基于CAN/LIN 雙總線電動汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

江學(xué)煥，張金亮，樊紅莉，高 云，王志虎

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442000；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司動力設(shè)備廠，湖北 十堰442000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕煌üぞ撸嚤Ｓ辛恐鹉昱噬偈蛊囆袠I(yè)逐漸地發(fā)展成為全球的支柱性產(chǎn)業(yè)。在汽車產(chǎn)業(yè)不斷革新的過程中，作為汽車重要零部件的汽車儀表，也經(jīng)歷了一系列重大的技術(shù)創(chuàng)新，由傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表、電氣式儀表、模擬式電路電子式儀表向著全數(shù)字化儀表轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的組合儀表通常是把所有的儀表羅列出來，沒有重點(diǎn)，顯示內(nèi)容也比較有限，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車的發(fā)展和要求，因此汽車儀表數(shù)字化、智能化是一種必然的趨勢［1，2］。

純電動汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向，相對于傳統(tǒng)的燃油汽車有著很大的不同，其數(shù)字化儀表功能和需要顯示的內(nèi)容也要比傳統(tǒng)汽車多，此外為了確保汽車在行駛過程中的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等問題，駕駛員需要掌握的車況信息也越來越多［3，4］。從而導(dǎo)致電動車數(shù)字化儀表開發(fā)工作也要比傳統(tǒng)儀表復(fù)雜很多。各大汽車廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品、不同車型配備的數(shù)字化儀表的內(nèi)容和布局都不一致，因此純電動車數(shù)字化儀表的設(shè)計(jì)和功能呈現(xiàn)出多樣化的格局［5］。此外，新型傳感器和電子器件的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)及電子技術(shù)的發(fā)展，基于圖形用戶界面的解決方案在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用，也加速了電動汽車儀表數(shù)字化方向的發(fā)展［6］。

在車輛內(nèi)部，智能傳感器、微控制器之間需要進(jìn)行實(shí)時、高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸，增加了系統(tǒng)的靈活性的同時也對汽車通信系統(tǒng)提出了更高的要求，這也是被公認(rèn)的電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一［7］。目前控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）無疑是汽車控制網(wǎng)絡(luò)的主流，也是國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。它不僅大大減少了車身布線，還具有傳輸速率快、可靠性高的特點(diǎn)［8］。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)源多、測量點(diǎn)多以及數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性的要求，采用基于CAN/LIN 雙總線分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式，利用液晶屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表盤，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套電動汽車數(shù)字化液晶儀表顯示系統(tǒng)，能在不同的工作階段顯示不同信息，通過分屏分頁顯示極大地提高了儀表的利用率，并具有良好的人機(jī)交互界面。將該系統(tǒng)安裝到實(shí)際的電動車輛上進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮整體設(shè)計(jì)，開銷和成本是重要指標(biāo)，LIN 總線系統(tǒng)屬于SAE 規(guī)范中的A類汽車網(wǎng)絡(luò)，對于很多傳輸速率要求不高的場合，它是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的子總線系統(tǒng)，成本上要比CAN 總線系統(tǒng)低得多，而且能夠很好地滿足低速系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴囊蟆＼囕v內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)整體考慮各個子系統(tǒng)的功能需求，靈活選擇各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式，從而可以組建經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的汽車內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)以純電動車為應(yīng)用載體，磷酸鐵鋰電池作為動力電池，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用基于CAN/LIN 雙總線分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式構(gòu)成車輛內(nèi)部的控制網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)層次構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)整個架構(gòu)可以分四層，數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和人機(jī)交互層。

Figure 1 Layered architecture of the system network圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層，主要是通過各種類型的傳感器來采集動力電池組的信息和車輛的相關(guān)信號，經(jīng)過簡單處理遞交給數(shù)據(jù)傳輸層，不同的網(wǎng)段有不同的傳輸速率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有CAN/LIN 雙總線結(jié)構(gòu)，因此在該層中包含了CAN/LIN 兩種總線的數(shù)據(jù)協(xié)議。數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸遞交給數(shù)據(jù)處理層，該層包含了各種設(shè)備驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)與各類字庫等，對各種不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理融合，包含了很多算法，比如電池組剩余電量的計(jì)算，最終將整理好的各類數(shù)據(jù)傳遞給最上層，也就是人機(jī)交互層。該層主要包含了液晶顯示和語音提示兩部分，液晶直觀地顯示了用戶關(guān)心的各種信息，而語音部分在出現(xiàn)故障和報警狀態(tài)時會給出語音提示。數(shù)據(jù)在各層之間傳輸都具有雙向性，層與層之間通過各種接口進(jìn)行相互通信。

