基于Can總線的汽車儀表研究

郭芳磊

[摘 要]現(xiàn)場(chǎng)總線是最近20幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，CAN總線是一種最廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線在CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了一款CAN總線汽車儀表。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以微控制器P87C591為核心，以步進(jìn)電機(jī)和LCD為汽車儀表硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAN總線上的接收和發(fā)送。通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行表明，基于CAN總線的汽車儀表穩(wěn)定性、可靠性以及精度都比傳統(tǒng)的汽車儀表優(yōu)越。基于CAN總線的汽車儀表在容錯(cuò)處理和數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)管理抗干擾等方面都比傳統(tǒng)的汽車儀表優(yōu)越，滿足了汽車儀表指示精度與穩(wěn)定性要求。

[關(guān)鍵詞]CAN總線；汽車儀表；研究和設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）21-0012-01

前言：汽車儀表是汽車與駕駛員進(jìn)行信息交流的窗口，是汽車信息的中心，能夠集中、直觀、迅速地反映汽車在行駛過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如行駛速度、里程、電系狀況、制動(dòng)、壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、油量、各種危險(xiǎn)報(bào)警。微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和液晶顯示技術(shù)在汽車儀表中的不斷深入應(yīng)用，汽車儀表技術(shù)正加速朝著數(shù)字化、智能化、多元化和人性化的方向發(fā)展。目前汽儀表已經(jīng)由最初的基于機(jī)械作用力工作的機(jī)械式儀表發(fā)展到全數(shù)字形式其中以CAN總線的發(fā)展應(yīng)用最為廣泛，CAN總線是“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（ControllerAreaNetwork-BUS）”的簡(jiǎn)稱，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線系統(tǒng)大幅度降低了線束開(kāi)銷，同時(shí)又提高了信息的可靠性和電磁兼容性，所以在短時(shí)間內(nèi)得到了快速的發(fā)展。

1.汽車儀表及CAN總線技術(shù)概述

1.1 汽車儀表系統(tǒng)描述

+汽車組合儀表由以下幾部分組成：車速表、轉(zhuǎn)速表、指示報(bào)警燈、多功能信息顯示系統(tǒng)以及系統(tǒng)照明等。為了符合駕駛員習(xí)慣，車速表和轉(zhuǎn)速表使用常規(guī)的針式儀表，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀表指針指示出來(lái)。汽車儀表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示3個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收CAN總線傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器；微處理器接收到需要的數(shù)據(jù)后，按照預(yù)定的算法和要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果輸出。顯示模塊包括指針、LCD以及各種信號(hào)燈的顯示。

1.2 CAN總線特點(diǎn)

CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mb/s（40m），通信距離可達(dá)10km（40kb/s）。由于其通信速率高、可靠性好以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使其特別適合于交通運(yùn)載工具的電氣系統(tǒng)中。同時(shí)它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，備受汽車生產(chǎn)廠商的青睞，在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為了必須采用的裝置。

1.3 SAEJ1939數(shù)據(jù)幀格式

SAEJ1939協(xié)議數(shù)據(jù)幀以協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU為單位。PDU包含優(yōu)先級(jí)（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁(yè)（DP）、PDU格式（PF）、PDU細(xì)節(jié)（PS）、源地址（SA）以及數(shù)據(jù)域（DataField）。除了數(shù)據(jù)域之外的PDU對(duì)應(yīng)于CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符。其中PS是1個(gè)8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標(biāo)地址（DA）。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴(kuò)展（GE）。

2.CAN總線汽車儀表設(shè)計(jì)

2.1 儀表整體設(shè)計(jì)

