仪表显示与报警系统

1. 仪表显示系统的作用

为了使驾驶员随时掌握汽车的主要运行参数和重要部位的状态参数，随时监测出汽车行驶时的运行状态，及时发现和排除可能出现的故障，以保证行车安全和提高车辆的可靠性，在汽车的仪表台上装有一系列仪表和报警装置。

汽车仪表和报警应具有结构简单、工作可靠、耐震、抗冲击的特点，此外仪表的示数必须准确，稳定。

2. 常规仪表

不同的车装有的仪表不尽相同，但是有一些仪表是所有车都必须装有的，用来满足驾驶员行车的需要。 汽车驾驶室的各种计量、测量仪表在仪表板上的布置如图5.35所示。

图5.35 仪表板总成

(1)车速里程表。

车速里程表是用来指示汽车行驶速度和累计行驶里程数的仪表。

(2)发动机转速表。

为了检查调整发动机，监视发动机的工作状况，更好地掌握换挡时机，利用经济车速等，在汽车仪表盘上装有发动机转速表。

(3)燃油表。

燃油表用来指示燃油箱内燃油的储存量。 它由装在仪表板上的燃油指示表和装在燃油箱内的传感器两部分组成。 燃油表有电磁式、动磁式、双金属电热式，近年来新出现了电子燃油表，传感器均为可变电阻式。

(4)水温表。

水温表用来指示发动机水套中冷却水的工作温度。 它由装在仪表板上的水温指示表和装在发动机气缸盖上水套的水温传感器两部分组成。 按工作原理可分为双金属片式和电磁式两种水温表，热敏电阻和双金属片两种类型的传感器。

(5)机油压力表。

机油压力表用来指示发动机机油压力的大小，以便了解发动机润滑系是否工作正常。 它由装在发动机主油道中或粗滤器上的机油压力传感器和仪表板上的机油压力指示表组成。 常用的机油压力表有双金属片式、电磁式和动磁式三种。 其中双金属片式机油压力表应用最为广泛。

(6)电流表。

电流表串接在蓄电池充电电路中，主要用来指示蓄电池充、放电电流值，同时还可通过其监视电源系的工作是否正常。 电流表通常为双向工作方式，表盘中间的示值为“0”，两侧分别标有“＋”、“-”标记，其最大读数为20或30。当发电机向蓄电池充电时，示值为“＋”，蓄电池向用电设备发电时，示值为“-”。汽车上使用的电流表主要有动磁式和电磁式两种。

(7)电压表。

电压表用来指示电源系统的工作情况。 它不仅能指示发电机和调节器的工作状况，同时还能指示蓄电池的技术状况，比电流表和充电指示灯更为直观与实用。

电压表与蓄电池、发电机和负载并联，并由点火开关控制，电路连接如图5.36所示。

接通点火开关，电压表即可指示蓄电池的端电压，对12V电系的车辆一般为11.5～12.6V，接通起动机的瞬间，电压下降至9～10V则为正常，如启动时电压表指示值过低则说明蓄电池亏电或有故障。

图5.36 电压表的电路连接

发电机以正常转速运转时，电压表应指示在13.5～14.5V的规定范围内，若启动前后，电压表读数不变，则表明发电机不发电。 若启动后电压表指示值不在规定范围内，则说明调节器调整不当或损坏。

(8)空气压力计。

空气压力计是用来指示储气筒内压缩空气压力的大小，它对驾驶员来讲也很重要。 若储气筒内压力不够大，则气制动装置无法正常工作，汽车不能完成制动过程，影响行车安全。

3. 组合仪表

下面以中华H530组合仪表为例进行说明，如图5.37所示。

图5.37 H530组合仪表

(1)液晶屏为点阵液晶屏。

(2)点火开关关闭时，液晶屏显示关闭信息和文字提示信息。

(3)点火开关打开时，液晶屏显示主界面，具体信息如下:

1)室外温度显示:显示范围为-40℃～50℃，当室外温度传感器未接时，液晶屏不显示室外温度。

2)挡位显示:显示车辆当前挡位，包括P、R、N、D、M1、M2、M3、M4、M5(手动挡车型无此信息显示)。

3)车辆状态提示:包括车辆各系统显示图标(具体含义如图5.38所示)和文字提示信息。

4)多功能显示:瞬时油耗、平均油耗、续航里程(通过多功能方向盘OK按键切换)。

5)车辆行驶总里程:0至999999km。

6)小计里程:0至999.9km，通过长按方向盘开关返回键即可对其清零。

(4)组合仪表背光调节:通过多功能方向盘按键调节通过多功能方向盘按键调节。 通过仪表进行设置，由BCM控制，默认状态框起来。

1)门开启。遥控解锁仅驾驶员侧车门(开启/取消)；遥控解锁所有车门(开启/取消)。

2)确认信号。 遥控上锁时转向灯闪烁功能(开启/取消)。 遥控解锁时转向灯闪烁功能(开启/取消)。

图5.38 汽车的指示标志信号与符号

3)内部中控锁。 如果车门没有开启，中控自动重锁(开启/取消)。 车速达到24～30km/h时，中控自动上锁功能(开启/取消)；停车熄火后，中控自动解锁功能(开启/取消)。

