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一、汽车电子显示装置
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要装置，对驾驶员正确判断汽车的运行状态及安全行车起着重要的作用。随着现代汽车工业和电子技术的发展，汽车环保、安全性、经济性、智能化要求的不断提高，对汽车行驶和各部分工作状态的信息需求量显著增加，汽车仪表的功能正在迅速扩展，将成为一个集感觉、识别、情况分析、信息库、适应和控制六大功能于一体的提供行驶信息、保障安全驾驶的智能化系统。
电子显示装置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和发展。图2.1所示为一种电子显示装置。
A—机油压力表；B—电压表；C—水温表；D—燃油表；E—警告灯；F—小车速表；G—转速表；H—里程表
图2.1 电子显示装置
目前，汽车上使用的显示装置主要有发光二极管（LED）、荧光显示器（VFD）、液晶显示器（LCD）和阴极射线管显示器（CTR）、风窗玻璃显示器（HUD）等。
1.发光二极管（LED）
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED，具有体积小、结构简单、耐用（使用寿命长达5万小时以上）等特点。
（1）发光二极管的结构如图2.2所示，PN结为特殊材料制成的。
1—塑料外壳；2—二极管芯片；3—阴极引线；4—阳极引线；5—导线
图2.2 发光二极管的结构
（2）发光二极管组成的光条图显示器如图2.3所示。
1—漫射器；2—LED；3—印制电路板；4—分割器
图2.3 发光二极管组成的光条图显示器
（3）发光二极管组成的数码显示器如图2.4所示。
1—二进制编码输入；2—逻辑电路；3—译码器；4—驱动器；5—小数点；6—发光二极管电源；7—“8”字形
图2.4 发光二极管组成的数码显示器
（4）发光二极管组成的点阵显示器如图2.5所示。
发光二极管还常用做汽车仪表板上的警告指示灯，若燃油、制动液、风窗洗涤液等液面过低，制动蹄片过薄，制动灯、尾灯、前照灯等烧坏，这时警告指示灯就会点亮。
发光二极管的缺点包括：在环境暗的情况下效果较好，在阳光直射下便很难辨别；若要增大其亮度，则需要相当大的电流，功率消耗较大，故使用受到限制。
图2.5 发光二极管组成的点阵显示器
2.液晶显示器（LCD）
液晶是一种有机化合物，由长形杆状分子构成。在一定的温度范围内，它既具有普通液体的流动性，也具有晶体的某些特征。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、在阳光直射下不受影响等特点，应用非常广泛。
（1）液晶显示器是一种新型的非发光型平板显示器，其结构如图2.6所示。
1—前偏光镜；2—前玻璃板；3—后玻璃板；4—后偏光镜；5—反射镜
图2.6 液晶显示器的结构
（2）如图2.7所示，液晶的分子排列方式将来自垂直偏光镜的光波旋转90°。
（3）如图2.8所示，当液晶加上电场被激发时，将不能使光波旋转。
图2.7 液晶将垂直光波旋转90°
图2.8 液晶加上电场被激发时的情况
通过以上分析可知：当液晶不加电压时，光线可穿过液晶到达反射镜反射过来，可看到液晶呈亮的状态；当液晶加上电压时，液晶分子方向改变，将不能使光波旋转，来自垂直偏光镜的光波经液晶后将不能通过水平偏光镜，无法到达反射镜，看到的液晶是暗的状态。这样在液晶上制成字符段，分别控制每个字符段的通电状态，即可控制哪些字符段呈亮的状态，哪些字符段呈暗的状态，便可在液晶上看到字符，如图2.9所示。
图2.9 液晶上的字符段
液晶显示装置可分为动态散射、扭曲向列和二向色3种类型，目前汽车上广泛采用的是扭曲向列型液晶显示装置，其结构如图2.10所示。
图2.10 扭曲向列型液晶显示装置的结构
