王秀青

（太原太航汽車電子有限公司，山西 太原 030006）

當(dāng)前，國內(nèi)汽車開發(fā)商已經(jīng)意識到，傳統(tǒng)的汽車控制系統(tǒng)由于車內(nèi)線束過多且布線復(fù)雜，所造成的嚴(yán)重電磁干擾，使系統(tǒng)的可靠性下降等問題。這一問題會隨著汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展而日益嚴(yán)重。1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN（Controller Area Network，控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）通信協(xié)議，適應(yīng)了減少線束的數(shù)量、通過多個LAN（Local Area Network，局域網(wǎng)），進(jìn)行大量數(shù)據(jù)高速通信的需要?，F(xiàn)在在歐洲，CAN已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它的高性能和可靠性已被認(rèn)同，國內(nèi)汽車開發(fā)商也在汽車電子控制系統(tǒng)中逐步采用這一標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。電動微型汽車為適應(yīng)安全性、低公害、低成本的要求，需要在電子控制系統(tǒng)中采用CAN總線技術(shù)。為了滿足市場的需求，我公司開發(fā)出了基于CAN總線的電子儀表板，它兼顧了價格和技術(shù)優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的市場競爭力和廣闊的市場發(fā)展空間。

CAN通信是CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平，從而進(jìn)行信息通信的。總線電平分為顯性和隱性電平，兩者必居其一，發(fā)送方通過總線電平發(fā)生變化，使信息發(fā)送給接收方。在CAN協(xié)議中，所有消息都以固定格式發(fā)送。CAN可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤。當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。CAN的這一優(yōu)勢，能夠很好地滿足汽車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的要求。

1 電動微型汽車的CAN總線儀表板的硬件電路結(jié)構(gòu)

該款電動微型汽車的儀表板，在設(shè)計時由于采用了CAN信號作為儀表板的主要信號輸入，因此硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，整體硬件電路的功耗也比較低，符合電動微車的節(jié)能要求。

CAN總線上的數(shù)據(jù)信息通過CAN驅(qū)動器電平轉(zhuǎn)換后，通過光電隔離器，進(jìn)入UPD78F0820微控制器的CAN接口；微控制器根據(jù)CAN的ID （Identifier，標(biāo)識符）地址拾取電流、電壓、功率、溫度、速度和LED報警等數(shù)據(jù)信息。儀表板硬件電路結(jié)構(gòu)包含微控制器、電源電路模塊、LED顯示電路模塊、LCD顯示電路模塊、步進(jìn)電機(jī)、存儲器和CAN總線驅(qū)動器、光電隔離器等，其框圖如圖1所示。

1.1 微控制器

儀表板硬件電路采用NEC UPD78F0820微控制器作為主芯片，進(jìn)行CAN信號的識別、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動、LCD顯示控制和LED報警控制。該芯片認(rèn)可用于汽車市場，其功能強(qiáng)，是儀表板專用芯片，主要特點有:具有CAN通信接口，可直接與CAN總線驅(qū)動器連接，進(jìn)入CAN網(wǎng)絡(luò)；IIC（inter-integrated circuit，內(nèi)部互聯(lián))通信接口，與存儲器直接連接進(jìn)行里程和修正數(shù)據(jù)的存儲；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動接口，可直接連接步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)直接驅(qū)動和控制其運(yùn)行；EMC （Electromagnetic Compatibility， 電磁兼容性）性能，保證儀表板在電磁干擾的環(huán)境下正常工作。UPD78F0820的管腳圖如圖2所示。

1.2 CAN驅(qū)動器

選用Philips的PCA82C250作為協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，它的位速率高達(dá)1Mb/s，使用差動總線信號，能防止總線輸出短路以及一般汽車環(huán)境中的瞬變現(xiàn)象，具有熱關(guān)閉功能，可以在例如短路等溫度過載的情況下保護(hù)器件，所需外部元件數(shù)量最少，能驅(qū)動大量的總線節(jié)點，即每個網(wǎng)絡(luò)64～100個， 同時總線長度可達(dá)0.5～1 km。 PCA82 C250的外圍電路圖如圖3所示。

1.3 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)選用VIP29-05系列步進(jìn)電機(jī)，它是一種小尺寸的雙相繞組、雙極性電機(jī)，主要特點:可直接由PWM信號驅(qū)動，直接轉(zhuǎn)化成位移量或速度量； 固有步距角（1/3）°， 細(xì)分驅(qū)動步距角 （1/12）°；無須位置信號反饋達(dá)到位置控制目的；可迅速地加速、減速和停止；無漂移和積累誤差；控制特性不受擾動影響；可實現(xiàn)實時控制。根據(jù)以上步進(jìn)電機(jī)的特性，它完全能滿足電子儀表板的設(shè)計要求。

