研究嵌入式系統的CAN總線汽車儀表

摘 要：時代的發展推動了汽車行業的創新變革，汽車如今在人們的生活中越來越普遍被使用，汽車的性能等也有了新的要求。在電子信息的快速發展下，汽車對此進行了融合，使得汽車的發展更加的現代化、科技化[1]。目前，嵌入式系統在汽車領域中已經開始使用，利用嵌入式系統能夠使CAN總線汽車儀表得到新的創新發展，并提高汽車行業的經濟科技效率。CAN總線技術就是新型的信息高效傳輸技術，利用此可將汽車之間的傳感器進行信號傳遞，使得汽車更加的智能化。

關鍵詞：CAN總線技術 嵌入式系統 汽車儀表

Abstract：The development of the times has promoted the innovation and change of the automotive industry， and automobiles are now more and more commonly used in people's lives， and the performance of automobiles also has new requirements. Under the rapid development of electronic information， automobiles have integrated this， making the development of automobiles more modern and technological. At present， embedded systems have begun to be used in the automotive field， and the use of embedded systems can make new innovative developments in CAN bus automotive instruments and improve the economic and technological efficiency of the automotive industry. CAN bus technology is a new type of efficient information transmission technology， which can be used to transmit signals between sensors between cars， making cars more intelligent.

Key words：CAN bus technology， embedded systems， automotive instrumentation

1 引言

隨著汽車的不斷發展，汽車之間的傳感器和信號傳輸線越來越多，使得汽車的美觀性受到了影響。如今人們對于汽車的要求越來越高，為了進一步提高汽車的使用性能，利用嵌入式系統對其進行整改創新，從而使得汽車的信號傳遞更加快速。CAN總線技術在汽車儀表中已經得到了廣泛應用，利用此技術能夠對汽車的不同電控單元和傳感器進行控制，使得信號傳遞得到更大的發揮。隨著嵌入式系統的CAN總線技術在汽車儀表中的廣泛使用，此技術已經成為了汽車信號傳遞的主要總線系統。

2 汽車儀表嵌入系統的CAN總線應用原理與作用

汽車的CAN總線技術是通過兩條線實現車輛電控模塊內部的信息傳輸，使整個總線系統的信息均可以在兩條線上實現傳遞，從一定意義上大大減少了傳遞信息的使用時間，并進一步提高了數據傳輸的效率。汽車儀表嵌入系統的CAN總線在汽車的電控模塊內還增加了相應接收器、信號處理器和信息轉發器，通常通過兩條數據連接線和不同的電控模塊聯系在一起，并利用此將數據信號進行傳送。在傳輸中一般使用三個網絡系統，一是動力系統網絡，二是車身系統網絡，三是娛樂系統網絡，其中娛樂系統網絡的技術要求較為嚴苛，因此對數據的傳輸速度要求特別高，其傳輸速率通常為每秒1MB。其中，動力系統網絡的傳輸速度通常為每秒500KB，而車身系統網絡的傳輸速度則為每秒100KB。由于不同層次的網絡傳輸速率不同，因此在使用期間要用網關對此進行協調運用。在CAN總線實行期間，傳感器、執行器和控制單元要相互結合形成節點，并通過數據線將每個節點連接起來，從而組成一個現場總線系統。通過現場總線系統的整合能夠形成一個汽車整體的信號傳輸網絡，進而實現對整車控制信號的快速傳輸[2]。

CAN總線技術目前已經在汽車儀表方面得到了廣泛應用，由于其自身優勢出眾，整個技術已經成為了目前汽車行業技術發展的新方向。CAN總線的應用使得汽車的儀表線路得到簡化，讓整個布線方式精簡化，不僅節約了汽車的制造成本，還讓汽車的自身重量得到降低。通過網關的協調作用使得CAN總線系統的數據傳輸速率得到提升，并且當CAN總線系統的某一項電控單元受到損壞時，其他電控單元由于并聯的方式并不會受到影響，依然可以順利運行。此外，當CAN總線系統中的一根數據線受到損壞時，整個系統還可以進行單線運行，這就造成了CAN總線系統具有超高的穩定性。

