基于SAE J1939協(xié)議的CAN總線汽車儀表設計

汽車儀表是汽車與駕駛員進行信息交流的窗口，是汽車信息的中心，能夠集中、直觀、迅速地反映汽車在行駛過程中的各種動態(tài)指標，如行駛速度、里程、電系狀況、制動、壓力、發(fā)動機轉速、冷卻液溫度、油量、各種危險報警。隨著科技進步，汽車排放、節(jié)能、安全和舒適性等使用性能不斷提高，汽車電子控制程度也越來越高。汽車電子控制裝置必須迅速、準確地處理各種信息，并通過儀表顯示出來，使駕駛員能夠及時了解并掌握汽車的運行狀態(tài)，以妥善處理各種情況。

這里給出一種基于CAN(Controller Area Network)總線的汽車儀表設計方案。該儀表利用CAN總線使其成為車身網絡一部分，遵循SAE J1939協(xié)議讀取發(fā)動機轉速、水溫等信息。儀表還能接收傳感器的車速、油量、油壓、制動氣壓等信號并顯示，為駕駛員提供實時車輛工況。所設計的儀表主要應用于重型運輸車等領域，在某重型車輛工廠進行的試驗結果表明，該儀表能夠滿足數(shù)據可靠性及實時性等要求。

1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議

1.1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議簡介

CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數(shù)據交換而開發(fā)的一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線的通信實時性強，數(shù)據傳輸速率可高達1 Mb/s，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或者光導纖維，通過標準的插接件能夠方便的連接。CAN總線的數(shù)據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前應用最廣泛的一種汽車總線。

SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會SAE(Societv of Automotive Engineer)發(fā)布的以CAN2.0B作為網絡核心協(xié)議的車輛網絡串行通信和控制協(xié)議。J1939是參照ISO的開放式數(shù)據互聯(lián)模型定義的7層基準參考模型而制定的。該協(xié)議明確規(guī)定汽車內部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發(fā)送優(yōu)先級等，并且對汽車內部各個具體的ECU通訊作了詳細的說明。它使用多路復用技術，為汽車上的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎上的標準化的高速網絡連接，在車載電子裝置之間實現(xiàn)高速數(shù)據共享，有效地減少了電子線束的數(shù)量，提高了車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標準化程度，更大程度地發(fā)揮了CAN優(yōu)異的性能。

1.2 SAE J1939數(shù)據幀格式

SAE J1939數(shù)據幀是以PDU(協(xié)議數(shù)據單元)為單位，共由優(yōu)先權(P)、保留位(R)、數(shù)據頁(DP)、PDU格式(PF)、PDU細節(jié)(Ps)、源地址(SA)及數(shù)據域(Date Field)等7個域組成。除了數(shù)據域之外的PDU對應于CAN擴展幀的29位標識符。其中PS是1個8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標地址(DA)。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴展(GE)。

有些CAN數(shù)據幀不是在PDU中定義，包括SOF、SRR、IDE、RTR、控制域部分、CRC域、ACK域和EOF域。這些域是由CAN定義的，SAE J1939不作修改。

2 CAN總線汽車儀表設計

2.1 儀表整體設計

該汽車儀表系統(tǒng)由數(shù)據采集、處理以及顯示3個模塊組成。其中數(shù)據采集模塊負責接收車輛的各種數(shù)據，并將數(shù)據預處理后發(fā)送至微處理器。其中模擬量信號、脈沖信號以及開關量信號等傳感器信號在各傳感器處采集后，分別經過分壓、濾波整形以及光電隔離后發(fā)送至微處理器。而發(fā)動機轉速、水溫和故障代碼等CAN總線數(shù)據通過發(fā)動機CAN模塊發(fā)送至CAN總線后，通過CAN收發(fā)器進行接收。微處理器接收到需要的數(shù)據后，根據預定的算法對數(shù)據進行處理，并將處理結果輸出。顯示模塊包括指針、LCD以及各種信號燈的顯示。微處理器將發(fā)動機轉速、車速等結果輸出至電機驅動器，驅動器驅動步進電機轉動，從而帶動指針顯示；微處理器直接驅動LCD顯示及LED燈的亮滅。汽車儀表系統(tǒng)結構如圖1所示。

根據對汽車儀表的整體分析，汽車儀表盤由3個分表盤組成，左分表盤顯示發(fā)動機轉速、油量等數(shù)據，右分表盤顯示車速、油壓等數(shù)據，中分表盤用于放置LCD顯示屏以及各種指示燈。儀表指針全部采用步進電機驅動。儀表接收到的各種數(shù)據中，從CAN總線獲取發(fā)動機轉速、水溫以及電壓，從各種傳感器獲取車速、油量、氣壓以及油壓。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

儀表采用Luminarv公司的LM3S2948處理器。這是一款基于ARM CortexM3內核的微處理器，采用32位RISC，內嵌CAN控制器、模數(shù)轉換器(ADC)、模擬比較器等功能模塊，減少了外圍電路，降低了系統(tǒng)設計成本。LM3S2948處理器內置CAN模塊方便了CAN總線數(shù)據的傳輸，同時使儀表的通信容易實現(xiàn)，提高了可靠性。其內置CAN模塊具有以下特點：支持CAN 2.0B協(xié)議并支持符合SAE J1939協(xié)議的擴展幀的報文傳輸：位速率可高達l Mb/s；具有32個報文對象，每個對象都具有自己的標識符屏蔽碼；包含可屏蔽中斷，針對時間觸發(fā)的CAN(1TrCAN)應用，可選擇禁止自動重發(fā)送模式；通過CANOTx和CANORx引腳與外部CAN PHY無縫連接；具有可編程的F1F0模式。

LM3S2948微處理器具有運算速度快、功耗小、體積小、價位低等特點。其CAN控制器模塊特性完全滿足CAN總線汽車儀表的應用要求。該處理器具有強大的處理能力，在車輛的各種工況下都能夠實時反映車輛信息，同時該處理器具有很大的可擴展空間，有利于后續(xù)開發(fā)。

由于LM3S2948內置CAN控制器模塊，所以只需外接一個CAN收發(fā)器即可接收總線數(shù)據。該儀表選用CTM8251T作為CAN收發(fā)器。CTM8251T是一款通用的帶隔離的CAN收發(fā)器，該器件內部集成所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器。該器件可連接任何一款CAN協(xié)議控制器，實現(xiàn)CAN節(jié)點的收發(fā)與隔離功能。該器件設計體積小，集成度高，可取代傳統(tǒng)的CAN收發(fā)器及其外圍電路，降低了電路的復雜程度，減少了設計成本，如圖2所示。

儀表采用VID6606驅動器驅動步進電機。每片VID6606可同時驅動4路步進電機。在其頻率控制端輸入脈沖序列F(SCX)，即可控制輸出端使步進電機的輸出軸以微步轉動，每個微步電機輸出軸轉動1/12(°)，最大角速度可達600(°)/s。該電機驅動器具有以下特點：硬件微步驅動、簡單易用，電機只需速度F(sex)和方向(CW/CCW)2個控制端、所有輸入引腳都有干擾過濾器、寬工作電壓、低電磁干擾輻射。儀表板指針采用VID-29電機驅動，電機內置減速比180/1的齒輪系，能夠將數(shù)字信號直接準確地轉為模擬的顯示輸出。該電機具有很高的顯示精度，其步距角最小可達到1/2(°)。圖3所示為VID6606驅動儀表電路。