基于CAN總線的汽車儀表設(shè)計(jì)研究

汽車儀表是汽車與駕駛員進(jìn)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(dòng)態(tài)指標(biāo)，如行駛速度、里程、電系狀況、制動(dòng)、壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、油量、各種危險(xiǎn)報(bào)警。隨著科技進(jìn)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(zhǔn)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(shí)了解并掌握汽車的運(yùn)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(shè)計(jì)方案。該儀表利用CAN總線使其成為車身網(wǎng)絡(luò)一部分，遵循SAE J1939協(xié)議讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫等信息。儀表還能接收傳感器的車速、油量、油壓、制動(dòng)氣壓等信號并顯示，為駕駛員提供實(shí)時(shí)車輛工況。所設(shè)計(jì)的儀表主要應(yīng)用于重型運(yùn)輸車等領(lǐng)域，在某重型車輛工廠進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀表能夠滿足數(shù)據(jù)可靠性及實(shí)時(shí)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(jì)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(jù)交換而開發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)1 Mb／s，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或者光導(dǎo)纖維，通過標(biāo)準(zhǔn)的插接件能夠方便的連接。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，是目前應(yīng)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(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信和控制協(xié)議。J1939是參照ISO的開放式數(shù)據(jù)互聯(lián)模型定義的7層基準(zhǔn)參考模型而制定的。該協(xié)議明確規(guī)定汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級等，并且對汽車內(nèi)部各個(gè)具體的ECU通訊作了詳細(xì)的說明。它使用多路復(fù)用技術(shù)，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(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化的高速網(wǎng)絡(luò)連接，在車載電子裝置之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)幀格式

SAE J1939數(shù)據(jù)幀是以PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)為單位，共由優(yōu)先權(quán)(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(DP)、PDU格式(PF)、PDU細(xì)節(jié)(Ps)、源地址(SA)及數(shù)據(jù)域(Date Field)等7個(gè)域組成。除了數(shù)據(jù)域之外的PDU對應(yīng)于CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識符。其中PS是1個(gè)8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標(biāo)地址(DA)。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴(kuò)展(GE)。

有些CAN數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

2．1 儀表整體設(shè)計(jì)

該汽車儀表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示3個(gè)模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收車輛的各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)預(yù)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(guān)量信號等傳感器信號在各傳感器處采集后，分別經(jīng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫和故障代碼等CAN總線數(shù)據(jù)通過發(fā)動(dòng)機(jī)CAN模塊發(fā)送至CAN總線后，通過CAN收發(fā)器進(jìn)行接收。微處理器接收到需要的數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等結(jié)果輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)指針顯示；微處理器直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示及LED燈的亮滅。汽車儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)對汽車儀表的整體分析，汽車儀表盤由3個(gè)分表盤組成，左分表盤顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油量等數(shù)據(jù)，右分表盤顯示車速、油壓等數(shù)據(jù)，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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。儀表接收到的各種數(shù)據(jù)中，從CAN總線獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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。