Realizácia palubného počítača pre automobil Škoda Felícia s grafickým displejom a diagnostikou cez OBD.

Úvod

Zhruba po roku od publikovania prvej verzie palubného počítača prichádzam s novou, vylepšenou verziou. Najväčšou zmenou je prechod na grafický displej, nakoľko na predošlom palubnom počítači mi prekážalo problematické odčítanie údajov zo znakového displeja počas jazdy. Taktiež veľkou zmenou je aj prechod na snímanie rýchlosti pomocou hallového snímača, takže už nie je potrebné žiadne vŕtanie.
Grafický displej a implementovanie ďalších funkcií do palubného počítača vyžiadalo použiť rýchlejší 32-bitový mikrokontrolér  s jadrom ARM, konkrétne STM32F103C8.

Hlavné funkcie palubného počítača:

• Aktuálna spotreba – možnosť zobraziť vo forme grafu
• Priemerná spotreba
• Aktuálna rýchlosť
• Priemerná rýchlosť – možnosť zobraziť vo forme grafu
• Spotrebované palivo
• Prejdená dráha
• Čas jazdy
• Vonkajšia a vnútorná teplota
• Oddelené počítadlá pre Benzín a LPG
• OBD diagnostika vrátanie vyčítania chybových kódov

Snímané veličiny:

• Dráha pomocou otáčok náhonu tachometra (snímanie hallovým senzorom)
• Aktuálne palivo (snímanie napätia na relé)
• Spotreba paliva (snímanie dĺžky zopnutia vstrekovača)
• Vonkajšia a vnútorná teplota (snímanie 1-wire teplomerom)
• Palubné napätie (pre uloženie dát pri vypnutí kľúčika)

Konštrukcia

Konštrukcia hallového snímača rýchlosti a káblový zväzok
Hallov snímač slúži na prevod otáčok od náhonu tachometra do digitálneho tvaru vyjadrený počtom impulzov. Funguje tak, že v konštrukcií tachometra sa nachádza magnet v tvare prstenca, ktorý sa otáča rovnakou rýchlosťou ako kolesá automobilu. Hallov snímač meria intenzitu magnetického pola.  Keďže má magnet na po svojom obvode 4 póly, jedna otáčka vygeneruje 4 impulzy z hallového snímača. Vďaka tomuto údaju potom palubný počítač vie vypočítať údaje o rýchlosti, dráhe a spotrebe.

Obr. 1 – Schéma zapojenia hallovho snímača rýchlosti

Výroba a osadenie DPS hallového snímača je v celku jednoduchá. Hodnoty súčiastok sú uvedené na schéme (Obr. 1). Odpory a kondenzátory sú v SMD 0805 puzdre. Na konci realizácie DPS zaletujeme hallov snímač a svorkovnicu (Obr. 2).

Obr. 2 – DPS s hallovým snímačom

Po výrobe DPS príde na rad už komplikovanejšia časť a to inštalácia hallového snímača do tachometra. Najskôr je potrebné demontovať prístrojovú dosku (Obr. 3). Pred vybratím prístrojovej dosky uvoľnite v motorovom priestore náhon tachometra. Potom sa snažte opatrne vysunúť prístrojovú dosku. Odpojte všetky konektory, nemusíte si ich značiť, sú farebne odlíšené. Následne odstránime predný plastový kryt a odskrutkujeme 4 skrutky držiace tachometer.

Obr. 3 – Demontáž prístrojovej dosky – Škoda Felícia

Výsek tachometra s prstencovým magnetom vidno na Obr. 4. Do tohto výseku umiestnime pripravený DPS hallového snímača (Obr. 5). Hallov snímač treba vo výseku presne nastaviť, tak aby sa neopieral o prstenec, ale zároveň aby snímal otáčky. To overíme tak, že na napájanie pripojíme 12V (svorky VCC a GND) a meriame napätie na svorke OUT. Pri otáčaní tachometra sa musí toto napätie preklápať.

Obr 3, 4 – Montáž DPS hallového snímača do výseku tachometra

Ak sme správnu funkčnosť overili, môžeme tachometer zmontovať. Vodiče vyvedené z DPS prestrčíme do vrchného krytu prístrojovej dosky, kde umiestnime vhodný 3pinový konektor na pripojenie ku palubnému počítaču (Obr. 6).

