基于CAN總線的純電動汽車數字組合儀表開發

裴春松，韓洪興

（1.河南少林汽車股份有限公司，河南 滎陽 450100；2.南京賽格微電子科技有限公司，江蘇 南京 210028）

面對日益嚴峻的能源、環境與氣候變化三大挑戰，大力發展新能源汽車，實現交通能源轉型，成為實現汽車行業可持續發展的重要途徑。新能源汽車技術經歷了百花齊放的探索期后，主流技術已逐步清晰，實現汽車動力電氣化，發展電動汽車是其總體趨勢和戰略重點，這在國際上已形成共識。

近年來，國內電動汽車取得了重大的發展。初期研發的電動汽車，大都是在傳統車的基礎上改制而成的，電動汽車的顯示儀表仍然借用傳統車的儀表，電動汽車運行時的電機信息、電池信息等一般通過另外加裝的顯示屏來顯示，既不美觀，也影響行駛安全。

SGW206型儀表是河南少林汽車股份有限公司和南京賽格微電子科技有限公司聯合設計開發的一款純電動汽車用儀表，適用于純電動中巴車。該型儀表簡單大方、功能齊全，可以通過CAN接口和整車控制器、電池管理系統實現CAN通信，通過儀表中間的TFT液晶屏幕實時顯示驅動系統、電池系統的各項數據。該儀表經過裝車驗證，性能良好，具有很高的可靠性，裝配此型儀表的電動汽車總運行里程已達11萬公里，儀表系統沒有出現過故障。

1 儀表總體功能設計

本儀表的整體設計方案如圖1所示。該型組合儀表是一塊帶有CAN總線接口的數字儀表，可以與整車控制器、電機控制器和電池管理系統實現CAN通信。該組合儀表主要包括6個獨立指針表、24個廣視角報警燈和TFT-LCD液晶顯示屏。組合儀表界面如圖2所示。

車速表、電機轉速表為240°旋轉角度的獨立儀表，氣壓表、電機溫度表、電壓表為90°旋轉角度的獨立指針表。獨立指針表采用步進電機來驅動，采用微步驅動控制，分辨率高達十二分之一度，工作穩定精準。

5.6寸數字TFT液晶顯示屏的屏幕頂部顯示報警信號指示，包括充電指示、電池故障指示、CAN通信指示、READY/STOP指示、空檔指示、倒檔指示以及前進檔指示。屏幕中部分頁顯示儲能系統、車身系統、充電系統、驅動系統的各種信息和狀態。液晶屏下部顯示里程信息和故障報警信息。TFT顯示界面如圖3所示。

信號及報警指示燈用來指示車輛運行中的一些關鍵狀態，告知駕駛員有關電氣系統和動力電池系統的狀況。報警指示燈采用高亮度的LED燈，具有高壽命、高穩定性等特點。報警指示裝置見表1。

?

2 儀表硬件電路設計

系統硬件設計中，采用了模塊化的設計方法。本儀表系統的硬件由單片機系統、電源模塊、CAN通信模塊、輸入信號處理模塊、狀態指示燈模塊和TFT液晶屏模塊等組成，如圖4所示。

2.1 PIC30F5011單片機系統

儀表的MCU采用MICROCHIP公司的16位微處理器PIC30F5011，該芯片采用16位數據改良的哈佛架構，包含對DSP指令的支持，具有快速中斷處理、豐富的數字和模擬外設，電源管理和靈活的時鐘模式，主要有上電復位、欠壓保護、WDT定時器、代碼加密等功能。內部具有66K ROM、4K RAM、1K EEROM、5個16位定時器、10位AD轉換器，工作溫度-40～+125℃，能夠完全滿足汽車使用環境的要求，并支持運行、休眠、空閑等多種工作模式。它的內部結構如5圖所示。

2.2 電源模塊

MCU和外圍器件的供電采用Infineon公司汽車專用電源芯片TLE7469，帶有外部看門狗電路，輸入電壓范圍寬 （7～45 V），輸出電壓精度高，并有短路、過溫和電池反接保護等功能。電源模塊的內部結構如圖6所示。

2.3 CAN通信模塊

PIC30F5011內置有CAN通信控制器，可以很方便地實現物理層和數據鏈路層的功能。CANH和CANL是CAN總線的兩條差分接收/發送復用線路，它們的端點各接一個120 Ω的總線匹配電阻。當有節點占有CAN總線時，該節點的發送端 （電平為3.5V）接CANH， 接收端 （電平為1.5V）接CANL； 當無節點占有CAN總線時，CANH和CANL上的電平均為2.5V。

在PIC30F5011和總線收發器PCA82C250之間采用高速光電隔離器6N137，可有效防止干擾信號通過PCA82C250傳入主控制器；同時對整個系統還進行了金屬屏蔽，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。PCA82C250是CAN控制器和物理層之間的接口，可以提供對總線數據的差分接收和發送能力，具有在汽車環境下抗瞬間干擾、保護總線的能力。CAN通信模塊電路如圖7所示。

本儀表系統通信速率可根據需要設定，本文設定值為250kb/s。CAN總線網絡報文結構如表2所示，采用擴展幀格式，即29位標識符。其中，優先級為3位，可以有8個優先級；R一般固定為0；DP現固定為0；8位的PF為報文的代碼；8位的PS為目標地址或組擴展；8位的SA為發送此報文的源地址。

?

2.4 TFT顯示屏模塊

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是 “真彩” （TFT）。TFT液晶為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可以通過點脈沖直接控制，因而每個節點都相對獨立，并可以連續控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階。TFT液晶顯示屏的特點是亮度好、對比度高、層次感強、色彩鮮艷，一表多用，具有高精度和高可靠性。

電路采用ALTERA公司的大規模可編程集成電路 （CPLD）EPM3128編程實現，性能穩定可靠。緩存采用大容量SRAM，對于800×RGB×480點陣彩色LCD可儲存4頁顯示內容，對當前頁或任一頁讀寫不影響當前頁的顯示，無雪花現象，頁之間的內容可方便地實現交替顯示。

TFT-LCD原理框圖如8所示，與MCU連接的電路原理圖見圖9。

2.5 狀態指示燈模塊

狀態指示燈用來指示車輛運行中的狀態，如手制動狀態、乘客門狀態、燈光狀態、電源狀態、系統狀態等。狀態燈電路原理如圖10所示。

3 系統軟件設計

軟件是系統功能實現的關鍵，本系統軟件主要由CAN通信協議程序和數據處理程序組成。

CAN通信協議程序主要負責對實時性要求較高的控制單元動作的采集、處理和傳送，一旦系統檢測到有效動作信號，將調用相關的子程序，由ECU處理該數據。

數據處理程序主要負責儀表TFT-LCD、步進電機和報警指示燈的顯示。由信號采集或者CAN總線采集的數據，通過ECU的運算，分別驅動儀表指針轉動到相應的位置、TFT顯示相應的畫面和報警指示燈的亮滅。

CAN通信程序流程如圖11所示，數據處理程序流程如圖12所示。

4 結束語

本文開發的用于純電動汽車的數字總線儀表以MICROCHIP公司的PIC30F5011單片機為控制核心，主要通過TFT-LCD液晶顯示屏動態顯示電動汽車的各種運行信息。目前該款儀表已經完成了小批量裝車，在實際測試中得到了驗證，能夠滿足電動汽車的需要。