CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉青艷

(煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程系, 山東 煙臺(tái) 265500)

0 引言

隨著我國(guó)科技以及經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們的整體生活水平漸漸向著小康生活靠攏，消費(fèi)水平的提高促使人們將汽車(chē)作為代步工具，替代傳統(tǒng)的步行方式有利于節(jié)省人們的大量時(shí)間。而汽車(chē)制造領(lǐng)域?yàn)榱藵M足人們對(duì)于汽車(chē)的性能需求，在汽車(chē)制造過(guò)程中投入大量的設(shè)備，比如為了強(qiáng)化汽車(chē)的通信功能，增強(qiáng)了汽車(chē)主控單元的復(fù)雜程度。實(shí)際上，汽車(chē)的重要組成部件為儀表盤(pán)，汽車(chē)的儀表盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)人車(chē)交互界面，促使人們對(duì)于汽車(chē)的使用程度更加熟練，為了強(qiáng)化車(chē)用儀表系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)模擬的精準(zhǔn)性，將在汽車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中加入CAN總線技術(shù)，并通過(guò)敘述CAN總線的工作原理，從而設(shè)計(jì)車(chē)用儀表系統(tǒng)的硬件部分以及軟件編程，以此實(shí)現(xiàn)CAN總線技術(shù)的遠(yuǎn)程控制功能，并通過(guò)車(chē)用儀表系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)具有精準(zhǔn)度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，具有一定的使用價(jià)值。

1 車(chē)用儀表系統(tǒng)的需求分析

1.1 提供全面詳細(xì)的信息

為保證用戶可以通過(guò)汽車(chē)的儀表盤(pán)輕松掌握基本內(nèi)容，將在汽車(chē)中增加電子器件以及設(shè)備的使用數(shù)量，而通過(guò)電子器件以及設(shè)備的使用數(shù)量不斷增加，用戶可以根據(jù)儀表系統(tǒng)查看汽車(chē)的使用油量信息、汽車(chē)的實(shí)時(shí)速度以及車(chē)廂溫度等常規(guī)信息之外，還可以看到更加全面的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)該數(shù)據(jù)的展示有利于駕駛員及時(shí)更改操作技術(shù)，并有效節(jié)約油量，降低使用成本，全面的數(shù)據(jù)信息主要指的是單位時(shí)間內(nèi)油量的消耗數(shù)據(jù)[1]。

1.2 具備較高的響應(yīng)實(shí)時(shí)度

在汽車(chē)的行駛過(guò)程中由車(chē)用儀表系統(tǒng)向駕駛員提供全面且詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息有利于提高用戶對(duì)汽車(chē)的信賴(lài)程度，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的銷(xiāo)量峰值，并且車(chē)用儀表系統(tǒng)向駕駛員提供全面且詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息應(yīng)具備良好的時(shí)效性，有利于向駕駛員實(shí)時(shí)反饋更加準(zhǔn)確的車(chē)身及路況信息。因此，為提高汽車(chē)的優(yōu)越性能，汽車(chē)的車(chē)用儀表系統(tǒng)應(yīng)具有較高的響應(yīng)實(shí)時(shí)度[2]。

1.3 具備較高的可靠性

車(chē)用儀表系統(tǒng)的需求除了應(yīng)該具有全面的數(shù)據(jù)信息以及良好的響實(shí)時(shí)度，還應(yīng)該具備較高的可靠性以及一定的實(shí)用性，較高的可靠性有利于駕駛員對(duì)汽車(chē)的信賴(lài)程度顯著提升，而車(chē)用儀表系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)信息是否正確將直接影響駕駛員的操作行為，嚴(yán)重者將出現(xiàn)一系列的交通事故。因此，車(chē)用儀表系統(tǒng)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(chē)用儀表系統(tǒng)向駕駛員直觀地展示界面信息，可以促進(jìn)駕駛員對(duì)于汽車(chē)的熟練程度，每當(dāng)駕駛員對(duì)于車(chē)用儀表系統(tǒng)的功能產(chǎn)生不解時(shí)，便可以通過(guò)車(chē)用儀表系統(tǒng)所提供的信息進(jìn)行操作，隨著汽車(chē)儀表系統(tǒng)為提高自身性能不斷在自身增加電子器件以及設(shè)備的使用數(shù)量，促使汽車(chē)的發(fā)展越來(lái)越好，隨之而來(lái)的是汽車(chē)的狀態(tài)信息不能實(shí)時(shí)更新。因此，在汽車(chē)的儀表系統(tǒng)中以直觀的形式展示界面信息至關(guān)重要[4]。

