基于CAN总线的汽车仪表设计研究
郭芳磊
[摘 要]现场总线是最近20几年发展起来的新技术，CAN总线是一种最广泛应用的现场总线在CAN总线技术的基础上，研究和设计了一款CAN总线汽车仪表。该系统设计是以微控制器P87C591为核心，以步进电机和LCD为汽车仪表硬件平台，实现数据在CAN总线上的接收和发送。通过实际的运行表明，基于CAN总线的汽车仪表稳定性、可靠性以及精度都比传统的汽车仪表优越。基于CAN总线的汽车仪表在容错处理和数据交换、系统管理抗干扰等方面都比传统的汽车仪表优越，满足了汽车仪表指示精度与稳定性要求。
[关键词]CAN总线；汽车仪表；研究和设计
中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0012-01
前言：汽車仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，是汽车信息的中心，能够集中、直观、迅速地反映汽车在行驶过程中的各种动态指标，如行驶速度、里程、电系状况、制动、压力、发动机转速、冷却液温度、油量、各种危险报警。微电子技术、网络通信技术和液晶显示技术在汽车仪表中的不断深入应用，汽车仪表技术正加速朝着数字化、智能化、多元化和人性化的方向发展。目前汽仪表已经由最初的基于机械作用力工作的机械式仪表发展到全数字形式其中以CAN总线的发展应用最为广泛，CAN总线是“控制器局域网总线技术（ControllerAreaNetwork-BUS）”的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线系统大幅度降低了线束开销，同时又提高了信息的可靠性和电磁兼容性，所以在短时间内得到了快速的发展。
1.汽车仪表及CAN总线技术概述
1.1 汽车仪表系统描述
+汽车组合仪表由以下几部分组成：车速表、转速表、指示报警灯、多功能信息显示系统以及系统照明等。为了符合驾驶员习惯，车速表和转速表使用常规的针式仪表，通过步进电机驱动仪表指针指示出来。汽车仪表系统由数据采集、处理以及显示3个模块组成。数据采集模块负责接收CAN总线传输的各种数据，并将处理后的数据发送到微处理器；微处理器接收到需要的数据后，按照预定的算法和要求对数据进行处理，并将结果输出。显示模块包括指针、LCD以及各种信号灯的显示。
1.2 CAN总线特点
CAN总线属于现场总线的范畴，是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交换而开发的一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb/s（40m），通信距离可达10km（40kb/s）。由于其通信速率高、可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合于交通运载工具的电气系统中。同时它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求，备受汽车生产厂商的青睐，在现代汽车设计中，CAN已经成为了必须采用的装置。
1.3 SAEJ1939数据帧格式
SAEJ1939协议数据帧以协议数据单元PDU为单位。PDU包含优先级（P）、保留位（R）、数据页（DP）、PDU格式（PF）、PDU细节（PS）、源地址（SA）以及数据域（DataField）。除了数据域之外的PDU对应于CAN扩展帧的29位标识符。其中PS是1个8位段，其定义取决于PF值。若PF值小于240，PS是目标地址（DA）。若PF值介于240和255之间，则PS为组扩展（GE）。
2.CAN总线汽车仪表设计
2.1 仪表整体设计
汽车仪表系统由数据采集、处理以及显示3个模块组成。采集来自汽车传感器的车速、转速、水温和机油压力信号，测量结果经过单片机送入步进电机驱动模块，驱动步进电机，分别显示车速、转速、水温和机油压力，通过单片机计算汽车的行驶里程，并送入液晶显示模块显示。仪表主要包括以下部分：用于车辆信息指示的发光管指示单元、用于车辆信息指示的液晶屏、用于指示车辆当前状态的各指示仪表、电压模拟量接口、频率模拟量接口、CAN总线接口和人机交互按键。根据对汽车仪表的整体分析，仪表显示是以黑色作为背景色的，对比度高，使各个仪表的显示较为突出，也避免驾驶员的视觉疲劳。汽车仪表盘由3个分表盘组成，左分表盘显示发动机转速、油量等数据，右分表盘显示车速、油压等数据，中分表盘用于放置LCD显示屏以及各种指示灯。警信号区域设置在仪表的中间区域，车速表、转速表都是以圆形表盘指针式显示的，符合驾驶员对传统仪表的使用习惯。
2.2 硬件选择
仪表采用Luminary公司的LM3S2948处理器。处理器内置CAN模块方便了CAN总线数据的传输，同时使仪表的通信容易实现，提高了可靠性。该处理器具有很大的扩展空间，在后续开发中潜力巨大。美观炫丽的用户图形界面，需要选择图形处理能力较强的处理芯片，因此选择S3C6410处理器。由于LM3S2948内置CAN控制器模块，所以只需外接一个CAN收发器即可接收总线数据。PC-CAN接口卡选用CAN232智能CAN接口卡，它适合CAN-bus的小流量数据传输用，最高可达500帧/秒的数据传输速率，提供广泛和强大的软件支持。支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等开发环境下进行设计。系统选用的是微型步进电机M-SX15.168，是为汽车仪表板指示和其它指示设备设计的大转矩、低功耗、精密的步进电机。步进电机需要两路逻辑脉冲信号驱动，可工作在5～10V的脉冲下，最大驱动频率为1100Hz。
2.3 系统软件设计
软件模块主要分为主程序模块、CAN通信模块、数据采集及处理模块、表头驱动模块、LCD显示模块等部分。主程序模块通过调用各个子模块程序来处理数据处理；CAN通信模块负责发送和接收数据；数据集及处理模块完成对各种类型数据的采集以及计算；LCD显示模块将车速、油压以及信号灯等信息显示在仪表上。在整个运行过程中必须使用看门狗，以防止在强烈的电磁干扰时出现死锁等现象。汽车的状态实时性要求非常高，尤其是对汽车的车速实时性要求极高，所以相应的软件采用中断进行处理。
3.结语
汽车智能仪表是知识技术密集型产业，涉及光、机、电、计算机、通信等领域，是多学科的综合体技术。本项目的目标是开发最先进、多功能的汽车数字仪表，打破国外企业在这一领域的垄断局面。CAN总线和汽车仪表系统的结合体，是计算机技术和网络技术汽车技术的延伸，本研究是对该技术应用在汽车仪表上的初步探索，本文主要从CAN总线的概念特有的安全可靠性、数据信息的共享性以及成本较低的特点，以及电子化、智能化的发展趋势三个方面来进行论述在研究CAN总线和SAEJ1939协议的基础上，设计CAN总线汽车仪表。该设计充分利用LM3S2948的功能，较大程度上降低了系统外围电路的设计以及成本，同时其容错处理和数据交换、系统管理抗干扰等方面都比传统的汽车仪表优越，满足了汽车仪表指示精度与稳定性要求。
参考文献
[1] 尹梦舒，冯常.一种基于CAN总线的汽车仪表显示设计[J].机械，2015，12：32-35.
[2] 卢嘉伟.对汽车仪表CAN总线的研究[J].黑龙江科技信息，2015，26：71.
