构架框图
采用了基于STM32的车载抬头显示系统设计方案。如图1为系统整体构架框图。该系统主要分为电源电路、数据采集模块、信息处理及像源控制模块、像源模块、光学投影模块，其中由电源电路为整个系统供电，采用温度传感器去检测汽车水箱的温度信息，采用液晶屏来显示温度传感器检测到的温度值，采用光敏传感器来检测光照强度信息，并通过检测到光照强度值来调节背光源的亮度，进而调节液晶屏显示图像的亮度，使液晶屏上显示清晰的图像。采用准直透镜对背光源发射出来的光源进行准直，使得投射到液晶屏上的光更加均匀，采用反射镜来接收液晶屏上的图像信息，并将该图像反射到合成器中后再反射到司机眼中，司机透过合成器即可查看到液晶屏上显示的内容信息。
2.2方案选取
目前，投影显示技术主要分为反射式和透射式两种投射类型，其中：反射式投射为：硅基液晶LCOS和数码光路处理器DLP两种，透射式投射方式有为：液晶显示器LCD。
其中：硅基液晶（LCOS）是一项相对新颖的显示技术，将液晶硅涂抹在CMOS集成电路芯片上作为LCD的基片。在磨平的CMOS集成电路芯片上镀铝后成为反射镜，接着将CMOS基板与电极上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。但是生产工艺阻碍了硅基液晶LCOS的发展，复杂的工艺导致LCOS良品率较低，这个缺陷使得它的优势未能得到很好的发挥。
数码光路处理器（DLP）是美国德州仪器公司开发的，它的光阀成像器件采用了数字微反射器，它是一种将DMD数字微镜作为成像器件的技术，使得图像的灰度等级得到了很大的提高，消除了图像噪声，这个技术采用了数字微反射器后，有效的提高了成像器件的总光效率。因为数码光路处理器采用的处理方式为分时段式，所以用它来播放动态画面时，画面质量会有所下降。而且由于DLP的投影分辨率与成像器件的物理属性的一定的关联性，使得它在高分辨率应用场合中很难控制住生产成本。
LCD投影仪是在液晶屏背后加背光源，将液晶屏上的内容投射出来的一种仪器，由于活性液晶可以透光，驱动液晶屏中对应像素点的液晶分子，使其具有活性，再利用背光源照射在这些具有活性的液晶分子上即可在液晶屏上看到相应的图像。主流的LCD投影机采用的是三芯片机器，它具有红色，绿色和蓝色的独立LCD面板。可以在独立的LCD面板上调整对应通道的亮度和对比度，增加投影效果，能够得到高保真度的色彩。LCD液晶屏具有低工作电压、小功率、长寿命、高分辨率、图像色彩丰富、画面层次感好的优势，因此比较适合作为投影器件。
基于上述分析，本设计采用单片式LCD投影技术将温度传感器检测到的信息投射到合成器上，选用TFT-LCD作为LCD的像源，根据光敏传感器检测到的光照强度信息来调节背光源的亮度，进而调节像源图像的亮度。
3 HUD硬件电路设计
3.1 HUD主控电路设计
采用STM32单片机作为HUD的控制器。对温度传感器和光敏传感器检测到的数据进行分析处理后，将温度信息写入到液晶屏中显示，并根据光敏传感器检测到的光照强度信息来改变背光源亮度，进而改变液晶屏显示的图像亮度。
HUD的主控电路主要包括主控芯片、电源电路、启动配置电路、调试测试电路、复位电路、掉电数据保存电路。如图2为HUD的主控电路图。
1）主控芯片
主控芯片采用STM32F103RCT6，其优点在于STM32F103RCT6采用了Cortex M3作为内核，提供了丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，自带512K字节 FLASH，并外扩16M字节SPIFLASH，满足大数据存储需求。工作频率可以达到72MHz。拥有3个12位的ADC、6个定时器（通用16位和PWM），I2C接口有2个，SPI接口有3个，I2S接口有2个，SDIO接口有1个，USART接口5个，USB接口1个，CAN接口1个。
图2 HUD的主控电路图
2）电源电路
本设计在HUD主控电路中加入了电源电路，以确保主控芯片不会被烧坏。STM32F103RCT6采用了3.3V稳压电源供电，故采用电源线性稳压芯片将电压稳定在3.3V，该芯片型号为AMS1117-3.3，是一种正向低压降稳压器，将输入的电压转化为3.3V输出。它具有4个数字电源端口和一个模拟电源端口，电源输入、输出端口分别接上一个滤波电容，采用LED灯珠提示电源的工作状态。同时还设有液晶屏指示灯（LED），用于提示液晶屏的工作状态，当对应的LED灯亮时，说明液晶屏处于工作状态。
