基于CAN總線的汽車儀表研究

李娜

摘要： 本文以CAN技術(shù)總線為基礎(chǔ)，提出了一款關(guān)于車用儀表盤的設(shè)計(jì)方案。以型號MCUMB594的微控制器為主體，以CAN總線為加強(qiáng)各區(qū)域之間聯(lián)系的媒介，表述了關(guān)于車用儀表盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路。之后文章對MCU微控制器、CAN通信總線收發(fā)器、智能儀表步進(jìn)電機(jī)、LCD模塊優(yōu)化、系統(tǒng)通信接口軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)子模塊程序設(shè)計(jì)等零部件方面分別的進(jìn)行了細(xì)致的闡述說明，展現(xiàn)了CAN總線的車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)。最后進(jìn)行了系統(tǒng)測試，其結(jié)果表明了以CAN為基礎(chǔ)的車用儀表盤可以滿足實(shí)際操作以及用戶的需求。

Abstract： Based on CAN technology bus， this paper presents a design scheme of vehicle instrument panel. Taking the microcontroller of model MCUMB594 as the main body and CAN bus as the medium to strengthen the connection between various areas， the general idea of the design of vehicle instrument panel system is described. After that， the article elaborates the MCU microcontroller， CAN communication bus transceiver， intelligent instrument stepper motor， LCD module optimization， system communication interface software design， system submodule programming and other parts in detail， showing the specific link of CAN bus vehicle instrument system design. Finally， the system test is carried out， and the results show that the can-based vehicle dashboard CAN meet the needs of actual operation and users.

關(guān)鍵詞： CAN;汽車;儀表系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析

Key words： CAN;car;instrument system;design and analysis

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0010-03

0 ?引言

早期的車用儀表盤只能簡單的展示其汽車行駛的速度、總里程、油位等，其儀表盤的整體布局缺少了合理性和可視性，在夜晚時(shí)不是很利于觀察，可操作性也較低，在內(nèi)容上也缺少了可延展性，整體過于單調(diào)。不能滿足用戶對于車用儀表盤的要求?，F(xiàn)如今，隨著經(jīng)濟(jì)以及科技水平的發(fā)展，人們運(yùn)用了數(shù)字模擬以及研發(fā)智能化電子設(shè)備的方式有效地來彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的儀表盤的缺陷，這些方式可以有效地預(yù)測危險(xiǎn)的發(fā)生并可以滿足人們對于車用儀表盤的更多需求。以此可以表明，車用儀表盤的智能化發(fā)展是至關(guān)重要的。

1 ?系統(tǒng)需求分析

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對汽車的性能以及品質(zhì)上也提出了更高的要求，車用儀表盤就是體現(xiàn)其汽車整體性能中的極為關(guān)鍵的一環(huán)，它被要求除了應(yīng)當(dāng)滿足車用儀表盤的傳統(tǒng)功用外，還應(yīng)該提升其穩(wěn)定性，提高其創(chuàng)造性，縮短響應(yīng)時(shí)間，帶給人們關(guān)于汽車狀況的更多內(nèi)容，滿足用戶對于駕車高品質(zhì)的追求，帶給駕駛?cè)烁玫鸟{車體驗(yàn)[1]。

1.1 提供更加全面準(zhǔn)確的內(nèi)容

隨著汽車整體性能的不斷發(fā)展，電子器件也日趨增多，普通的汽車儀表盤上的內(nèi)容已無法滿足使用者的需求，因此要求車用儀表盤上除了應(yīng)當(dāng)顯示車速、油量、溫度等常規(guī)信息外，還應(yīng)當(dāng)提供更加全面豐富的內(nèi)容，例如顯示一定時(shí)間內(nèi)的油耗信息，它可以有效的幫助駕駛員了解到汽油柴油等的使用情況，以此來進(jìn)行節(jié)油省油等有效操作，降低經(jīng)濟(jì)支出。

