史波峰，楊帆（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

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一種基于汽車CAN通信的液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史波峰，楊帆
（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

摘要：隨著汽車電子化高速發(fā)展，其車身上電控產(chǎn)品不斷的豐富，本產(chǎn)品可以通過CAN通信向用戶提供更為詳細(xì)的車輛工作狀態(tài)消息。對(duì)于汽車用戶，此設(shè)備提供一個(gè)解析并實(shí)時(shí)顯示的終端產(chǎn)品。文章著重在現(xiàn)有產(chǎn)品類型上，設(shè)計(jì)一款可滿足多種具有CAN通信功能，且能夠靈活布局顯示內(nèi)容，便于根據(jù)不同顯示需求能夠具有一定二次開發(fā)程度的顯示系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液晶顯示屏；CAN通信；低溫啟動(dòng)；顯示模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-122-03

1、技術(shù)背景

隨著國外汽車公司涉足中國市場，先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)及國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國商用汽車領(lǐng)域電子化程度在不斷加劇。隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子化程度越來越高，傳統(tǒng)布線方式已經(jīng)不能滿足需求。乘用車領(lǐng)域由于對(duì)駕駛舒適度的需求使得電子化發(fā)展迅速，整車CAN通信技術(shù)已經(jīng)較為成熟，各類配套設(shè)備完善。商用汽車領(lǐng)域中雖然還普遍存在傳統(tǒng)純機(jī)械式設(shè)備，但是逐漸向電子化發(fā)展是必然趨勢。其中電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，以及商用車使用的ABS都是具有CAN通信能力電控設(shè)備。

雖然目前我國現(xiàn)有交通運(yùn)輸狀況及運(yùn)輸成本等諸多因素限制，商用汽車多數(shù)仍選用MT變速箱，但不可否認(rèn)AMT變速箱，AT變速箱終將替代傳統(tǒng)MT變速箱。另外，隨著道路安全意識(shí)深入人心，各類輔助制動(dòng)，ABS等安全設(shè)備都逐漸走入商用汽車用戶的視野。但是這類產(chǎn)品往往都需要電控單元進(jìn)行系統(tǒng)控制，并通過CAN通信與整車進(jìn)行協(xié)調(diào)。CAN通信已經(jīng)作為汽車上設(shè)備控制，設(shè)備間協(xié)調(diào)工作，故障反饋，信息通信的重要方式。

目前針對(duì)液力緩速器，AMT變速箱，AT變速箱，用戶在使用此類產(chǎn)品時(shí)，除非新車由OEM進(jìn)行電控匹配工作，否則傳統(tǒng)儀表無法顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。并且在目前商用車電子化發(fā)展的過渡時(shí)期，電控匹配工作并未一件容易的工作，往往會(huì)遇到?jīng)]有合適的儀表提供顯示服務(wù)。此類產(chǎn)品可為用戶提供一款可用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)的顯示設(shè)備，能引導(dǎo)用戶正確地了解電控設(shè)備，并且有效的使用。

2、設(shè)計(jì)要求

由于CAN通信應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，該系統(tǒng)只針對(duì)汽車方面的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。國內(nèi)商用車多遵照SAE J1939協(xié)議符合CAN 2.0B通信制式。該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就必須使得該顯示系統(tǒng)能夠滿足各類設(shè)備不同CAN通信報(bào)文的顯示需求。此外作為商用車輛，往往會(huì)在殘酷的工作環(huán)境中運(yùn)行，對(duì)于道路車輛的所有電子設(shè)備都有嚴(yán)格的環(huán)境性能要求。該顯示系統(tǒng)需能夠在符合ISO 16750道路車輛環(huán)境要求的工況下正常使用。

2.1顯示方案規(guī)劃

由于該液晶顯示屏幕并非用于取代原有汽車顯示儀表，只是為加裝某公司特殊電控類產(chǎn)品汽車的司機(jī)用戶提供額外信息顯示使用，所以該液晶顯示屏幕在顯示尺寸上須有一定限定，并且利于安裝。

