基于CAN總線汽車智能儀表研究與應用

李有通 譚琳 陳益慶

摘要：傳統(tǒng)儀表采用線束進行連接使得儀表準確度和精確度低，且抗電磁干擾能力弱。CAN總線是一種能進行分布式控制和實時控制的技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡便且通訊度高，可靠性、抗干擾能力強?；贑AN總線進行汽車智能儀表的設計與應用，能提高儀表的工作效能，對汽車儀表技術(shù)發(fā)展有促進作用。文章先敘述CAN內(nèi)涵及特點，之后對基于CAN總線汽車智能儀表的總體結(jié)構(gòu)設計進行分析，最后對基于CAN總線汽車智能儀表的系統(tǒng)硬件進行全方位闡述，以供參考。

關鍵詞：汽車智能儀表;CAN總線;結(jié)構(gòu)設計;硬件設計

0 ?引言

微型計算機和電子制造業(yè)的發(fā)展，給車載智能儀表的研發(fā)帶來了機會?，F(xiàn)代汽車在研發(fā)過程中越來越多地應用高科技技術(shù)，使汽車的安全性能越來越高。為了使駕駛員能對汽車運行信息進行全面掌握，基于CAN總線進行汽車智能儀表的研究成為汽車儀表研發(fā)的趨勢。

1 ?CAN概述

1.1 內(nèi)涵

CAN是多主方式的串行通信系統(tǒng)，位速率強、抗干擾性能強，屬于現(xiàn)場總線的一種形式，在國際上應用比較廣泛。CAN總線技術(shù)最早是德國公司研發(fā)，應用目的是解決汽車控制器存在的問題。將CAN總線技術(shù)應用于汽車運營的局域環(huán)境內(nèi)，可以通過CAN內(nèi)含的微型控制通訊設備，實現(xiàn)汽車各設備之間的數(shù)據(jù)交換，將汽車運行過程中的數(shù)據(jù)形成一個網(wǎng)絡，并為分布式控制和實時性控制提供網(wǎng)絡信息支持。

1.2 特點

CAN能快速檢測出錯誤，因支持分布式控制和串行通訊網(wǎng)絡，被廣泛應用于汽車傳感器系統(tǒng)，主要包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中CAN2.0A主要通過數(shù)據(jù)幀進行各設備信息的傳遞，通過遠程幀進行各設備單元信息和數(shù)據(jù)請求的處理，通過出錯幀進行總線信號是否出錯的檢測，通過超載幀的標志和特定符號等來呈現(xiàn)是否有錯誤。CAN2.0B通過標準幀信息的11個字節(jié)進行信息展示，其中一個字節(jié)是1的幀信息，2字節(jié)是2和3的報文識別碼;通過擴展幀的13個字節(jié)的信息進行信息展示，其中，2字節(jié)主要是29位數(shù)字有效，且由2-5的報文識別碼組成，而3字節(jié)遠程幀操作無效，是由6-13數(shù)據(jù)幀的信息組成。

2 ?基于CAN總線汽車智能儀表的總體結(jié)構(gòu)設計

2.1 功能分析

基于CAN總線汽車智能儀表的設計總方案是對系統(tǒng)功能、系統(tǒng)可靠性、實現(xiàn)性進行整合后總結(jié)出來的最合理方案，決定了后續(xù)設計的順利性。在功能上，汽車智能儀表是對車速、蓄電池電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、里程數(shù)、燃油量等進行綜合顯示的儀器。同時對汽車運行過程中的車載裝備工作情況進行監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)異常時會進行報警或強行制動，避免發(fā)生故事。其報警功能一般是圖標結(jié)合燈光閃爍、語音報警。用戶在應用時，可以根據(jù)自己的喜好進行儀表界面的設計，使智能儀表更具個性化。

基于CAN總線汽車智能儀表還具備拓展接口，可以根據(jù)用戶的需求進行數(shù)據(jù)下載。CAN總線汽車智能儀表每個模塊都有自己的工作準則，在遵循工作準則的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)所有功能。為了實現(xiàn)儀表系統(tǒng)的信號采集、傳輸、處理和存儲等，需要在設計時對資源合理分配，以使操作簡便，使系統(tǒng)工作效率更高。

2.2 框架設計

基于CAN總線汽車智能儀表的整體設計是先進行數(shù)據(jù)采集，再進行數(shù)據(jù)傳送。采集的數(shù)據(jù)主要包括汽車運行過程中的水溫、油量、車速相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送主要是將采集到的信息傳送至主控制芯。在完成數(shù)據(jù)采集與傳送后，接收數(shù)據(jù)的主控制芯對大量數(shù)據(jù)進行整理和分析，歸納出結(jié)果，顯示在智能汽車儀表的顯示屏上。通過屏幕上信息的顯示，駕駛員能了解汽車運行過程中水溫、油量、車速等各種信息，以根據(jù)需求進行駕駛調(diào)整。具體框架如圖1所示。

