汽車起重機總線儀表的研制和應用

（1.四川長江工程起重機有限責任公司，四川瀘州,646006；2.大連理工汽車電子研究所，遼寧大連,116023）

汽車起重機總線儀表的研制和應用

陳杰斌,牛志明

（1.四川長江工程起重機有限責任公司，四川瀘州,646006；2.大連理工汽車電子研究所，遼寧大連,116023）

為滿足新一代G系列汽車起重機對儀表的功能、外觀和布局要求，其儀表設計分別應用了CAN總線和RS232串口雙總線通訊技術，既實現了信息共享，又降低了總線實施成本；獨特的分立式儀表布局使儀表臺的布局更加靈活，便于儀表維修；采用步進電機驅動和液晶顯示技術實現了儀表的數字化指示，提高指示精度，保證了儀表的一致性。通過總線儀表在實際應用中的反饋情況來看，完全滿足新一代G系列汽車起重機的配套要求，成功實現了汽車起重機儀表的更新換代。

汽車起重機；汽車儀表；CAN總線；RS232串口；步進電機

1 汽車儀表的發展趨勢

進入21世紀后，數字化、信息化和網絡化技術的突飛猛進的發展，為現代汽車儀表的發展提供了強有力的支撐。首先儀表所需的的信息不再由各種相應的傳感器分別通過不同的導線將模擬電信號或是脈沖信號進行傳遞，而是以網絡總線的形式將所需的所有信息通過只有少數幾根導線進行傳遞，不僅實現了信息共享，擴大了信息的流通量，而且還節約大量的導線，減輕了車身重量，相應也減少了大量的連接器以及繁瑣的布線工序，提高了系統的可靠性。網絡化、數字化最突出的優點就是使儀表系統工作的可靠性大為提高，同時也實現了智能化的故障診斷。其次儀表也由傳統模擬式發展成為全數字化儀表，典型代表分為兩大類，一類就是步進電機控制式儀表，另一類是顯示屏模擬指針指示或是數字顯示儀表，這兩類儀表都實現了信息的精確指示和高度的一致性，并且不受外界環境溫度和工作年限的影響。目前從實際應用情況分析，汽車儀表將是以步進電機儀表加上液晶顯示屏為當代的主流產品。

未來汽車儀表必將被用現代傳感測試、電子信息、計算機與網絡技術組成的智能化的綜合車載信息系統來取代，每臺車的儀表系統變為一個多媒體的世界，它標志著汽車儀表將要跨入一個嶄新的時代。

2 CAN總線在汽車儀表中的應用

控制局域網CAN （Controller Area Network）是國際上應用最廣泛的現場總線之一，是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試設備之間的數據交換而開發的一種通訊協議，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，目的是通過較少的信號線將汽車上的各種電子設備網絡連接起來，并提高數據傳輸的可靠性。

長江牌G系列汽車起重機是由四川長江工程起重機有限公司聯姻德國保時捷公司按歐洲標準設計并生產的，大量采用轎車元素，將世界頂級轎車的線型、理念和諸元素，率先引入重裝工程機械行業。作為駕駛室中的重要部件-汽車儀表，不僅在外觀上要與新型駕駛室的整體設計要求匹配，而且在功能及可靠性方面也要達到更高的標準要求。因此CAN總線必然成為汽車儀表設計中的重要一環。G系列汽車起重機的CAN總線通訊協議是以SEAJ1939通用協議標準為依據的，根據此協議可以通過CAN總線直接接收到由發動機電控單元ECU發出的車速、里程、發動機轉速、工作小時、水溫、油壓和尿素箱液位及溫度的數據，然后由各個儀表分別將接收到數據指示出來。這樣就可省去大部分儀表所匹配的傳感器和連接導線，同時也極大提高了儀表的指示精度和可靠性。

3 總線儀表系統的設計

3.1儀表系統的整體布局

本儀表系統是為具有“國Ⅳ”排放標準的G系列汽車起重機而設計的，它是由CAN總線接收模塊、車速里程表、發動機轉速及工作小時表、水溫表、油壓表、燃油表和尿素箱液位溫度表組成，如圖3-1所示。

