電動微型汽車的CAN總線儀表板設計

王秀青

（太原太航汽車電子有限公司，山西 太原 030006）

當前，國內汽車開發商已經意識到，傳統的汽車控制系統由于車內線束過多且布線復雜，所造成的嚴重電磁干擾，使系統的可靠性下降等問題。這一問題會隨著汽車電子控制系統的發展而日益嚴重。1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN（Controller Area Network，控制器區域網絡）通信協議，適應了減少線束的數量、通過多個LAN（Local Area Network，局域網），進行大量數據高速通信的需要。現在在歐洲，CAN已是汽車網絡的標準協議。它的高性能和可靠性已被認同，國內汽車開發商也在汽車電子控制系統中逐步采用這一標準通信協議。電動微型汽車為適應安全性、低公害、低成本的要求，需要在電子控制系統中采用CAN總線技術。為了滿足市場的需求，我公司開發出了基于CAN總線的電子儀表板，它兼顧了價格和技術優勢，具有較強的市場競爭力和廣闊的市場發展空間。

CAN通信是CAN控制器根據兩根線上的電位差來判斷總線電平，從而進行信息通信的。總線電平分為顯性和隱性電平，兩者必居其一，發送方通過總線電平發生變化，使信息發送給接收方。在CAN協議中，所有消息都以固定格式發送。CAN可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數據錯誤還是持續的數據錯誤。當總線上發生持續數據錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。CAN的這一優勢，能夠很好地滿足汽車網絡數據通信的要求。

1 電動微型汽車的CAN總線儀表板的硬件電路結構

該款電動微型汽車的儀表板，在設計時由于采用了CAN信號作為儀表板的主要信號輸入，因此硬件結構較為簡單，整體硬件電路的功耗也比較低，符合電動微車的節能要求。

CAN總線上的數據信息通過CAN驅動器電平轉換后，通過光電隔離器，進入UPD78F0820微控制器的CAN接口；微控制器根據CAN的ID （Identifier，標識符）地址拾取電流、電壓、功率、溫度、速度和LED報警等數據信息。儀表板硬件電路結構包含微控制器、電源電路模塊、LED顯示電路模塊、LCD顯示電路模塊、步進電機、存儲器和CAN總線驅動器、光電隔離器等，其框圖如圖1所示。

1.1 微控制器

儀表板硬件電路采用NEC UPD78F0820微控制器作為主芯片，進行CAN信號的識別、步進電機運行驅動、LCD顯示控制和LED報警控制。該芯片認可用于汽車市場，其功能強，是儀表板專用芯片，主要特點有:具有CAN通信接口，可直接與CAN總線驅動器連接，進入CAN網絡；IIC（inter-integrated circuit，內部互聯)通信接口，與存儲器直接連接進行里程和修正數據的存儲；步進電機驅動接口，可直接連接步進電機，實現直接驅動和控制其運行；EMC （Electromagnetic Compatibility， 電磁兼容性）性能，保證儀表板在電磁干擾的環境下正常工作。UPD78F0820的管腳圖如圖2所示。

1.2 CAN驅動器

選用Philips的PCA82C250作為協議控制器和物理傳輸線路之間的接口，它的位速率高達1Mb/s，使用差動總線信號，能防止總線輸出短路以及一般汽車環境中的瞬變現象，具有熱關閉功能，可以在例如短路等溫度過載的情況下保護器件，所需外部元件數量最少，能驅動大量的總線節點，即每個網絡64～100個， 同時總線長度可達0.5～1 km。 PCA82 C250的外圍電路圖如圖3所示。

1.3 步進電機

步進電機選用VIP29-05系列步進電機，它是一種小尺寸的雙相繞組、雙極性電機，主要特點:可直接由PWM信號驅動，直接轉化成位移量或速度量； 固有步距角（1/3）°， 細分驅動步距角 （1/12）°；無須位置信號反饋達到位置控制目的；可迅速地加速、減速和停止；無漂移和積累誤差；控制特性不受擾動影響；可實現實時控制。根據以上步進電機的特性，它完全能滿足電子儀表板的設計要求。