2 CAN總線的概述分析

2.1 CAN總線的內(nèi)涵

CAN總線實(shí)際上指的是控制局域網(wǎng)，主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為汽車(chē)提供微控制器通信，該通信方式有利于促進(jìn)汽車(chē)之間ECU的交換數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)控制局域網(wǎng)控制汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，從而形成獨(dú)特的汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線最早出現(xiàn)于德國(guó)，通過(guò)德國(guó)的不斷完善，將CAN總線形成現(xiàn)階段的通信協(xié)議，目前CAN總線主要通過(guò)多主方式實(shí)現(xiàn)串行通信接口，基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)具有極強(qiáng)的位速率以及抗干擾性，可以排除外界干擾因素，促使車(chē)用儀表系統(tǒng)的信號(hào)傳播速度可以高達(dá)10 km的時(shí)候，基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)仍可以傳輸較高頻率的數(shù)據(jù)信息，具有重要意義[5]。

2.2 CAN總線的特點(diǎn)

根據(jù)分析表明，CAN總線的應(yīng)用具有多種優(yōu)勢(shì)，并且CAN總線的通信協(xié)議主要包含2種，分別是CAN2.0A以及CAN2.0B。其中CAN2.0A通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要包含4種幀格式，數(shù)據(jù)幀屬于CAN2.0A的主體格式，主要應(yīng)用于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，具有重要作用；遠(yuǎn)程幀主要在數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上用于發(fā)送相同標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)幀；出錯(cuò)幀主要發(fā)揮其自身的檢測(cè)作用，用來(lái)檢測(cè)CAN總線在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)志；超載幀主要由相應(yīng)的標(biāo)志以及界定符號(hào)組成，當(dāng)CAN總線在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)超載現(xiàn)象時(shí)而出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)。CAN2.0B通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要包含2種幀格式，分別是標(biāo)準(zhǔn)幀以及擴(kuò)展幀，其中標(biāo)準(zhǔn)幀主要將數(shù)據(jù)信息分為11個(gè)字節(jié)進(jìn)行展示；而擴(kuò)展幀主要將數(shù)據(jù)信息分為13個(gè)字節(jié)進(jìn)行展示[6]。

3 基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)的架構(gòu)分析及其工作原理

3.1 車(chē)用儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

車(chē)用儀表系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 車(chē)用儀表系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖

從圖中可以看出本文主要將車(chē)用儀表系統(tǒng)的系統(tǒng)框架分為3部分，分別是儀表系統(tǒng)、CAN總線以及信號(hào)模擬裝置，其中車(chē)用儀表系統(tǒng)中最主要的核心要素包括車(chē)速表、轉(zhuǎn)速表、水溫表、燃油量表、檔位開(kāi)關(guān)燈以及其他電器；而信號(hào)模擬裝置包含了多種信號(hào)模擬，分別是轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)、車(chē)速模擬信號(hào)、水溫模擬信號(hào)、燃油量模擬信號(hào)、檔位開(kāi)關(guān)信號(hào)以及其他信號(hào)[7]。

3.2 車(chē)用儀表系統(tǒng)的工作原理

基于CAN總線技術(shù)的車(chē)用儀表系統(tǒng)主要通過(guò)信號(hào)模擬裝置進(jìn)行信息交互，為保證CAN總線向車(chē)用儀表系統(tǒng)傳輸正確的數(shù)據(jù)信息，將在車(chē)用儀表系統(tǒng)中加入微控制器，并且，微控制器應(yīng)選擇MOTOROLA中的MC9S12DG128，因其內(nèi)部具有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的MSCAN控制器，可以從全方位角度大幅度地縮短開(kāi)發(fā)周期，并降低車(chē)用儀表系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，從根源上提高車(chē)用儀表系統(tǒng)的多方面性能。車(chē)用儀表系統(tǒng)的信號(hào)模擬裝置中，將為其設(shè)置人機(jī)交互界面，有利于操作者通過(guò)清晰的人機(jī)交互界面觀察輸入信號(hào)的量值。人機(jī)交互界面中包含的輸入按鈕將通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳入至MCU中，再通過(guò)MCU將所形成的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至CAN的數(shù)據(jù)寄存器中，最終傳入至CAN總線終端。儀表系統(tǒng)中的CAN模塊會(huì)接收總線上的數(shù)據(jù)，將接受到的數(shù)據(jù)傳送到儀表MCU中，通過(guò)儀表中的MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，最終完成系統(tǒng)間的通信[8]。

