（1.四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司，四川瀘州,646006；2.大連理工汽車電子研究所，遼寧大連,116023）

汽車起重機(jī)總線儀表的研制和應(yīng)用

陳杰斌,牛志明

（1.四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司，四川瀘州,646006；2.大連理工汽車電子研究所，遼寧大連,116023）

為滿足新一代G系列汽車起重機(jī)對(duì)儀表的功能、外觀和布局要求，其儀表設(shè)計(jì)分別應(yīng)用了CAN總線和RS232串口雙總線通訊技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了信息共享，又降低了總線實(shí)施成本；獨(dú)特的分立式儀表布局使儀表臺(tái)的布局更加靈活，便于儀表維修；采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液晶顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儀表的數(shù)字化指示，提高指示精度，保證了儀表的一致性。通過(guò)總線儀表在實(shí)際應(yīng)用中的反饋情況來(lái)看，完全滿足新一代G系列汽車起重機(jī)的配套要求，成功實(shí)現(xiàn)了汽車起重機(jī)儀表的更新?lián)Q代。

汽車起重機(jī)；汽車儀表；CAN總線；RS232串口；步進(jìn)電機(jī)

1 汽車儀表的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為現(xiàn)代汽車儀表的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。首先儀表所需的的信息不再由各種相應(yīng)的傳感器分別通過(guò)不同的導(dǎo)線將模擬電信號(hào)或是脈沖信號(hào)進(jìn)行傳遞，而是以網(wǎng)絡(luò)總線的形式將所需的所有信息通過(guò)只有少數(shù)幾根導(dǎo)線進(jìn)行傳遞，不僅實(shí)現(xiàn)了信息共享，擴(kuò)大了信息的流通量，而且還節(jié)約大量的導(dǎo)線，減輕了車身重量，相應(yīng)也減少了大量的連接器以及繁瑣的布線工序，提高了系統(tǒng)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化最突出的優(yōu)點(diǎn)就是使儀表系統(tǒng)工作的可靠性大為提高，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了智能化的故障診斷。其次儀表也由傳統(tǒng)模擬式發(fā)展成為全數(shù)字化儀表，典型代表分為兩大類，一類就是步進(jìn)電機(jī)控制式儀表，另一類是顯示屏模擬指針指示或是數(shù)字顯示儀表，這兩類儀表都實(shí)現(xiàn)了信息的精確指示和高度的一致性，并且不受外界環(huán)境溫度和工作年限的影響。目前從實(shí)際應(yīng)用情況分析，汽車儀表將是以步進(jìn)電機(jī)儀表加上液晶顯示屏為當(dāng)代的主流產(chǎn)品。

未來(lái)汽車儀表必將被用現(xiàn)代傳感測(cè)試、電子信息、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的智能化的綜合車載信息系統(tǒng)來(lái)取代，每臺(tái)車的儀表系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)多媒體的世界，它標(biāo)志著汽車儀表將要跨入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

2 CAN總線在汽車儀表中的應(yīng)用

控制局域網(wǎng)CAN （Controller Area Network）是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種通訊協(xié)議，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，目的是通過(guò)較少的信號(hào)線將汽車上的各種電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

長(zhǎng)江牌G系列汽車起重機(jī)是由四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限公司聯(lián)姻德國(guó)保時(shí)捷公司按歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的，大量采用轎車元素，將世界頂級(jí)轎車的線型、理念和諸元素，率先引入重裝工程機(jī)械行業(yè)。作為駕駛室中的重要部件-汽車儀表，不僅在外觀上要與新型駕駛室的整體設(shè)計(jì)要求匹配，而且在功能及可靠性方面也要達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此CAN總線必然成為汽車儀表設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。G系列汽車起重機(jī)的CAN總線通訊協(xié)議是以SEAJ1939通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的，根據(jù)此協(xié)議可以通過(guò)CAN總線直接接收到由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU發(fā)出的車速、里程、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、工作小時(shí)、水溫、油壓和尿素箱液位及溫度的數(shù)據(jù)，然后由各個(gè)儀表分別將接收到數(shù)據(jù)指示出來(lái)。這樣就可省去大部分儀表所匹配的傳感器和連接導(dǎo)線，同時(shí)也極大提高了儀表的指示精度和可靠性。

3 總線儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1儀表系統(tǒng)的整體布局

本儀表系統(tǒng)是為具有“國(guó)Ⅳ”排放標(biāo)準(zhǔn)的G系列汽車起重機(jī)而設(shè)計(jì)的，它是由CAN總線接收模塊、車速里程表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及工作小時(shí)表、水溫表、油壓表、燃油表和尿素箱液位溫度表組成，如圖3-1所示。