3 ?基于CAN總線汽車智能儀表的系統(tǒng)硬件

3.1 硬件總體方案

人們生活水平在提高，精神追求也相應提高，在加強汽車的過程中，要求更高的舒適性和可靠性。研發(fā)人員在進行汽車設計時，將豐富的電子設備應用于汽車上，但設備過多，信息過于龐大，使信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理都變得更復雜，也會增加設備的故障率，增強維修的困難。而CAN總線的高性能性實現(xiàn)了車內(nèi)設備之間信息的有效傳遞和處理，成為智能儀表的重要支撐。基于CAN總線的汽車智能儀表在工作時對各點的數(shù)據(jù)進行接收和傳輸，之后通過轉(zhuǎn)換再做出判斷和命令。以圖像顯示的數(shù)據(jù)，是先對數(shù)據(jù)接收和處理，再轉(zhuǎn)換成圖像形式，最后顯示在顯示器上，使駕駛員掌握汽車運行時的所有車況信息。

3.2 車速信號采集設計

駕駛員在駕駛汽車時，對車速的掌握利于提高駕駛的安全性?；綜AN總線的車速信號采集一般選取霍爾式傳感器進行測速，以提高車速測量的靈敏度和抗干擾能力。具體設計和工作原則如圖2所示。

根據(jù)霍爾效應原理，在設計汽車智能儀表時，先在變速器內(nèi)安裝好磁傳感器，目的是感應車輪在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的脈沖信號，并進行記錄，以過測定和計算脈沖信號估算車速，之后再傳回傳感器，發(fā)送加主控芯片。

3.3 油量信號采集設計

汽車智能儀表的重要功能是記錄油量，以為汽車順利運行提供動力支持，并了解最安全的行駛距離。此段探討的是通過浮子傳感器進行油量的采集。浮子傳感器油量采集系統(tǒng)主要由浮子、浮子臂和滑動變阻構(gòu)成。在采集工作進行時，浮子隨著油箱中的油量的變化而來回浮動，進而記錄油量指數(shù)，并傳遞給相應的設備。在進行油量信息采集時要考慮電壓，使電壓的輸出信號在0～12V之間，以保證油量采集的正確率。

3.4 CAN通信設計

CAN通信模塊主要是由收發(fā)器和控制器組成。其中，收發(fā)器是對信息進行收集和發(fā)送，之后傳送給控制器。控制器是對信息進行接收，并通過設定的通信協(xié)議進行通信，完成指揮工作?；贑AN總線的智能儀表的接口主要包括初始化子操作程序、發(fā)送子程序、接收子程序。初始化程序是通過CAN控制器讀入相應的控制字，之后再確定工作方式。初始化程序包括電復位、硬件復位、軟件復位三種形式。汽車在運行期間，可以通過向CAN控制器發(fā)射復位請求后再進行程序的具體操作。CAN控制器內(nèi)部具備雙重緩沖的設置，能對數(shù)據(jù)操作進行緩存。CAN改變了傳統(tǒng)節(jié)點地址編碼操作方式，拓展了數(shù)據(jù)編碼方式，是汽車智能儀表的發(fā)展大方向。

3.5 CAN系統(tǒng)抗干擾設計

汽車在行駛過程中受各種因素影響，外部因素有溫度、濕度等，內(nèi)部因素有汽車電子設備的電磁干擾等。因此，基于CAN總線的汽車智能儀表研究要考慮所有干擾因素，并通過設計排除干擾因素。CAN系統(tǒng)抗干擾設計主要是通過低噪音電路設計和噪聲耦合設計結(jié)合減少汽車運行過程中的干擾因素的產(chǎn)生，同時提高智能儀表對信息的敏感度?？垢蓴_硬件設計時，可以利用寬電壓輸入，目的是減少電源對信息傳輸?shù)母蓴_，同時在電源上安排電容濾波電網(wǎng)，提高電源的穩(wěn)定性。在進行系統(tǒng)操作通道抗干擾設計時，可以選擇抗干擾能力強的設備零件，目的是減少通道操作過程中各設備的相互干擾幾率。在進行軟件抗干擾設計時，可以有效利用看門狗系統(tǒng)，目的是在發(fā)生干擾時，能及時進行復位。

總之，在人們對汽車舒適度和可靠性提供更高要求的背景下，基于CAN總線進行汽車智能儀表設計，能使系統(tǒng)更智能化，使信息的采集、處理和共享更精確化，使汽車監(jiān)控全方位化，能提高汽車各設備的工作效率，促進汽車研發(fā)的健康發(fā)展。

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作者簡介：李有通（1986-），男，四川廣安人，本科，講師，研究方向為汽車電子、汽車維修;譚琳（1968-），男，四川鄰水人，本科，副教授，研究方向為汽車維護、汽車設計;陳益慶（1987-），男，四川鄰水人，碩士研究生，講師，研究方向為汽車電子控制及汽車系統(tǒng)動力學研究。