3.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，控制电路连接容易，环境温度适应性强，可改变其显示亮度，能显示数字、单词和柱状图表等。
真空荧光显示器实际上是一种低压真空管，图2.11所示为汽车用数字式车速表的真空荧光显示器，其工作原理如图2.12所示。
1—前玻璃罩；2—灯丝（阴极）；3—控制栅格；4—笔画小段（阳极）；5—电位器（亮度调节）；6—计算机控制电子开关（使某笔画段受激发光）
图2.11 真空荧管显示器
1—阴极（灯丝）；2—电子；3—加速栅极；4—阳极字符段；5—玻璃面板
图2.12 真空荧光显示器的工作原理
真空荧光显示器十分明亮，所以大多数制造厂都进行了这样的处理：每当接通灯光开关时，真空荧光显示器的亮度便降至75%。为了在白天有足够的亮度，灯光开关的变阻器可使真空荧光显示器的亮度增强。由于真空荧光显示器是一种真空管，为保持一定的强度，必须采用一定厚度的玻璃外壳，所以体积和质量较大。
4.阴极射线管显示器
阴极射线管（CRT）也称为显像管或电子束管，其结构原理与电视显像管、计算机显示系统相同。它有一个发射电子的阴极和一个吸收电子的阳极，电子轰击到屏幕上哪个点，哪个点便发亮，偏转板控制电子束的方向。阴极射线管（CRT）屏幕是触摸式的，通过触摸屏幕上的按钮（菜单）便能变更显示的内容。
5.风窗玻璃显示器
要观看仪表信息，驾驶员的视线就不得不离开道路，这是任何汽车仪表显示器或者监视器都需要解决的一个问题。另外，在许多情况下，实际上，驾驶员是用不着看显示器的，但是因此有时也会忽视像机油压力过低这样重要的警告信息。可以采用像警告蜂鸣器或将仪表布置在接近视线的位置上等许多新技术，而最新的技术之一就是风窗玻璃显示器（HUD）。HUD最早是飞机工业为战斗机驾驶员而开发的。飞机设计者们面对在显示机舱内的多达100个不同的警告装置时，也曾遇到类似的难题。
在HUD系统中，来自显示装置（可以是一个阴极射线管）的信息会被投射到具有部分反光能力的镜子上。因此，对该系统来说，在阴极射线管（CRT）上显示的信息必须呈倒像。在正常的情况下，驾驶员能够透过镜子看到道路。当然，必须对显示器的亮度进行调节，以便适应环境光线的状况。当对该系统实施计算机控制时，大量的数据将会被显示出来。目前，HUD系统都是在车辆向前行驶时使用的，但是可自动变暗以减轻前照灯眩目的液晶后视镜就可以用做后端盲区检测雷达的信号显示屏。
精确地确定某一时刻风窗玻璃显示器应该投射在什么地方，这项技术涉及微型摄像机，与来自驾驶员眼睛角膜反射的光束相配合，从而能够精确测量出他或她正在往哪里看。除了这项技术的应用正在研究中之外，眼睛运动探测器也是生物力学研究中所使用的一系列工具之一，它能直接检测驾驶员的身体状况。最终，这些工具中的某些还会用于主动控制汽车，或者主动唤醒将要入睡的驾驶员。
仪表板或显示板所用的技术（和布置）非常重要，在很大程度上，集中在易读性问题上。对设计师而言，有如此多的技术可以使用时，人们可能很想使用最先进的。然而，这样并非总是最好。试想一个简单问题：对这种应用来说，什么是最合适的显示器技术?人们对仪表的布置和组合方式，已经进行了许多研究工作。当驾驶员读取显示器信息时，眼睛要离开道路，合理布置和组合仪表可减少驾驶员读取信息的时间。好的仪表板结构非常紧凑，几乎不需要驾驶员的眼睛逐个扫过每个读数，全部信息便可尽收眼底。仪表板漂亮的外观往往是汽车的一个重要的卖点。但在某些情况下，这一点与获得最佳易读性相矛盾。
二、电子仪表板
汽车电子仪表板以数字或光条图形式，配以国际标准（ISO）符号，用于监测汽车或发动机各系统的工作情况。
1.电子仪表板的多路复用传输
电子仪表板需要很多导电接头向光柱或光点供电。7笔画字形显示需要7个电接头来形成l位数字，车速显示需要3位数，因此需要21个电接头和21根缆线，同时还需用1个搭铁接头。为降低成本、节省空间，电子仪表板采用了多路复用传输，即几个数字采用独立的搭铁接头。图2.13所示的7笔画显示的多路复用传输中，三位数字共用7位电接头。