3 嵌入式系統的應用特點

（1）實時性。嵌入式操作系統通常用在特殊的多用戶計算機用戶系統中，所以整個操作系統具有體積較小、流通功耗較低、系統集成度較高和成本低廉的優點。通過嵌入式系統能夠把板卡上所進行的任務同時整合到芯片的內部中，進而讓整個嵌入式系統更加具備專業性和小型化。通過這樣的方式提高了整個系統的移動能力，從而讓網絡和系統能夠緊密結合，進一步推動了嵌入式系統的電子信息化。在電子信息的快速發展期間，嵌入式操作系統涵蓋了半導體技術、網絡通信技術等，對不同技術進行分析融合，使得嵌入式系統得到更綜合性的發展[3]。同時由于各項技術的加持，嵌入式系統能夠不斷創新、研發出更具有繼承性的系統，使得整個系統具有嚴格的實時性。

（2）周期性。嵌入式系統與汽車儀表程序結合在一起能夠對其進行升級換代，使得汽車儀表得到更好的創新發展。所以，嵌入式系統在汽車儀表中使用具有較長的周期性。

（3）設計性。嵌入性系統中的硬件和軟件在設計期間要求有較高的效率，并在安全穩定的狀況下追求性能的先進性和創新性，利用成本的降低投入不斷提升嵌入式系統在產品中的市場。

（4）軟件存儲。為了進一步提高整個嵌入式操作系統的傳輸執行速率和穩定性，系統將相關軟件固化在存儲芯片中或者內部的處理存儲器中。由于嵌入式系統的特性，所以整個軟件存儲不會出現在外盤或者移動硬盤中，整體具有嚴格的劃分。

（5）無開發功能。嵌入式系統雖然整體較為先進，但還不具有自主開發功能。在整體系統設計完畢后，用戶無法對相關程序和系統進行整改，只有擁有全套的交叉開發工具和特定的環境中才能進行相關開發，所以整個嵌入式系統的保密性非常高。

4 嵌入式系統的CAN總線在汽車儀表中的硬件設計

汽車儀表可以利用處理器對它進行相關操作，處理器一般可以使用S3C6410處理器，它具有低功耗、高性價比的特點，因此在應用期間對于圖形加速、編碼、顯示處理等有很大的功能優勢。處理器在硬件設施方面有很多的外設，比如擁有真彩色的控制器，定時器和卡接口等。由于這些硬件設施的存在使得整個處理器有很大的擴展空間，所以在汽車儀表的后續研究創新中有很大的優勢和潛力。為進一步提高嵌入式系統的CAN總線在汽車儀表中的硬件設計，可從系統的設計原則、功能需求分析等方面進行展開，對硬件設計做出相應的對策分析。

4.1 嵌入式系統CAN總線在汽車儀表中的硬件設計原則

隨著目前對于汽車儀表的要求越來越高，開發者能夠從系統本身出發，利用嵌入式系統CAN總線技術進行相關設計，進一步提高汽車儀表的硬件設計。目前汽車儀表對顯示信息等要求越來越清晰直觀，且整個儀表的響應速度不斷提升，這就要求汽車儀表要結合系統進行創新設計，且遵循以下幾項設計原則。首先，嵌入式系統CAN總線在汽車儀表硬件設計期間要盡可能地使信息交流頁面清晰整潔，從而確保駕駛員能夠在不分心的狀態下了解信息，不僅保證了駕駛員的安全性，也進一步提升了汽車儀表的使用滿意率。其次，利用嵌入式CAN總線技術對汽車儀表進行創新發展，使得汽車儀表既有基本的技術，也有相應的創新技術[4]。利用CAN總線技術能夠確保汽車在行駛期間遇到極端天氣能夠使信息詳細化，并且具有真實性，保障系統在環境變化時也擁有良好的安全穩定性。此外，隨著電子信息技術的不斷發展，汽車儀表要利用嵌入式系統的CAN總線技術對其硬件后續發展空間做出預留，保障系統在功能設計時對整個程序產生較大的影響。最后，整個汽車儀表在硬件設計時要考慮經濟實用性，將市場需求作為整個系統開發融合的前提，利用嵌入式系統的CAN總線技術對汽車儀表的市場進行前景分析，從而保證整個創新設計具有較好的開發性。且在設計期間要考慮駕駛的舒適性，進一步提高汽車儀表在車中的美化性質。

