CAN總線的車用儀表系統設計與實現

葉青艷

(煙臺汽車工程職業學院 汽車工程系, 山東 煙臺 265500)

0 引言

隨著我國科技以及經濟的迅速發展，人們的整體生活水平漸漸向著小康生活靠攏，消費水平的提高促使人們將汽車作為代步工具，替代傳統的步行方式有利于節省人們的大量時間。而汽車制造領域為了滿足人們對于汽車的性能需求，在汽車制造過程中投入大量的設備，比如為了強化汽車的通信功能，增強了汽車主控單元的復雜程度。實際上，汽車的重要組成部件為儀表盤，汽車的儀表盤可以實現人車交互界面，促使人們對于汽車的使用程度更加熟練，為了強化車用儀表系統對于信號模擬的精準性，將在汽車的設計開發過程中加入CAN總線技術，并通過敘述CAN總線的工作原理，從而設計車用儀表系統的硬件部分以及軟件編程，以此實現CAN總線技術的遠程控制功能，并通過車用儀表系統的測試實驗，證明基于CAN總線的車用儀表系統具有精準度高、成本低等優勢，具有一定的使用價值。

1 車用儀表系統的需求分析

1.1 提供全面詳細的信息

為保證用戶可以通過汽車的儀表盤輕松掌握基本內容，將在汽車中增加電子器件以及設備的使用數量，而通過電子器件以及設備的使用數量不斷增加，用戶可以根據儀表系統查看汽車的使用油量信息、汽車的實時速度以及車廂溫度等常規信息之外，還可以看到更加全面的數據信息，通過該數據的展示有利于駕駛員及時更改操作技術，并有效節約油量，降低使用成本，全面的數據信息主要指的是單位時間內油量的消耗數據[1]。

1.2 具備較高的響應實時度

在汽車的行駛過程中由車用儀表系統向駕駛員提供全面且詳細的數據信息有利于提高用戶對汽車的信賴程度，從而實現汽車的銷量峰值，并且車用儀表系統向駕駛員提供全面且詳細的數據信息應具備良好的時效性，有利于向駕駛員實時反饋更加準確的車身及路況信息。因此，為提高汽車的優越性能，汽車的車用儀表系統應具有較高的響應實時度[2]。

1.3 具備較高的可靠性

車用儀表系統的需求除了應該具有全面的數據信息以及良好的響實時度，還應該具備較高的可靠性以及一定的實用性，較高的可靠性有利于駕駛員對汽車的信賴程度顯著提升，而車用儀表系統所提供的數據信息是否正確將直接影響駕駛員的操作行為，嚴重者將出現一系列的交通事故。因此，車用儀表系統可靠性以及安全性具有重要作用，保障駕駛員的安全[3]。

1.4 直觀的顯示信息

車用儀表系統向駕駛員直觀地展示界面信息，可以促進駕駛員對于汽車的熟練程度，每當駕駛員對于車用儀表系統的功能產生不解時，便可以通過車用儀表系統所提供的信息進行操作，隨著汽車儀表系統為提高自身性能不斷在自身增加電子器件以及設備的使用數量，促使汽車的發展越來越好，隨之而來的是汽車的狀態信息不能實時更新。因此，在汽車的儀表系統中以直觀的形式展示界面信息至關重要[4]。

2 CAN總線的概述分析

2.1 CAN總線的內涵

CAN總線實際上指的是控制局域網，主要通過網絡為汽車提供微控制器通信，該通信方式有利于促進汽車之間ECU的交換數據信息，并通過控制局域網控制汽車的運行狀態，從而形成獨特的汽車電子控制網絡。CAN總線最早出現于德國，通過德國的不斷完善，將CAN總線形成現階段的通信協議，目前CAN總線主要通過多主方式實現串行通信接口，基于CAN總線的車用儀表系統具有極強的位速率以及抗干擾性，可以排除外界干擾因素，促使車用儀表系統的信號傳播速度可以高達10 km的時候，基于CAN總線的車用儀表系統仍可以傳輸較高頻率的數據信息，具有重要意義[5]。

2.2 CAN總線的特點

根據分析表明，CAN總線的應用具有多種優勢，并且CAN總線的通信協議主要包含2種，分別是CAN2.0A以及CAN2.0B。其中CAN2.0A通訊協議的實現主要包含4種幀格式，數據幀屬于CAN2.0A的主體格式，主要應用于各個節點之間的信息傳遞，具有重要作用；遠程幀主要在數據幀的基礎上用于發送相同標識的數據幀；出錯幀主要發揮其自身的檢測作用，用來檢測CAN總線在應用過程中出現的錯誤數據，并進行標志；超載幀主要由相應的標志以及界定符號組成，當CAN總線在應用過程中出現超載現象時而出現的邏輯狀態。CAN2.0B通訊協議的實現主要包含2種幀格式，分別是標準幀以及擴展幀，其中標準幀主要將數據信息分為11個字節進行展示；而擴展幀主要將數據信息分為13個字節進行展示[6]。