1.2 具有較好的響應(yīng)速度

在汽車行駛中，儀表盤顯示內(nèi)容的即時(shí)性迅速性，可以給駕駛員更多的時(shí)間進(jìn)行有效反應(yīng)，從而對當(dāng)前的車身以及路況信息擁有一個更加全面的了解。因此，汽車儀表盤的響應(yīng)以及通訊時(shí)速至關(guān)重要。

1.3 具備著較高的可信性

汽車儀表盤的作用十分重要，它關(guān)乎著駕駛員對于路面信息狀況進(jìn)行的行為操作正確與否。它直接影響著駕駛?cè)艘约俺塑嚾说纳踩羲@示的內(nèi)容一旦出錯，極可能產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。因此，車用儀表盤被要求應(yīng)有極高的可信性和可靠性，在面對復(fù)雜的交通環(huán)境時(shí)，仍能夠迅速可靠的給駕駛?cè)颂峁┬畔?，以此使駕駛員做出一個正確的行為操作。

1.4 直觀的展示內(nèi)容

汽車儀表盤是駕駛員獲取車身以及路況信息等一個非常重要的工具，隨著汽車電子器件的日趨增多，儀表盤上所需展示的內(nèi)容也由此增多，因此直觀的展示其內(nèi)容情況可以給駕駛員帶來一個更好的駕車體驗(yàn)，能夠更加便捷有效的了解到路面狀況。是其系統(tǒng)需求中必不可少的部分。

2 ?CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

CAN是一種可以不受電磁干擾、檢索速度頻率快、排查錯誤能力強(qiáng)并且可以進(jìn)行分布式控制的超級網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，它主要包括CAN2. 0A和CAN2. 0B兩種。此系統(tǒng)的受眾范圍廣、且適用性較強(qiáng)，因此它在傳感器系統(tǒng)的研發(fā)以及汽車發(fā)動機(jī)部件的制作等方面都有很強(qiáng)的應(yīng)用。其中CAN2. 0A和CAN2. 0B在幀的格式上以及適用范圍方面有著較大的不同。其主要表現(xiàn)在：

①CAN2. 0A主要包含了四種幀格式，第一種為用于檢測總的線路是否出現(xiàn)故障的出錯幀，它主要通過一些固定標(biāo)志以此給駕駛員發(fā)出線路故障的信號。第二種為在現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞的數(shù)據(jù)幀，其應(yīng)用范圍極廣。第三種為用于體現(xiàn)邏輯鏈路控制層內(nèi)部不同超載狀態(tài)的超載幀。它主要是由超載標(biāo)識符號以及超載標(biāo)志構(gòu)成。以此用于體現(xiàn)不同的超載情況。第四種為用于遠(yuǎn)程協(xié)作的遠(yuǎn)程幀。它是由發(fā)起方請求發(fā)送特定ID，接收方通過在線單元來進(jìn)行完成的。數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀的應(yīng)用格式整體相同，但遠(yuǎn)程幀缺少數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字節(jié)。

②CAN2. 0B主要包含擴(kuò)展幀。其中1字節(jié)由數(shù)據(jù)和信息共同構(gòu)成的，其包含的內(nèi)容共有13個字節(jié)。2字節(jié)由在29位數(shù)字范圍內(nèi)有效的2-5報(bào)文識別碼所構(gòu)成，3字節(jié)是指6-9數(shù)據(jù)幀內(nèi)的數(shù)據(jù)信息所構(gòu)成，使用遠(yuǎn)程幀進(jìn)行操作是無效的[2]。

3 ?基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過上述對于系統(tǒng)需求的一系列分析，我們對于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)有了更加全面地了解和掌握，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要選用型號為MCUMB594的微控制器為主體，以CAN總線為媒介以此進(jìn)行各區(qū)域之間的聯(lián)系，其中型號為MCUMB594的微控制器主要為此設(shè)計(jì)中的一個節(jié)點(diǎn)，因此大大減少了在布線方面的難度，提升了系統(tǒng)的可操作性，加強(qiáng)了與其他部分之間的聯(lián)系。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 MCU微控制器