4 基于CAN總線技術(shù)的車(chē)用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 車(chē)用儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為保證基于CAN總線技術(shù)的車(chē)用儀表系統(tǒng)可以順利運(yùn)行，將在其硬件設(shè)計(jì)中通過(guò)脈沖信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)理，脈沖信號(hào)主要指的是基于CAN總線技術(shù)的汽車(chē)速度以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，車(chē)用儀表系統(tǒng)將對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行全面整形，并進(jìn)行光電隔離加工，加工完成后將該信號(hào)的數(shù)據(jù)信息傳送至單片機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的測(cè)量過(guò)程。相對(duì)于脈沖信號(hào)的測(cè)量，針對(duì)模擬信號(hào)的設(shè)定，將選擇水溫以及機(jī)油的壓力進(jìn)行模擬，其操作過(guò)程為將脈沖信號(hào)測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)后，通過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能將數(shù)據(jù)輸入端中，并將最終測(cè)量結(jié)果通過(guò)單片機(jī)傳送至步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)在人際交互界面顯示，基于CAN總線技術(shù)的智能儀表硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖[9]如圖2所示。

圖2 基于CAN總線技術(shù)的智能儀表硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 智能儀表的主要控制器

針對(duì)智能儀表的硬件設(shè)計(jì)將選擇CAN控制器的新型微型控制器作為儀表系統(tǒng)的主要控制器，CAN控制器的新型微型控制器實(shí)際上是通過(guò)儀表系統(tǒng)衍生出的新型單片機(jī)，基于CAN控制器的新型微型控制器的儀表系統(tǒng)具有較高性能，可以實(shí)現(xiàn)人們的日常所需，除此之外，通過(guò)智能儀表系統(tǒng)還可以進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)、診斷以及優(yōu)化等功能[10]。

4.1.3 智能儀表的步進(jìn)電機(jī)

智能儀表系統(tǒng)中最主要的核心要素是電機(jī)，因此對(duì)于電機(jī)的選擇至關(guān)重要，本文將選擇微型步進(jìn)電機(jī)作為主要電機(jī)，該電機(jī)的使用可以為汽車(chē)的儀表盤(pán)提供指示信息，具有多重優(yōu)勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)的工作原理主要利用兩路邏輯脈沖信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，該方法的使用可以最大限度地保證步進(jìn)電機(jī)可以在5-10 V的脈沖下進(jìn)行工作，在此時(shí)的脈沖下步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率可高達(dá)1 100 Hz，如果想讓該電機(jī)完成高強(qiáng)度運(yùn)作應(yīng)將輸出軸步距角達(dá)到1/12度方可實(shí)現(xiàn)，除此之外，為保證步進(jìn)電機(jī)可以針對(duì)高強(qiáng)度運(yùn)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，特將驅(qū)動(dòng)模式分為2種，分別是驅(qū)動(dòng)模式及微步模式。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口模塊的軟件設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)程序，第一程序?yàn)槌跏蓟硬僮鞒绦?，該程序主要通過(guò)CAN總線的控制器對(duì)各部分功能進(jìn)行控制，初始化程序的主要工作形式為電復(fù)位、硬件復(fù)位以及軟件復(fù)位。CAN總線技術(shù)中最主要的節(jié)點(diǎn)為中斷操作方式，該節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)控制器進(jìn)行雙重緩沖，最終的數(shù)據(jù)信息將由廣播的形式發(fā)送至終端接收模塊，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理部分，首先經(jīng)過(guò)報(bào)文模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于訪問(wèn)部分將以仲裁的形式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口模塊的軟件設(shè)計(jì)除了初始化子操作程序以外，還包含發(fā)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(chē)用儀表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

