基于Can總線的汽車儀表研究

郭芳磊

[摘 要]現場總線是最近20幾年發展起來的新技術，CAN總線是一種最廣泛應用的現場總線在CAN總線技術的基礎上，研究和設計了一款CAN總線汽車儀表。該系統設計是以微控制器P87C591為核心，以步進電機和LCD為汽車儀表硬件平臺，實現數據在CAN總線上的接收和發送。通過實際的運行表明，基于CAN總線的汽車儀表穩定性、可靠性以及精度都比傳統的汽車儀表優越。基于CAN總線的汽車儀表在容錯處理和數據交換、系統管理抗干擾等方面都比傳統的汽車儀表優越，滿足了汽車儀表指示精度與穩定性要求。

[關鍵詞]CAN總線；汽車儀表；研究和設計

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）21-0012-01

前言：汽車儀表是汽車與駕駛員進行信息交流的窗口，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程中的各種動態指標，如行駛速度、里程、電系狀況、制動、壓力、發動機轉速、冷卻液溫度、油量、各種危險報警。微電子技術、網絡通信技術和液晶顯示技術在汽車儀表中的不斷深入應用，汽車儀表技術正加速朝著數字化、智能化、多元化和人性化的方向發展。目前汽儀表已經由最初的基于機械作用力工作的機械式儀表發展到全數字形式其中以CAN總線的發展應用最為廣泛，CAN總線是“控制器局域網總線技術（ControllerAreaNetwork-BUS）”的簡稱，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線系統大幅度降低了線束開銷，同時又提高了信息的可靠性和電磁兼容性，所以在短時間內得到了快速的發展。

1.汽車儀表及CAN總線技術概述

1.1 汽車儀表系統描述

+汽車組合儀表由以下幾部分組成：車速表、轉速表、指示報警燈、多功能信息顯示系統以及系統照明等。為了符合駕駛員習慣，車速表和轉速表使用常規的針式儀表，通過步進電機驅動儀表指針指示出來。汽車儀表系統由數據采集、處理以及顯示3個模塊組成。數據采集模塊負責接收CAN總線傳輸的各種數據，并將處理后的數據發送到微處理器；微處理器接收到需要的數據后，按照預定的算法和要求對數據進行處理，并將結果輸出。顯示模塊包括指針、LCD以及各種信號燈的顯示。

1.2 CAN總線特點

CAN總線屬于現場總線的范疇，是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數據交換而開發的一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mb/s（40m），通信距離可達10km（40kb/s）。由于其通信速率高、可靠性好以及價格低廉等特點，使其特別適合于交通運載工具的電氣系統中。同時它的短幀數據結構、非破壞性總線性仲裁技術以及靈活的通訊方式適應了汽車的實時性和可靠性要求，備受汽車生產廠商的青睞，在現代汽車設計中，CAN已經成為了必須采用的裝置。

1.3 SAEJ1939數據幀格式

SAEJ1939協議數據幀以協議數據單元PDU為單位。PDU包含優先級（P）、保留位（R）、數據頁（DP）、PDU格式（PF）、PDU細節（PS）、源地址（SA）以及數據域（DataField）。除了數據域之外的PDU對應于CAN擴展幀的29位標識符。其中PS是1個8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標地址（DA）。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴展（GE）。

2.CAN總線汽車儀表設計

2.1 儀表整體設計

汽車儀表系統由數據采集、處理以及顯示3個模塊組成。采集來自汽車傳感器的車速、轉速、水溫和機油壓力信號，測量結果經過單片機送入步進電機驅動模塊，驅動步進電機，分別顯示車速、轉速、水溫和機油壓力，通過單片機計算汽車的行駛里程，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、用于指示車輛當前狀態的各指示儀表、電壓模擬量接口、頻率模擬量接口、CAN總線接口和人機交互按鍵。根據對汽車儀表的整體分析，儀表顯示是以黑色作為背景色的，對比度高，使各個儀表的顯示較為突出，也避免駕駛員的視覺疲勞。汽車儀表盤由3個分表盤組成，左分表盤顯示發動機轉速、油量等數據，右分表盤顯示車速、油壓等數據，中分表盤用于放置LCD顯示屏以及各種指示燈。警信號區域設置在儀表的中間區域，車速表、轉速表都是以圓形表盤指針式顯示的，符合駕駛員對傳統儀表的使用習慣。

2.2 硬件選擇

儀表采用Luminary公司的LM3S2948處理器。處理器內置CAN模塊方便了CAN總線數據的傳輸，同時使儀表的通信容易實現，提高了可靠性。該處理器具有很大的擴展空間，在后續開發中潛力巨大。美觀炫麗的用戶圖形界面，需要選擇圖形處理能力較強的處理芯片，因此選擇S3C6410處理器。由于LM3S2948內置CAN控制器模塊，所以只需外接一個CAN收發器即可接收總線數據。PC-CAN接口卡選用CAN232智能CAN接口卡，它適合CAN-bus的小流量數據傳輸用，最高可達500幀/秒的數據傳輸速率，提供廣泛和強大的軟件支持。支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等開發環境下進行設計。系統選用的是微型步進電機M-SX15.168，是為汽車儀表板指示和其它指示設備設計的大轉矩、低功耗、精密的步進電機。步進電機需要兩路邏輯脈沖信號驅動，可工作在5～10V的脈沖下，最大驅動頻率為1100Hz。

2.3 系統軟件設計

軟件模塊主要分為主程序模塊、CAN通信模塊、數據采集及處理模塊、表頭驅動模塊、LCD顯示模塊等部分。主程序模塊通過調用各個子模塊程序來處理數據處理；CAN通信模塊負責發送和接收數據；數據集及處理模塊完成對各種類型數據的采集以及計算；LCD顯示模塊將車速、油壓以及信號燈等信息顯示在儀表上。在整個運行過程中必須使用看門狗，以防止在強烈的電磁干擾時出現死鎖等現象。汽車的狀態實時性要求非常高，尤其是對汽車的車速實時性要求極高，所以相應的軟件采用中斷進行處理。

3.結語

汽車智能儀表是知識技術密集型產業，涉及光、機、電、計算機、通信等領域，是多學科的綜合體技術。本項目的目標是開發最先進、多功能的汽車數字儀表，打破國外企業在這一領域的壟斷局面。CAN總線和汽車儀表系統的結合體，是計算機技術和網絡技術汽車技術的延伸，本研究是對該技術應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、數據信息的共享性以及成本較低的特點，以及電子化、智能化的發展趨勢三個方面來進行論述在研究CAN總線和SAEJ1939協議的基礎上，設計CAN總線汽車儀表。該設計充分利用LM3S2948的功能，較大程度上降低了系統外圍電路的設計以及成本，同時其容錯處理和數據交換、系統管理抗干擾等方面都比傳統的汽車儀表優越，滿足了汽車儀表指示精度與穩定性要求。

參考文獻

[1] 尹夢舒，馮常.一種基于CAN總線的汽車儀表顯示設計[J].機械，2015，12：32-35.

[2] 盧嘉偉.對汽車儀表CAN總線的研究[J].黑龍江科技信息，2015，26：71.