江學(xué)煥，張金亮，樊紅莉，高 云，王志虎

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442000；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司動(dòng)力設(shè)備廠，湖北 十堰442000）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕煌üぞ撸嚤Ｓ辛恐鹉昱噬?，促使汽車行業(yè)逐漸地發(fā)展成為全球的支柱性產(chǎn)業(yè)。在汽車產(chǎn)業(yè)不斷革新的過(guò)程中，作為汽車重要零部件的汽車儀表，也經(jīng)歷了一系列重大的技術(shù)創(chuàng)新，由傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表、電氣式儀表、模擬式電路電子式儀表向著全數(shù)字化儀表轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的組合儀表通常是把所有的儀表羅列出來(lái)，沒有重點(diǎn)，顯示內(nèi)容也比較有限，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車的發(fā)展和要求，因此汽車儀表數(shù)字化、智能化是一種必然的趨勢(shì)［1，2］。

純電動(dòng)汽車是未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車有著很大的不同，其數(shù)字化儀表功能和需要顯示的內(nèi)容也要比傳統(tǒng)汽車多，此外為了確保汽車在行駛過(guò)程中的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等問(wèn)題，駕駛員需要掌握的車況信息也越來(lái)越多［3，4］。從而導(dǎo)致電動(dòng)車數(shù)字化儀表開發(fā)工作也要比傳統(tǒng)儀表復(fù)雜很多。各大汽車廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品、不同車型配備的數(shù)字化儀表的內(nèi)容和布局都不一致，因此純電動(dòng)車數(shù)字化儀表的設(shè)計(jì)和功能呈現(xiàn)出多樣化的格局［5］。此外，新型傳感器和電子器件的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)及電子技術(shù)的發(fā)展，基于圖形用戶界面的解決方案在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用，也加速了電動(dòng)汽車儀表數(shù)字化方向的發(fā)展［6］。

在車輛內(nèi)部，智能傳感器、微控制器之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)、高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸，增加了系統(tǒng)的靈活性的同時(shí)也對(duì)汽車通信系統(tǒng)提出了更高的要求，這也是被公認(rèn)的電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一［7］。目前控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）無(wú)疑是汽車控制網(wǎng)絡(luò)的主流，也是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。它不僅大大減少了車身布線，還具有傳輸速率快、可靠性高的特點(diǎn)［8］。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)源多、測(cè)量點(diǎn)多以及數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，采用基于CAN/LIN 雙總線分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式，利用液晶屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表盤，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套電動(dòng)汽車數(shù)字化液晶儀表顯示系統(tǒng)，能在不同的工作階段顯示不同信息，通過(guò)分屏分頁(yè)顯示極大地提高了儀表的利用率，并具有良好的人機(jī)交互界面。將該系統(tǒng)安裝到實(shí)際的電動(dòng)車輛上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮整體設(shè)計(jì)，開銷和成本是重要指標(biāo)，LIN 總線系統(tǒng)屬于SAE 規(guī)范中的A類汽車網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于很多傳輸速率要求不高的場(chǎng)合，它是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的子總線系統(tǒng)，成本上要比CAN 總線系統(tǒng)低得多，而且能夠很好地滿足低速系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴囊?。車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)整體考慮各個(gè)子系統(tǒng)的功能需求，靈活選擇各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式，從而可以組建經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的汽車內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)以純電動(dòng)車為應(yīng)用載體，磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用基于CAN/LIN 雙總線分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式構(gòu)成車輛內(nèi)部的控制網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)層次構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)整個(gè)架構(gòu)可以分四層，數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和人機(jī)交互層。

Figure 1 Layered architecture of the system network圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層，主要是通過(guò)各種類型的傳感器來(lái)采集動(dòng)力電池組的信息和車輛的相關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理遞交給數(shù)據(jù)傳輸層，不同的網(wǎng)段有不同的傳輸速率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有CAN/LIN 雙總線結(jié)構(gòu)，因此在該層中包含了CAN/LIN 兩種總線的數(shù)據(jù)協(xié)議。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸遞交給數(shù)據(jù)處理層，該層包含了各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)與各類字庫(kù)等，對(duì)各種不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理融合，包含了很多算法，比如電池組剩余電量的計(jì)算，最終將整理好的各類數(shù)據(jù)傳遞給最上層，也就是人機(jī)交互層。該層主要包含了液晶顯示和語(yǔ)音提示兩部分，液晶直觀地顯示了用戶關(guān)心的各種信息，而語(yǔ)音部分在出現(xiàn)故障和報(bào)警狀態(tài)時(shí)會(huì)給出語(yǔ)音提示。數(shù)據(jù)在各層之間傳輸都具有雙向性，層與層之間通過(guò)各種接口進(jìn)行相互通信。