图2.13 7笔画显示的多路复用传输
2.信息选送
汽车一旦启动，发动机转速、温度、燃油液位等多种信息便将同时传输给计算机进行处理。由于传输信息项目多，需要多路传输技术把各种不同信号分开，所以采用多路信号转换开关选择信号源，如图2.14所示。
图2.14 用多路转换开关进行信息选送
信息经计算机处理后，还需要一个与其能正确配合的开关，以便把信号适时传输给相应的显示装置，为此采用了信号分离开关。
3.显示系统结构
图2.15所示是一个各种显示装置的多路传输系统。
图2.15 各种显示装置的多路传输系统
4.行车计算机系统
由于使用了电子仪表系统和各种相关的传感器，所以可以利用这些信号为行车计算机系统提供信息输入。行车计算机系统显示日期和时间，还能计算平均车速、行车时间、燃油消耗量、瞬时耗油量和平均耗油量等。除里程表和时钟所需信号外，基本仪表系统中还要安装相应传感器，以满足行车计算机系统的需要。
5.电子仪表板的组成
一般情况下，电子仪表板有3组由计算机控制的独立液晶显示器，分别用于显示车速、油耗及发动机转速等信息，其中车速和转速既有数字显示，又有曲线图显示，如图2.16所示。仪表板中央有一个驾驶员信息中心，用于显示燃油存量、润滑油压力、冷却液温度、累计行驶里程及平均油耗等信息；同时，驾驶员信息中心还有一套报警灯系统，用于指示机油压力、冷却液温度、冷却液液面高度不足、蓄电池充电电压、制动蹄片磨损、灯泡故障及车门未关等异常情况。
1—车速表；2—驾驶员信息中心；3—发动机转速表
图2.16 雪佛兰汽车电子仪表板
各种信息在电子仪表板上有三种显示方式：
（1）数字显示（包括曲线图显示）。
（2）模拟显示。
（3）指示灯亮灭显示。
车速表和转速表常用数字显示和曲线图显示，燃油表可数字显示，也可模拟显示。为了更准确地显示信息，计算机系统对数字显示信号每秒修正2次，对曲线图显示信号每秒修正16次，对驾驶员信息中心显示的各种信号每秒修正1次。
大多数电子仪表板都有自诊功能，进行自诊时，按下仪表板上的选择钮，当点火开关转到ACC或RUN挡时，仪表板便开始一次自检。检验时通常是整个仪表板发亮。与此同时，各显示器的每段字段都发亮。在自检过程中，电子仪表板上用于监测各系统的ISO标准符号一般都闪烁，检验完成时，所有仪表都显示当时的读数。若发现故障，便显示一个提醒驾驶员的代码。
6.电子仪表的语音报警系统
有些电子仪表装有语音合成器，可将其监控的情况向驾驶员报警。语音报警系统是对电子仪表上的报警灯系统的补充，用来引起驾驶员的注意。
语音合成器是通过计算机技术和声响装置的扬声器实现的，事先将所需的单词或词组的语音转换成电信号存储在计算机的芯片中。当监测系统发出警告时，计算机产生所需要的语言电信号，再由声响装置的扬声器把电信号转换成声音。根据监控系统的多少，语音报警系统复杂程度也不相同。
语音报警系统由一块字母数字读出板、一帧用汽车图形表示的情况/位置指示器和一块电子语音报警模块组成。
（1）字母数字读出板：提供要显示的报警信息。如图2.17所示，读出板上显示一条警告驾驶员的文字信息，信息一直显示到报警情况纠正后才消失。
图2.17 读出板上显示的报警信息情况
（2）汽车图形表示的情况/位置指示器。在语音报警系统的监控系统中，传感器可分为4类：
① 监控前照灯、尾灯和驻车灯等是否正常的模块。
② 监控发动机机油油位的热敏电阻。
③ 检测充电系统输出的电压传感器。
④ 当有故障或危险情况时向中央处理器提供搭铁信号的动合式开关。
三、汽车电子仪表
1.车速表
如图2.18所示为美国通用汽车公司采用的数字式车速表原理图。
图2.18 数字式车速表原理图