4)舒适模式。 遥控上锁时自动关窗功能(开启/取消)；遥控解锁时自动开窗功能(开启/取消)。

(5)注意事项:

1)仪表所有车型通用，仪表被拆卸后，启动按钮功能将部分失效，例如已经启动的发动机不能正常熄火，熄火的发动机不能被启动。

2)强制应急关机:长按启动按钮3s。

3)强制应急启车:按启动按钮切换到ACC挡，长按15s即可(空挡位、踏刹车/离合)。

4. 电子显示仪表与驾驶员信息系统

(1)电子显示仪表。

随着汽车制造技术的进步，现代汽车应用微处理器控制的电子仪表越来越普遍。 电子仪表的作用与前面介绍的常规机电模拟式仪表基本相同，都是从各种传感器接收信号，并将信号处理后通过显示器显示数据，使驾驶员了解车辆的速度、发动机转速、燃油量、冷却液温度等信息。 区别在于:电子仪表是通过仪表中的微电脑和各种集成电路处理各种传感器的信号，然后以数字、光柱曲线图、光条图等形式在显示器上显示出来。 其大体组成包括各种传感器、微处理器、A/D转换器和集成电路以及显示器等。 这些电子仪表比常规模拟仪表的读数更直观，更精确，外观更漂亮。

大多数电子仪表都具有自检程序，可对车辆进行故障自诊断。 通常情况下，只要同时按下驾驶员信息系统中微机上的两个按钮，即可开始对车辆进行自检，也有些车上专门设有自检按钮。 若有故障，在显示器上就会出现故障代码。

自检程序首先对信息系统本身的各个传感器进行检查，若没有问题，会显示“OK”等显示信息。 若有问题，就会显示监测的警告图形或故障代码。 例如:废气再循环电磁阀电路故障，克莱斯勒车就会出现故障代码34。 除此之外，还能和车上其他ECU，如发动机ECU交换信息，将发动机的故障读取并显示。 故障的显示是循环显示，若要停止显示，按复位按钮即可。

对不同的车型，故障码是不同的，显示器上显示的形式也不一样，有代码显示的，也有字母显示的。 不管是怎样显示，只要和本车携带的维修手册对照查找，就可方便、顺利地查到系统的故障原因和解决的方法。

(2)常用汽车电子仪表。

1)车速/里程表。 汽车车速/里程表主要用来指示汽车时速和累计行驶里程。 一般都将车速表和里程表组合使用。 车速表通常采用电磁式，主要由永磁转子、带有轮和指针的感应瓷碗、盘形弹簧和刻度盘组成。 里程表则为一个车轮转速计数器，需要车轮转很多圈才能累计一个数，由蜗轮蜗杆和计数轮等组成。 电子式车速/里程表的结构框图如图5.39所示。

图5.39 通用汽车公司电子式车速/里程表的结构框图

电子电路将车速传感器送来的具有一定频率的电信号转变为有用的方波电压信号，以控制车速电路驱动里程表的步进电机，电子电路如图5.40所示。 该电路用密封的触点来控制，即将密封的触点产生的脉冲信号输入施密特触发器2，然后再控制多谐振荡器3。 而多谐振荡器既控制着电流发生器，也控制着分压器8和滤波器9以及电压比较器K。 工作时，集成电路的接线端能够获得与输入信号频率成正比的平均输出电流，以使车速表正常工作而测量出车速。 分压器是一个五级两挡分压器，可使输入频率在1∶32之间变化，输出频率为0～10Hz，用于控制步进电机步进电机的每一转角都对应于汽车所通过的行驶里程，而与汽车行驶速度和方向无关，以保证计数器与汽车转动部分的几何参数协调一致，从而实现里程表计数并累计汽车行驶里程。

图5.40 电子式车速/里程表电子电路图

1—输入端；2—施密特触发器；3—多谐振荡器；4—信号发生器；5—输出极；6—集成电路；7—接线端；8—分压器；9—滤波器；10，11—输出端；12—步进电机(里程表)；13—车速表