汽車(chē)在行駛過(guò)程中儀表盤(pán)會(huì)遭受多種外界因素的干擾，除此之外，儀表系統(tǒng)自身的電子設(shè)備將會(huì)以電磁形式對(duì)其進(jìn)行干擾，影響汽車(chē)的可靠性，而車(chē)用儀表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)將通過(guò)噪聲耦合限制以及低噪聲電路設(shè)計(jì)對(duì)干擾因素進(jìn)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(hào)，為保證儀表系統(tǒng)可以維持自身的穩(wěn)定性，將在電源系統(tǒng)中加入電容濾波網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)多種干擾因素，可以采用看門(mén)狗系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)總線控制模塊

本文將針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制模塊進(jìn)行分布式控制，并借助數(shù)字化通信系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)總線控制模塊將改變傳統(tǒng)的控制方式，采用集散控制方式實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)接，除此之外，還將針對(duì)該模塊進(jìn)行設(shè)置下位機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)全方位控制現(xiàn)場(chǎng)操作，該方法具有一定的優(yōu)勢(shì)，比如有利于及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，具有簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，方便工作人員對(duì)其進(jìn)行掌握。

5 基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

5.1 CAN總線通信測(cè)試

通過(guò)Vector公司的CANoe測(cè)試工具可以實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)報(bào)文，該過(guò)程將通過(guò)示波器進(jìn)行相互配合，報(bào)文程序?qū)崿F(xiàn)后將通過(guò)CAN總線模塊的控制器對(duì)車(chē)用儀表系統(tǒng)的參數(shù)信息進(jìn)行評(píng)估，CAN總線通信時(shí)的報(bào)文測(cè)試信號(hào)波形圖如圖4所示。

圖4 CAN總線通信時(shí)的報(bào)文測(cè)試信號(hào)波形圖

從圖中可以了解到在基于CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)測(cè)試中將以CAN發(fā)送的某數(shù)據(jù)幀作為測(cè)試的對(duì)象，通過(guò)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(chē)用儀表系統(tǒng)通信測(cè)試成功，該儀表系統(tǒng)可以正常工作。

5.2 車(chē)用儀表系統(tǒng)的功能測(cè)試

車(chē)用儀表系統(tǒng)的功能測(cè)試將通過(guò)CAN總線與儀表系統(tǒng)進(jìn)行建聯(lián)，并通過(guò)CANoe測(cè)試工具顯示儀表系統(tǒng)的各部分參數(shù)信息，最終將結(jié)果與軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，與軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比的目的是為了驗(yàn)證該系統(tǒng)是否可以達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

從圖中可以了解到該系統(tǒng)可以通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，并且具有結(jié)果準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)人際交互界面全面展示車(chē)速以及轉(zhuǎn)速的基本信息，除此之外，車(chē)用儀表系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)展示在CANoe測(cè)試工具中，通過(guò)相關(guān)測(cè)試皆可證明該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的利用價(jià)值。

6 總結(jié)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)效益的不斷增長(zhǎng)，汽車(chē)行業(yè)漸漸走向正軌，人們不但只追求代步，對(duì)于汽車(chē)的各方面性能具有多種需求，因此可靠性、舒適性強(qiáng)的汽車(chē)更具有優(yōu)勢(shì)，汽車(chē)電子化發(fā)展?jié)u漸成為人類(lèi)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。在科技飛速發(fā)展的時(shí)代，汽車(chē)領(lǐng)域也在不斷完善，為了滿足人類(lèi)的日常所需，將在汽車(chē)儀表系統(tǒng)中加入更多的電子設(shè)備，隨之而來(lái)的問(wèn)題是，車(chē)用儀表系統(tǒng)的模塊之間由于聯(lián)系過(guò)于復(fù)雜，從而造成汽車(chē)的可靠性以及舒適性大大降低，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)儀表系統(tǒng)的智能化發(fā)展，將在系統(tǒng)中加入CAN總線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)用儀表系統(tǒng)較高的傳輸效率、良好的穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的抗干擾能力，使駕駛?cè)藛T通過(guò)車(chē)用儀表系統(tǒng)更直觀地觀察到車(chē)用儀表系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)信息?；贑AN總線技術(shù)的車(chē)用儀表系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)，可以從根源上縮短儀表系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的時(shí)間，除此之外，還可以實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)發(fā)成本的目的，不但如此，本文將通過(guò)CAN總線的車(chē)用儀表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試，模擬真實(shí)信號(hào)裝置實(shí)現(xiàn)汽車(chē)對(duì)儀表系統(tǒng)的需求，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用性。