基于CAN總線技術(shù)的汽車智能儀表設(shè)計

白月飛 楊斌（蘭州城市學院，甘肅 蘭州730070）

1 引言

電子制造業(yè)和微型計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，這給車載智能儀表的研制和實現(xiàn)帶來了可能和機會。在現(xiàn)代汽車中越來越多的高科技技術(shù)運用在電子設(shè)備中，例如紅外探測防撞設(shè)備、剎車防抱死系統(tǒng)、倒車雷達、黑匣子等。這些設(shè)備使得汽車的安全性能越來越高，防護系統(tǒng)越來越完善。但是即使有了這些高科技電子設(shè)備，面對駕駛員的非正常操作以及外界的突發(fā)事故，這些高科技系統(tǒng)顯得捉襟見肘。因為沒有一個綜合的系統(tǒng)對汽車運行狀況進行監(jiān)測，以及對數(shù)據(jù)進行處理和判斷，在隱患面前做出報警和糾正不正確駕駛。為了使汽車變得更加安全、可靠、節(jié)能，需要駕駛員對汽車各部分運行的狀況的信息全面的掌握，傳統(tǒng)的機械儀表對汽車各部分的信息已不能全面的簡潔的做出顯示，因此汽車智能儀表是當今汽車儀表行業(yè)發(fā)展的趨勢。

2 汽車智能儀表總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體方案設(shè)計是對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、功能、可靠性、抗干擾性以及可實現(xiàn)性等信息進行分析整合，最后綜合的評估后得出的一套該系統(tǒng)最合理的方案。因此，該部分對整個后續(xù)的設(shè)計工作起著決定性的作用，決定了設(shè)計的周期，難度，費用，以及成敗都是至關(guān)重要的。該章節(jié)的內(nèi)容包括系統(tǒng)可實現(xiàn)功能的探討，硬件電路各器件的選擇分析和電路的設(shè)計方案，以及軟件的功能實現(xiàn)的分析等組成。

2.1 智能儀表的功能分析

1)運用智能車載數(shù)字儀表來對信息綜合的顯示，包括車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、燃油量、里程數(shù)等信息。

2)對汽車各個部分運行狀況參數(shù)和車載設(shè)備的工作情況實行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況控制器會采取報警措施和強制性采取動作。實施自我防范的功能，避免了事故的進一步發(fā)生。報警提示一般是已報警圖標伴隨著不同燈光顏色的閃爍，以及配合著語音報警等。

3)用戶可以根據(jù)自己需要和習慣，選擇適合自己的風格的儀表界面，不管是顏色，圖形的大小，盤面的信息排列順序以及還可以對盤面信息進行刪減，使車載儀表更具個性化。

4)系統(tǒng)還具備外設(shè)和擴展接口，可進行數(shù)據(jù)下載和根據(jù)用戶的需求擴展相應(yīng)的電子設(shè)備，例如電子地圖，倒車雷達等等。 在智能儀表的實現(xiàn)中，要遵循系統(tǒng)設(shè)計的準則。各個模塊都有著自己的準則，在遵循這些基本準則時又要求功能全部實現(xiàn)，因此該智能儀表顯示系統(tǒng)就必須劃分如下幾個方面:傳感器、總線傳輸、中央處理器、數(shù)據(jù)存儲、終端顯示以及可以用于外圍設(shè)備擴展的和數(shù)據(jù)下載的端口的幾個方面。為了實現(xiàn)這樣一個擁有信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示等多種功能的綜合系統(tǒng)，只有利用嵌入式實時操作系統(tǒng),C/OS-II并且結(jié)合微控制器(MCU)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化，資源分配合理，操作簡潔，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠且效率高。實時操作系統(tǒng),C/OS-II還可以在汽車有突發(fā)事故或者安全故障時，及時的做出反應(yīng)，并向駕駛員發(fā)出報警和及時的做出安全保護的動作。

2.2 智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示：中央控制器硬件共分為10個模塊:

圖1 智能儀表系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

(1)中央處理器(MCU)(2)電源模塊(3)CAN通訊模塊(4)頻率量采集模塊(5)模擬量采集模塊(6)開關(guān)量采集模塊(7)時鐘模塊(8)外設(shè)接口擴展模塊(9)串口調(diào)試模塊(10)Flash存儲模塊。

3 系統(tǒng)硬件的分析

3.1 硬件總體方案的選擇

隨著科技的飛速發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，人們對汽車性能的可靠性和駕駛舒適性的要求變得越來越高，為了滿足用戶的需求，越來越多的電子設(shè)備運用在汽車上。龐大的電子設(shè)備之間的信息交換，指令的傳遞，以及數(shù)據(jù)的采集處理和判斷都變得異常的復雜，隨之而來的車內(nèi)空間的緊缺，眾多電子設(shè)備帶來的運行時故障率越來越高，維修的難度越來越大。為了能使信號在車內(nèi)各個部分間傳遞，實現(xiàn)車內(nèi)信息共享，對采集到的信息能夠及時的傳遞給處理器，并且能發(fā)出正確的指令，傳統(tǒng)控制器模塊和線束通訊模式己經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求，因此，高性能的處理器和CAN總線通訊應(yīng)運而生。

