基于CAN總線汽車智能儀表研究與應用

李有通 譚琳 陳益慶

摘要：傳統儀表采用線束進行連接使得儀表準確度和精確度低，且抗電磁干擾能力弱。CAN總線是一種能進行分布式控制和實時控制的技術，結構簡便且通訊度高，可靠性、抗干擾能力強。基于CAN總線進行汽車智能儀表的設計與應用，能提高儀表的工作效能，對汽車儀表技術發展有促進作用。文章先敘述CAN內涵及特點，之后對基于CAN總線汽車智能儀表的總體結構設計進行分析，最后對基于CAN總線汽車智能儀表的系統硬件進行全方位闡述，以供參考。

關鍵詞：汽車智能儀表;CAN總線;結構設計;硬件設計

0 ?引言

微型計算機和電子制造業的發展，給車載智能儀表的研發帶來了機會。現代汽車在研發過程中越來越多地應用高科技技術，使汽車的安全性能越來越高。為了使駕駛員能對汽車運行信息進行全面掌握，基于CAN總線進行汽車智能儀表的研究成為汽車儀表研發的趨勢。

1 ?CAN概述

1.1 內涵

CAN是多主方式的串行通信系統，位速率強、抗干擾性能強，屬于現場總線的一種形式，在國際上應用比較廣泛。CAN總線技術最早是德國公司研發，應用目的是解決汽車控制器存在的問題。將CAN總線技術應用于汽車運營的局域環境內，可以通過CAN內含的微型控制通訊設備，實現汽車各設備之間的數據交換，將汽車運行過程中的數據形成一個網絡，并為分布式控制和實時性控制提供網絡信息支持。

1.2 特點

CAN能快速檢測出錯誤，因支持分布式控制和串行通訊網絡，被廣泛應用于汽車傳感器系統，主要包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中CAN2.0A主要通過數據幀進行各設備信息的傳遞，通過遠程幀進行各設備單元信息和數據請求的處理，通過出錯幀進行總線信號是否出錯的檢測，通過超載幀的標志和特定符號等來呈現是否有錯誤。CAN2.0B通過標準幀信息的11個字節進行信息展示，其中一個字節是1的幀信息，2字節是2和3的報文識別碼;通過擴展幀的13個字節的信息進行信息展示，其中，2字節主要是29位數字有效，且由2-5的報文識別碼組成，而3字節遠程幀操作無效，是由6-13數據幀的信息組成。

2 ?基于CAN總線汽車智能儀表的總體結構設計

2.1 功能分析

基于CAN總線汽車智能儀表的設計總方案是對系統功能、系統可靠性、實現性進行整合后總結出來的最合理方案，決定了后續設計的順利性。在功能上，汽車智能儀表是對車速、蓄電池電壓、發動機轉速、里程數、燃油量等進行綜合顯示的儀器。同時對汽車運行過程中的車載裝備工作情況進行監測，在發現異常時會進行報警或強行制動，避免發生故事。其報警功能一般是圖標結合燈光閃爍、語音報警。用戶在應用時，可以根據自己的喜好進行儀表界面的設計，使智能儀表更具個性化。

基于CAN總線汽車智能儀表還具備拓展接口，可以根據用戶的需求進行數據下載。CAN總線汽車智能儀表每個模塊都有自己的工作準則，在遵循工作準則的基礎上實現系統所有功能。為了實現儀表系統的信號采集、傳輸、處理和存儲等，需要在設計時對資源合理分配，以使操作簡便，使系統工作效率更高。

2.2 框架設計

基于CAN總線汽車智能儀表的整體設計是先進行數據采集，再進行數據傳送。采集的數據主要包括汽車運行過程中的水溫、油量、車速相關數據，數據傳送主要是將采集到的信息傳送至主控制芯。在完成數據采集與傳送后，接收數據的主控制芯對大量數據進行整理和分析，歸納出結果，顯示在智能汽車儀表的顯示屏上。通過屏幕上信息的顯示，駕駛員能了解汽車運行過程中水溫、油量、車速等各種信息，以根據需求進行駕駛調整。具體框架如圖1所示。

