基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

鄭聰

摘 要：在汽車工業(yè)發(fā)展速度不斷提升的背景下，大眾對于車輛運(yùn)行過程中安全性、舒適性的要求更為嚴(yán)格。同時(shí)，為滿足節(jié)能環(huán)保方面的要求，大量汽車電子控制設(shè)備開始廣泛應(yīng)用于車輛控制系統(tǒng)中。本文即提出一種基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基于對CAN總線性能特點(diǎn)的分析，研究車用儀表系統(tǒng)硬件電路以及軟件系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，望能夠進(jìn)一步優(yōu)化車用儀表系統(tǒng)的相關(guān)性能。

關(guān)鍵詞：車用儀表系統(tǒng)；CAN總線；設(shè)計(jì)

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作為車輛駕駛?cè)藛T直觀了解車輛運(yùn)行狀態(tài)的“平臺”——車用儀表裝置的重要意義是不言而喻的。傳統(tǒng)機(jī)械模擬式車用儀表已經(jīng)難以滿足駕駛?cè)藛T對車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的多樣化需求。新型車用儀表系統(tǒng)正基于對CAN總線技術(shù)的應(yīng)用，逐步向著網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)字化方向發(fā)展。本文即構(gòu)建一種基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方案總結(jié)如下：

一、CAN總線性能特點(diǎn)

與常規(guī)意義上的串口通信方式相比，在CAN總線的實(shí)際應(yīng)用中，其主要體現(xiàn)出了以下幾個(gè)方面的性能優(yōu)勢：第一，基于CAN總線技術(shù)的傳輸速率最高可達(dá)到1.0Mbps左右，低速狀態(tài)下的傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10.0km左右；第二，基于CAN總線技術(shù)采用雙線差分信號模式，可根據(jù)不同環(huán)境選擇雙絞線、光纖以及統(tǒng)籌電纜等通信介質(zhì)；第三，基于CAN總線的通信協(xié)議自身對總線掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)量無明顯限制，僅受發(fā)送節(jié)點(diǎn)驅(qū)動能力影響，單個(gè)網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)控制在32個(gè)以內(nèi)；第四，基于CAN總線技術(shù)的通信協(xié)議采用短幀結(jié)構(gòu)，受外部因素的干擾小且傳輸時(shí)間短；第五，基于CAN總線技術(shù)的通信協(xié)議以多主站結(jié)構(gòu)模式，搭載于總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等，任意節(jié)點(diǎn)均可在CAN總線空閑狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的主動發(fā)送與傳輸。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)整體方案分析

基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通過搭載CAN總線技術(shù)的方式對車用儀表系統(tǒng)所產(chǎn)生各種模擬信號、數(shù)字脈沖信號、數(shù)字開關(guān)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，獲取發(fā)動機(jī)電控單元以及車身模塊電控單元所對應(yīng)信號數(shù)據(jù)，及時(shí)顯示車輛里程、行駛速度等參數(shù)。整套車用儀表系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)直觀、數(shù)據(jù)精度高、線性度好、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性好以及性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢。

2.系統(tǒng)關(guān)鍵器件選擇分析

在基于CAN總線的車用儀表裝置硬件系統(tǒng)中，所涉及到的關(guān)鍵器件包括微控制器以及步進(jìn)電機(jī)這兩個(gè)方面。在器件的選擇上應(yīng)當(dāng)關(guān)注如下問題：（1）微控制器的選擇。本文所選擇為控制為u PD78F0822B單片機(jī)，該裝置與MCS-51有良好的兼容性，內(nèi)部集成有步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器、CAN控制器以及液晶驅(qū)動控制器等。應(yīng)用該微控制器能夠使外部電路設(shè)計(jì)更為簡化，對提高系統(tǒng)整體抗干擾能力以及穩(wěn)定性有重要意義與價(jià)值。（2）步進(jìn)電機(jī)的選擇。本文選用基于VID29-05型步進(jìn)電機(jī)作為車用儀表系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)裝置。該裝置屬于精密性維特電機(jī)，內(nèi)置180/1減速比的齒輪系，可用于車輛儀表指示盤中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號的可靠轉(zhuǎn)換。該步進(jìn)電機(jī)需要依托于兩路邏輯脈沖信號驅(qū)動，驅(qū)動方式包括微步式、分布式以及整步式這3種類型，所對應(yīng)驅(qū)動頻率最大值在600Hz左右。在本文研究中，為確保車用儀表系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定，減少硬件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的噪音干擾，對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式選擇為微步驅(qū)動模式，通過對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用，以與正弦更為接近的脈沖序列驅(qū)動電機(jī)，從而使步進(jìn)電機(jī)能夠獲得更小的微步步進(jìn)。

3.系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)