3 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

基于圖1 設(shè)計(jì)的分層架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了基于CAN/LIN 雙總線電動汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)的硬件平臺架構(gòu)，其框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由動力電池組、汽車信號、保護(hù)裝置、電動車載體/電子負(fù)載、通信接口、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、液晶顯示、上位機(jī)、LIN 總線子系統(tǒng)、CAN 總線子系統(tǒng)以及其他總線子系統(tǒng)等組成。

Figure 2 Architecture block diagram of the system hardware platform圖2 系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

動力電池組是整個系統(tǒng)的動力來源，系統(tǒng)各模塊所需的供電全部由電池組供給，但電池組串口后的總電壓比較高，需經(jīng)過電源模塊后轉(zhuǎn)化為低電平的電壓，供給其他的模塊工作。電池組作為系統(tǒng)重要的監(jiān)控對象之一，其基礎(chǔ)信息（單體電池的電壓、電池箱的溫度、電池組的電流等）需要通過LIN 子系統(tǒng)進(jìn)行采集，傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理后對其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。

LIN 總線子系統(tǒng)是面向傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線，充分考慮動力電池組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及連接方式，系統(tǒng)采用單主多從LIN 總線的通信方式較為合理，在具體設(shè)計(jì)中系統(tǒng)包含了多個LIN 總線的節(jié)點(diǎn)：電壓與溫度采集節(jié)點(diǎn)1～3和電流采集節(jié)點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)通過LIN 總線數(shù)據(jù)接口發(fā)送到LIN 總線的主節(jié)點(diǎn)—電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

系統(tǒng)中CAN 總線子系統(tǒng)也包含了多個CAN節(jié)點(diǎn)：車速信號檢測節(jié)點(diǎn)、輔助信息檢測節(jié)點(diǎn)、電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、其他CAN 總線節(jié)點(diǎn)等，采集到的數(shù)據(jù)通過CAN 總線數(shù)據(jù)接口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)融合處理。

考慮到系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展，系統(tǒng)預(yù)留了其他總線的接口，如Flexray、MOST、X－bywire等。

儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和其他各總線子系統(tǒng)、人機(jī)顯示界面相連，通過各種不同的接口將各子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并使用相應(yīng)的算法計(jì)算一些重要的特征參數(shù)，通過經(jīng)典的排序算法計(jì)算電池組中單體電池最高電壓、最低電壓、平均電壓以及電池組的總電壓，以及利用kalman計(jì)算電池組的SOC等。人機(jī)顯示界面包括了液晶屏和上位機(jī)兩部分：液晶屏即為車輛的數(shù)字儀表，通過分頁分屏大表盤的方式清楚地顯示車輛的各種信息；上位機(jī)藍(lán)牙無線傳輸模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，可實(shí)時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。

出于系統(tǒng)的安全考慮，系統(tǒng)除了給出常規(guī)信息外，還可以給出相關(guān)的異常報警信息，主要包括充電過壓報警、放電欠壓報警、過流保護(hù)等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)交互協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較多，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互協(xié)議才能夠保證數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定地傳輸，數(shù)據(jù)交互協(xié)議分三大類。

4.1.1 液晶屏與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

系統(tǒng)的液晶顯示單元采用迪文高分辨率的工業(yè)串口液晶屏，分辨率為800＊480，迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個數(shù)據(jù)傳輸采用10個位：一個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。串口的波特率通過SD 卡來配置，串口的所有指令或者數(shù)據(jù)都是采用16進(jìn)制（hex）格式；對于字型（2 個字節(jié)）數(shù)據(jù)，總是采用高字節(jié)先傳送（MSB）方式。其通信數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。

Table 1 Storage space analysis of the OBDDs data structure表1 液晶屏與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議 B

一個數(shù)據(jù)包能夠傳送的最大數(shù)據(jù)長度為254個字節(jié)（不要CRC校驗(yàn)）或者252字節(jié)（帶CRC校驗(yàn)）。

4.1.2 LIN 總線子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

LIN 總線子系統(tǒng)采用LIN2.0協(xié)議規(guī)范，報文幀由兩部分組成：幀頭和響應(yīng)。其報文幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