Obr. 6 – Konektor na pripojenie tachometra k palubnému PC

Keď máme prístrojovú dosku zhodenú môžeme tento stav využiť na inštaláciu káblového zväzku do automobilu. Na pripojenie káblového zväzku som použil 16 pinový konektor MX-90142-0016 s pinmi MX-90119-2109 (Obr. 7).

Obr. 7 – Pripojenie vodičov ku 16 pinovému konektoru

Funkciu jednotlivých pinov 16 pinového konektora palubného počítača vidno na Obr. 8.

Obr 8. – Pinout 16 pinového konektora palubného počítača

Piny tohto konektora zapojíme do inštalácie automobilu nasledovne:

• VCC – napájanie palubného počítača – pripojíme na svorku 15 spínacej skrinky, na tomto pine sa musí objaviť napájanie až po zopnutí kľúčika (Obr. 9)
• T_VCC,T_OUT,T_GND – prepojenie s hallovým snímačom rýchlosti
• B/LPG – zisťuje aktuálne palivo Benzín/LPG – v prípade že využívame LPG, zapojíme pin na relé prepínača Benzín/LPG, malo by sa nachádzať pri nádobke s aktívnym uhlím. Pri prevádzke na benzín musí byť na danom vodiči napätie 0V pri prepnutí na LPG 12V. Ak máte systém Lovato, farba vodiča by mala byť modrá.
• VSTREK – zisťovanie spotrebovaného paliva – zapojíme na ľubovoľný vstrekovač, farba vodiča musí byť hnedá alebo čierna.
• K-LINE – diagnostika automobilu – pripojíme zo zeleným vodičom na konektore, ktorý sa nachádza za nádobkou s aktívnym uhlím
• GND – pripojíme k spoločnému kostriacemu bodu, ktorý sa nachádza po volantom (Obr. 10)
• T1_VCC,T1_OUT,T1_GND – zapojenie vonkajšieho senzoru teploty – DS18S20 –  na  zabránenie korôzie a vlhkosti umiestnime vodiče zo snímačom do zmrštovacej bužírky (Obr. 11)
• T2_VCC,T2_OUT,T2_GND – zapojenie vnútorného senzoru teploty – DS18S20

Obr. 9, 10 – Pripojenie vodičov VCC a GND v inštalácií automobilu

Obr. 11 – Umiestnenie vonkajšieho snímača teploty DS18S20

Na realizácií káblového zväzku si dajte záležať. Ide predsa o bezpečnosť a skrat v káblovom zväzku by mohol skončiť aj tragicky. Vodiče nenadpájajte! V záverečnej fáze je vhodné rozdeliť si vodiče podľa miesta zapojenia a zabandážovať ich izolačnou páskou. Vodiče smerujúce do motorového priestoru prestrčíme cez priechodku ,v ktorej smerujú aj hadičky ku naklápaniu svetiel  (Obr. 12).

Obr. 12 – Prechodka pre vodiče smerujúce do motorového priestoru
 

Konštrukcia Palubného počítača a zobrazovacej jednotky

Mozog celého palubného počítača tvorí mikropočítač STM32F103C8T6, ktorý pracuje na frekvencií 72MHz. Pre správnu činnosť zápisu konštánt do FLASH je potrebné zakúpiť 128Kbytes FLASH verziu MCU. SWD programovacie rozhranie je vyvedené na zobrazovaciu jednotku, pre jednoduchší prístup. Mikropočítač a displej je napájaný napätím 3,3V, toto napätie zabezpečuje LDO stabilizátorom LF33. Mikropočítač komunikuje s okolím prostredníctvom 2 konektorov. Zo zobrazovacou jednotkou je spojený cez 10pinový konektor LPH10RA a cez 16pinový konektor MX-90130-3116 je pripojené napájanie a snímače.