MCU微控制器采用了型號為MB954的控制系統(tǒng)，此款微控制器的內(nèi)部主要為FR81S，具有性能極強(qiáng)的CPU內(nèi)核，它采用了模擬信號處理、CAN通路處理、電子內(nèi)容顯示、通信線路連接等多種實(shí)用性極強(qiáng)的功能，與此同時(shí)，它還具有著損耗低、性能強(qiáng)、保密性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、平穩(wěn)可靠的特點(diǎn)。

3.2.2 CAN通信總線收發(fā)器

CAN通信總線屬于以串行為主的通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)，它屬于短距離輸送，雖然輸送的成本較低、輸送的距離較近，但是在輸送的過程中常面臨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾事⑿实?、輸送較不穩(wěn)定等問題。因此，為克服這些問題，以此達(dá)到CAN通信總線的需求，我們選用了傳輸速率快、受電磁干擾較小、信號頻率較穩(wěn)定的TJA1042收發(fā)器。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

TJA1042收發(fā)器具有兩種模式，它們分別為待機(jī)模式和工作模式，其中在待機(jī)模式下由MCU微控制器傳輸高電平信號給CAN-STB。而在工作模式下由MCU微控制器傳輸?shù)碗娖叫盘柦oCAN-STB[3]。

3.2.3 智能儀表步進(jìn)電機(jī)

以CAN總線為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的智能應(yīng)用系統(tǒng)有微型步進(jìn)電機(jī)，它具有消耗能耗低、性能強(qiáng)、精準(zhǔn)度高的特征，它可以進(jìn)行儀表板內(nèi)容的顯示以及指示其他相關(guān)操作的內(nèi)容，以此給駕駛員對于汽車狀況更加充分的了解和幫助。為使步進(jìn)馬達(dá)有一個更加平穩(wěn)的驅(qū)動操作通常采用兩路邏輯脈沖信號。在采用兩路邏輯脈沖信號的情況下，步進(jìn)電機(jī)將在固定值5v-10v脈沖下開始運(yùn)作，驅(qū)動頻率最大值為1100Hz。驅(qū)動操作上具有兩種模式，它們分別為驅(qū)動模式和微步模式，操作者可根據(jù)實(shí)際使用需求來進(jìn)行模式的選擇。此智能儀表步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部采用了高品質(zhì)高質(zhì)量的耐磨材料和具有高磁導(dǎo)率的磁性材料，可以滿足用戶對于汽車零部件的高品質(zhì)追求。

3.2.4 LCD模塊優(yōu)化

LCD 模塊主要的作用是顯示汽車行駛的里程數(shù)據(jù)，以此帶給用戶更加清晰的反饋和體驗(yàn)。現(xiàn)如今為滿足用戶對于LCD模塊的更多需求通常選用8位段式樣的產(chǎn)品模塊，其模塊輸送效率快，運(yùn)行過程穩(wěn)定，接口處常用的方式為三線串聯(lián)，其常規(guī)電流為1.5mA，可以有效地滿足LCD模塊對于顯示里程數(shù)據(jù)的追求。