圖3-1 儀表系統的組成

儀表系統采用的是分立式儀表形式，車速里程表采用?85標準外徑，其他儀表全部采用?60標準外徑，這種形式的特點就是布局靈活，方便組合，快速拆裝，便于維修更換，特別適合在工程車輛上應用。

儀表系統使用的是雙總線形式進行數據傳輸的，首先，發動機電控單元ECU通過CAN總線（雙線制CANH和CANL）將有關儀表的所有信息發送到接收模塊中，然后接收模塊將接收到的儀表數據再通過RS232串口總線的發送線TxD（單線制）傳送到各個儀表中，這種雙總線形式是分立式儀表系統數據傳輸的最佳選擇。圖3-2是駕駛室儀表板的實際布局圖。

圖3-2 儀表板實際布局圖

3.2CAN總線接收模塊的設計

CAN接收模塊的應用電路圖如圖3-3所示。它包括以下幾部分功能：

圖3-3 CAN接收模塊應用電路圖

1)高性能的穩壓電源模塊。由于車載電源波動較大，而且其電氣環境惡劣，因此穩壓電源模塊的性能好壞對于整個儀表系統是至關重要的，因此電源模塊必須具有過流、過壓和過熱等保護功能，同時要滿足車載電源工況的要求，為儀表系統提供可靠、穩定的電源。

2)CAN總線接收儀表數據的功能。發動機電控單元所發出的信息通過CAN總線傳輸到CAN總線收發器上，經過變換后由微控器進行接收，微控器進行數據匯總后，再通過RS232串口數據線TxD將各儀表數據統一的、定時的發送出去。

3)由于CAN總線報文中沒有燃油表的數據，所以接收模塊就需要將燃油傳感器的模擬電壓信號轉換成數字信號。燃油箱傳感器的信號經過A/D轉換電路由微控器進行A/D轉換、軟件濾波和數據匯總后，再由串口線TxD隨CAN總線數據統一發送。

4)RS232串口數據包的格式如圖3-4所示。

圖3-4 RS232串口數據包的格式

RS232串口數據包中，包括幀頭2個字節，儀表數據14個字節和CRC校驗2個字節，共有18個字節。接收模塊按100ms定時周期的廣播發送至串口總線上。

3.3儀表部分的設計

3.3.1 車速里程表和轉速小時表的設計

車速里程表和轉速小時表的工作原理基本相同，硬件電路完全一致，其電路原理圖如圖3-5所示。工作原理是微控器首先接收到由RS232串口數據線傳送的數據包，然后讀出相應的車速、里程數據或是轉速、工作小時數據，根據讀出的車速或是轉速數據，確定儀表步進電機的旋轉角度，微控器就通過驅動器控制步進電機旋轉到指定的角度位置，那么由步進電機帶動指針旋轉就可指示出實際的車速或轉速值，通過讀取數據包中的里程或是工作小時數據，再由微控器驅動6位液晶顯示器直接將數據顯示出來，也可以用步進電機驅動的6位機械輪計數器來記錄里程或是工作小時。

圖3-5 車速里程表和轉速小時表電路原理圖

由于被測量的數據是隨機變化的，有時快有時慢，為了讓儀表實時、直觀地顯示出輸入量的變化，驅動程序就必須對步進電機的每一步轉動進行適當的控制。可以說，一個汽車儀表做得好不好，關鍵就在于它對步進電機轉動速度的控制是否滿足實際要求。具體設計過程中的關鍵部分如下：

1)步進電機驅動器與微控器只有3根線相連，RST為復位端，CW為電機轉動方向控制端，f(scx)為脈沖輸入端，脈沖的每個上升沿驅動電機走一微步，即轉動1/12°，脈沖的頻率決定電機的轉動速度。

