基于CAN總線的車用儀表系統的設計分析

鄭聰

摘 要：在汽車工業發展速度不斷提升的背景下，大眾對于車輛運行過程中安全性、舒適性的要求更為嚴格。同時，為滿足節能環保方面的要求，大量汽車電子控制設備開始廣泛應用于車輛控制系統中。本文即提出一種基于CAN總線的車用儀表系統設計方案，基于對CAN總線性能特點的分析，研究車用儀表系統硬件電路以及軟件系統模塊的設計要點，望能夠進一步優化車用儀表系統的相關性能。

關鍵詞：車用儀表系統；CAN總線；設計

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

作為車輛駕駛人員直觀了解車輛運行狀態的“平臺”——車用儀表裝置的重要意義是不言而喻的。傳統機械模擬式車用儀表已經難以滿足駕駛人員對車輛運行狀態參數的多樣化需求。新型車用儀表系統正基于對CAN總線技術的應用，逐步向著網絡化以及數字化方向發展。本文即構建一種基于CAN總線的車用儀表系統設計方法，將具體設計要點與方案總結如下：

一、CAN總線性能特點

與常規意義上的串口通信方式相比，在CAN總線的實際應用中，其主要體現出了以下幾個方面的性能優勢：第一，基于CAN總線技術的傳輸速率最高可達到1.0Mbps左右，低速狀態下的傳輸距離最遠可達到10.0km左右；第二，基于CAN總線技術采用雙線差分信號模式，可根據不同環境選擇雙絞線、光纖以及統籌電纜等通信介質；第三，基于CAN總線的通信協議自身對總線掛接節點數量無明顯限制，僅受發送節點驅動能力影響，單個網段節點數量應控制在32個以內；第四，基于CAN總線技術的通信協議采用短幀結構，受外部因素的干擾小且傳輸時間短；第五，基于CAN總線技術的通信協議以多主站結構模式，搭載于總線上的各個節點平等，任意節點均可在CAN總線空閑狀態下實現對數據的主動發送與傳輸。

二、系統硬件電路設計

1.系統整體方案分析

基于CAN總線的車用儀表系統應當通過搭載CAN總線技術的方式對車用儀表系統所產生各種模擬信號、數字脈沖信號、數字開關信號進行實時采集，獲取發動機電控單元以及車身模塊電控單元所對應信號數據，及時顯示車輛里程、行駛速度等參數。整套車用儀表系統應當具有結構直觀、數據精度高、線性度好、響應速度快、抗干擾能力強、重復性好以及性能穩定等諸多優勢。

2.系統關鍵器件選擇分析

在基于CAN總線的車用儀表裝置硬件系統中，所涉及到的關鍵器件包括微控制器以及步進電機這兩個方面。在器件的選擇上應當關注如下問題：（1）微控制器的選擇。本文所選擇為控制為u PD78F0822B單片機，該裝置與MCS-51有良好的兼容性，內部集成有步進電機控制驅動器、CAN控制器以及液晶驅動控制器等。應用該微控制器能夠使外部電路設計更為簡化，對提高系統整體抗干擾能力以及穩定性有重要意義與價值。（2）步進電機的選擇。本文選用基于VID29-05型步進電機作為車用儀表系統步進電機裝置。該裝置屬于精密性維特電機，內置180/1減速比的齒輪系，可用于車輛儀表指示盤中，實現數字信號與模擬信號的可靠轉換。該步進電機需要依托于兩路邏輯脈沖信號驅動，驅動方式包括微步式、分布式以及整步式這3種類型，所對應驅動頻率最大值在600Hz左右。在本文研究中，為確保車用儀表系統運轉更為穩定，減少硬件系統運轉狀態下的噪音干擾，對步進電機驅動方式選擇為微步驅動模式，通過對細分驅動技術的應用，以與正弦更為接近的脈沖序列驅動電機，從而使步進電機能夠獲得更小的微步步進。

