一種基于汽車CAN通信的液晶顯示系統設計

史波峰，楊帆（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

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一種基于汽車CAN通信的液晶顯示系統設計

史波峰，楊帆
（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

摘要：隨著汽車電子化高速發展，其車身上電控產品不斷的豐富，本產品可以通過CAN通信向用戶提供更為詳細的車輛工作狀態消息。對于汽車用戶，此設備提供一個解析并實時顯示的終端產品。文章著重在現有產品類型上，設計一款可滿足多種具有CAN通信功能，且能夠靈活布局顯示內容，便于根據不同顯示需求能夠具有一定二次開發程度的顯示系統。

關鍵詞：液晶顯示屏；CAN通信；低溫啟動；顯示模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-122-03

1、技術背景

隨著國外汽車公司涉足中國市場，先進技術的引進及國內現有技術的不斷進步，我國商用汽車領域電子化程度在不斷加劇。隨著汽車電子技術的飛速發展，汽車電子化程度越來越高，傳統布線方式已經不能滿足需求。乘用車領域由于對駕駛舒適度的需求使得電子化發展迅速，整車CAN通信技術已經較為成熟，各類配套設備完善。商用汽車領域中雖然還普遍存在傳統純機械式設備，但是逐漸向電子化發展是必然趨勢。其中電噴發動機的應用，以及商用車使用的ABS都是具有CAN通信能力電控設備。

雖然目前我國現有交通運輸狀況及運輸成本等諸多因素限制，商用汽車多數仍選用MT變速箱，但不可否認AMT變速箱，AT變速箱終將替代傳統MT變速箱。另外，隨著道路安全意識深入人心，各類輔助制動，ABS等安全設備都逐漸走入商用汽車用戶的視野。但是這類產品往往都需要電控單元進行系統控制，并通過CAN通信與整車進行協調。CAN通信已經作為汽車上設備控制，設備間協調工作，故障反饋，信息通信的重要方式。

目前針對液力緩速器，AMT變速箱，AT變速箱，用戶在使用此類產品時，除非新車由OEM進行電控匹配工作，否則傳統儀表無法顯示設備的工作狀態。并且在目前商用車電子化發展的過渡時期，電控匹配工作并未一件容易的工作，往往會遇到沒有合適的儀表提供顯示服務。此類產品可為用戶提供一款可用于顯示設備工作狀態的顯示設備，能引導用戶正確地了解電控設備，并且有效的使用。

2、設計要求

由于CAN通信應用領域十分廣泛，該系統只針對汽車方面的應用實例進行設計。國內商用車多遵照SAE J1939協議符合CAN 2.0B通信制式。該產品在設計之初就必須使得該顯示系統能夠滿足各類設備不同CAN通信報文的顯示需求。此外作為商用車輛，往往會在殘酷的工作環境中運行，對于道路車輛的所有電子設備都有嚴格的環境性能要求。該顯示系統需能夠在符合ISO 16750道路車輛環境要求的工況下正常使用。

2.1顯示方案規劃

由于該液晶顯示屏幕并非用于取代原有汽車顯示儀表，只是為加裝某公司特殊電控類產品汽車的司機用戶提供額外信息顯示使用，所以該液晶顯示屏幕在顯示尺寸上須有一定限定，并且利于安裝。

電控設備往往存在多種工作狀態，也會根據各種工作狀態反饋不同的信息，這也使CAN總線上只有一個設備也可能包含較為繁雜通信信息。例如自動變速箱在使用中可能會因不同故障向CAN總線發送大量故障碼。受限于屏幕尺寸，無法在屏幕上同時顯示全部信息。如果全部顯示，則顯示內容字體大小將會讓用戶難以辨識，更加在行車中產生危險。屏幕尺寸與顯示內容這兩種因素相互之間矛盾，既要求尺寸有所限制，又需能夠顯示足夠的信息量，合理利用顯示區域尤為重要。