本系統(tǒng)的中央處理器選用的是Motorola公司生產(chǎn)的MC9S12DG128這款16位的單片機。該處理器利用CAN總線通訊控制對各點的信息進行接收和發(fā)送。對接收到的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，然后進行分析和處理然后做出判斷，最后發(fā)出指令。在圖像顯示方面，完成對數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換以及圖像的生成、處理和存儲，最終能綜合全面的在液晶顯示器上顯示車輛運行時的駕駛員所需要的各種車況信息。因此，對處理器的選擇至關(guān)重要，關(guān)系到車載電子系統(tǒng)的性能，當處理器的功能是夠強大時，單片機外圍電路以及軟件的設(shè)計會變得更加簡便，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越好。

在傳統(tǒng)的以單片機為控制器的系統(tǒng)中，傳感器檢測到信號后，經(jīng)過多路開關(guān)和采樣保持器，最后用A/D轉(zhuǎn)換器模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給單片機，經(jīng)單片機邏輯計算、判斷、處理后，控制器對其它部分發(fā)出指令，該數(shù)字形式的控制量同樣經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成模擬信號后傳遞給保持器，再發(fā)送給各個執(zhí)行器件，一般主控單元電路中還附帶有簡單的數(shù)據(jù)顯示和報警功能的模塊。

3.2 現(xiàn)場總線控制模塊

現(xiàn)場總線主要是進行分布式控制，它主要運用在生產(chǎn)車間和各種電子設(shè)備之間，采用多節(jié)點串行數(shù)字化通訊系統(tǒng)，是以全數(shù)字化、開放式、多節(jié)點間通信為特點的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它結(jié)合了當今三大高科技技術(shù):現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)。自從上世紀80年代以來，CAN逐步在加工制造業(yè)、交通管理、大型機械、汽車等擁有自動化控制系統(tǒng)中廣泛的運用。在眾多總線類型中，CAN(ControllerAreaNetwork)總線在局域網(wǎng)重工控制性能最好，協(xié)議最為規(guī)范，設(shè)計獨特，受到越來越多的關(guān)注，己經(jīng)被規(guī)定為國際上總線的標準，被公認為運用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

1)現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點

現(xiàn)場總線突破了傳統(tǒng)的控制模式，以集散控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都是一對一進行連接，每一個控制點都必須要與主控器對接，現(xiàn)場的傳感器、控制器、測量變送器、開關(guān)、執(zhí)行器都需要與控制室的主控器進行單獨連接。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不拘于傳統(tǒng)的控制模式，設(shè)立了下位機，把控制室中的控制模塊以及輸入輸出模塊下放到現(xiàn)場，便于現(xiàn)場測量變送裝置更直接的與執(zhí)行模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，使控制功能在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)現(xiàn)場分布式。

2)現(xiàn)場總線方式的優(yōu)勢

1）設(shè)備維護簡便:在現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場控制設(shè)備對故障具有處理和診斷能力，同時控制室也會收到診斷結(jié)果及信息。維護人員可以通過這些信息了解設(shè)備運行的情況以及故障診斷的信息，以便對設(shè)備進行維護，更快的排除故障，提高了成產(chǎn)效率，最主要是大大減少了維護人員對設(shè)備檢修時的工作量。

2）結(jié)構(gòu)簡便，節(jié)省空間:很多生產(chǎn)車間的流水線，其周圍都分布著很多相關(guān)的輔助設(shè)備，走線更是凌亂無章，數(shù)量繁多，這就大大的占用了車間有限的空間，而運用了分布式控制后，總線的出現(xiàn)就很好的解決了這些問題，使輔助設(shè)備大大減少，最關(guān)鍵的是連線更簡便，節(jié)省空間，便于維護。

3）節(jié)約成本：一般的生產(chǎn)線距離都比較長，分布廣，傳統(tǒng)控制模式需要大量的連線將控制接口與執(zhí)行設(shè)備一一連接。現(xiàn)在有了現(xiàn)場總線系統(tǒng)連線變得更加簡單，一條連線上可接多個設(shè)備，節(jié)省了電纜線和端口設(shè)備的數(shù)量，當需要擴展或者對流水線進行改進時，秩序從原來的連線上重新接一根控制線即可，而不需要重設(shè)端口和增加電子設(shè)備和電纜線，使生產(chǎn)變得更加靈活，壓低了成本和生產(chǎn)投入。

4 結(jié) 語

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車性能的可靠性和駕駛舒適性的要求變得越來越高，汽車電子智能化成為當前廣受關(guān)注的焦點。越來越多的電子設(shè)備裝載在汽車上，使得各模塊之間通訊變得復雜，系統(tǒng)運行的可靠性隨之降低。從不同單元傳輸過來的數(shù)據(jù)要處理，為了使系統(tǒng)達到具有儀表智能信息化、信息利用總線調(diào)度和共享、車載監(jiān)控系統(tǒng)對故障進行顯示和診斷等功能，不僅要有強大的中央處理器作為基礎(chǔ)，而且還需要方便快捷的操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)運行的平臺。

[1]鮑官軍,CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實現(xiàn)及發(fā)展趨勢，論文期刊,2003年1期,浙江工業(yè)大學學報。

[2]王建國,控制器局域網(wǎng)的協(xié)議分析及應(yīng)用,2007年10期,情報科學

[3]王春燕,現(xiàn)場總線技術(shù)在智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,2006年5期,電氣自動化出處。

[4]黃彩虹,淺談現(xiàn)場總線技術(shù)在4L5線灌裝線上的應(yīng)用,學位論文,2005年,中國科技信息。

[5」高杰,現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和發(fā)展出處,學術(shù)期刊,2006年6期,煤礦機械