3.系統外圍電路的設計

首先，在系統電源電路設計中，電源轉換芯片選型為L7805型，該芯片為三端集成穩壓芯片，內部含有過載、過熱以及過流保護電路，系統內部電容可有效預防電源浪涌問題，對電壓紋波脈動有良好的抑制效果。

其次，在信號數據采集電路設計中，以車輛運行速度周期信號為例，輸入儀表盤的周期或脈沖信號，經過信號處理電路濾波一調整后，送入單片機定時/計數模塊進行測量。由于LM393工作時噪聲干擾的存在，會在輸出端產生尖峰、階躍等干擾存在，因此我們在信號處理電路與單片機端口之間增加了光電隔離器。光電隔離器TLP521是能量型元件，它的導通需要5.0mA左右的電流，由于尖峰噪聲的電流不能使其導通，所以可以進一步過濾掉前端的干擾，保護單片機引腳的安全。

最后，在CAN總線通信接口電路設計中，PCA82C25O是CAN控制器和物理總線的接口，該器件可以提供對總線的差動發送和接收功能。PCA82C250主要特性有：與15011898標準完全兼容，高速率，具有抗汽車環境下的瞬間干擾，保護總線能力；具有斜率控制，降低射頻干擾，過熱保護，總線與電源及地之間的短路保護，低電流保護模式等模式。

三、系統軟件模塊設計

1.軟件設計思路分析

整套基于CAN總線技術的車用儀表系統軟件模塊包括主程序模塊、數據采集與處理模塊、CAN總線通信模塊、液晶顯示器模塊、步進電機驅動模塊、數據儲存模塊這幾個方面。模塊開發語言環境為C語言，軟件設計采用模塊化設計方法。

2.儀表系統的子模塊程序設計

首先，在基于CAN總線的通信模塊程序設計中，初始化設計是最為重要的一個環節。CAN控制器在上電、硬件復位、節點錯誤終端等情況下必須進行初始化設定，涉及到包括中斷配置、輸出管腳配置、濾波器驗收、濾波器模式、數據緩沖器以及總線位定時等功能。而在基于CAN總線的接收程序設計中，節點報文接收采用的是中斷控制方法。由于本方案中所選型微處理器中報文信息會自動儲存于內部擴展的RAM存儲區中，因此可在中斷程序中對數據進行直接讀取與處理，對提高數據實時性有重要意義。

其次，在數據采集處理模塊程序設計中，該模塊的主要功能是對車輛運行速度以及燃油液位高度等關鍵信號進行實時性采集與處理。根據傳感器輸出頻率以及調試結構，將脈沖信號采樣周期控制為100.0ms，以6次采樣結果平均值作為參考依據，故信號更新周期在600.0ms左右。程序實現中首先定時中斷，然后采集車速信號并處理，燃油液位信號經A/D轉換采樣后設置采樣次數為6次，對模擬量數據進行濾波處理，最終中斷完成。

最后，在步進電機控制模塊程序設計中，本模塊的主要目標是確保儀表指針能夠信號變化做出及時響應，同時避免步進電機指針出現過沖或失步等問題。因此，步進電機控制模塊程序設計中采用基于24細分的驅動模式，運轉精度為1/12°，用過引入加減速控制策略的方式以確保步進電機中指針運動軌跡的平順性。

結語

對于我國而言，汽車工業的發展時間相對較短，所積累的經驗也不夠豐富，在汽車電子產品的研究開發以及生產能力上還比較薄弱。目前，汽車電子化開發與應用已成為評估汽車工業發展水平的重要標志之一。在這一背景下，展開對汽車電子產品的研究與開發工作已成為汽車工藝的迫切需求。當前車輛儀表所需顯示的信息類型更多，內容更為多樣，且精度要求更加嚴格，以往的電子式儀表難以滿意上述要求。故本文提出一種基于CAN總線技術的車用儀表系統設計方案，望能夠通過對系統的應用，以促進車輛儀表系統功能的進一步發展與完善。

參考文獻

[1]李旭榮.基于CAN總線的純電動大巴組合儀表的設計[J].信息系統工程，2012（1）：20-21.