3 ?基于CAN總線汽車智能儀表的系統硬件

3.1 硬件總體方案

人們生活水平在提高，精神追求也相應提高，在加強汽車的過程中，要求更高的舒適性和可靠性。研發人員在進行汽車設計時，將豐富的電子設備應用于汽車上，但設備過多，信息過于龐大，使信息數據的采集、傳輸、處理都變得更復雜，也會增加設備的故障率，增強維修的困難。而CAN總線的高性能性實現了車內設備之間信息的有效傳遞和處理，成為智能儀表的重要支撐。基于CAN總線的汽車智能儀表在工作時對各點的數據進行接收和傳輸，之后通過轉換再做出判斷和命令。以圖像顯示的數據，是先對數據接收和處理，再轉換成圖像形式，最后顯示在顯示器上，使駕駛員掌握汽車運行時的所有車況信息。

3.2 車速信號采集設計

駕駛員在駕駛汽車時，對車速的掌握利于提高駕駛的安全性。基本CAN總線的車速信號采集一般選取霍爾式傳感器進行測速，以提高車速測量的靈敏度和抗干擾能力。具體設計和工作原則如圖2所示。

根據霍爾效應原理，在設計汽車智能儀表時，先在變速器內安裝好磁傳感器，目的是感應車輪在轉動時產生的脈沖信號，并進行記錄，以過測定和計算脈沖信號估算車速，之后再傳回傳感器，發送加主控芯片。

3.3 油量信號采集設計

汽車智能儀表的重要功能是記錄油量，以為汽車順利運行提供動力支持，并了解最安全的行駛距離。此段探討的是通過浮子傳感器進行油量的采集。浮子傳感器油量采集系統主要由浮子、浮子臂和滑動變阻構成。在采集工作進行時，浮子隨著油箱中的油量的變化而來回浮動，進而記錄油量指數，并傳遞給相應的設備。在進行油量信息采集時要考慮電壓，使電壓的輸出信號在0～12V之間，以保證油量采集的正確率。

3.4 CAN通信設計

CAN通信模塊主要是由收發器和控制器組成。其中，收發器是對信息進行收集和發送，之后傳送給控制器。控制器是對信息進行接收，并通過設定的通信協議進行通信，完成指揮工作。基于CAN總線的智能儀表的接口主要包括初始化子操作程序、發送子程序、接收子程序。初始化程序是通過CAN控制器讀入相應的控制字，之后再確定工作方式。初始化程序包括電復位、硬件復位、軟件復位三種形式。汽車在運行期間，可以通過向CAN控制器發射復位請求后再進行程序的具體操作。CAN控制器內部具備雙重緩沖的設置，能對數據操作進行緩存。CAN改變了傳統節點地址編碼操作方式，拓展了數據編碼方式，是汽車智能儀表的發展大方向。

3.5 CAN系統抗干擾設計

汽車在行駛過程中受各種因素影響，外部因素有溫度、濕度等，內部因素有汽車電子設備的電磁干擾等。因此，基于CAN總線的汽車智能儀表研究要考慮所有干擾因素，并通過設計排除干擾因素。CAN系統抗干擾設計主要是通過低噪音電路設計和噪聲耦合設計結合減少汽車運行過程中的干擾因素的產生，同時提高智能儀表對信息的敏感度。抗干擾硬件設計時，可以利用寬電壓輸入，目的是減少電源對信息傳輸的干擾，同時在電源上安排電容濾波電網，提高電源的穩定性。在進行系統操作通道抗干擾設計時，可以選擇抗干擾能力強的設備零件，目的是減少通道操作過程中各設備的相互干擾幾率。在進行軟件抗干擾設計時，可以有效利用看門狗系統，目的是在發生干擾時，能及時進行復位。

總之，在人們對汽車舒適度和可靠性提供更高要求的背景下，基于CAN總線進行汽車智能儀表設計，能使系統更智能化，使信息的采集、處理和共享更精確化，使汽車監控全方位化，能提高汽車各設備的工作效率，促進汽車研發的健康發展。

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作者簡介：李有通（1986-），男，四川廣安人，本科，講師，研究方向為汽車電子、汽車維修;譚琳（1968-），男，四川鄰水人，本科，副教授，研究方向為汽車維護、汽車設計;陳益慶（1987-），男，四川鄰水人，碩士研究生，講師，研究方向為汽車電子控制及汽車系統動力學研究。