新能源汽車儀表盤的CAN總線通訊研究

王悅 張昕

摘要： 隨著汽車產業的高速發展，新能源汽車逐漸步入大眾的視野，其儀表盤顯示信息相對于傳統汽車儀表更全面、更智能。本文介紹了新能源汽車組合儀表盤的整體設計和功能檢測過程。硬件電路采用STM32F103VET6為中央處理器，CAN—601作為CAN總線通訊的收發器，實現了將汽車各模塊數據進行通過總線信息實時接收至儀表模塊并進行顯示的目的。利用VisualTFT組態軟件平臺設計儀表盤測試界面和測試程序，測試結果表明該儀表盤具有抗干擾能力強、可靠性高、結構簡便和通訊速度高等特點，能夠有效解決新能源汽車儀表盤通訊問題[1]。

Abstract： With the rapid development of the automobile industry， vehicles with new energy have entered the public' s vision gradually. The dashboard display information is more comprehensive and intelligent than traditional vehicle instruments. The new energy vehicle combination dashboard is mainly designed to test the function， meanwhile the overall design and function testing process are introduced during this paper. The hardware circuit uses STM32F103VET6 as the central processor， and CAN-601 as the transceiver of CAN bus communication， which realizes the purpose of receiving and displaying the data of each module of the vehicle in real time through the bus information. VisualTFT configuration software platform is used to design the test interface and test program of the dashboard. The test results show that the dashboard has strong anti-interference ability， high reliability， simple structure and high communication speed， which can effectively solve the communication problem of the dashboard of new energy vehicles.

關鍵詞： 新能源汽車;CAN總線;儀表盤

Key words： new energy vehicles;CAN bus;dashboard

中圖分類號：TH868????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0022-02

0? 引言

隨著新能源汽車智能化越來越高，汽車儀表盤的顯示信息增多，儀表盤布局也更加復雜。傳統汽車儀表必須把傳感器線束接到儀表上才可以進行使用，不可以節省傳感器，布線復雜，增加汽車重量、功耗高等缺點。同時各模塊之間的線束連接也會導致電磁抗干擾能力減弱使汽車儀表盤所接收的數據準確程度和精確程度有所降低。本文采取CAN總線進行新能源汽車中的數據傳輸，通過對CAN通訊接口進行研究，依據CAN總線的實時性、可靠性和靈活性等特點，采用SAE J1939協議，設計可實時獲取車輛信息的新能源汽車儀表盤，能提高儀表的工作效能，對汽車儀表技術發展有促進作用[2]。

1? CAN總線和SAE J1939的概述

CAN協議以國際標準化組織的開放性互聯模型為參照，規定了數據鏈路層、物理層和應用層。它們分工明確，其中數據鏈路層的作用是用來接收和發送報文信息[3];物理層是將完成的數據進行可靠、穩定的在CAN總線網絡中傳輸;應用層是這三個組成中最重要的一部分，主要是進行報文的濾波以及報文狀態的處理。不同于以往的線束連接，CAN總線是以報文的方式進行數據的傳輸，發送的數據格式主要有：數據幀、錯誤幀、遠程幀、超載幀等。SAE J1939協議通過多路復用的技術可以將基于CAN總線上的模塊相互連接，快速有效的實現汽車各電子模塊之間數據的傳輸，在保證傳輸速率、準確程度的同時減少了線束的連接提高了系統的可靠性，有效的發揮了CAN總線的優點。

2? 總體設計方案

汽車儀表盤作為汽車與駕駛員之間進行信息溝通的工具與平臺，實時向駕駛員提供汽車自身以及行車時外部交通環境的信息[4]。本文采用STM32F103VET6作為中央核心處理器，并且利用CAN總線進行各模塊之間的數據傳輸。對所接收到的信息進行分析處理之后發出相應指令，完成對數據的傳輸處理以及儲存，最后在顯示屏上對處理后的數據進行綜合顯示方便駕駛員實時了解車況信息[5]。①對CAN總線以及SAE J1939協議的深入研究，制定出本系統的儀表CAN網絡系統應用層協議[6]。②設計系統的總體方案，研究分析新能源汽車儀表各模塊的硬件組成，針對其功能原理給出新能源汽車儀表的硬件設計方案。③設計新能源汽車儀表系統的軟件，根據模塊化設計方案，對各模塊進行軟件分析設計，并針對設計流程繪制流程圖進行詳細解說。④針對上述設計方案，進行實際工作的測試，以此檢驗系統是否可以符合汽車儀表所需的功能，并不斷優化完善。本文是基于CAN總線通訊技術結合微控制器的新能源汽車智能儀表的設計。以STM32F103VET6作為本系統的中央核心處理器，CAN總線是汽車各模塊數據傳輸的通道，硬件設計是系統可以可靠實時運行的基礎，軟件設計是系統可以正常運行的前提。對汽車儀表盤的功能進行整理分析，智能儀表系統總體框架圖如圖1所示。

3? 系統的硬件設計

GCAN-601是集成1路標準CAN-bus接口、1路標準UART串行接口的通訊轉換模塊。當其處于正常工作期間，可對CAN總線上的數據進行實時監測并對信號的傳輸敏感。當監測到CAN總線上的信息被接收時便立即對其進行分析處理，并將所處理的數據按照格式不同分別裝入CAN總線和UART總線的緩沖區，并按設定的工作標準將信息轉換傳輸給對方總線，快速準確的實現信息的相互傳遞[7]。GCAN-601模塊接入CAN總線只需將CAN_H與CAN_H對應相連，便可以實現CAN總線之間的數據傳輸。各引腳具體含義如表1所示。