2)微控器在控制步進電機在轉動過程中，既要防止電機出現失步現象，又要實時精確指示出被測量的位置，那么步進電機的運轉過程必須遵循圖3-6的運動規律，起步階段為加速過程，待電機加速到最大轉動頻率后，進入勻速運動過程，快到目標位置時進行減速運動。當轉動角度較小時，可能會沒有勻速過程，從加速過程直接到減速過程，最終到達目標位置后停止。

圖3-6 步進電機的運動控制規律

3)車速里程表和轉速小時表的軟件設計

在車速里程表和轉速小時表的軟件設計中采用模塊化的設計思想，其功能主要包括有：RS23串口接收數據程序模塊；步進電機驅動程序模塊和液晶計數器顯示程序模塊。程序流程框圖如圖3-7所示。

圖3-7 車速里程表和轉速表軟件設計框圖

3.3.2 水溫表和油壓表和燃油表的設計

水溫表、油壓表和燃油表與車速里程表和轉速表的設計原理基本是相同的，在硬件電路中只是去掉了六位液晶顯示部分，也就是這三種儀表中沒有里程或小時計數電路。在軟件設計中，這三種儀表與車速里程表和轉速表的主要區別就是三種儀表步進電機的啟動頻率和最高運轉頻率都相應的降低一些，以適應這三種表指針變化相對緩慢的情形；另外一點就是此三種的指針指示角度范圍為90°，而車速里程表和轉速表的指針指示角度范圍是250°。

3.3.3 尿素箱液位溫度表的設計

尿素箱液位溫度表采用的是雙十段條碼液晶顯示方式，如圖3-8所示。左邊10個條形代表尿素箱液位值，右邊10個條形代表尿素箱溫度值。

尿素箱液位溫度表的軟件設計中主要包括有：RS23串口接收數據程序模塊和雙十段條碼液晶顯示程序模塊兩部分，其中RS23串口接收數據程序框圖與圖3-7中的串口接收子程序相同，主程序流程框圖如圖3-9所示。

圖3-8 尿素箱液位溫度表電路原理圖

本文介紹了一種基于CAN總線和RS232串口總線通訊的汽車起重機儀表的電路設計原理和軟件的實現方法，通過實際配套使用的反饋情況來看，完全滿足了新一代G系列汽車起重機的配套要求。由于采用獨特的分立式儀表布局使儀表臺的的布局更加靈活，儀表維修便利，因此特別適用于苛刻環境下的工程車輛使用。

圖3-9 尿素箱液位溫度表主程序流程框圖

[1] 楊忠敏．汽車儀表的發展現狀[J]．汽車電器，2004（4）:1-3

[2] 陳德池，廖國華，張航等．微處理器與現場總線技術[M]．長沙：中南大學出版社，2003: 211-244

[3] 李剛，陳世利，周鑫玲．飛思卡爾8位單片機實用教程[M]．北京：電子工業出版社，2009: 114-176

陳杰斌.出生年月：1972年5月.性別：男.籍貫：湖南省湘潭市.職稱：高級工程師.學位：重慶大學車輛工程專業碩士學位.研究方向：機械電子工程

Development and Application of Trunk Crane CAN Bus Instruments

Chen Jiebin，Niu Zhiming
（Sichuan Changjiang Engineering crane Co.,Ltd，646006;Dalian Boke Automobile Electronic Co.,Ltd,116023）

This paper provides discussion for the principle of CAN bus technology in the application of automobile instruments.In order to meet the functionality,appearance and layout requirements for the new generation of G series truck crane instruments,it adopts CAN and RS232 serial interface dual bus communication technology,which not only realizes information sharing,but also reduces the bus implementation cost.The unique discrete instrument layout brings the flexible instrument desk and instrument maintenance conveniences;Stepping motor drive and liquid crystal display are taken advantage to achieve the digital indicator,improve precision of the instructions and ensure the consistency of the instruments.According to the feedback in the actual application of CAN bus instrument,the requirements of the new generation of G series truck crane is fully satisfied,also at the same time,the upgrading of the Trunk Crane instruments is succeeded.

trunk crane;automobile instrument;CAN bus;RS-232;stepping motor

TH89

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