最終設計方案選用LCD12232F點陣顯示屏，該屏幕自帶中英文字符庫能夠支持字符模式及繪圖模式兩種顯示狀態，并能自由切換以滿足不同狀態下先得的需要。

2.2背光顏色切換

SAE J1939通信協議中對設備在CAN總線中故障碼的制式提出了明確要求。故障碼在總線中傳遞時必須包含故障等級說明，一般常分為三級，正常，一般故障，嚴重故障。顯示系統在能夠處理這類特殊報文的同時必須能給司機提供醒目的提示，尤其是在警告狀態下。如果出現警告狀態，然而司機并未留意屏幕上顯示內容繼續操作車輛，往往會造成嚴重后果，不但車輛設備受損損失財產，更甚至威脅生命。

顯示屏幕上在處理該類報文后顯示特殊文字或圖表提醒司機正確處置故障。在車輛上往往采用不同顏色進行警示提醒，所以在現有顯示屏幕上必須根據故障代碼更新顯示內容的同時也應根據故障等級切換背光顏色。方案設計中根據汽車行業標準劃分為三個等級，正常模式綠色背光，一般故障琥珀色背光，嚴重故障紅色背光。

在實際測試方案時發現由于不同背光會影響液晶屏幕顯示灰階度，MCU需能夠在每一種背光下合理調節灰階度，使得顯示效果達到理想狀態。

2.3低溫環境快速啟動

由于選用液晶屏幕作為顯示載體，受其自身材料本身特性影響，在低溫環境下流動性降低制約了其顯示能力。經過試驗測試，在低溫-10℃時，屏幕顯示會存在顯示更新延時；溫度低于-20℃時，基本無法正常使用；尤其是在-40℃極限環境下，啟動后屏幕不顯示任何內容。

這些特殊工況是商用汽車都會面對的情況，并且這也不符合ISO 16750道路車輛電子設備標準中對電子設備的最低要求。為能夠在極限工況下該屏幕系統仍能夠為用戶及時準確地提供顯示服務。通過測試證明，在液晶屏幕下方安置一片與屏幕尺寸相同的加熱絲，可以有效改善低溫時工作環境。在低溫環境下，啟動加熱絲，并且加熱絲加熱功率能夠緊隨環境溫度自行調節，及時將屏幕溫度上升到可工作范圍內，實現屏幕快速啟動。

該方案需要對加熱絲進行功率調節，利用占空比可調的PWM 波，調節加熱絲上施加的等效電流大小從而調節加熱絲加熱功率。為能夠根據環境溫度調節PWM波占空比需有溫度反饋量，所以方案設計中在屏幕下方電路板中內置溫度傳感芯片，實時獲取環境溫度量，及時調整加熱絲功率。并且通過該溫度傳感芯片獲得溫度信息，自動開啟關閉加熱絲工作，進而降低能耗。

3、實現方案

3.1系統流程圖

圖2　系統流程圖

系統通過利用MCU處理單元對整車CAN網絡中需要解析的CAN報文進行實時監聽，利用多級外部中斷與時間中斷機制，形成針對不同情況下的事件響應機制，以滿足對復雜通訊信息的解析工作。通過設立事件響應機制，觸發不同事件下對屏幕顯示模式的更改需求，同時進行顯示內容的刷新工作，從而實現屏幕復用功能，即顯示狀態切換功能。該機制的設立能夠很好地解決小尺寸屏幕顯示大量信息的問題，并因為其具有一定信息識別判斷能力，無需單獨設立顯示切換按鍵，從而方便使用。

系統在上電后首先完成對MCU及外圍設備的初始化工作，測得此時環境溫度，決定是否需要啟動加熱絲。之后監聽CAN總線通信報文。圖2以顯示系統流程圖。其中在監聽CAN總線消息時分別利用了不同響應方式，使得能都同時處理大量CAN報文，并且根據這些消息的優先級決策出顯示模式，進而更新顯示內容。

3.2硬件系統簡圖

圖3　硬件系統簡圖

液晶屏幕顯示系統整體對外具有四路引腳，其中兩路作為供電使用，另外兩路是CAN通信中的CAN_H和CAN_L。由于液晶顯示設備并非整車CAN總網終端設備，內部未添加120Ω終端電阻，以配合整車使用。