圖3-1 儀表系統(tǒng)的組成

儀表系統(tǒng)采用的是分立式儀表形式，車速里程表采用?85標(biāo)準(zhǔn)外徑，其他儀表全部采用?60標(biāo)準(zhǔn)外徑，這種形式的特點(diǎn)就是布局靈活，方便組合，快速拆裝，便于維修更換，特別適合在工程車輛上應(yīng)用。

儀表系統(tǒng)使用的是雙總線形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，首先，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU通過(guò)CAN總線（雙線制CANH和CANL）將有關(guān)儀表的所有信息發(fā)送到接收模塊中，然后接收模塊將接收到的儀表數(shù)據(jù)再通過(guò)RS232串口總線的發(fā)送線TxD（單線制）傳送到各個(gè)儀表中，這種雙總線形式是分立式儀表系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。圖3-2是駕駛室儀表板的實(shí)際布局圖。

圖3-2 儀表板實(shí)際布局圖

3.2CAN總線接收模塊的設(shè)計(jì)

CAN接收模塊的應(yīng)用電路圖如圖3-3所示。它包括以下幾部分功能：

圖3-3 CAN接收模塊應(yīng)用電路圖

1)高性能的穩(wěn)壓電源模塊。由于車載電源波動(dòng)較大，而且其電氣環(huán)境惡劣，因此穩(wěn)壓電源模塊的性能好壞對(duì)于整個(gè)儀表系統(tǒng)是至關(guān)重要的，因此電源模塊必須具有過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱等保護(hù)功能，同時(shí)要滿足車載電源工況的要求，為儀表系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源。

2)CAN總線接收儀表數(shù)據(jù)的功能。發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元所發(fā)出的信息通過(guò)CAN總線傳輸?shù)紺AN總線收發(fā)器上，經(jīng)過(guò)變換后由微控器進(jìn)行接收，微控器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總后，再通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線TxD將各儀表數(shù)據(jù)統(tǒng)一的、定時(shí)的發(fā)送出去。

3)由于CAN總線報(bào)文中沒(méi)有燃油表的數(shù)據(jù)，所以接收模塊就需要將燃油傳感器的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。燃油箱傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路由微控器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波和數(shù)據(jù)匯總后，再由串口線TxD隨CAN總線數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送。

4)RS232串口數(shù)據(jù)包的格式如圖3-4所示。

圖3-4 RS232串口數(shù)據(jù)包的格式

RS232串口數(shù)據(jù)包中，包括幀頭2個(gè)字節(jié)，儀表數(shù)據(jù)14個(gè)字節(jié)和CRC校驗(yàn)2個(gè)字節(jié)，共有18個(gè)字節(jié)。接收模塊按100ms定時(shí)周期的廣播發(fā)送至串口總線上。

3.3儀表部分的設(shè)計(jì)

3.3.1 車速里程表和轉(zhuǎn)速小時(shí)表的設(shè)計(jì)

車速里程表和轉(zhuǎn)速小時(shí)表的工作原理基本相同，硬件電路完全一致，其電路原理圖如圖3-5所示。工作原理是微控器首先接收到由RS232串口數(shù)據(jù)線傳送的數(shù)據(jù)包，然后讀出相應(yīng)的車速、里程數(shù)據(jù)或是轉(zhuǎn)速、工作小時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)讀出的車速或是轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，確定儀表步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，微控器就通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定的角度位置，那么由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)就可指示出實(shí)際的車速或轉(zhuǎn)速值，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)包中的里程或是工作小時(shí)數(shù)據(jù)，再由微控器驅(qū)動(dòng)6位液晶顯示器直接將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，也可以用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6位機(jī)械輪計(jì)數(shù)器來(lái)記錄里程或是工作小時(shí)。

圖3-5 車速里程表和轉(zhuǎn)速小時(shí)表電路原理圖

由于被測(cè)量的數(shù)據(jù)是隨機(jī)變化的，有時(shí)快有時(shí)慢，為了讓儀表實(shí)時(shí)、直觀地顯示出輸入量的變化，驅(qū)動(dòng)程序就必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)的每一步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤？梢哉f(shuō)，一個(gè)汽車儀表做得好不好，關(guān)鍵就在于它對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制是否滿足實(shí)際要求。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵部分如下：

1)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與微控器只有3根線相連，RST為復(fù)位端，CW為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制端，f(scx)為脈沖輸入端，脈沖的每個(gè)上升沿驅(qū)動(dòng)電機(jī)走一微步，即轉(zhuǎn)動(dòng)1/12°，脈沖的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