2)发动机转速表。 多数发动机转速表以柱状图形来表示发动机转速的大小，并可通过发动机点火线圈的前沿触发信号来测量(脉冲信号时间反比于发动机转速)，这种前沿脉冲信号通过整形后输入到微处理器。 为减小计算误差，脉冲的周期通常采用四个周期的平均值来计算。 显示的时间随脉冲周期大小变化而不同，并随发动机的转速由大到小按比例缩短，以便与人的感觉相同。 转速表控制系统如图5.41所示。

图5.41 转速表控制系统

3)电子燃油表。 汽车的燃油表一般采用柱状或其他图形方式来提醒驾驶员油箱内可用的剩余燃油量。 图5.42(a)所示是一种广泛应用的燃油传感器结构，由一个随燃油液面高度升降的浮子、一个带有电阻器的机体和一个浮动臂组成。 机体固定在油箱壁上，当浮子随燃油液面的高度升降时，带动浮动臂使接触片在电阻器上滑动，从而使检测回路产生不同的电信号。 当在电阻外部接上固定电压时，燃油高度可根据接触片相对搭铁线的电压变化测出。

图5.42(b)所示为燃油表控制系统。 ECU对燃油传感器施加5V电压，并将燃油传感器输出的电压通过A/D转换后交由微处理器处理，控制显示电路以柱状图形显示处理结果。 为了在系统第一次通电时加快显示，通常A/D转换大约每0.4s进行一次。 在一般的运行环境下，为防止浮子因汽车行驶过程中振动等因素造成的突然摆动而导致显示不稳定，ECU将A/D转换的结果每26s平均一次。 另外，鉴于仅靠平均办法还不足以使显示准确，系统控制显示器只允许在更新数据时每次仅升降一段，并且显示结果经数次确认后才显示出来。

图5.42 电子式燃油表

(a)燃油传感器结构图；(b)燃油表控制系统

4)其他数字仪表。 用于显示温度、机油压力和充电电压的仪表，大多采用光条图显示，如图5.43所示，显示的每一条分度线都代表不同的显示值。 还有一种流行的显示方式是用浮动光标，如图5.44所示。

图5.43 光条图式电子仪

1—机油压力表和充电电压表显示器；2—车速、里程和发动机转速显示器；3—水温表和燃油表显示器；4，6—指示灯；5—按钮式控制器

图5.44 浮动光标式电子仪表

温度表一般接收来自NTC(负温度系数)热敏电阻的输入。 当发动机冷的时候，热敏电阻的阻值高，使低电压输入给微处理器。 此输入信号在仪表上表现为低的温度读数。 热敏电阻阻值随着发动机冷却液升温而下降。 当冷却液温度到达预定值时，微处理器便发出发动机温度超温的报警，提醒驾驶员注意。

充电电压表通过仪表板模块供电电压与基准电压信号进行比较，算出充电电压。 机油压力表的工作原理与常规模拟仪表相似，采用压敏传感器。

数字仪表执行自检验。 若发现故障，便向驾驶员显示报警信号，“CO”表示电路开路，“CS”表示电路短路，这些信号直到故障排除后才消失。

(3)电子显示仪表显示器的结构原理。

电子显示器在驾驶员信息系统中担负着重要的角色，直接影响和制约驾驶员信息系统的应用与发展。 目前，汽车上使用的显示器主要有液晶显示器(LCD)、荧光显示器(VFD)、发光二极管(LED)和阴极射线管显示器(CRT)等。

1)液晶显示器(LCD)。 液晶是一种有机化合物，在一定温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性。 液晶显示器是一种被动显示装置，具有显示面积大、耗能少、显示清晰、通过滤光镜可显示不同颜色、在阳光直射下不受影响等特点，应用十分广泛。

液晶显示与发光二极管、真空荧光显示的主要区别是发光二极管和真空荧光显示在电源的作用下自己能发光，而液晶显示本身不能发光，只能起到吸收、反射或透光的作用，因此液晶显示器需要日光或某种人造光线作为外光源。

液晶显示本身没有色彩，只是靠液晶元件后面的有色透光片形成色彩，透光片通常采用荧光液着色，当光线通过时能形成所需要的色彩。

液晶显示利用偏振光的特性成像。 正常的光线包括多平面振动的波，如果让光通过有特殊性能的偏振滤波物体，则只有与滤波器轴同一平面的振动电波能够通过，其余大部分波受阻不能通过。