汽車儀表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示3個(gè)模塊組成。采集來(lái)自汽車傳感器的車速、轉(zhuǎn)速、水溫和機(jī)油壓力信號(hào)，測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)單片機(jī)送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，分別顯示車速、轉(zhuǎn)速、水溫和機(jī)油壓力，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算汽車的行駛里程，并送入液晶顯示模塊顯示。儀表主要包括以下部分：用于車輛信息指示的發(fā)光管指示單元、用于車輛信息指示的液晶屏、用于指示車輛當(dāng)前狀態(tài)的各指示儀表、電壓模擬量接口、頻率模擬量接口、CAN總線接口和人機(jī)交互按鍵。根據(jù)對(duì)汽車儀表的整體分析，儀表顯示是以黑色作為背景色的，對(duì)比度高，使各個(gè)儀表的顯示較為突出，也避免駕駛員的視覺(jué)疲勞。汽車儀表盤由3個(gè)分表盤組成，左分表盤顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油量等數(shù)據(jù)，右分表盤顯示車速、油壓等數(shù)據(jù)，中分表盤用于放置LCD顯示屏以及各種指示燈。警信號(hào)區(qū)域設(shè)置在儀表的中間區(qū)域，車速表、轉(zhuǎn)速表都是以圓形表盤指針式顯示的，符合駕駛員對(duì)傳統(tǒng)儀表的使用習(xí)慣。

2.2 硬件選擇

儀表采用Luminary公司的LM3S2948處理器。處理器內(nèi)置CAN模塊方便了CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)使儀表的通信容易實(shí)現(xiàn)，提高了可靠性。該處理器具有很大的擴(kuò)展空間，在后續(xù)開(kāi)發(fā)中潛力巨大。美觀炫麗的用戶圖形界面，需要選擇圖形處理能力較強(qiáng)的處理芯片，因此選擇S3C6410處理器。由于LM3S2948內(nèi)置CAN控制器模塊，所以只需外接一個(gè)CAN收發(fā)器即可接收總線數(shù)據(jù)。PC-CAN接口卡選用CAN232智能CAN接口卡，它適合CAN-bus的小流量數(shù)據(jù)傳輸用，最高可達(dá)500幀/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，提供廣泛和強(qiáng)大的軟件支持。支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用的是微型步進(jìn)電機(jī)M-SX15.168，是為汽車儀表板指示和其它指示設(shè)備設(shè)計(jì)的大轉(zhuǎn)矩、低功耗、精密的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)需要兩路邏輯脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，可工作在5～10V的脈沖下，最大驅(qū)動(dòng)頻率為1100Hz。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊主要分為主程序模塊、CAN通信模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、表頭驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊等部分。主程序模塊通過(guò)調(diào)用各個(gè)子模塊程序來(lái)處理數(shù)據(jù)處理；CAN通信模塊負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)集及處理模塊完成對(duì)各種類型數(shù)據(jù)的采集以及計(jì)算；LCD顯示模塊將車速、油壓以及信號(hào)燈等信息顯示在儀表上。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中必須使用看門狗，以防止在強(qiáng)烈的電磁干擾時(shí)出現(xiàn)死鎖等現(xiàn)象。汽車的狀態(tài)實(shí)時(shí)性要求非常高，尤其是對(duì)汽車的車速實(shí)時(shí)性要求極高，所以相應(yīng)的軟件采用中斷進(jìn)行處理。

3.結(jié)語(yǔ)

汽車智能儀表是知識(shí)技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域，是多學(xué)科的綜合體技術(shù)。本項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)最先進(jìn)、多功能的汽車數(shù)字儀表，打破國(guó)外企業(yè)在這一領(lǐng)域的壟斷局面。CAN總線和汽車儀表系統(tǒng)的結(jié)合體，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)汽車技術(shù)的延伸，本研究是對(duì)該技術(shù)應(yīng)用在汽車儀表上的初步探索，本文主要從CAN總線的概念特有的安全可靠性、數(shù)據(jù)信息的共享性以及成本較低的特點(diǎn)，以及電子化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行論述在研究CAN總線和SAEJ1939協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)CAN總線汽車儀表。該設(shè)計(jì)充分利用LM3S2948的功能，較大程度上降低了系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)以及成本，同時(shí)其容錯(cuò)處理和數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)管理抗干擾等方面都比傳統(tǒng)的汽車儀表優(yōu)越，滿足了汽車儀表指示精度與穩(wěn)定性要求。

參考文獻(xiàn)

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