3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于圖1 設(shè)計(jì)的分層架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了基于CAN/LIN 雙總線電動(dòng)汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)，其框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、汽車信號(hào)、保護(hù)裝置、電動(dòng)車載體/電子負(fù)載、通信接口、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、液晶顯示、上位機(jī)、LIN 總線子系統(tǒng)、CAN 總線子系統(tǒng)以及其他總線子系統(tǒng)等組成。

Figure 2 Architecture block diagram of the system hardware platform圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)力電池組是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，系統(tǒng)各模塊所需的供電全部由電池組供給，但電池組串口后的總電壓比較高，需經(jīng)過(guò)電源模塊后轉(zhuǎn)化為低電平的電壓，供給其他的模塊工作。電池組作為系統(tǒng)重要的監(jiān)控對(duì)象之一，其基礎(chǔ)信息（單體電池的電壓、電池箱的溫度、電池組的電流等）需要通過(guò)LIN 子系統(tǒng)進(jìn)行采集，傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理后對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

LIN 總線子系統(tǒng)是面向傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線，充分考慮動(dòng)力電池組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及連接方式，系統(tǒng)采用單主多從LIN 總線的通信方式較為合理，在具體設(shè)計(jì)中系統(tǒng)包含了多個(gè)LIN 總線的節(jié)點(diǎn)：電壓與溫度采集節(jié)點(diǎn)1～3和電流采集節(jié)點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LIN 總線數(shù)據(jù)接口發(fā)送到LIN 總線的主節(jié)點(diǎn)—電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

系統(tǒng)中CAN 總線子系統(tǒng)也包含了多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)：車速信號(hào)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、輔助信息檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、其他CAN 總線節(jié)點(diǎn)等，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 總線數(shù)據(jù)接口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)融合處理。

考慮到系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展，系統(tǒng)預(yù)留了其他總線的接口，如Flexray、MOST、X－bywire等。

儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和其他各總線子系統(tǒng)、人機(jī)顯示界面相連，通過(guò)各種不同的接口將各子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并使用相應(yīng)的算法計(jì)算一些重要的特征參數(shù)，通過(guò)經(jīng)典的排序算法計(jì)算電池組中單體電池最高電壓、最低電壓、平均電壓以及電池組的總電壓，以及利用kalman計(jì)算電池組的SOC等。人機(jī)顯示界面包括了液晶屏和上位機(jī)兩部分：液晶屏即為車輛的數(shù)字儀表，通過(guò)分頁(yè)分屏大表盤的方式清楚地顯示車輛的各種信息；上位機(jī)藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，可實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。

出于系統(tǒng)的安全考慮，系統(tǒng)除了給出常規(guī)信息外，還可以給出相關(guān)的異常報(bào)警信息，主要包括充電過(guò)壓報(bào)警、放電欠壓報(bào)警、過(guò)流保護(hù)等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)交互協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較多，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互協(xié)議才能夠保證數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定地傳輸，數(shù)據(jù)交互協(xié)議分三大類。

4.1.1 液晶屏與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

系統(tǒng)的液晶顯示單元采用迪文高分辨率的工業(yè)串口液晶屏，分辨率為800＊480，迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸采用10個(gè)位：一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。串口的波特率通過(guò)SD 卡來(lái)配置，串口的所有指令或者數(shù)據(jù)都是采用16進(jìn)制（hex）格式；對(duì)于字型（2 個(gè)字節(jié)）數(shù)據(jù)，總是采用高字節(jié)先傳送（MSB）方式。其通信數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。

Table 1 Storage space analysis of the OBDDs data structure表1 液晶屏與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議 B

一個(gè)數(shù)據(jù)包能夠傳送的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為254個(gè)字節(jié)（不要CRC校驗(yàn)）或者252字節(jié)（帶CRC校驗(yàn)）。

4.1.2 LIN 總線子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

LIN 總線子系統(tǒng)采用LIN2.0協(xié)議規(guī)范，報(bào)文幀由兩部分組成：幀頭和響應(yīng)。其報(bào)文幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

Table 2 LIN bus message frame structure表2 LIN 總線報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

LIN 總線子系統(tǒng)采用單主多從的總線訪問(wèn)方式，針對(duì)系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)輪詢周期性的方式訪問(wèn)從節(jié)點(diǎn)，訪問(wèn)時(shí)發(fā)送標(biāo)示符為0x3C的請(qǐng)求幀。將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，被訪問(wèn)的從節(jié)點(diǎn)需要作出響應(yīng)，此時(shí)發(fā)送標(biāo)示符為0x3D 的響應(yīng)幀，從節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，從而完成數(shù)據(jù)的交互。

校驗(yàn)和采用“帶進(jìn)位加（ADDC）”方式計(jì)算，每個(gè)進(jìn)位都被加到本次結(jié)果的最低位（LSB），這就保證了數(shù)據(jù)字節(jié)的可靠性。

