一種基于CAN總線的汽車儀表控制器

朱瑩瑩

摘要：近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和電子控制技術(shù)的不斷完善，各種功能的電子器件越來(lái)越復(fù)雜。目前，汽車儀表已經(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。汽車組合儀表也變?yōu)檐囕v主要信息的顯示單元，駕駛員運(yùn)用此平臺(tái)了解汽車各種狀況，也可以通過(guò)其直觀、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地掌握車輛的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。由于汽車電子電器數(shù)量的急劇增多，汽車的相關(guān)連接導(dǎo)線的數(shù)量和車身的重量也有所增加，網(wǎng)絡(luò)和總線技術(shù)在此期間雖然有了很大的發(fā)展，但是還不能完全解決汽車電子系統(tǒng)的增加帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠性，車?nèi)線纜總長(zhǎng)度太長(zhǎng)導(dǎo)致車重增加的問(wèn)題，當(dāng)今社會(huì)研究一種基于CAN總線的汽車儀表控制器是汽車發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：CAN總線；汽車儀表系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、CAN概述

CAN是近年來(lái)在汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)和控制通訊網(wǎng)絡(luò)，是韌性較強(qiáng)的一種電器規(guī)范與協(xié)議，CAN具有極高的可靠性與容錯(cuò)能力，所以CAN是應(yīng)用于轎車或卡車中，用以應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)與無(wú)法預(yù)測(cè)的惡劣環(huán)境中。

CAN最初是由RB公司于1986年的2月在公司年會(huì)上提出的，1987年首個(gè)CAN控制器開(kāi)發(fā)成功，Philips半導(dǎo)體隨后也推出了82C200。由于這兩款產(chǎn)品的推出和不斷發(fā)展，CAN兩大陣營(yíng)就此形成。這兩種CAN控制器主要在斑紋過(guò)濾及控制上有所差異。

CAN網(wǎng)絡(luò)是新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，特點(diǎn)是其架構(gòu)開(kāi)放和其廣播形式。它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是其中的一種，CAN網(wǎng)絡(luò)被稱為控制器局域網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，在國(guó)際上得到了最廣泛的應(yīng)用。CAN最初是應(yīng)用于汽車的內(nèi)部測(cè)量與汽車執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。比如汽車的剎車、安全氣囊以及汽車的防抱死系統(tǒng)等。但伴隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種汽車電子控制單元數(shù)目的持續(xù)增加，連接導(dǎo)線也明顯增加，因此提高控制單元之間通訊的可靠性與降低導(dǎo)線的生產(chǎn)成本已經(jīng)成為目前急需解決的大問(wèn)題。

二、基于CAN總線的新型汽車儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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。

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 軟件設(shè)計(jì)

（1）脈沖信號(hào)采集

對(duì)采集車速和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖的測(cè)量，直接用STC12C5A60AD的外部中斷引腳INT0/INT1對(duì)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)閮蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間就是車輪轉(zhuǎn)一周所花的時(shí)間，所以將兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間計(jì)算出來(lái)就可以得到速度了。同時(shí)程序還要比較相鄰兩次的速度變化值，若太大，還通過(guò)郵箱向USB記錄任務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)，使汽車能在速度驟然變化的情況下記錄車況。

（2）模擬信號(hào)采集

STC12C5A60AD的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC是10位轉(zhuǎn)換精度，有8個(gè)模擬輸入通道。這里選用8個(gè)通道自動(dòng)排序。對(duì)模擬量在一次自動(dòng)排序周期中分別采樣8次，在軟件中即可以在一次A/D轉(zhuǎn)換中得到同一個(gè)參數(shù)的8個(gè)值，求出其均值，這樣就可以進(jìn)一步消除干擾信號(hào)。當(dāng)8路AD循環(huán)采樣轉(zhuǎn)換任務(wù)完成一個(gè)循環(huán)采樣后，它即會(huì)給儀表顯示模塊發(fā)送一個(gè)消息，把相應(yīng)的所采集的數(shù)據(jù)傳送給儀表顯示任務(wù)中相應(yīng)的程序段。此時(shí)8路A/D循環(huán)采樣轉(zhuǎn)換任務(wù)掛起，由另外一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)采集其他模擬信號(hào)量。

三、汽車儀表主要的發(fā)展方向

3.1 未來(lái)的汽車將會(huì)向電子儀表化發(fā)展

傳統(tǒng)的車用儀表是為駕駛員提供汽車運(yùn)行中的一小部分必要地?cái)?shù)據(jù)信息的機(jī)電式模擬電子儀表，如今該種儀表已不能滿足現(xiàn)代汽車高速發(fā)展的需求。如今的汽車儀表要求通過(guò)對(duì)汽車的各個(gè)部件的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和微處理機(jī)的配套，進(jìn)而達(dá)到控制汽車各部件運(yùn)行狀況監(jiān)控的目的。汽車儀表由于受到現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，精確度高的、靈敏度高的、讀數(shù)直觀的多功能電子數(shù)字顯示及圖像顯示的電子儀表已在汽車上得到了不斷應(yīng)用。

3.2 未來(lái)汽車儀表的功能將會(huì)逐漸拓寬

傳統(tǒng)的汽車儀表的功能相當(dāng)局限，未來(lái)的汽車儀表功能將不會(huì)局限于汽車的車速、耗油量、方向等的指示等一些簡(jiǎn)單功能，可能會(huì)增加如帶有ECU的汽車儀表智能化裝置：汽車輪胎氣壓、汽車的安全氣囊、安全帶等，未來(lái)的汽車儀表將不會(huì)是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，而是將這些信息提供給ECU讀取，并通過(guò)ECU準(zhǔn)確綜合地對(duì)這些裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，并給予駕駛員一定的警告提醒，以便駕駛?cè)藛T及時(shí)進(jìn)行處理。

四、結(jié)語(yǔ)

CAN總線實(shí)質(zhì)上是一種針對(duì)汽車和某些工業(yè)控制中信息量相對(duì)較少的優(yōu)化設(shè)計(jì)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它具有高效、實(shí)用和可靠的優(yōu)良特性，現(xiàn)正在汽車上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。同時(shí)CAN總線具有一定的保密性，使已設(shè)計(jì)好的CAN相關(guān)汽車零部件極難偽造和仿制，但若重新設(shè)計(jì)CAN應(yīng)用工程系統(tǒng)并不困難。

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司

河北省汽車工程技術(shù)研究中心）