液晶显示器的结构如图5.45所示，液晶显示器显示板的结构如图5.46所示，前玻璃板的内表面涂有几层金属，用于显示符号笔画的形状，玻璃板背面也涂有金属。 金属层均为导电透明的材料，兼做电极。 玻璃板中间夹着长杆状向列型分子组成的液晶，厚度为10μm，四周密封。 两块玻璃板的外侧为两块偏振滤波片，它们的轴成90°，上面装有电源接头和通往每个笔画的接头。 当低频电压作用于笔画段上时，它受激而成为受光体或透光体。

图5.45 液晶显示器结构

1—前偏振片；2—前玻璃片；3—笔画电极；4—接线端；5—背板；6—前端密封件；7—密封面；8—玻璃背板；9—后偏振片；10—反光镜

图5.46 液晶显示器显示板结构

1—水平偏振片；2—透明导体；3—玻璃基片；4—液晶；5—偏振片；6—反射光；7—旋转90°后的反射光；8—垂直偏振片

2)真空荧光显示器(VFD)。 真空荧光显示器是一种主动显示系统，使用寿命长，色谱宽，易于和控制电路连接，环境温度适应性强，可改变显示亮度，适用于显示数字、单词和柱状图表等，但因封装在玻璃壳内而容易震碎。

真空荧光显示器由真空玻璃盒、阴极、栅极和荧光屏组成，如图5.47所示。

图5.47 真空荧光显示器结构原理

1—阴极(灯丝)；2—电子；3—加速栅网；4—阳极笔画段；5—玻璃面板

恒定电压作用于阴极(或灯丝)上，当它被加热到600℃左右，其表面释放出自由电子，因栅网和阳极都有较高的正电位，因而使自由电子加速，通过栅网射向阳极。 阳极上的荧光物质因电子撞击而受激发光。 阳极由不同的笔画段组成，在数字电路的控制下能显示不同字母和数字。

数字式车速表使用的真空荧光显示器如图5.48所示，其阳极为20个字的笔画小段，上面涂有荧光体(或磷光体)，各与一接线柱相连，且笔画内部相互连接，阴极为灯丝，在灯丝与笔画小段之间插入控制栅网。 整个装置密封在真空玻璃罩内。

图5.48 数字式车速表真空荧光显示器

1—前玻璃罩；2—阴极(灯丝)；3—控制栅网；4—笔画小段(阳极)；5—电位器(亮度调节)；6—微处理器控制电子开关(使某笔画段受激发光)

3)发光二极管(LED)。 发光二极管是一种固态发光器件，体积小，结构简单、耐用，使用寿命可超过5万小时，因此应用广泛。

发光二极管的外形及内部结构如图5.49所示，它由特殊半导体材料构成一个PN结，当PN结的空穴从P区流向N区和电子从N区流向P区时，放出能量，发出一定波长的光。 发光二极管的外加电压较低，但发出的光相当亮。

图5.49 发光二极管的外形及内部结构

由于发光二极管的正向电阻很小，因此使用时必须串联电阻器，以限制其电流。 当以1.5V～2.0V的正向电压加到发光二极管的两端时，二极管导通。 二极管的光线辐射形状取决于管壳的材料，若管壳是透明的，二极管的光辐射角度很小；当管壳半透明时，光线散射，其辐射角较大。 由于管壳起到透镜的作用，因此可利用它来改变发光形式和发光颜色，以适应不同的用途。 单个PN结用环氧树脂封装成半导体发光二极管，多个PN结可按特点、段式或矩阵式封装做成半导体数码管或点阵显示器，如图5.50和图5.51所示。

图5.50 数码管结构示意图和管脚图

(a)LED管脚图；(b)共阳极LED结构示意图；(c)共阴极LED结构示意图

图5.51 发光二极管构成的点阵显示器

由8个发光二极管可以组成一位七段数码管来表示一位数字和小数点。 图5.50(b)中的发光二极管的正极连接在一起，接到正电源上，称为“共阳极”数码管。 按照显示需要，只要把对应的发光二极管的负极通过限流电阻接到负电源上，就能显示相应的数字。 例如要显示数字4时，只要将b、c、f、g接到负电源上，相应的发光二极管发光，就会显示出数字4。

图5.50(c)中的数码管是将发光二极管的负极连接在一起接地，称为“共阴极”数码管，显示原理与共阳极数码管类似。

图5.51所示为LED的点阵显示方式，给行、列的管脚加上特定的信号就能显示相应的数字、字母或简单图形。

发光二极管的发光强度取决于通过发光二极管的电流的大小。 红色光的波长范围为700～900nm(7000～9000A)，对应颜色从粉红到栗色。 如在砷化镓中掺入杂质，还可使发光二极管发出黄光、绿光。 常用的有红色、橙色、黄色和绿色发光二极管。