4.1.3 CAN 總線子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

CAN 總線子系統(tǒng)采用CAN2.0B協(xié)議擴(kuò)展幀的格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝傳輸，通信速率為250kb/s，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表3所示。傳輸中每個(gè)數(shù)據(jù)包分配唯一的標(biāo)示符，根據(jù)標(biāo)示符大小確定其優(yōu)先級(jí)。

Table 3 CAN bus message frame structure表3 CAN 總線報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

基于上述的協(xié)議規(guī)范，定義三種類型的CAN數(shù)據(jù)幀：系統(tǒng)管理類、決策控制類和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類。

（1）系統(tǒng)管理類。用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)的CAN 網(wǎng)絡(luò)。

（2）決策控制類。用于儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送決策控制指令給其他CAN 節(jié)點(diǎn)，完成保護(hù)或者其他功能。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類。用于其他數(shù)據(jù)采集CAN 節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)融合。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)整體功能較多，其中數(shù)據(jù)融合處理模塊涉及到的內(nèi)容居多，其系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。

Figure 3 Overall flowchart of system operation圖3 系統(tǒng)運(yùn)行總體流程圖

系統(tǒng)上電首先要完成一系列的初始化工作，包括寄存 器、通 用IO 口、CAN 總 線 接 口、LIN 總 線接口、其他設(shè)備等初始化。公共的數(shù)據(jù)變量或者結(jié)構(gòu)初始化值需要讀取本地存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行賦值。完成上述初始化內(nèi)容后系統(tǒng)進(jìn)行自檢，主要檢測(cè)與其他模塊之間是否能正常通信，從而才能保證整個(gè)系統(tǒng)正常地工作。系統(tǒng)自檢通過(guò)后，系統(tǒng)創(chuàng)建運(yùn)行任務(wù)，具體涉及到五個(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、汽車信號(hào)及開關(guān)量采集任務(wù)、CAN 總線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收任務(wù)、CAN 總線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、液晶屏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示任務(wù)。每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行方式基本相同，都由uc/os－II操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。操作系統(tǒng)給每個(gè)任務(wù)分配唯一的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)任務(wù)處于就緒狀態(tài)后，系統(tǒng)總是保證優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，uc/os－II是多任務(wù)、可搶占、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，因此除了支持上述優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度外還支持中斷級(jí)任務(wù)調(diào)度。

5 測(cè)試效果

基于上述系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)、數(shù)據(jù)交互協(xié)議、軟件總體流程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一整套CAN/LIN 雙總線電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)儀表系統(tǒng)。系統(tǒng)的儀表網(wǎng)關(guān)主控節(jié)點(diǎn)以及電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)均采用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的微控制器LPC1768，系統(tǒng)的液晶儀表采用迪文DGUS高分辨率（800＊480）的工業(yè)串口屏，LIN 子系統(tǒng)中電壓與溫度采集模塊中電壓采集采用LINEAR 公司開發(fā)的集成電壓采集芯片LTC6802，溫度采集采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

系統(tǒng)的整個(gè)安裝過(guò)程十分方便，只需將設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)化接口相互鏈接起來(lái)即可。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)電子負(fù)載模擬工況測(cè)試場(chǎng)景，如圖4所示。經(jīng)過(guò)電子負(fù)載的初步測(cè)試通過(guò)之后，便可以裝車進(jìn)行實(shí)際的行車測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)際裝車接線實(shí)物如圖5所示，液晶數(shù)字化儀表顯示主界面如圖6所示。

Figure 4 Laboratory test environment圖4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

Figure 5 A real graph of vehicle installation圖5 系統(tǒng)裝車實(shí)物圖

Figure 6 Display interface of the system LCD digital instrument圖6 系統(tǒng)液晶數(shù)字化儀表顯示主界面

具體測(cè)試選擇車輛平路起步加速的過(guò)程作為系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景。表4截取了實(shí)際車輛運(yùn)行過(guò)程中10秒鐘的測(cè)試數(shù)據(jù)。

Table 4 Actual running test data表4 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

為滿足測(cè)量精度的要求，傳感器數(shù)據(jù)每秒采集四次，在通過(guò)均值濾波處理提高數(shù)據(jù)精度，顯示界面數(shù)據(jù)采用1秒刷新一次，滿足數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)性要求和用戶視覺體驗(yàn)效果。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境和裝車實(shí)際環(huán)境測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，展現(xiàn)了較好的測(cè)試效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于CAN/LIN 雙總線電動(dòng)汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)，對(duì)CAN/LIN 組成的網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，硬件平臺(tái)架構(gòu)和軟件總體流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源高效采集、快速傳輸，系統(tǒng)分布式的數(shù)據(jù)傳輸模式涉及到的數(shù)據(jù)交互協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)字液晶屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表盤，顯示內(nèi)容更加豐富，此外主界面上針對(duì)用戶最關(guān)心的參數(shù)設(shè)計(jì)為大表盤顯示，并附帶數(shù)字顯示，顯示效果更加直觀、明了、精確。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)人機(jī)交互效果好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高。

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