3.3 系統(tǒng)通信接口軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)的智能儀表系統(tǒng)的接口軟件設(shè)計(jì)有三方面的內(nèi)容，它包括初始化子操作程序、發(fā)送子程序、接收子程序。初始化子操作程序的主要方式為使用CAN控制器通過輸入相應(yīng)的控制字來進(jìn)行操作，以此來找出更適合CAN控制器運(yùn)行的操作方式，符合實(shí)際操作的需要。其中，確定初始化的運(yùn)行操作有三種方式，它們分別為硬件復(fù)位、電復(fù)位以及軟件復(fù)位。在基于CAN總線運(yùn)行操作的過程中，只需要發(fā)出復(fù)位請求的指令即可完成需要運(yùn)行的操作。在CAN總線的運(yùn)行操作中，主要的節(jié)點(diǎn)部分通常采用中斷操作的方法以此使其他節(jié)點(diǎn)得到反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行內(nèi)容的保存。其中MCU內(nèi)部控制器和CAN控制器具有著十分重要的作用，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有著緩沖緩存的作用，可以有效地進(jìn)行其內(nèi)部數(shù)據(jù)的保存。對于系統(tǒng)的查詢以及操作等方面通常采用主程序查詢的方法，其查詢內(nèi)容詳細(xì)全面，且可以對特殊信息進(jìn)行遠(yuǎn)程處理，更易操作。其查詢結(jié)果通常采用廣播播報(bào)的方式進(jìn)行告知，對于接收人來說更加方便快捷。其CAN系統(tǒng)通信接口軟件的具體操作流程如圖3所示。

CAN總線系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸通常以報(bào)文的方式來進(jìn)行，其中報(bào)文初始節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容包括功能標(biāo)識和內(nèi)容標(biāo)識兩方面，而CAN總線相關(guān)報(bào)文的復(fù)核以及訪問等由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。CAN總線的數(shù)據(jù)標(biāo)識是29位二進(jìn)制，運(yùn)用了CAN2. 0B協(xié)議，它對于之后應(yīng)對復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的巨大變化具有著極強(qiáng)的適應(yīng)能力。CAN協(xié)議也對編碼程序的操作產(chǎn)生了不可預(yù)計(jì)的影響，它從原有的節(jié)點(diǎn)地址編碼方式改進(jìn)為了更加多樣化的編碼方式，從而使操作更加迅速便捷，滿足了使用者的需求。

3.4 系統(tǒng)子模塊程序設(shè)計(jì)

在以CAN總線為基礎(chǔ)的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，最初的系統(tǒng)子模塊程序設(shè)計(jì)極為重要。CAN系統(tǒng)控制器需要進(jìn)行的最初的系統(tǒng)程序設(shè)定極多，其中在大的類別上包括復(fù)位、硬件、上電、節(jié)點(diǎn)錯誤終端等方面，在小的具體的類別上包括濾波器模式、濾波器驗(yàn)收、輸出管腳配置、總線位定時(shí)、中斷配置、數(shù)據(jù)緩沖器以及數(shù)據(jù)緩沖器等。在以CAN總線為基礎(chǔ)的接收程序中，因?yàn)镃AN總線所采用的報(bào)文方法有自動保存數(shù)據(jù)在內(nèi)部RAM存儲區(qū)的功能，因此主要采用了中斷控制的方式，可以在中斷過程中對有效內(nèi)容進(jìn)行處理，提取關(guān)鍵以及主要內(nèi)容。這種方式極大的提升內(nèi)容的即時(shí)性和有效性。及時(shí)的反映了數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

該子模塊的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)的采集篩查以及處理的過程中也具有著十分重要的作用，它可以對于汽車行駛的速度以及油箱內(nèi)油量的多少等重要內(nèi)容進(jìn)行分析與處理。以此通過傳感器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，采樣6次脈沖信號，以6次采樣結(jié)果的平均值作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將一次脈沖信號的周期控制為100.0ms，因此在6次脈沖信號下的信號更新周期大概為600.0ms。在程序的操作過程前首先應(yīng)設(shè)定定時(shí)中斷，之后對于汽車行駛的速度以及油箱內(nèi)油量的多少等情況進(jìn)行分析與處理，之后在設(shè)定采樣次數(shù)為6次的情況下進(jìn)行濾波操作，最后中斷后完成此操作。

在步進(jìn)電機(jī)控制模塊的程序中，此設(shè)計(jì)運(yùn)用了運(yùn)轉(zhuǎn)精度為1/12°，24細(xì)分的驅(qū)動模式，并運(yùn)用了加減速控制的方式以此使指針的運(yùn)作平滑，確保了機(jī)器在運(yùn)行過程中指針可以對發(fā)生的情況內(nèi)容等進(jìn)行及時(shí)的有效地反饋，且可以有效的避免指針出現(xiàn)失誤或是不準(zhǔn)確的內(nèi)容以此反饋錯誤的現(xiàn)象。