首先，在系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)中，電源轉(zhuǎn)換芯片選型為L7805型，該芯片為三端集成穩(wěn)壓芯片，內(nèi)部含有過載、過熱以及過流保護(hù)電路，系統(tǒng)內(nèi)部電容可有效預(yù)防電源浪涌問題，對電壓紋波脈動有良好的抑制效果。

其次，在信號數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)中，以車輛運(yùn)行速度周期信號為例，輸入儀表盤的周期或脈沖信號，經(jīng)過信號處理電路濾波一調(diào)整后，送入單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行測量。由于LM393工作時(shí)噪聲干擾的存在，會在輸出端產(chǎn)生尖峰、階躍等干擾存在，因此我們在信號處理電路與單片機(jī)端口之間增加了光電隔離器。光電隔離器TLP521是能量型元件，它的導(dǎo)通需要5.0mA左右的電流，由于尖峰噪聲的電流不能使其導(dǎo)通，所以可以進(jìn)一步過濾掉前端的干擾，保護(hù)單片機(jī)引腳的安全。

最后，在CAN總線通信接口電路設(shè)計(jì)中，PCA82C25O是CAN控制器和物理總線的接口，該器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。PCA82C250主要特性有：與15011898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，高速率，具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護(hù)總線能力；具有斜率控制，降低射頻干擾，過熱保護(hù)，總線與電源及地之間的短路保護(hù)，低電流保護(hù)模式等模式。

三、系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

1.軟件設(shè)計(jì)思路分析

整套基于CAN總線技術(shù)的車用儀表系統(tǒng)軟件模塊包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、CAN總線通信模塊、液晶顯示器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊這幾個(gè)方面。模塊開發(fā)語言環(huán)境為C語言，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

2.儀表系統(tǒng)的子模塊程序設(shè)計(jì)

首先，在基于CAN總線的通信模塊程序設(shè)計(jì)中，初始化設(shè)計(jì)是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。CAN控制器在上電、硬件復(fù)位、節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤終端等情況下必須進(jìn)行初始化設(shè)定，涉及到包括中斷配置、輸出管腳配置、濾波器驗(yàn)收、濾波器模式、數(shù)據(jù)緩沖器以及總線位定時(shí)等功能。而在基于CAN總線的接收程序設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收采用的是中斷控制方法。由于本方案中所選型微處理器中報(bào)文信息會自動儲存于內(nèi)部擴(kuò)展的RAM存儲區(qū)中，因此可在中斷程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接讀取與處理，對提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性有重要意義。

其次，在數(shù)據(jù)采集處理模塊程序設(shè)計(jì)中，該模塊的主要功能是對車輛運(yùn)行速度以及燃油液位高度等關(guān)鍵信號進(jìn)行實(shí)時(shí)性采集與處理。根據(jù)傳感器輸出頻率以及調(diào)試結(jié)構(gòu)，將脈沖信號采樣周期控制為100.0ms，以6次采樣結(jié)果平均值作為參考依據(jù)，故信號更新周期在600.0ms左右。程序?qū)崿F(xiàn)中首先定時(shí)中斷，然后采集車速信號并處理，燃油液位信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采樣后設(shè)置采樣次數(shù)為6次，對模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，最終中斷完成。

最后，在步進(jìn)電機(jī)控制模塊程序設(shè)計(jì)中，本模塊的主要目標(biāo)是確保儀表指針能夠信號變化做出及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)避免步進(jìn)電機(jī)指針出現(xiàn)過沖或失步等問題。因此，步進(jìn)電機(jī)控制模塊程序設(shè)計(jì)中采用基于24細(xì)分的驅(qū)動模式，運(yùn)轉(zhuǎn)精度為1/12°，用過引入加減速控制策略的方式以確保步進(jìn)電機(jī)中指針運(yùn)動軌跡的平順性。

結(jié)語

對于我國而言，汽車工業(yè)的發(fā)展時(shí)間相對較短，所積累的經(jīng)驗(yàn)也不夠豐富，在汽車電子產(chǎn)品的研究開發(fā)以及生產(chǎn)能力上還比較薄弱。目前，汽車電子化開發(fā)與應(yīng)用已成為評估汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在這一背景下，展開對汽車電子產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作已成為汽車工藝的迫切需求。當(dāng)前車輛儀表所需顯示的信息類型更多，內(nèi)容更為多樣，且精度要求更加嚴(yán)格，以往的電子式儀表難以滿意上述要求。故本文提出一種基于CAN總線技術(shù)的車用儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，望能夠通過對系統(tǒng)的應(yīng)用，以促進(jìn)車輛儀表系統(tǒng)功能的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

參考文獻(xiàn)

[1]李旭榮.基于CAN總線的純電動大巴組合儀表的設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程，2012（1）：20-21.