2 軟件設(shè)計

CAN總線采用多主競爭工作方式和非總線仲裁技術(shù)，總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點不受影響，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)崩潰情況，因此適用于汽車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。由于CAN總線協(xié)議規(guī)范只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以在實際應(yīng)用中必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸要求自定義幾個應(yīng)用層協(xié)議。本儀表板報文采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式，根據(jù)實際應(yīng)用定義了幾個應(yīng)用層協(xié)議，以實現(xiàn)儀表板的各項功能。

軟件設(shè)計是根據(jù)采集的CAN信息內(nèi)容，然后通過判斷和計算，完成相應(yīng)的LED指示、數(shù)字顯示和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制。儀表板軟件流程圖如圖4所示。

軟件在儀表板接通電源后開始運(yùn)行，首先完成微控制器的初始化，包括時鐘設(shè)置和CAN功能的設(shè)置以及微控制器端口設(shè)置、變量初始化，然后進(jìn)入主程序；主程序主要進(jìn)行點火信號有無判斷，如果點火信號不存在，儀表板進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果點火信號存在，進(jìn)入CAN通信判斷模塊；如果CAN通信沒有建立聯(lián)系，軟件程序進(jìn)入到主程序的入口；如果CAN通信已建立聯(lián)系，通過識別CAN的ID地址，拾取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)它們進(jìn)入LED報警指示燈數(shù)據(jù)處理模塊和電流、電壓、功率、溫度數(shù)據(jù)處理模塊以及速度數(shù)據(jù)處理模塊；最后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果控制相應(yīng)LED指示燈亮滅、控制LCD顯示屏顯示相應(yīng)內(nèi)容以及控制步進(jìn)電機(jī)帶動指針運(yùn)行到所要求指示的位置。

3 儀表板抗干擾設(shè)計

該儀表板針對汽車的使用而設(shè)計，而汽車的點火系統(tǒng)有較強(qiáng)的電磁干擾，另外汽車在行駛過程中，不可避免會遇到較強(qiáng)的電磁干擾，因此有必要采取一些抗干擾措施，以確保儀表板在各種環(huán)境中都能正常工作。在本儀表板設(shè)計中，采用軟件和硬件相互結(jié)合的抗擾措施。

3.1 電源抗干擾

由于該儀表板與音響、空調(diào)控制器和其它電子儀表共用車載電源12 V，因此各電子儀表之間在電源上會產(chǎn)生干擾。針對該儀表板的電源，可采用在車載電源12 V的儀表板輸入端，用磁珠和電容組成π形濾波電路后，再供給儀表板使用的措施。在每個集成芯片電源處加0.1 μF電容濾除高頻干擾。同時在儀表板PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）的設(shè)計時，將數(shù)字地和模擬地分開，最后以點連接。

3.2 光電隔離

采用傳輸速率大于500k的光耦，將微控制器與CAN信號從電氣上隔離開來，保證部分干擾被阻擋。

3.3 微控制器抗干擾

除選用抗擾能力較強(qiáng)的微處理器外，在軟件設(shè)計時采用指令冗余和軟件看門狗的處理方式，也可提高抗擾能力。

4 結(jié)束語

CAN總線技術(shù)應(yīng)用在電動微車的電子儀表板設(shè)計上，可以減少硬件結(jié)構(gòu)成本和簡化軟件設(shè)計。隨著電動微車儀表配置的增多，采用CAN總線技術(shù)儀表可以簡化汽車車內(nèi)線束，儀表功能容易升級和改進(jìn)。我公司設(shè)計的該款儀表板是為某電動微車設(shè)計的，樣件已通過確認(rèn)。圖5是它在電動微車上的配置圖片。

［1］李真花，崔 健.CAN總線輕松入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［2］http://www.cn.renesas.com.瑞薩_CAN入門書的PDF資料[OL].

［3］http://www.cn.renesas.com.upd78f0820的PDF資料[OL].

［4］http://www.vidmotion.com.VIP29-05的PDF資料[OL].

附:對審稿意見的補(bǔ)充說明

1）電動微型汽車就是以電池為動力源，以電動機(jī)為動力的輕型汽車，電動汽車可以不安裝離合器、變速器、傳動軸等部件，使傳動系統(tǒng)大為簡化。它低噪聲、零污染、環(huán)保，符合新能源汽車的要求。

2）NEC （已與瑞薩合并）的UPD78F0820是一款認(rèn)可用于汽車上的芯片，它一般用作汽車儀表板的專用芯片。其功能比較強(qiáng)，不需要外接驅(qū)動芯片就可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和LCD顯示屏等，這樣可以簡化設(shè)計電路，節(jié)約設(shè)計成本。它帶CAN接口，可以和CAN驅(qū)動器直接相連，比較適合用在帶CAN的儀表板設(shè)計中。

另外，飛思卡爾的CPU也同樣認(rèn)可用于汽車上。鑒于許多儀表板設(shè)計方案多選NEC的芯片，所以出于采購和價格、性能的考慮，在本方案中選用NEC的產(chǎn)品。