原理：车速传感器为磁脉冲式车速传感器，当转子旋转时，信号线圈便产生微弱的交变电压。交变电压信号送至发动机控制模块ECM（即发动机ECU）与车身计算机控制模块BCM（即车身计算机ECU）。交变电压信号经发动机控制模块ECM先被放大，然后被整形为数字信号，再经车身计算机控制模块BCM中的中央处理器进行计算，由输出接口的驱动电路将信号提供给电子仪表的车速显示器，数字仪表板IPC的车速显示器开始显示车速。
每次将点火开关置于ACC或RUN挡，计算机控制系统便对数字仪表板IPC自检一次，每次自检约3s，自检顺序如下：
（1）所有显示字符段都发亮，如图2.19（a）所示。
（2）所有显示字符段都熄灭。
（3）显示0km/h，如图2.19（b）所示。
电子式车速表所采用的车速传感器有：① 磁脉冲式；② 霍尔效应式；③ 光电开关式。
图2.19 数字式车速表自检过程
通用汽车采用的光电式传感器如图2.20所示。
1—车速表驱动轴；2—接里程表；3、5—光电式传感器；4—仪表的插头；6—车速表软轴连接器；7—信号转子
图2.20 光电式车速传感器
2.里程表
和数字式车速表配合使用的里程表有两种：步进电动机的机电式里程表和IC（集成电路）芯片的电子式里程表。
（1）步进电动机。机电式里程表所使用的步进电动机如图2.21所示，其电枢内部有一个永久磁铁，定子部分由2个或4个磁场绕组组成。来自车速表的数字信号脉冲经二分频电路处理，步进电动机接收的信号脉冲频率是车速传感器信号脉冲频率的一半。当步进电动机的磁场绕组接到计算机的控制信号后，定子产生磁场，步进电动机的转子便旋转，里程表的计数器便开始工作。
图2.21 步进电动机
通用公司的汽车，步进电动机与车速表共用同一个信号脉冲，脉冲信号送至“里程表驱动IC”。如图2.22所示，里程表驱动IC由多个晶体管组成“H门”，“H门”轮流激励步进电动机的一对线圈，并不断地变换系统的极性，使永久磁铁电枢以同一方向旋转。
图2.22 里程表的驱动集成电路
（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芯片接收来自车速表或计算机控制系统的行驶里程信息。计算机控制系统每0.5s刷新一次里程表显示值。
许多数字仪表板能同时显示短程行驶里程数和累计里程数，驾驶员必须做出选择，如图2.23所示。
图2.23 “行程里程”与“行程里程复零”按钮工作原理
如果里程表电路发生故障，显示器将会以特殊的信息提示驾驶员，如图2.24所示。
图2.24 福特汽车里程表电路故障信息提示
3.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中断口输入到微处理器。
转速表控制系统如图2.25所示。
图2.25 转速表控制系统
4.电子燃油表
如图2.26所示的汽车燃油计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。燃油计控制系统如图2.27所示。
图2.26 汽车燃油表结构
为了在系统第一次通电时加快显示，通常A/D转换约每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突然摆动而导致显示不稳定，ECU将A/D转换的结果设为平均每26s一次。另外，鉴于仅靠平均的办法还不足以使显示完全平衡下来，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2.27 燃油表控制系统
四、综合信息显示系统
随着汽车电子技术的飞速发展，汽车电子控制系统所用的传感器不断增多，汽车仪表的电子显示系统已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、加工处理的综合信息系统。
综合信息系统能够从大量的信息中选择出驾驶员所需要的各种信息内容，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。