電控設(shè)備往往存在多種工作狀態(tài)，也會(huì)根據(jù)各種工作狀態(tài)反饋不同的信息，這也使CAN總線上只有一個(gè)設(shè)備也可能包含較為繁雜通信信息。例如自動(dòng)變速箱在使用中可能會(huì)因不同故障向CAN總線發(fā)送大量故障碼。受限于屏幕尺寸，無法在屏幕上同時(shí)顯示全部信息。如果全部顯示，則顯示內(nèi)容字體大小將會(huì)讓用戶難以辨識(shí)，更加在行車中產(chǎn)生危險(xiǎn)。屏幕尺寸與顯示內(nèi)容這兩種因素相互之間矛盾，既要求尺寸有所限制，又需能夠顯示足夠的信息量，合理利用顯示區(qū)域尤為重要。

最終設(shè)計(jì)方案選用LCD12232F點(diǎn)陣顯示屏，該屏幕自帶中英文字符庫能夠支持字符模式及繪圖模式兩種顯示狀態(tài)，并能自由切換以滿足不同狀態(tài)下先得的需要。

2.2背光顏色切換

SAE J1939通信協(xié)議中對(duì)設(shè)備在CAN總線中故障碼的制式提出了明確要求。故障碼在總線中傳遞時(shí)必須包含故障等級(jí)說明，一般常分為三級(jí)，正常，一般故障，嚴(yán)重故障。顯示系統(tǒng)在能夠處理這類特殊報(bào)文的同時(shí)必須能給司機(jī)提供醒目的提示，尤其是在警告狀態(tài)下。如果出現(xiàn)警告狀態(tài)，然而司機(jī)并未留意屏幕上顯示內(nèi)容繼續(xù)操作車輛，往往會(huì)造成嚴(yán)重后果，不但車輛設(shè)備受損損失財(cái)產(chǎn)，更甚至威脅生命。

顯示屏幕上在處理該類報(bào)文后顯示特殊文字或圖表提醒司機(jī)正確處置故障。在車輛上往往采用不同顏色進(jìn)行警示提醒，所以在現(xiàn)有顯示屏幕上必須根據(jù)故障代碼更新顯示內(nèi)容的同時(shí)也應(yīng)根據(jù)故障等級(jí)切換背光顏色。方案設(shè)計(jì)中根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)劃分為三個(gè)等級(jí)，正常模式綠色背光，一般故障琥珀色背光，嚴(yán)重故障紅色背光。

在實(shí)際測試方案時(shí)發(fā)現(xiàn)由于不同背光會(huì)影響液晶屏幕顯示灰階度，MCU需能夠在每一種背光下合理調(diào)節(jié)灰階度，使得顯示效果達(dá)到理想狀態(tài)。

2.3低溫環(huán)境快速啟動(dòng)

由于選用液晶屏幕作為顯示載體，受其自身材料本身特性影響，在低溫環(huán)境下流動(dòng)性降低制約了其顯示能力。經(jīng)過試驗(yàn)測試，在低溫-10℃時(shí)，屏幕顯示會(huì)存在顯示更新延時(shí)；溫度低于-20℃時(shí)，基本無法正常使用；尤其是在-40℃極限環(huán)境下，啟動(dòng)后屏幕不顯示任何內(nèi)容。

這些特殊工況是商用汽車都會(huì)面對(duì)的情況，并且這也不符合ISO 16750道路車輛電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電子設(shè)備的最低要求。為能夠在極限工況下該屏幕系統(tǒng)仍能夠?yàn)橛脩艏皶r(shí)準(zhǔn)確地提供顯示服務(wù)。通過測試證明，在液晶屏幕下方安置一片與屏幕尺寸相同的加熱絲，可以有效改善低溫時(shí)工作環(huán)境。在低溫環(huán)境下，啟動(dòng)加熱絲，并且加熱絲加熱功率能夠緊隨環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié)，及時(shí)將屏幕溫度上升到可工作范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)屏幕快速啟動(dòng)。