3 基于CAN總線的車用儀表系統的架構分析及其工作原理

3.1 車用儀表系統的結構

車用儀表系統的系統框架圖如圖1所示。

圖1 車用儀表系統的系統框架圖

從圖中可以看出本文主要將車用儀表系統的系統框架分為3部分，分別是儀表系統、CAN總線以及信號模擬裝置，其中車用儀表系統中最主要的核心要素包括車速表、轉速表、水溫表、燃油量表、檔位開關燈以及其他電器；而信號模擬裝置包含了多種信號模擬，分別是轉速模擬信號、車速模擬信號、水溫模擬信號、燃油量模擬信號、檔位開關信號以及其他信號[7]。

3.2 車用儀表系統的工作原理

基于CAN總線技術的車用儀表系統主要通過信號模擬裝置進行信息交互，為保證CAN總線向車用儀表系統傳輸正確的數據信息，將在車用儀表系統中加入微控制器，并且，微控制器應選擇MOTOROLA中的MC9S12DG128，因其內部具有2個相對獨立的MSCAN控制器，可以從全方位角度大幅度地縮短開發周期，并降低車用儀表系統的開發難度，從根源上提高車用儀表系統的多方面性能。車用儀表系統的信號模擬裝置中，將為其設置人機交互界面，有利于操作者通過清晰的人機交互界面觀察輸入信號的量值。人機交互界面中包含的輸入按鈕將通過AD轉換器將對應的數字信號傳入至MCU中，再通過MCU將所形成的數據信息存儲至CAN的數據寄存器中，最終傳入至CAN總線終端。儀表系統中的CAN模塊會接收總線上的數據，將接受到的數據傳送到儀表MCU中，通過儀表中的MCU對數據進行處理，執行相應的動作，最終完成系統間的通信[8]。

4 基于CAN總線技術的車用儀表系統設計

4.1 車用儀表系統硬件設計

4.1.1 系統總體結構

為保證基于CAN總線技術的車用儀表系統可以順利運行，將在其硬件設計中通過脈沖信號對電路進行調理，脈沖信號主要指的是基于CAN總線技術的汽車速度以及電機轉動速度，車用儀表系統將對脈沖信號進行全面整形，并進行光電隔離加工，加工完成后將該信號的數據信息傳送至單片機中，從而實現脈沖信號的測量過程。相對于脈沖信號的測量，針對模擬信號的設定，將選擇水溫以及機油的壓力進行模擬，其操作過程為將脈沖信號測量的數據傳送至單片機后，通過單片機的A/D轉換功能將數據輸入端中，并將最終測量結果通過單片機傳送至步進電機的驅動模塊，驅動電機正常運轉，從而實現汽車數據在人際交互界面顯示，基于CAN總線技術的智能儀表硬件系統總體結構圖[9]如圖2所示。

圖2 基于CAN總線技術的智能儀表硬件系統總體結構圖

4.1.2 智能儀表的主要控制器

針對智能儀表的硬件設計將選擇CAN控制器的新型微型控制器作為儀表系統的主要控制器，CAN控制器的新型微型控制器實際上是通過儀表系統衍生出的新型單片機，基于CAN控制器的新型微型控制器的儀表系統具有較高性能，可以實現人們的日常所需，除此之外，通過智能儀表系統還可以進行系統維護、診斷以及優化等功能[10]。

4.1.3 智能儀表的步進電機

智能儀表系統中最主要的核心要素是電機，因此對于電機的選擇至關重要，本文將選擇微型步進電機作為主要電機，該電機的使用可以為汽車的儀表盤提供指示信息，具有多重優勢。步進電機的工作原理主要利用兩路邏輯脈沖信號從而實現電機的驅動過程，該方法的使用可以最大限度地保證步進電機可以在5-10 V的脈沖下進行工作，在此時的脈沖下步進電機的驅動頻率可高達1 100 Hz，如果想讓該電機完成高強度運作應將輸出軸步距角達到1/12度方可實現，除此之外，為保證步進電機可以針對高強度運作進行調節，特將驅動模式分為2種，分別是驅動模式及微步模式。