4.2 嵌入式系統CAN總線在汽車儀表中的硬件設計技術方案

在汽車儀表設計期間首先要將儀表作為CAN網絡中的一個節點，讓其接收來自CAN網絡中的各種傳輸信息，與此同時讓它在完成數據參數的收集工作，內容涉及發動機的工作速度、電壓表、輪胎氣壓的模擬信息等，利用此進一步分析相關數據的信息狀況。此外，還通過單片機對汽車儀表的按鍵控制和儀表板照明控制的模塊進行了設計，使部分狀態指示燈的相關信息和傳感器的信息可以在儀表內利用外部控制開關等設備實現控制，使單片機直接與此設備聯系。在設計期間利用嵌入式系統CAN總線對汽車儀表的硬件系統進行功能劃分，從而使整個汽車儀表的各項功能更加具體。在設置電源調節模塊時，汽車儀表系統結合CAN總線技術，對電源進行控制，使用24V電系電源，且讓電源有自身的波動空間，一般控制在12-32V之間。利用對電源電壓的調控進一步保證各個器件的穩定性，使得汽車儀表的安全性進一步得到提升。而在設計CAN通信接口板塊時，為了進一步實現CAN控制器的各項功能，利用通信協議和通信速率等對不同的標識符進行接收，并通過嵌入式系統使得汽車在電磁干擾的狀態下能夠依然進行工作，讓通過編程測試的CAN模塊可以正常得到使用。當設立信息顯示模塊時，利用嵌入式系統CAN總線技術對信息顯示進行劃分，分為步進電機驅動儀表信息和液晶屏顯示信息。通過液晶屏的顯示功能可以完成對步進電機儀表指針顯示結構的實際操作，利用此操作可以使儀表的整體結構更加完善緊湊，并且指針模擬的指示結構更加明確直觀。目前步進電機的儀表顯示在社會上已經得到了廣泛推廣，在汽車、卡車等有了大量的使用。而液晶屏的儀表顯示功能更加強大，利用嵌入式系統CAN總線技術對此進行操作研究，使得整個技術更加繁雜。如今液晶屏儀表顯示功能則更廣泛存在于高檔轎車中，利用此功能進一步提升了汽車的人性化發展，使得汽車更加的美觀舒適。

5 嵌入式系統的CAN總線在汽車儀表中的軟件設計

5.1 CAN總線通信設計

嵌入式系統CAN總線技術是汽車行業中廣泛應用的一種技術，目的是想解決現代汽車中電控單元過多存在問題，利用此技術進行通信協議開發，使得車輛之間可以利用電子控制單元進行信息交換，從而在此基礎上形成一定的網絡系統。嵌入式系統CAN總線技術利用標準模型制定相應的應用層協議，并通過這些協議明確規定了數據發送的地址、數據發送的優先級和信息擴展的格式等。利用CAN總線技術對網絡進行連接裝置，使得數據信息在高速中也能被快速傳輸。一般CAN在通信設計期間能夠將整個系統分為不同的、獨立的程序模塊，利用不同的程序進行管理控制，使得整個汽車儀表在此基礎上更好的進行發展。嵌入式系統CAN總線在進行工作期間，首先對處理器進行初始化操作，將寄存器逐一對應起來，并且在執行期間讓整個程序嚴格遵循SPI指令。一般SPI指令包含復位、讀、寫、發送等不同的請求，并且初始化必須要在配置模式下才能夠順利進行。

