汽车工程手册：人性化仪表总成

1.概述

人性化仪表的概念是汽车仪表板总成上按人机工程指示/显示和操纵仪器的总称。驾驶人利用它们可以直接实现有关观察、操纵/操作功能的驾驶任务。人性化仪表是汽车上重要的人—机接口（HMI-Human Machine Interface）。越来越多的驾驶人辅助系统和信息系统的出现，使作为驾驶人工作平台一部分的人—机接口的重要性日益突出。由于人类工程学原因，人性化仪表和信息娱乐设备（收音机、导航系统、多媒体、联网）之间形成功能的空间分区，如图8.5-17所示（参见6.4.1小节）

由于功能的空间分区对直接完成驾驶任务有重要作用，所以人性化的仪表一般都布置在驾驶人观察方向的广阔视野的30°以内。人性化仪表也影响仪表板总成的风格设计。

2.信息显示

人性化仪表的主要任务还在于在照明环境下显示汽车状态（行驶速度、转速、重要的一些状态信息和报警信息）。仪表组合是作为视觉的接口。在直线行驶时，仪表组合的大小受转向盘空间缺口的限制。为在转向盘缺口面积中看到尽可能多的信息显示，不断采用多功能显示屏以补充一些指示灯、信号灯和主仪表的图形指示器。

（1）仪表组合　仪表组合按它的功能组合程度分低组合、中组合和高组合三种型式。部分升级集成的仪表组合为主—从结构（Master-Slave-Architektur）的、有图形（表）能力的控制器。这方面的实例就是功能强大的带5inTFT（薄膜晶体管）-LCD（320×240像素）、两个32bit-RISC处理器64MHz、2MB Flasch、SRAM和1MB VRAM图形加速器的仪表组合^[1]。集成的仪表组合是由不易弯曲的多层多功能印制电路板和柔性的印制电路板、高组装密度的表面安装的元/器件、发光二极管等组成的，十分紧凑。所要求的图形能力、一些新功能、各个功能的高度联网和子系统（防盗开闭锁、导航系统部分的电子地图匹配）大大地提升了软件在人性化仪表中的份额。

图8.5-17 在仪表板总成上的典型的仪表空间分区

1）仪表的指针驱动。步进电动机由于它的精度高、尺寸精确、外形尺寸小而用于驱动仪表组合中的圆周指针中。在十字排列的线圈中，旋转的双极磁铁和带减速机构的指针步进电动机具有高的步进分辨率和较大的指针质量。在专门的应用场合，步进电动机与传动机构结合还可用于环形指针系统中。利用智能控制或模块化控制器控制步进电动机。

图8.5-18 带照亮刻度环的白色电子荧光薄膜的仪表组合

2）照明。仪表照明有一个很大的动态范围，取决于道路交通环境中的亮度状况。当前的仪表照明状况是使用发光二极管从仪表背面照亮，即是背景光线或逆光。由于开发LED技术的快速进步，在汽车上几乎可用全部的光谱颜色。LED光效率的不断提高，在未来可替代含水银的冷阴极荧光灯（CCFL）。采用仪表组合照明组件的电子发光薄膜是一种新的选择。在施加电压时，电子发光薄膜发射如冷白色的光，该光可用于刻度环照明（图8.5-18）。

（2）在仪表组合中的液晶（LC）显示器　通过集成在仪表组合中的点矩阵显示器在显示器的实际能力提升时能设计出复杂的、可变的HMI。利用点矩阵显示器的高度可变性，可在编程的显示屏上显示从字母、数字信息到视频和图形信息。各种液晶显示器（LCD—Liguid Crystal Display）还可轻易地给驾驶人显示汽车状态的许多必要的但也可能是少量的信息。因为使用信息的图形显示和信息的彩色图形显示越来越多，薄膜技术（薄膜晶体管LCD，即TFT-LCD）的彩色有源矩阵显示器已部分地替代在整个汽车人性化仪表中占统治地位的无源矩阵LCD。通常是将显示器机械地集成在圆形仪表之间或作为圆周显示的组件的仪表组合中（图8.2-19）。

（3）在仪表总成中的其他显示器类型 与占优势的LCD技术相比，真空荧光显示器（VFD—Vacuum Fluorescence Display）在欧洲很少发挥它的作用。而采用有机发光二极管（OLED—Organic Light Emitting Diode）将成为完善LCD技术或完善TFT技术的一种新的显示器技术。只要OLED的某些颜色的寿命进一步改善，则它在汽车上扩大应用将指日可待。

图8.5-19 带集成在圆形仪表之间的TFT显示的仪表组合(www.xing528.com)

（4）平视显示器（HUD）在汽车上出现的彩色平视显示器（HUD—Head-up-Display）是早先从航空技术认识的和个别的为单色型式且较长时间已在汽车上使用的HUD的革新。这种显示方式是将汽车信息和与交通有关的信息直接投射到前风窗玻璃上。为实现平视显示功能，HUD系统有一个成像系统、透射的TFT显示器和在仪表板内的发光强度强的LED列阵组成的模块[2，3]。驾驶人在2.0～2.5m的虚假距离可感觉到HUD系统的光的传播路程（图8.5-20）。

通过前风窗玻璃下部的虚拟图形距离可显著减小驾驶人在读仪表组合指示数时眼睛对距离的调节，从而缩短直接阅读仪表组合指示数的阅读时间。根据背景亮度，通过重新、永久地调节发光强度，在环境条件变化时仍可一直保持仪表组合指示数的可读性。另外，还可将夜视系统的显示集成到HUD中。

3.输入元件

图8.5-20 在HUD中的光路

除传统的电磁操作件（转向柱上的开关、其他开关、按键）外，高配置汽车上的需要新的操作方案^[4]。其中很多输入功能汇集到一个中央操作件和相应的显示器（屏）。按激活的菜单项目，对每一项操作任务，操作件（如转速控制器）承担相应的转换功能（图8.5-21）。

相应的力矩特性线存储在微控制器中。中央操作件给驾驶人一个可编程的触觉反馈，即也可作为附加的输出件使用^[5]。带触摸屏（Touchpad）的转换控制器处于试生产阶段，该方案允许驾驶人以字母和符号输入^[6]。

4.前景

图8.5-21 导航系统带可编程触觉反馈的转速控制器图形表示

汽车上显示技术的重要意义将进一步提高对人—机接口的要求，由于汽车电子系统数量增加而对驾驶人提出更多要求。各种形式的HMI方案，包括语音操作和时序通信频道得到肯定。由于期盼的、不断增加的各种功能的出现，软件的份额增长，电子系统的计算能力和存储容量将不断增强。对机械方面的要求就是仪表要更紧凑，主要是扁平。

参考文献