3）启动配置电路
在STM32复位后，需要对STM32的启动模式进行选择，STM32本身具有BOOT0（B0）和BOOT1（B1）两个启动选择引脚，设置BOOT0（B0）和BOOT1（B1）的输出电平来实现不同的功能，需要采用串口下载程序时，将BOOT0设置为1，BOOT1设置为0，若让STM32一按复位时就开始工作，将BOOT0设置为0，BOOT1随意设置。启动模式与BOOT0（B0）和BOOT1（B1）之间的对应关系如表1所示。
表1 STM32启动模式引脚的配置
4）调试测试电路
STM32支持两种调试接口，分别为JTAG调试接口和SWD调试接口。其中：标准的JTAG调试接口需要占用5个IO口，容易导致IO口不够用的情况，而用SWD调试接口只需2个IO口，大大节约了IO数量。由于两种调试接口达到的效果一样，所以选用SWD接口进行硬件调试。
5）复位电路
采用复位电路对STM32F103RCT6芯片进行复位，通过一个电阻和一个电容组合而成的RC复位电路，这个电路可以延时，当不考虑流入RESET端的电流时，这个电路是一阶RC电路。当RESET处于高电平的时间达到两个机器周期时，即可实现STM32F103RCT6芯片复位。
6）掉电数据保存电路
为了使系统掉电后数据不会丢失，采用掉电数据保存器来保存数据，掉电数据保存器选型为可擦可编程只读存储器EEPROM（型号为24C02）。将24C02芯片直与STM32的IO连接，即可在系统掉电后将重要的数据存储起来。
3.2像源设计
3.2.1像源选型
综合考虑，车载抬头显示器系统的像源采用SONY公司研发的1.8寸LCX028AMT液晶屏。其部分参数如下：屏尺寸：1.8寸；显示比例：4:3；对比度：250:1；响应时间：33ms；驱动电压：5V。
3.2.2像源驱动电路设计
本设计采用两片数据驱动器CXA7004R来作为LCX028AMT的驱动器，接收STM32控制器发送来的12位数字输入信号，CXA7004R对这12位数字信号转化为6个相位的模拟信号输出。可以在CXA7004R中产生预充脉冲波，但是该预充脉冲波不可以对液晶屏直接进行驱动， 所以需要在液晶屏和CXA7004R之间加上一个缓冲器，本设计采用LT1206缓冲器作为CXA7004R的缓冲；另外还将CXA7004R产生的VCOM电压来驱动液晶屏。如图3为像源驱动电路原理图。
图3 像源驱动电路原理图
CXA7004R索尼公司专门为驱动TFT-LCD面板而开发的驱动IC，它的主要功能有：支持12位输入；低输出偏差；具有3线通讯调整功能；支持点和线反转驱动方式；最高支持SXGA信号；VCOM电压产生电路；产生预脉冲波形。
3.3背光源设计
本设计的采用LCD作为像源。由于TFT-LCD中的液晶分子是一种处于固态和液态之间的一种特殊物质，其自身没有发光的能力，所以需要为液晶屏设置背光源才能显示图像。同时背光源的亮度也会影响液晶屏显示图像的亮度，所以需要对背光源的亮度进行调节。
为了适应司机眼睛的视觉感知，调节LED的亮度时，采用线形调节方式，使得LED的亮度不会迅速增强或减弱，有效的避免对眼睛的伤害。为了达到这一目的，设计了LED亮度调节曲线。显示亮度和亮度等级之间的函数关系为：
(1)
准直透镜将背光源LED的光束准直扩束均匀的照射到液晶屏上，使得液晶屏显示出来的图像更加清晰，对比度更高。
本设计采用恒压驱动方式驱动LED灯,通过STM32F103RCT6芯片控制GS6200驱动芯片的状态来控制流过LED的电流，进而改变经过LED的电流大小，达到调节LED亮度的效果。采用两颗LED并联后与电阻串联的方式形成一个LED灯组，三个LED灯组并联后形成液晶屏的背光源，当某一支路的LED发生断路或者短路时，不会影响其它支路的LED灯工作。其中，GS6200是一个PWM降压转换器（DC/DC转换器），它能输出固定的频率（52kHz），可以驱动一个2A的负载，具有高效率、恒定电流、恒定电压充电的优点，其可靠性强，输入电压范围为,输出电压可从1.35V调整到37V，图4为背光源的电路原理图。STM32F103RCT6芯片控制GS6200的开关引脚EN，由STM32F103RCT6芯片输出PWM信号实现调光。