5.2 人機交互頁面設計

嵌入式系統CAN總線技術能夠實現汽車儀表的人機交互頁面，通過計算機語言能為汽車儀表提供一套豐富的、高動態的用戶頁面框架和開發工具。由于計算機語言具有描述用戶頁面外觀和行為的特性，因此可用其對用戶頁面進行樹形結構設計。利用嵌入式系統的CAN總線技術可將計算機語言應用在汽車儀表系統中，用計算機語言定義不同的用戶頁面元素，將元素進行整合調整，進而創新出新的應用程序。計算機語言對汽車儀表的數據創建模型非常重要，利用此方式能夠使CAN總線技術發揮的更加全面，對資源的利用率和數據傳輸等都具有強烈的影響。此外，還可以利用嵌入式系統CAN總線將計算機語言和C++模塊進行整合，讓其能夠實現不同語言和網絡數據的交互，從而使得汽車儀表的系統環境被加載調用，使人機交互頁面得到更多的數據信息。在人機交互頁面設計期間整個內容設計頁面布局、通信機制的應用、通信狀態的轉換等，將嵌入式系統CAN總線與人機交互頁面進行整合，可以讓通信方式更加便捷的傳輸到汽車儀表中，且汽車儀表可以快速接收數據信息。在人機交互的頁面中，還可以利用程序對儀表盤的圖片進行縮放，讓其成為適合的屏幕，然后利用程序進行儀表盤指針旋轉，將圖片的中心作為轉軸。通過嵌入式系統CAN總線對此進行整合分析，可以使汽車儀表實現人機交互頁面的設計，進一步推動汽車儀表的智能化發展。

5.3 CAN控制器協議驅動板塊

嵌入式系統CAN控制器協議轉化板塊程序主要利用寄存器進行控制，要將汽車儀表的系統接入以太網中，就要對程序進行編碼，對以太網的數據進行收發。由于以太網控制整個驅動程序的工作狀態，所以數據的緩沖和數據地址的讀寫工作就要利用以太網來進行發送。在以太網工作期間，首先要對程序進行復位，讓其成為跳線模式。再對程序進行工作數據設定，讓其能夠順利展開工作。其次對讀寫程序進行相應的數據分發和接收，讓以太網的控制器在工作中利用不同的函數對程序進行初始化狀態分布。當初始狀態完成之后，再用單片機對數據進行分析處理，將不同情況一一對應。當數據傳輸的端口正確時，就認為數據報正確，對數據進行解包，然后將數據傳輸到緩沖區里，最后把部分數據通過接口進行輸出。若是單片機從接口接收到數據時，就通過數據協議的方式進行打包，將其送到數據緩沖區中，最后由程序輸送到局域網中。由于在嵌入式系統CAN總線中使用的通信傳輸利用的是短幀形式，所以在使用傳輸協議期間，要分清不同傳輸協議的數據規格，對于不同的數據規格進行相應的連接，從而確保數據傳輸的有效性。在連接傳輸基礎上利用CAN總線技術進行創新發展，進一步推出無連接接觸，從而使得汽車儀表中的網絡數據傳輸效率加快，進而推動了汽車儀表的相關發展。

6 結語

如今嵌入式系統CAN總線技術已經在汽車行業有了相應的使用，在汽車儀表方面也有了普遍的推廣，利用此技術能夠加快汽車儀表的信息網絡數據傳輸，使得汽車行業進一步得到發展。隨著社會發展的越來越智能化，汽車也在向著更加智能化、電子化的時代發展，并且CAN總線技術擁有更加廣闊的發展空間，利用此技術與汽車行業相結合，能夠為汽車打造更加高端的科技系統[5]。此外，將嵌入式系統CAN總線技術應用于汽車儀表中在一定程度上可以降低汽車電控單元的使用成本，讓汽車儀表在其他性能方面得到更好的提升延伸。同時，CAN總線技術擁有抗干擾、傳輸效率高等特點，所以在使用期間可以保證整個信息的安全穩定，簡化整個汽車儀表的設計。

參考文獻：

[1]基于CAN總線的汽車儀表盤電控單元設計[J]. 歐陽琰，王貴槐，陳先橋，初秀民.武漢理工大學學報（信息與管理工程版）. 2019（01）.

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[3]基于CAN分析儀和汽車儀表測試的教學實訓平臺設計[J].李敏，周先飛，陳萬順，湯恒，張振.江漢大學學報（自然科學版）.2020（02）.

[4]聲音警告及報警燈輸出在汽車儀表產品中的技術實現[J].楊細蓮，黃美紅，李旭東.廣西農業機械化.2019（05）.

[5]汽車儀表檢測設備在線故障處理解決方案探索[J].屈青青.時代汽車.2022（21）.

作者簡介

杜川川：（1985.05—），男，漢族，河南人，本科，電子信息工程中級職稱，研發工程師。研究方向：汽車智能座艙域。