如图2.28所示为综合信息系统配置原理。该综合信息显示系统的显示器可显示电子地图、燃料消耗和行程信息等综合信息。
图2.28 综合信息系统配置原理
1.综合信息显示系统所显示的信息种类
（1）地图信息：公路交通图可按不同的比例显示，与一般地图的区别在于它可以滚屏显示，使需要的内容可以被单独显示出来。另外，借助导航系统，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电子地图上标出汽车的当前位置。
（2）行车信息：可显示从出发开始的行程计算、行程时间和燃料消耗，并可根据燃料消耗率和存油量显示剩余燃料可能行走的里程。
（3）维修信息：显示如发动机换机油、更换轮胎以后所行驶的里程，供驾驶员确定下次维修时间与维修项目参考。
过去，车辆的技术状态靠定期检验来评定，一般每4800km就要进行一次。在两次检验期间，还要进行许多预防性维护和检查工作，才能保证车辆正常地工作到下次检验期。由于维护费用日益增加，车辆停下来维护又给用户带来不便，制造厂逐渐把检验周期延长到20000km，甚至更长。在这样长的间隔期内（不论从时间或行驶里程上说），各种油液要消耗，很多重要部件要磨损。为了避免因某一系统的故障而影响安全或机件损坏，制造厂商就研制生产了车辆状况监测系统。
车辆状况监测系统除包括原先在车辆维护时要进行的检测项目以外，还包括了由驾驶员负责进行的检测项目，如机油压力和冷却液液位高度。监测系统的先进程度要看车辆的档次，这种系统一般先在高级车辆上应用，以后由于价格逐渐降低，低级车辆也开始使用这种监测系统。有些监测装置，如机油压力表和水温表、充电指示灯、燃油表、前照灯的远光和转向指示灯，已经使用多年。近来中级车辆上许多系统装置也使用下列监测和信号装置：制动摩擦片需要更换；制动缸液位过低或制动操纵系统发生故障；机油液位低于标准；因灯泡或电路故障而使照明系统失效。不同颜色和图案的警告标志，单独装在仪表板的一个显著位置。它以适当的警告信号引起驾驶员的注意。在有些车辆上，监测系统还配上语音合成装置，以强化其警告作用。这种装置用语音直接告诉驾驶员要做什么，或者给予警告以弥补直观信号显示的不足。大多数车辆状况监测系统用电子数字装置来处理从车上各处传感器送来的信息。很多传感器只起一个开关的作用。当出现某一故障需要给出警告信号时，传感器开关接通或中断该电路中的电流。这一电流变化触发监测系统控制装置中的一个电子开关，使仪表板上按国际标准设置的某一警告图形发亮。为使驾驶员信任这一监测系统，应定期检测各个传感器电路，以确保系统的技术状态良好。这种检查通常在点火开关接通时进行，使测试电流通到各个传感器和指示灯约5 s，让驾驶员检查整个检测系统的工作状况。
（4）日历信息：可显示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，通过触摸屏幕上的键盘可以操作空调系统。
（6）音响系统信息：显示音响系统的操作模式，通过触摸屏幕上的键盘可以控制音响系统及显示音响系统的音乐资料。
（7）电视广播：可接收电视、广播节目。
（8）电话信息：显示诸如移动电话号码等信息，并可通过触摸屏幕键盘来实现拨号和挂机。
（9）后视摄像机信息：在倒车时，显示安装在车后部的镜头摄取的景象信息。
2.触摸键盘
显示系统的触摸键盘通常以模拟形式显示在屏幕上，用手指触摸键盘即可进行操作，从而简化了选择信息的过程。通常采用红外触发开关来检测屏幕是否被触摸，开关的原理图如图2.29所示。
图2.29 红外键盘触摸开关的原理图
在显示器的两端都有一个发光二极管和光敏三极管相对。在显示器键盘未被触摸时，发光二极管的光束到达光敏三极管促使其导通。键盘被触摸时，发光二极管光波被截断，光敏三极管立即截止。发光二极管和光敏三极管的混合体安放在显示器的多个地方，如图2.29（b）所示。
因此，屏幕上被触摸到的键盘位置由被关断的光敏三极管所在位置测定。