当以反向电压加到发光二极管上时，发光二极管截止，不发光。 发光二极管能在极短的时间(0.5ms)内通断。 发光二极管还常用作汽车仪表上的警告指示灯。

发光二极管的缺点是当亮度较强时，需要相当大的驱动电流，功率消耗较大，亮度较低时，在阳光的直射下很难辨认，且难以实现大显示器显示。

4)阴极射线管显示器(CRT)。 阴极射线管显示器作为标准配置最早出现在美国通用汽车公司1986年版的别克·利维阿娜(Buick Riviera)汽车上。 CRT屏幕是触摸式的，通过触摸屏幕上的按钮(菜单)便能变更显示的信息内容。 这类仪表类似现在的计算机触摸屏，利用项目菜单提出显示内容。 驾驶员可以根据菜单挑选显示指定的汽车工作内容。 项目菜单包括收音机、空调、行程计算器和仪表板仪表信息。 维修人员也可以通过CRT对汽车进行诊断。

CRT接收来自车身计算机模块(BCM)和发动机控制模块(ECM)的信息。 它还能通过屏幕将驾驶员的命令传递给BCM和ECM。

CRT与计算机显示器相似，它有一个发射电子的阴极和一个吸引电子的阳极，在阴极和阳极之间装有偏转板，偏转板可以控制来自阴极的电子运动方向，电子束偏转的方向和偏转量的大小取决于加在偏转板上的来自BCM和ECM的控制信号电压。 在控制信号的作用下，从阴极发射的电子束轰击到屏幕上，屏幕便发亮，显示相应信息。

除上述显示形式外，有些汽车上还采用石英指针式仪表。 石英指针式仪表由汽车微处理器驱动，在设计上与常规的模拟仪表相似。 这种仪表常用于车速里程表，也可用于其他仪表。

(4)驾驶员信息系统。

近年来，随着电子技术的进步，新型传感器和电子显示器件不断出现，汽车仪表电子化的发展尤为迅速，从简单地显示传感器信息，发展成为可以对各种信息进行分析计算、加工处理的信息中心。

信息中心能够从大量的信息中选择出驾驶员或乘客需要的内容，包括电子行车地图、维修、后视镜等信息，还可以显示电视、广播、电话等信息。 通常使用CRT或彩色LCD作为显示设备。 显示设备通常安装在仪器面板上，并将控制开关安装在显示设备附近，供驾驶员或乘客选择需要的信息。 许多情况下也有将控制开关制作成显示在显示器上的模拟按键，驾驶员可通过触摸显示器按下按键，或者使用红外远程控制等方法进行操作，从而简化了获取信息的过程。

图5.52为典型信息系统配置图。

图5.52 典型信息系统配置

信息中心综合显示的信息种类有:

1)地图信息。 公路地图按多种不同的比例显示，与一般地图的区别在于它可以滚屏，使需要的部分被单独显示出来。 另外，借助于导航系统，汽车的当前位置也可以显示在电子地图上，且导航系统可以直接在图上标注出汽车的当前位置。

2)行程信息。 从出发开始的行程计算、所用时间和总的燃料消耗，并根据燃料消耗率和存油量显示以后可能行走的里程。

3)维修信息。 显示如发动机换油和更换轮胎后所行驶的距离等信息。

4)日历。 驾驶员的日历和日程表。

5)空调信息。显示空调的操作模式和风扇的设置，通过触摸显示器上的按键可以操作空调。

6)音响系统信息。 通过触摸显示器上的键，控制显示音响系统的音乐资料。

7)电视广播。 接收电视节目，但此功能一般只在停车时有效，而驾驶时显示器自动切换为其他内容。 如果连接视频信号还可在停车时观看录像带。

8)电话信息。 显示诸如蜂窝电话号码的信息，并可通过触摸显示器实现拨号和挂机。

9)后视照相机信息。 在倒车时，能显示安装在车后部的镜头摄取的图像。

(5)平视显示装置。

平视显示装置(Head Up Disp1ay，HUD)最早是航空器上的飞行辅助仪器。 意即飞行员不需要低头就能够看到他需要的重要资讯，降低飞行员低头查看仪表的频率，避免注意力中断以及丧失对状态意识的掌握。 因为HUD的方便性以及能够提高安全性，部分汽车制造商也以类似的装置将仪表的内容投射在前风挡玻璃上。 1988年上市的日产西尔维亚轿车首次对速度表应用这种方式。

如图5.53所示，仪表图像是由荧光显示器投影到风挡玻璃上的。 在前风挡玻璃上设置有反光膜，高亮度荧光显示管把图像投射到反射膜上。

图5.53 平视显示装置结构示意图