Obr. 13 – Schéma zapojenia palubného počítača

Na schéme palubného počítača (Obr. 13) sú uvedené hodnoty všetkých použitých súčiastok. Rozmery kondenzátorov a rezistorov sú SMD0805, výnimkou je rezistor R12, ten je v púzdre SMD1206. Diódy sú v puzdrách MiniMELF. Plošný spoj je obojstranný vrátane prekovov a  je rozmerovo navrhnutý pre zabudovanie v krabičke ABS-86CZ (Obr. 14,15). Prekovy v domácich podmienkach vytvoríme pomocou drôtika, ktorý prestrčíme cez otvor a zaletujeme na oboch stranách. Z obidvoch strán krabičky je potrebné vyrezať otvory pre konektory. Na vrch krabičky prilepíme piezo, ktoré pripojíme k pinom JP1 (Obr. 16).
Pozn.: Plošný spoj na Obr. 14,15 nekorešponduje s aktuálnou verziou v prílohe.

Obr. 14,15 – Dokončená DPS palubného počítača

Obr. 16 – Umiestnenie DPS v krabičke

Poslednú časť palubného počítača tvorí zobrazovacia jednotka. Na tejto doske sa nachádza ZIF konektor CT081FTZ0 pre pripojenie displeja BO9864BFPHH a jeho pinov pre pripojenie podsvietenia, tlačidlo pre ovládanie a SWD programovací konektor. Hodnoty súčiastok sú zobrazené na schéme (Obr. 17).

Obr. 17 – Schéma zapojenia zobrazovacej jednotky

Pri osadení súčiastok najskôr zaspájkujeme SMD súčiastky, následne potrebné konektory a na záver LCD displej, ktorý mechanticky prichytíme cez napájacie kolíčky LED podsvietenia (Obr. 18). Pri realizácií výrezu do krytky palubného počítača si najskôr vymeriame potrebné rozmery, potom vypilníkujeme otvor pre displej a navŕtame dieru pre tlačidlo. Zobrazovaciu jednotku uchytíme pomocou distančných stĺpikov (Obr. 19). Ja som do otvoru pre displej ešte vložil plexisklo (Obr. 20). Zaoblíme hrany plošného spoja, tak aby sa dala celá zobrazovacia jednotka pohodlne umiestniť do prístrojovej dosky. Prepojenie palubného počítača so zobrazovacou jednotkou zrealizujeme pomocou vhodne dlhého plochého kábla, do ktorého nakrimpujeme 10-pinové samorezné konektory.
Pozn.: Plošný spoj na Obr. 18 nekorešponduje s aktuálnou verziou v prílohe.

Obr. 18,19 – Osadenie a prichytenie DPS zobrazovacej jednotky

Obr. 20 – Finálne vyhotovanie zobrazovacej jednotky
 

Oživenie a práca s palubným počítačom

V prvom kroku pripojíme napájacie napätie 12V s prúdovým obmedzením k doske palubného počítača. Zmeriame či na výstupe stabilizátora je napätie 3,3V a odber zariadenia približne 50mA. Ak je to v poriadku, pripojíme zobrazovaciu jednotku, malo by sa rozsvietiť podsvietenie displeja.
Môžeme teda pristúpiť k naprogramovaniu mikropočítača. Na naprogramovanie budeme potrebovať programátor s SWD rozhraním. Toto rozhranie obsahujú napr. STM discovery kit, ktorý môžeme na tento účel použiť. Program nahráme napr. cez program ST-link utility – https://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF258168
Súbor na naprogramovanie mikrokontroléra ma príponu *.hex, stiahneme ho v sekcii download.
Po úspešnom naprogramovaní mikropočítača môžeme overiť správnu činnosť v aute.

Na displeji sú zobrazené údaje nasledovne:

• Nadpis v hornej časti informuje o aktuálnej obrazovke
• V ľavom dolnom rohu sa nachádza informácia o aktuálnom palive
• V stredná dolná časť nás informuje o akcii ktorá sa vykoná po dlhom stlačení tlačidla
• V pravom dolnom rohu sa nachádza informácia o dobe jazdy, čas jazdy sa počíta zvlášť pre Benzín a LPG

Obrazovky medzi sebou prepíname krátkym stlačením tlačidla. Dáta o priemerných hodnotách sú aktualizované v perióde 1 minúta. Dáta o celkových hodnotách sú ukladané do flash pamäti mikropočítača po vypnutí kľúčika. V obrazovkách o aktuálnych hodnotách som implementoval aj bargraf na pohodlnejšie odčítanie údajov. Pri dlhom stlačení tlačidla na obrazovke aktuálnych hodnôt sa nám tieto údaje zobrazia graficky. Vynulovanie celkových hodnôt vykonáme dlhým stlačením tlačidla na obrazovke s priemernými alebo celkovými hodnotami.
 