2)微控器在控制步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，既要防止電機(jī)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，又要實(shí)時(shí)精確指示出被測(cè)量的位置，那么步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程必須遵循圖3-6的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，起步階段為加速過(guò)程，待電機(jī)加速到最大轉(zhuǎn)動(dòng)頻率后，進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，快到目標(biāo)位置時(shí)進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小時(shí)，可能會(huì)沒(méi)有勻速過(guò)程，從加速過(guò)程直接到減速過(guò)程，最終到達(dá)目標(biāo)位置后停止。

圖3-6 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律

3)車速里程表和轉(zhuǎn)速小時(shí)表的軟件設(shè)計(jì)

在車速里程表和轉(zhuǎn)速小時(shí)表的軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，其功能主要包括有：RS23串口接收數(shù)據(jù)程序模塊；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊和液晶計(jì)數(shù)器顯示程序模塊。程序流程框圖如圖3-7所示。

圖3-7 車速里程表和轉(zhuǎn)速表軟件設(shè)計(jì)框圖

3.3.2 水溫表和油壓表和燃油表的設(shè)計(jì)

水溫表、油壓表和燃油表與車速里程表和轉(zhuǎn)速表的設(shè)計(jì)原理基本是相同的，在硬件電路中只是去掉了六位液晶顯示部分，也就是這三種儀表中沒(méi)有里程或小時(shí)計(jì)數(shù)電路。在軟件設(shè)計(jì)中，這三種儀表與車速里程表和轉(zhuǎn)速表的主要區(qū)別就是三種儀表步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率和最高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率都相應(yīng)的降低一些，以適應(yīng)這三種表指針變化相對(duì)緩慢的情形；另外一點(diǎn)就是此三種的指針指示角度范圍為90°，而車速里程表和轉(zhuǎn)速表的指針指示角度范圍是250°。

3.3.3 尿素箱液位溫度表的設(shè)計(jì)

尿素箱液位溫度表采用的是雙十段條碼液晶顯示方式，如圖3-8所示。左邊10個(gè)條形代表尿素箱液位值，右邊10個(gè)條形代表尿素箱溫度值。

尿素箱液位溫度表的軟件設(shè)計(jì)中主要包括有：RS23串口接收數(shù)據(jù)程序模塊和雙十段條碼液晶顯示程序模塊兩部分，其中RS23串口接收數(shù)據(jù)程序框圖與圖3-7中的串口接收子程序相同，主程序流程框圖如圖3-9所示。

圖3-8 尿素箱液位溫度表電路原理圖

本文介紹了一種基于CAN總線和RS232串口總線通訊的汽車起重機(jī)儀表的電路設(shè)計(jì)原理和軟件的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)實(shí)際配套使用的反饋情況來(lái)看，完全滿足了新一代G系列汽車起重機(jī)的配套要求。由于采用獨(dú)特的分立式儀表布局使儀表臺(tái)的的布局更加靈活，儀表維修便利，因此特別適用于苛刻環(huán)境下的工程車輛使用。

圖3-9 尿素箱液位溫度表主程序流程框圖

[1] 楊忠敏．汽車儀表的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．汽車電器，2004（4）:1-3

[2] 陳德池，廖國(guó)華，張航等．微處理器與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[M]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2003: 211-244

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陳杰斌.出生年月：1972年5月.性別：男.籍貫：湖南省湘潭市.職稱：高級(jí)工程師.學(xué)位：重慶大學(xué)車輛工程專業(yè)碩士學(xué)位.研究方向：機(jī)械電子工程

Development and Application of Trunk Crane CAN Bus Instruments

Chen Jiebin，Niu Zhiming
（Sichuan Changjiang Engineering crane Co.,Ltd，646006;Dalian Boke Automobile Electronic Co.,Ltd,116023）

This paper provides discussion for the principle of CAN bus technology in the application of automobile instruments.In order to meet the functionality,appearance and layout requirements for the new generation of G series truck crane instruments,it adopts CAN and RS232 serial interface dual bus communication technology,which not only realizes information sharing,but also reduces the bus implementation cost.The unique discrete instrument layout brings the flexible instrument desk and instrument maintenance conveniences;Stepping motor drive and liquid crystal display are taken advantage to achieve the digital indicator,improve precision of the instructions and ensure the consistency of the instruments.According to the feedback in the actual application of CAN bus instrument,the requirements of the new generation of G series truck crane is fully satisfied,also at the same time,the upgrading of the Trunk Crane instruments is succeeded.

trunk crane;automobile instrument;CAN bus;RS-232;stepping motor

TH89

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