Table 2 LIN bus message frame structure表2 LIN 總線報文幀結(jié)構(gòu)

LIN 總線子系統(tǒng)采用單主多從的總線訪問方式，針對系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)通過輪詢周期性的方式訪問從節(jié)點(diǎn)，訪問時發(fā)送標(biāo)示符為0x3C的請求幀。將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，被訪問的從節(jié)點(diǎn)需要作出響應(yīng)，此時發(fā)送標(biāo)示符為0x3D 的響應(yīng)幀，從節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，從而完成數(shù)據(jù)的交互。

校驗(yàn)和采用“帶進(jìn)位加（ADDC）”方式計(jì)算，每個進(jìn)位都被加到本次結(jié)果的最低位（LSB），這就保證了數(shù)據(jù)字節(jié)的可靠性。

4.1.3 CAN 總線子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

CAN 總線子系統(tǒng)采用CAN2.0B協(xié)議擴(kuò)展幀的格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝傳輸，通信速率為250kb/s，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表3所示。傳輸中每個數(shù)據(jù)包分配唯一的標(biāo)示符，根據(jù)標(biāo)示符大小確定其優(yōu)先級。

Table 3 CAN bus message frame structure表3 CAN 總線報文幀結(jié)構(gòu)

基于上述的協(xié)議規(guī)范，定義三種類型的CAN數(shù)據(jù)幀：系統(tǒng)管理類、決策控制類和實(shí)時數(shù)據(jù)類。

（1）系統(tǒng)管理類。用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)的CAN 網(wǎng)絡(luò)。

（2）決策控制類。用于儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送決策控制指令給其他CAN 節(jié)點(diǎn)，完成保護(hù)或者其他功能。

（3）實(shí)時數(shù)據(jù)類。用于其他數(shù)據(jù)采集CAN 節(jié)點(diǎn)將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)融合。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)整體功能較多，其中數(shù)據(jù)融合處理模塊涉及到的內(nèi)容居多，其系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。

Figure 3 Overall flowchart of system operation圖3 系統(tǒng)運(yùn)行總體流程圖

系統(tǒng)上電首先要完成一系列的初始化工作，包括寄存 器、通 用IO 口、CAN 總 線 接 口、LIN 總 線接口、其他設(shè)備等初始化。公共的數(shù)據(jù)變量或者結(jié)構(gòu)初始化值需要讀取本地存儲器來進(jìn)行賦值。完成上述初始化內(nèi)容后系統(tǒng)進(jìn)行自檢，主要檢測與其他模塊之間是否能正常通信，從而才能保證整個系統(tǒng)正常地工作。系統(tǒng)自檢通過后，系統(tǒng)創(chuàng)建運(yùn)行任務(wù)，具體涉及到五個任務(wù)：數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、汽車信號及開關(guān)量采集任務(wù)、CAN 總線實(shí)時數(shù)據(jù)接收任務(wù)、CAN 總線實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、液晶屏實(shí)時數(shù)據(jù)顯示任務(wù)。每個任務(wù)的運(yùn)行方式基本相同，都由uc/os－II操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)來進(jìn)行實(shí)時調(diào)度。操作系統(tǒng)給每個任務(wù)分配唯一的優(yōu)先級。當(dāng)任務(wù)處于就緒狀態(tài)后，系統(tǒng)總是保證優(yōu)先級最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，uc/os－II是多任務(wù)、可搶占、強(qiáng)實(shí)時性的操作系統(tǒng)，因此除了支持上述優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度外還支持中斷級任務(wù)調(diào)度。

5 測試效果

基于上述系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)、數(shù)據(jù)交互協(xié)議、軟件總體流程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一整套CAN/LIN 雙總線電動汽車數(shù)據(jù)儀表系統(tǒng)。系統(tǒng)的儀表網(wǎng)關(guān)主控節(jié)點(diǎn)以及電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)均采用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的微控制器LPC1768，系統(tǒng)的液晶儀表采用迪文DGUS高分辨率（800＊480）的工業(yè)串口屏，LIN 子系統(tǒng)中電壓與溫度采集模塊中電壓采集采用LINEAR 公司開發(fā)的集成電壓采集芯片LTC6802，溫度采集采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