由于STM32F103VET6微處理器有著眾多的優點，如使用具有性價比最大的Cortex內核、內置CAN控制器與收發器可以滿足本系統的通信需求，因此本系統選用STM32F103VET6作為系統硬件設計的核心要件。除此之外，微處理器內置的CAN2.0控制器，在保證數據準確傳輸的同時減少了線束連接，降低了由于線路雜亂所造成的干擾問題，在保證系統線路簡潔的同時提高了數據傳輸的準確性。LCD顯示是汽車智能儀表研究中最重要的一部分，主要的作用是顯示儀表各模塊的實時信息以及CAN總線通訊的解析。只有把LCD控制器、CAN總線技術以及軟件代碼整合起來才能將汽車各模塊的數據進行實時準確的顯示出來。根據本系統的功能需要，主要需要將汽車的車速和發動機轉速信息在儀表盤進行指針顯示，其他各種狀態量和開關量用數字和圖像顯示，實現了人機的信息交互[8]。

4? 系統的軟件設計

對于系統的軟件設計主要分為以下幾個部分：主程序模塊主要負責對各個功能子模塊信息進行數據調度驅動其執行命令;CAN總線通訊模塊相當于信息傳輸通道，其作用是進行汽車內部各電子模塊信息的傳輸;數據采集模塊的作用是通過數字濾波的處理方式，采集脈沖信號以及模擬信號;A/D轉換模塊的功能是濾除高頻信號并轉化為單片機可識別的數據，降低其干擾程度;LCD液晶顯示模塊主要將汽車信息實時顯示，方便駕駛員快速準確的了解車況。以下是三種核心模塊的重點分析研究。

主程序模塊的工作原理是當汽車智能儀表與汽車電源相互連接后，進行各模塊的初始化設置，對以CAN總線為載體傳輸的數據實時收發并進行分析處理，調用各組模塊，保障汽車儀表系統的正常工作。針對數據采集模塊，是將汽車行駛或靜止狀態時整車信息參數進行采集，通過對數據的收集與轉換，將信號傳輸到液晶顯示屏進行顯示[9]。CAN總線通訊模塊作為本系統的核心部分，主要是對汽車電子模塊間進行數據傳輸。

本系統主要采用STM32F103VET6與GCAN-601組成CAN總線通信模塊，該模塊是由CAN控制器、CAN收發器以及數據模塊接口等組成。本系統的具體設計流程如下：首先進行系統的初始化設置，之后調用CAN總線各子模塊程序，對CAN總線上所發送的數據進行實時處理分析，將所采集到的信息通過LCD顯示屏顯示。數據采集流程圖如圖2所示[10]。

5? 系統測試

在CAN總線通訊技術應用于汽車方面，新能源汽車與傳統汽車在部分車身類系統和部分整車控制系統有著眾多相似之處;但仍存在著不同之處，新能源汽車具有其特有的功率傳感器，新能源汽車CAN通信使汽車功率實時性更好，精確度更高。在本文的設計中，基于CAN總線的汽車功率信號進行采集，以提高汽車功率測量的靈敏度和抗干擾能力。運用以下的公式進行計算：Pe=Te×（2π×n/60）/1000=Te×n/9550（kW）（1）

其中：Te—有效轉矩，N·m;n—發動機轉速，r/min。發動機的有效轉矩用臺架試驗方法測定，并根據霍爾效應原理，該系統應用在一段時間內采集脈沖個數的方式進行測量發動機轉速，計算的汽車功率數據使用編輯的DBC文件進行解析，轉化成了CAN總線數據，定時將數據主動上傳，最終實現通過CAN總線進行汽車功率采集。

6? 總結

通過不斷的研究學習，深刻了解到CAN總線通訊的內涵，本文最終選擇以STM32F103VET6作為微處理器，實現了新能源汽車儀表盤CAN總線通訊技術，并通過仿真實驗完成了采集電路的設計、CAN總線通訊設計以及LCD顯示電路的設計等，保證汽車智能儀表各模塊正常工作。同時隨著時代的發展，“5G”技術的不斷突破，汽車智能化程度的高低逐漸成為各大汽車廠商的核心競爭力。而儀表盤作為駕駛員直觀了解汽車狀態的重要部分之一，由于CAN總線技術與其他技術相比具有可靠性高、實時準確等優點，因此未來在新能源汽車智能儀表盤的應用必將會成為一種潮流。

參考文獻：

[1]孫周.電動汽車電池管理系統的設計與開發[D].南京林業大學，2011.

[2]李靜.基于CAN總線的新型汽車儀表系統的設計與實現[D].南京郵電大學，2017.

[3]田曉鴻.基于CAN總線的車用儀表系統的設計[D].小型內燃機與車輛技術，2018.

[4]劉朋.剛性礦用自卸車電氣系統研究[D].長安大學，2013.

[5]曾勇.電動汽車儀表關鍵技術分析與研究[D].武漢科技大學，2019.

[6]張海艷.RS232485與CAN總線協議轉換器的研究與設計[D].大連海事大學，2008.

[7]李湘江，楊世文，南金瑞.基于CAN總線和Labview的純電動汽車儀表盤設計[D].河北農機，2014.

[8]羅牛，劉學文，劉金龍，阮明昌.基于VR的汽車儀表盤系統的設計與開發[D].上海工程技術大學學報，2018.

[9]蘇開宇.電動摩托車BMS硬件系統設計與實現[D].杭州電子科技大學，2018.

[10]朱海藝.基于單片機技術與CAN總線結合的汽車儀表設計[D].杭州電子科技大學，2020.