4 ?系統(tǒng)測試

為了體現(xiàn)以CAN總線為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)出的儀表盤的合理性和可靠性，我們因此使用Vector公司研發(fā)的CANoe 測試工具以此來進(jìn)行檢測，并對數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行闡述與分析。

4.1 CAN總線通信測試

CAN總線通信系統(tǒng)在CANoe測試工具的測試下，展現(xiàn)出了車用儀表盤在行駛過程中的CAN總線的相關(guān)通信內(nèi)容，并評估了CAN控制器的位時(shí)間參數(shù)以及所輸出的信號電平等相關(guān)內(nèi)容。其中測試工具包括為示波器等。

其中，CAN所傳輸?shù)娜我粩?shù)據(jù)幀為圖中所體現(xiàn)的測試內(nèi)容。根據(jù)此波形圖中上的內(nèi)容可以展示，CAN_H信號分別以黑色曲線和紅色曲線的方式來進(jìn)行體現(xiàn)，此數(shù)據(jù)幀上的數(shù)據(jù)內(nèi)容完整詳細(xì)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等情況，以此表明CAN通信總線符合用戶對于車用儀表盤的要求。

4.2 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試的方法主要包括三部分，其中第一部分是將車用儀表盤連接到要接受測試的CAN總線處。第二部分是指注意車用儀表盤在接收到數(shù)據(jù)信號以及相關(guān)內(nèi)容后能否進(jìn)行有效迅速的反映。第三部分是指車用儀表盤上所顯示的內(nèi)容是否與實(shí)際內(nèi)容一致。通過以上的三個部分以此來檢驗(yàn)以CAN總線為基礎(chǔ)的車用儀表盤能否滿足實(shí)際情況的需求以及能否達(dá)到預(yù)期的測試期準(zhǔn)。本文所設(shè)計(jì)的儀表盤實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)想法和設(shè)計(jì)思路，它可以在CAN總線的基礎(chǔ)上可以有效精準(zhǔn)地反映汽車行駛的速度以及油箱內(nèi)油量的多少等相關(guān)內(nèi)容，可以迅速即時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容的接收整合，以此在CANoe以及顯示屏中將關(guān)于汽車使用以及操作等的相關(guān)情況展示和反饋給用戶，以此滿足用戶的實(shí)際需求[4]。

5 ?結(jié)束語

在我們國家，機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的時(shí)間還較少，積累的一些經(jīng)驗(yàn)也相對不足，在一些關(guān)于汽車產(chǎn)品以及零部件的制造方面產(chǎn)生的影響較小，而在如今的整個汽車產(chǎn)業(yè)的環(huán)境背景下，汽車電子化產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)成為了評估整個汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個相當(dāng)重要的一環(huán)，曾經(jīng)汽車儀表盤所顯示的內(nèi)容單一，無法滿足用戶的需求?，F(xiàn)如今，汽車儀表盤內(nèi)容顯示多樣、數(shù)據(jù)內(nèi)容準(zhǔn)確、反映時(shí)間減少，這些都是基于汽車電子化產(chǎn)品的發(fā)展。因此可以體現(xiàn)出，發(fā)展汽車電子化產(chǎn)品極為重要，它的發(fā)展不只是自身產(chǎn)品的發(fā)展，更是整個汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是人類的進(jìn)步。因此本文設(shè)計(jì)了一種以CAN總線為基礎(chǔ)的車用儀表盤，期待著它能夠盡早的出現(xiàn)并進(jìn)行應(yīng)用，以此來滿足人們的需求，提升人們的駕駛體驗(yàn)，推動整個汽車行業(yè)的長足發(fā)展。

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