考慮到供電系統的兼容性問題，在電源處理上使用電壓范圍較寬的DC-DC電路進行處理，能夠完全適應12V及24V系統使用。并且耐受電壓能力較好，可承受一定范圍的瞬時電壓沖擊。

為使加熱絲升溫迅速，以使設備能夠在零下甚至-40℃環境中快速啟動恢復到正常工作狀態。電路設計上采取利用車輛外部供電驅動加熱絲，然后通過MCU進行PWM控制，以調解加熱絲實際工作功率。該方案能夠有效地提升系統在極端環境下的響應時間，經實際測試在-40℃工況下，3分鐘即可達到正常使用狀態，滿足使用需求。

3.3顯示界面布局

由于顯示方式存在兩種模式的切換，尤其是在繪圖模式狀態下，顯示的布局尤為重要。顯示布局可任意設計規劃，利于二次開發，同時在保證顯示能容足夠清楚的同時，盡可能提供豐富的顯示內容。

繪圖顯示狀態，圖4為一種顯示狀態。

圖4　繪圖顯示布局

在繪圖顯示狀態下，整版屏幕用于顯示其工作狀態。

該模式狀態下總計將屏幕劃分為三個區域并在程序上做以優化，只有當該三者信息發生更改時，屏幕信息隨即發生更改。該做法能夠有效降低屏幕跟新速率，由于使用繪圖模式，屏幕是直接進行點陣操作，過快的更新速率會產生嚴重的危害，使系統存在不穩定性。根據實際使用情況合理的降低更新速率，但是又不能出現顯示延時狀態。

字符顯示狀態，圖5為一款變速箱出現故障碼為001時的顯示狀態。

圖5　字符顯示布局

繪圖顯示狀態尤其獨特的優勢，例如布局自由，顯示內容不受限制等特點，但是在高信息量的情況下就不太適合使用，尤其對于復雜的組合狀態顯示。

圖5利用LCD12232F屏幕自帶字符庫對大量信息進行編排在一個版面上進行顯示。該顯示狀態只有在出現故障報警時才會自動切換進去，并且會根據故障等級更換背光顏色。該模式下只有當故障消失后會自動消失返回到之前的繪圖模式，如圖4所示。該模式下“C”表示當前意思，結合后方緊跟數字表示當前檔位數；“S”表示目標意思，結合后方緊跟數字標示目標檔位數；第一行后方“警告”是對故障等級的反饋，并切換背光為紅色，另外一個較低等級為“注意”，對應背光為琥珀色；下方數字為顯示系統解析故障報文后自行解析出的故障報碼，方便用戶查詢手冊解釋了解故障信息，解決問題。

4、總結

該液晶顯示系統具有良好的二次開發功能，屏幕顯示代碼進行了封裝，方便根據不同產品規劃不同顯示布局方案，已經可以為本公司多款電控產品提供顯示服務，甚至能夠為試驗臺等設備提供顯示服務。顯示內容布局靈活，兩種不同的顯示方案可以單獨或結合使用，以滿足多種使用需求。多級背光的引入可以額外的提供不同等級信息，以提醒用戶觀察設備運行狀況。低溫快速啟動的溫度補償方案能夠顯示系統在極端低溫環境下快速恢復到正常工作范圍，不會因為環境因素無法為用戶提供準確及時的信息。經試驗證明，該液晶顯示系統能夠在-40℃環境下3分鐘內快速恢復正常顯示，并能夠在該環境下正常工作，完全符合ISO 16750中對汽車電子的低溫環境運行存儲要求。

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A LCD(liquid crystal display) system design based on vehicle CAN communication

Shi Bofeng, Yang Fan
（Shaanxi FAST Gear Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710119）

Abstract:With the high-speed development of automobile electronic, electronic control products which are on vehicle are more and more growing, this product can provide customers with a more detailed vehicle operation status message by the CAN communication. For the car driver, this equipment could provide information resolution and real-time display as a terminal. In this paper, base on the existing product, designed a display system which can meet a variety of CAN communication function and flexible layout display content, and it can also make the secondary development which has different requirements easier.

Keywords:liquid crystal display; CAN communication; Low temperature start; display mode

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-122-03

作者簡介：史波峰，就職于陜西法士特齒輪有限責任公司。