4.2 系統數據通信接口模塊的軟件設計

系統數據通信接口模塊的軟件設計主要分為3個程序，第一程序為初始化子操作程序，該程序主要通過CAN總線的控制器對各部分功能進行控制，初始化程序的主要工作形式為電復位、硬件復位以及軟件復位。CAN總線技術中最主要的節點為中斷操作方式，該節點可以通過控制器進行雙重緩沖，最終的數據信息將由廣播的形式發送至終端接收模塊，對于數據的處理部分，首先經過報文模式進行數據傳輸，對于訪問部分將以仲裁的形式實現。系統數據通信接口模塊的軟件設計除了初始化子操作程序以外，還包含發送子程序以及接收子程序，CAN通信程序流程圖如圖3所示。

圖3 CAN通信程序流程圖

4.3 車用儀表系統的抗干擾設計

汽車在行駛過程中儀表盤會遭受多種外界因素的干擾，除此之外，儀表系統自身的電子設備將會以電磁形式對其進行干擾，影響汽車的可靠性，而車用儀表系統的抗干擾設計將通過噪聲耦合限制以及低噪聲電路設計對干擾因素進行消除，不但如此，還將在硬件部分以寬電壓輸入的方式控制干擾信號，為保證儀表系統可以維持自身的穩定性，將在電源系統中加入電容濾波網絡，針對多種干擾因素，可以采用看門狗系統，具有較強的抗干擾能力。

4.4 現場總線控制模塊

本文將針對現場總線控制模塊進行分布式控制，并借助數字化通信系統對網絡進行控制，現場總線控制模塊將改變傳統的控制方式，采用集散控制方式實現各節點之間的對接，除此之外，還將針對該模塊進行設置下位機，以此實現全方位控制現場操作，該方法具有一定的優勢，比如有利于及時對系統進行維護，具有簡潔的結構，方便工作人員對其進行掌握。

5 基于CAN總線的車用儀表系統實現與測試

5.1 CAN總線通信測試

通過Vector公司的CANoe測試工具可以實現CAN總線的數據報文，該過程將通過示波器進行相互配合，報文程序實現后將通過CAN總線模塊的控制器對車用儀表系統的參數信息進行評估，CAN總線通信時的報文測試信號波形圖如圖4所示。

圖4 CAN總線通信時的報文測試信號波形圖

從圖中可以了解到在基于CAN總線的車用儀表系統測試中將以CAN發送的某數據幀作為測試的對象，通過圖中的波形曲線可以看出，該波形清晰且完整，完整波形證明CAN總線的車用儀表系統通信測試成功，該儀表系統可以正常工作。

5.2 車用儀表系統的功能測試

車用儀表系統的功能測試將通過CAN總線與儀表系統進行建聯，并通過CANoe測試工具顯示儀表系統的各部分參數信息，最終將結果與軟件系統的數據信息進行對比，與軟件系統的數據信息進行對比的目的是為了驗證該系統是否可以達到預期效果，系統功能測試結果如圖5所示。

圖5 系統功能測試結果

從圖中可以了解到該系統可以通過CAN總線實現預期效果，并且具有結果準確、實時接收數據的優勢，可以通過人際交互界面全面展示車速以及轉速的基本信息，除此之外，車用儀表系統還可以將數據展示在CANoe測試工具中，通過相關測試皆可證明該系統達到設計目標，具有一定的利用價值。

6 總結

隨著國家經濟效益的不斷增長，汽車行業漸漸走向正軌，人們不但只追求代步，對于汽車的各方面性能具有多種需求，因此可靠性、舒適性強的汽車更具有優勢，汽車電子化發展漸漸成為人類關注的焦點之一。在科技飛速發展的時代，汽車領域也在不斷完善，為了滿足人類的日常所需，將在汽車儀表系統中加入更多的電子設備，隨之而來的問題是，車用儀表系統的模塊之間由于聯系過于復雜，從而造成汽車的可靠性以及舒適性大大降低，為實現汽車儀表系統的智能化發展，將在系統中加入CAN總線對系統進行控制，從而實現車用儀表系統較高的傳輸效率、良好的穩定性以及較強的抗干擾能力，使駕駛人員通過車用儀表系統更直觀地觀察到車用儀表系統所顯示的數據信息。基于CAN總線技術的車用儀表系統具有多種優勢，可以從根源上縮短儀表系統在開發過程中所需要的時間，除此之外，還可以實現控制開發成本的目的，不但如此，本文將通過CAN總線的車用儀表系統實現與測試，模擬真實信號裝置實現汽車對儀表系統的需求，經實驗表明，該系統具有良好的經濟性以及實用性。