Palubný počítač zobrazuje aj 2 varovné informácie:

• Pri poklese teploty pod 4C, nás informuje o nebezpečenstve námrazy. Toto upozornenie sa zobrazí len raz za dobu jazdy
• Pri dosiahnutí maximálnych hodnôt počítača (dráha > 655km alebo palivo > 65L alebo čas >18h ). Pri upozornení budú zároveň tieto údaje zmazané a počítané odznova.

Pri stlačení dlhého tlačidla na obrazovke diagnostiky sa inicializuje komunikácia s riadiacou jednotkou. Komunikácia sa realizuje pomocou K-line vodiča s komunikačným protokolom KWP-1281 [1]. Ak inicializácia prebehla úspešne, zobrazí sa obrazovka vyčítaných chýb. Ak máme riadiacu jednotku Simos 2P, zobrazia sa po stlačení tlačidla aj ďalšie údaje ako otáčky a teplota motora, lambda sonda, škrtiaca klapka. Diagnostický režim opustíme dlhým stlačením tlačidla.

Činnosť palubného počítača je dobre demonštrovaná na nasledovných videách:

Video 1 – Funkcie a ovládanie palubného počítača

 
Video 2 – Zobrazenie grafov spotreby a rýchlosti

Kalibrácia meraných veličín
Do módu nastavení palubného počítača vstúpime krátkym stlačením tlačidla počas zobrazenia úvodného loga. V móde nastavení môžeme zmeniť konštantu pre výpočet spotreby Benzin/LPG a výpočet dráhy.

Kalibračný postup je  nasledovný:

• Vynulujeme palubný počítač pri natankovaní plnej nádrže benzín/LPG
• Pri ďalšom natankovaní si zaznamenáme množstvo paliva, ktoré sme potrebovali natankovať
• Vstúpime do módu nastavení
• Na konkrétnej kalibračnej obrazovke podržíme dlhšie tlačidlo, tým sa začne kalibračná hodnota meniť. Krátkym stlačením tlačidla sa posúvame o číslicu vľavo.
• Sledujeme ako sa hodnota o spotrebe prepočítava
• Keď sa hodnota o spotrebovanom palive bude rovnať s natankovaným množstvom, podržíme dlhšie tlačidlo, tým s módu editácie konštanty vystúpime
• Dáta uložíme vypnutím kľúčika
• Po opätovnom zapnutí kľúčika sa hodnoty prepočítali a spotreba už bude počítaná korektne

Postup kalibrácie si môžete pozrieť aj na priloženom videu:
 
Video 3 – Postup kalibrácie

Download

V priloženom archíve sa náchadzajú schémy zapojenia a DPS jednotlivých častí vytvorených v programe Eagle 6.4.
Taktiež v ňom nájdete zdrojové kódy k palubnému počítaču a vygenerovaný hex súbor pre naprogramovanie MCU. Program pre mikrokontrolér bol písaný v prostredí programu KEIL uVision4.
Zo zdrojových kódov však bola odstránená knižnica na obsluhu displeja nakoľko bola od iného autora, ktorý si nepraje jej zverejnenie.

Download : Palubny_PC_V2.zip

Záver

Celý projekt palubného počítača poskytujem Zdarma pre osobnú potrebu. Pre komerčné použitie ma prosím kontaktujte na adrese zawin[at] svetelektro.com 
Na tejto adrese ma môžete kontaktovať aj pri prípadných nezrovnalostiach alebo chybách ktoré v projekte nájdete.
Verím že sa vám tento projekt páčil a takýto palubný počítač si vyrobíte aj vy 🙂

Použitá literatúra

[1]  Komunikačný protokol KWP-1281 – https://www.blafusel.de/obd/obd2_kw1281.html

• O autorovi
• Najnovšie príspevky

zawin

Administrátor webu SVETELEKTRO.COM. Pracujem vo firme GOSPACE TECH ako HW a SW inžinier v oblasti IoT - www.fleximodo.com

Najnovšie články od zawin (zobraziť všetky)

• Novinky na webe SVETELEKTRO - 12. decembra 2020
• TEPLOMĚR DO UDÍRNY - 21. júla 2020
• Výsledky súťaže o najlepší výrobok–4. kolo - 23. decembra 2019