图4 背光源的电路原理图
3.4 HUD电源电路设计
本设计中用到的电源有5V、12V等不同级别的电压源，其中5V电源为主控电路供电，12V电源为抬头显示器系统供电，分别采用LM7812、LM7805降压器将汽车上的24V电压分两路降压为12V和5V电压，这样可以防止像源驱动电路、背光源电路和主控电路之间产生干扰，从而影响画面。如图5为HUD的电源电路图。
3.5信息采集及数据处理电路设计
现有汽车上的信号主要有交流信号、直流信号、脉宽调制信号、频率调制信号、串行数据信号等5类；其中汽车的水箱温度信号属于直流信号。所以将采集到的汽车水箱温度信号显示在抬头显示器上，同时为了验证液晶屏显示温度的准确性，在同一环境下，通过温度传感器和水温计分别同时伸入装有不同温度的水的杯子中进行水温测量，以此来验证HUD上显示的温度值的准确性；此外，需要在不同光照条件下都可以看到清晰的图像，所以需要采集光照强度信息来改变背光源亮度，从而改变液晶屏显示信息的亮度。
图5 HUD的电源电路图
3.5.1温度的获取
本设计采用了DS18B20温度传感器来检测水温，相对于热敏电阻来说，它的适用电压更宽、体积小、可以简单的与微处理器接口。DS18B20的检测范围为-55℃至+125℃，具有5℃的精度。
如图6为DS18B20的内部框图。它的配置寄存器可以允许自定义温度转换为9Bits、10Bits、11Bits、12Bits精度。将DS18B20接入主控芯片时，需要在其信号输出端接一个上拉电阻，向DS18B20供电时，电容旁边的二极管导通，使外部电源VDD变为内部电源，内部电源一方面为电容充电，另一方面为64位ROM存储器供电，由于电容上方的二极管反向链接，所以外部电源不会通向数据线DQ，当外部电源断开时，电容为64位ROM存储器供电，此外，DS18B20可以不需要外部电源来提供电源，当数据线DQ接收到高电平时，由数据线DQ为64位ROM存储器供电，同时为电容充电，当数据线DQ上的信号变为低电平时，电容放电来为64位ROM存储器供电。
图6 DS18B20的内部框图
3.5.2光线采集
采用光敏传感器来检测光线强度，将采集到的信号处理后发送给主控芯片分析处理，主控芯片根据检测到的光照强度来调节背光源的亮度，从而调节液晶屏显示图像的亮度，使得司机在不同光照强度下均能清楚地查看抬头显示器上的图像信息，避免司机的眼睛受到液晶屏亮度的干扰。
将光敏电阻采集到数据经过双电压比较器LM393放大、滤波后接入到主控芯片，采用LED灯作为光敏传感器的指示灯，当光敏传感器检测到光照强度低于预设值时，数字开关量输出端（AO ）输出高电平，当外界环境光照轻度比设定阀值高的时候，AO端输出低电平。AO端与主控芯片直接连接，通过主控芯片来检测AO端传来的电平高低，由此来判断光线的强度，通过D0输出端直接与主控芯片的ADC引脚相连，可以得出更加准确的光照强度值，由于本设计需要根据光照强度的具体值来调节LED的亮度，所以将LM393的D0输出端口接入主控芯片。其中采用过宽电压LM393比较器处理光敏传感器检测到的数据，可以减小输出信号的杂波，且波形完整，驱动能力可超过15mA。
4 软件设计
本设计的软件设计主要包括系统主程序设计、数据采集程序设计、显示控制程序设计。
4.1系统主程序设计
图7 系统主程序流程图
系统初始化后即开始判断接收标志位，若标志位无效，则继续判断接收标志位，若标志位有效时，则清除接收标志位，启动温度传感器和光敏传感器工作，使温度传感器和光敏传感器将数据发送到主控芯片，主控芯片对温度传感器和光明传感器采集到的数据进行处理，最后将处理过的信息显示在液晶屏上，由于主控芯片需要实时接收温度传感器的数据信息并处理后控制液晶屏显示相应的图像信息，对光敏传感器传来数据进行分析处理后，调节GS6200的输出电流，进而调节LED的亮度，使得LED的亮度随光照强度的变化而变化。所以系统主程序应该循环接收并处理温度传感器和光敏传感器传来的数据信息。系统程序流程图如图7所示。
4.2数据采集程序设计