該方案需要對(duì)加熱絲進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，利用占空比可調(diào)的PWM 波，調(diào)節(jié)加熱絲上施加的等效電流大小從而調(diào)節(jié)加熱絲加熱功率。為能夠根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)PWM波占空比需有溫度反饋量，所以方案設(shè)計(jì)中在屏幕下方電路板中內(nèi)置溫度傳感芯片，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫度量，及時(shí)調(diào)整加熱絲功率。并且通過該溫度傳感芯片獲得溫度信息，自動(dòng)開啟關(guān)閉加熱絲工作，進(jìn)而降低能耗。

3、實(shí)現(xiàn)方案

3.1系統(tǒng)流程圖

圖2　系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)通過利用MCU處理單元對(duì)整車CAN網(wǎng)絡(luò)中需要解析的CAN報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽，利用多級(jí)外部中斷與時(shí)間中斷機(jī)制，形成針對(duì)不同情況下的事件響應(yīng)機(jī)制，以滿足對(duì)復(fù)雜通訊信息的解析工作。通過設(shè)立事件響應(yīng)機(jī)制，觸發(fā)不同事件下對(duì)屏幕顯示模式的更改需求，同時(shí)進(jìn)行顯示內(nèi)容的刷新工作，從而實(shí)現(xiàn)屏幕復(fù)用功能，即顯示狀態(tài)切換功能。該機(jī)制的設(shè)立能夠很好地解決小尺寸屏幕顯示大量信息的問題，并因?yàn)槠渚哂幸欢ㄐ畔⒆R(shí)別判斷能力，無需單獨(dú)設(shè)立顯示切換按鍵，從而方便使用。

系統(tǒng)在上電后首先完成對(duì)MCU及外圍設(shè)備的初始化工作，測得此時(shí)環(huán)境溫度，決定是否需要啟動(dòng)加熱絲。之后監(jiān)聽CAN總線通信報(bào)文。圖2以顯示系統(tǒng)流程圖。其中在監(jiān)聽CAN總線消息時(shí)分別利用了不同響應(yīng)方式，使得能都同時(shí)處理大量CAN報(bào)文，并且根據(jù)這些消息的優(yōu)先級(jí)決策出顯示模式，進(jìn)而更新顯示內(nèi)容。

3.2硬件系統(tǒng)簡圖

圖3　硬件系統(tǒng)簡圖

液晶屏幕顯示系統(tǒng)整體對(duì)外具有四路引腳，其中兩路作為供電使用，另外兩路是CAN通信中的CAN_H和CAN_L。由于液晶顯示設(shè)備并非整車CAN總網(wǎng)終端設(shè)備，內(nèi)部未添加120Ω終端電阻，以配合整車使用。

考慮到供電系統(tǒng)的兼容性問題，在電源處理上使用電壓范圍較寬的DC-DC電路進(jìn)行處理，能夠完全適應(yīng)12V及24V系統(tǒng)使用。并且耐受電壓能力較好，可承受一定范圍的瞬時(shí)電壓沖擊。

為使加熱絲升溫迅速，以使設(shè)備能夠在零下甚至-40℃環(huán)境中快速啟動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。電路設(shè)計(jì)上采取利用車輛外部供電驅(qū)動(dòng)加熱絲，然后通過MCU進(jìn)行PWM控制，以調(diào)解加熱絲實(shí)際工作功率。該方案能夠有效地提升系統(tǒng)在極端環(huán)境下的響應(yīng)時(shí)間，經(jīng)實(shí)際測試在-40℃工況下，3分鐘即可達(dá)到正常使用狀態(tài)，滿足使用需求。

3.3顯示界面布局

由于顯示方式存在兩種模式的切換，尤其是在繪圖模式狀態(tài)下，顯示的布局尤為重要。顯示布局可任意設(shè)計(jì)規(guī)劃，利于二次開發(fā)，同時(shí)在保證顯示能容足夠清楚的同時(shí)，盡可能提供豐富的顯示內(nèi)容。