2 軟件設計

CAN總線采用多主競爭工作方式和非總線仲裁技術，總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息而不分主次，各節點之間實現自由通信。當多個節點同時向總線發信息時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級較高的節點不受影響，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，即使在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡崩潰情況，因此適用于汽車網絡數據通信。由于CAN總線協議規范只定義了物理層和數據鏈路層，所以在實際應用中必須根據數據傳輸要求自定義幾個應用層協議。本儀表板報文采用CAN2.0B標準幀格式，根據實際應用定義了幾個應用層協議，以實現儀表板的各項功能。

軟件設計是根據采集的CAN信息內容，然后通過判斷和計算，完成相應的LED指示、數字顯示和步進電機的運行控制。儀表板軟件流程圖如圖4所示。

軟件在儀表板接通電源后開始運行，首先完成微控制器的初始化，包括時鐘設置和CAN功能的設置以及微控制器端口設置、變量初始化，然后進入主程序；主程序主要進行點火信號有無判斷，如果點火信號不存在，儀表板進入休眠狀態，如果點火信號存在，進入CAN通信判斷模塊；如果CAN通信沒有建立聯系，軟件程序進入到主程序的入口；如果CAN通信已建立聯系，通過識別CAN的ID地址，拾取相應的數據，然后根據它們進入LED報警指示燈數據處理模塊和電流、電壓、功率、溫度數據處理模塊以及速度數據處理模塊；最后根據數據處理結果控制相應LED指示燈亮滅、控制LCD顯示屏顯示相應內容以及控制步進電機帶動指針運行到所要求指示的位置。

3 儀表板抗干擾設計

該儀表板針對汽車的使用而設計，而汽車的點火系統有較強的電磁干擾，另外汽車在行駛過程中，不可避免會遇到較強的電磁干擾，因此有必要采取一些抗干擾措施，以確保儀表板在各種環境中都能正常工作。在本儀表板設計中，采用軟件和硬件相互結合的抗擾措施。

3.1 電源抗干擾

由于該儀表板與音響、空調控制器和其它電子儀表共用車載電源12 V，因此各電子儀表之間在電源上會產生干擾。針對該儀表板的電源，可采用在車載電源12 V的儀表板輸入端，用磁珠和電容組成π形濾波電路后，再供給儀表板使用的措施。在每個集成芯片電源處加0.1 μF電容濾除高頻干擾。同時在儀表板PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）的設計時，將數字地和模擬地分開，最后以點連接。

3.2 光電隔離

采用傳輸速率大于500k的光耦，將微控制器與CAN信號從電氣上隔離開來，保證部分干擾被阻擋。

3.3 微控制器抗干擾

除選用抗擾能力較強的微處理器外，在軟件設計時采用指令冗余和軟件看門狗的處理方式，也可提高抗擾能力。

4 結束語

CAN總線技術應用在電動微車的電子儀表板設計上，可以減少硬件結構成本和簡化軟件設計。隨著電動微車儀表配置的增多，采用CAN總線技術儀表可以簡化汽車車內線束，儀表功能容易升級和改進。我公司設計的該款儀表板是為某電動微車設計的，樣件已通過確認。圖5是它在電動微車上的配置圖片。

［1］李真花，崔 健.CAN總線輕松入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［2］http://www.cn.renesas.com.瑞薩_CAN入門書的PDF資料[OL].

［3］http://www.cn.renesas.com.upd78f0820的PDF資料[OL].

［4］http://www.vidmotion.com.VIP29-05的PDF資料[OL].

附:對審稿意見的補充說明

1）電動微型汽車就是以電池為動力源，以電動機為動力的輕型汽車，電動汽車可以不安裝離合器、變速器、傳動軸等部件，使傳動系統大為簡化。它低噪聲、零污染、環保，符合新能源汽車的要求。

2）NEC （已與瑞薩合并）的UPD78F0820是一款認可用于汽車上的芯片，它一般用作汽車儀表板的專用芯片。其功能比較強，不需要外接驅動芯片就可以直接驅動步進電機和LCD顯示屏等，這樣可以簡化設計電路，節約設計成本。它帶CAN接口，可以和CAN驅動器直接相連，比較適合用在帶CAN的儀表板設計中。

另外，飛思卡爾的CPU也同樣認可用于汽車上。鑒于許多儀表板設計方案多選NEC的芯片，所以出于采購和價格、性能的考慮，在本方案中選用NEC的產品。