系統(tǒng)的整個安裝過程十分方便，只需將設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)化接口相互鏈接起來即可。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室通過電子負(fù)載模擬工況測試場景，如圖4所示。經(jīng)過電子負(fù)載的初步測試通過之后，便可以裝車進(jìn)行實(shí)際的行車測試，系統(tǒng)實(shí)際裝車接線實(shí)物如圖5所示，液晶數(shù)字化儀表顯示主界面如圖6所示。

Figure 4 Laboratory test environment圖4 實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境

Figure 5 A real graph of vehicle installation圖5 系統(tǒng)裝車實(shí)物圖

Figure 6 Display interface of the system LCD digital instrument圖6 系統(tǒng)液晶數(shù)字化儀表顯示主界面

具體測試選擇車輛平路起步加速的過程作為系統(tǒng)運(yùn)行場景。表4截取了實(shí)際車輛運(yùn)行過程中10秒鐘的測試數(shù)據(jù)。

Table 4 Actual running test data表4 實(shí)際運(yùn)行測試數(shù)據(jù)

為滿足測量精度的要求，傳感器數(shù)據(jù)每秒采集四次，在通過均值濾波處理提高數(shù)據(jù)精度，顯示界面數(shù)據(jù)采用1秒刷新一次，滿足數(shù)據(jù)顯示實(shí)時性要求和用戶視覺體驗(yàn)效果。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境和裝車實(shí)際環(huán)境測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，展現(xiàn)了較好的測試效果。

6 結(jié)束語

本文采用基于CAN/LIN 雙總線電動汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)，對CAN/LIN 組成的網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，硬件平臺架構(gòu)和軟件總體流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可針對不同的數(shù)據(jù)源高效采集、快速傳輸，系統(tǒng)分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式涉及到的數(shù)據(jù)交互協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)字液晶屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表盤，顯示內(nèi)容更加豐富，此外主界面上針對用戶最關(guān)心的參數(shù)設(shè)計(jì)為大表盤顯示，并附帶數(shù)字顯示，顯示效果更加直觀、明了、精確。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)人機(jī)交互效果好、實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高。

［1］ An Zong－quan，Yu Dao－h(huán)e.Current statue and prospect of auto meter technology ［J］.China New Technologies and Products，2011（11）：164－165.（in Chinese）

［2］ Wu Hui－min.Analysis of present situation and prospects of new energy vehicles［D］.Changchun：Jilin University，2012.（in Chinese）

［3］ Wu Dun－fu，Wu Yu－song.Design of dashboard of battery electric vehicle［J］.Instrumentation Technology，2010（11）：38－41.（in Chinese）

［4］ Hu Wen－jiang，Jiang Jie，Li Jie.The application and study for the digital vehicle instrument system［J］.Microcomputer Information，2006，22（35）：220－222.（in Chinese）

［5］ Zhang Jin－liang，Jiang Xue－h(huán)uan，Jian Wei.The real－time LCD system for the pure electric vehicle based on the CAN bus［C］∥Proc of 2013IEEE 9th International Conference on Mobile Ad－h(huán)oc and Sensor Networks（MSN），2013：278－282.

［6］ Ding Shou－cheng，Li Jian－h(huán)ai，Xiao Li－mei，et al.Intelligent digital multi－purpose vehicle instrument［J］.Przeglod Elektrotechniczny（Electrical Review），2012（56）：64－67.

［7］ Wu Jun－feng，Wang Hai－ying，Li Ge－chen.Design method of CAN BUS network communication structure for electric vehicle［C］∥Proc of 2010International Forum on Strategic Technology（IFOST），2010：326－329.

［8］ Qi Li－wei.Research and design of CAN bus network architecture for electric［D］.Changsha：Hunan University，2013.（in Chinese）

附中文參考文獻(xiàn)：

［1］ 安宗權(quán)，余道和.汽車儀表技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（11）：164－165.

［2］ 吳會敏.我國新能源汽車的現(xiàn)狀及前景分析［D］.長春：吉林大學(xué)，2012.

［3］ 吳敦福，吳玉松.純電動車組合儀表的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2010（11）：38－41.

［4］ 胡文江，江杰，李杰.全數(shù)字化車輛儀表的應(yīng)用研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（35）：220－222.

［8］ 齊利威.電動車CAN 總線網(wǎng)絡(luò)整車架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)［D］.長沙：湖南大學(xué)，2013.