繪圖顯示狀態(tài)，圖4為一種顯示狀態(tài)。

圖4　繪圖顯示布局

在繪圖顯示狀態(tài)下，整版屏幕用于顯示其工作狀態(tài)。

該模式狀態(tài)下總計(jì)將屏幕劃分為三個(gè)區(qū)域并在程序上做以優(yōu)化，只有當(dāng)該三者信息發(fā)生更改時(shí)，屏幕信息隨即發(fā)生更改。該做法能夠有效降低屏幕跟新速率，由于使用繪圖模式，屏幕是直接進(jìn)行點(diǎn)陣操作，過快的更新速率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，使系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際使用情況合理的降低更新速率，但是又不能出現(xiàn)顯示延時(shí)狀態(tài)。

字符顯示狀態(tài)，圖5為一款變速箱出現(xiàn)故障碼為001時(shí)的顯示狀態(tài)。

圖5　字符顯示布局

繪圖顯示狀態(tài)尤其獨(dú)特的優(yōu)勢，例如布局自由，顯示內(nèi)容不受限制等特點(diǎn)，但是在高信息量的情況下就不太適合使用，尤其對(duì)于復(fù)雜的組合狀態(tài)顯示。

圖5利用LCD12232F屏幕自帶字符庫對(duì)大量信息進(jìn)行編排在一個(gè)版面上進(jìn)行顯示。該顯示狀態(tài)只有在出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)才會(huì)自動(dòng)切換進(jìn)去，并且會(huì)根據(jù)故障等級(jí)更換背光顏色。該模式下只有當(dāng)故障消失后會(huì)自動(dòng)消失返回到之前的繪圖模式，如圖4所示。該模式下“C”表示當(dāng)前意思，結(jié)合后方緊跟數(shù)字表示當(dāng)前檔位數(shù)；“S”表示目標(biāo)意思，結(jié)合后方緊跟數(shù)字標(biāo)示目標(biāo)檔位數(shù)；第一行后方“警告”是對(duì)故障等級(jí)的反饋，并切換背光為紅色，另外一個(gè)較低等級(jí)為“注意”，對(duì)應(yīng)背光為琥珀色；下方數(shù)字為顯示系統(tǒng)解析故障報(bào)文后自行解析出的故障報(bào)碼，方便用戶查詢手冊解釋了解故障信息，解決問題。

4、總結(jié)

該液晶顯示系統(tǒng)具有良好的二次開發(fā)功能，屏幕顯示代碼進(jìn)行了封裝，方便根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)劃不同顯示布局方案，已經(jīng)可以為本公司多款電控產(chǎn)品提供顯示服務(wù)，甚至能夠?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)等設(shè)備提供顯示服務(wù)。顯示內(nèi)容布局靈活，兩種不同的顯示方案可以單獨(dú)或結(jié)合使用，以滿足多種使用需求。多級(jí)背光的引入可以額外的提供不同等級(jí)信息，以提醒用戶觀察設(shè)備運(yùn)行狀況。低溫快速啟動(dòng)的溫度補(bǔ)償方案能夠顯示系統(tǒng)在極端低溫環(huán)境下快速恢復(fù)到正常工作范圍，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素?zé)o法為用戶提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息。經(jīng)試驗(yàn)證明，該液晶顯示系統(tǒng)能夠在-40℃環(huán)境下3分鐘內(nèi)快速恢復(fù)正常顯示，并能夠在該環(huán)境下正常工作，完全符合ISO 16750中對(duì)汽車電子的低溫環(huán)境運(yùn)行存儲(chǔ)要求。

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A LCD(liquid crystal display) system design based on vehicle CAN communication

Shi Bofeng, Yang Fan
（Shaanxi FAST Gear Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710119）

Abstract:With the high-speed development of automobile electronic, electronic control products which are on vehicle are more and more growing, this product can provide customers with a more detailed vehicle operation status message by the CAN communication. For the car driver, this equipment could provide information resolution and real-time display as a terminal. In this paper, base on the existing product, designed a display system which can meet a variety of CAN communication function and flexible layout display content, and it can also make the secondary development which has different requirements easier.

Keywords:liquid crystal display; CAN communication; Low temperature start; display mode

中圖分類號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-122-03

作者簡介：史波峰，就職于陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司。