先对DS18B20进行系统初始化，接着检测DS18B20的输出端有没有数据传输进来，当DS18B20未将数据传输给主控芯片时，则需要继续接收DS18B20采集的数据，直到DS18B20采集到数据后，通过ROM操作命令将数据存储到存储器中，再启动存储操作命令将温度信息读取出来。由于DS18B20需要实时检测汽车发动机的温度，以便于司机能实时查看发动机的温度，确保发动机温度不超过预设值，所以需要循环检测发动机温度信息。如图8为DS18B20采集温度信息流程图。
图8 DS18B20采集温度信息流程图
对系统进行初始化后开始检测LM393的DO口是否有输出，未检测到LM393的DO端口有输出值时，需要让光敏电阻不停的检测，并将检测到的值经LM393电路放大滤波后传输给主控芯片，主控芯片读取DO端口输出的数据，并通过主控芯片对传来的信息进行AD转换，将这些数据转换为对应的光照强度值，根据光照强度值的大小来调节GS6200的输出电流，进而调节LED的亮度，使得液晶屏上显示的图像信息能随着光照强度的变化而变化，达到司机眼睛舒适的值。如图9为光敏传感器采集温度信息流程图。
图9 光敏传感器采集光线信息流程图
4.3显示控制程序设计
图10 显示控制程序设计图
对系统进行初始化，当需要液晶屏显示内容信息时，对液晶屏的显示界面进行设计，使得抬头显示器显示的显示画面整洁，让司机能一眼看出汽车发动机的温度值，无需司机到处寻找发动机温度值显示的位置，液晶屏的显示界面设计好后，将DS18B20采集到的数据处理分析后，转化为相应的温度值显示在液晶屏上，因为液晶屏需要实时显示温度值，所以需要循环检测系统是否需要显示温度信息，如果不需要液晶屏显示图像时，即可结束显示信息。图10为显示控制程序设计图。
5 运行测试
5.1测试方法
为了验证液晶屏显示DS18B20检测水温到的温度值的准确性，将连接好主控芯片的DS18B20探头和水温计同时依次伸入装有不同温度的水的杯子中，观察水温计上显示的温度值，再对比抬头显示器上显示的温度值，并记录同一时刻水温计的读数值和抬头显示器上显示的温度值，对不同的水温进行3次测量，并记录下来。由于实验条件的限制，无法得到水温的标准值，所以本设计拟采取水温计检测到的水温为标准，采用水温计和DS18B20同时对同一水温进行测量，改变水温再查看抬头显示器上显示的温度值和水温计检测到的温度值，计算出DS18B20检测到的温度值是否在精度范围内。表2为水温计和抬头显示器上显示的温度值。
表2 水温计和液晶屏上显示的温度值
分析比较水温计和DS18B20同时对同一水温进行测量的结果表明，不同的水温环境下，DS18B20检测到的温度值均处于它的精度范围之内。由此表明本设计的抬头显示器系统显示DS18B20采集到的数据的准确率高，误检率比较低，因此符合本设计中温度采集的要求。
5.2测试结果
图11 抬头显示器系统显示温度信息的效果图
为了测试本设计显示温度信息的准确性和显示信息的亮度随光照强度变化而变化，在液晶屏上显示“head up display”字样，在“head up display”下方显示温度的数据信息，由背光源将液晶屏上显示的内容信息投射到反光镜上，通过反光镜反射到合成器上，由合成器中特殊的材质将信息反射到人眼，透过合成器即可观察到液晶屏上显示的内容信息。将抬头显示器系统放到不同的光照条件下观察显示的内容信息，抬头显示器系统上显示的图像信息亮度会随着光照强度的变化而变化。测试结果表明，本设计的抬头显示器系统在不同的光照强度下，能够清晰显示温度信息，满足设计要求。图5-1为抬头显示器系统显示温度信息的效果图。
6 总结
采用STM32单片机作为主控，为车载抬头显示器系统设计相应的主控电路、背光源电路、像源驱动电路、电源电路等，通过DS18B20来采集水杯中水的温度，达到模拟温度传感器采集汽车水箱温度的效果，并将采集到的温度信息显示在液晶屏上，将像源中的信息透射到反光镜中，再反射到合成器上，通过合成器即可观察到像源上显示的温度信息，通过温度传感器和水温计同时依次伸入装有不同温度的水的杯子中进行水温测量，以此来验证HUD上显示的温度值的准确性，同时采用光敏传感器检测不同光照强度来改变像源的亮度，使司机在不同的光照环境下能清晰的查看HUD上显示的水箱温度信息。测试结果表明，合成器上显示的信息稳定、可靠。
排版：张博雅
审核：王 蕾
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