李有通 譚琳 陳益慶

摘要：傳統(tǒng)儀表采用線束進(jìn)行連接使得儀表準(zhǔn)確度和精確度低，且抗電磁干擾能力弱。CAN總線是一種能進(jìn)行分布式控制和實(shí)時(shí)控制的技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便且通訊度高，可靠性、抗干擾能力強(qiáng)?；贑AN總線進(jìn)行汽車(chē)智能儀表的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能提高儀表的工作效能，對(duì)汽車(chē)儀表技術(shù)發(fā)展有促進(jìn)作用。文章先敘述CAN內(nèi)涵及特點(diǎn)，之后對(duì)基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最后對(duì)基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的系統(tǒng)硬件進(jìn)行全方位闡述，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)智能儀表;CAN總線;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);硬件設(shè)計(jì)

0 ?引言

微型計(jì)算機(jī)和電子制造業(yè)的發(fā)展，給車(chē)載智能儀表的研發(fā)帶來(lái)了機(jī)會(huì)。現(xiàn)代汽車(chē)在研發(fā)過(guò)程中越來(lái)越多地應(yīng)用高科技技術(shù)，使汽車(chē)的安全性能越來(lái)越高。為了使駕駛員能對(duì)汽車(chē)運(yùn)行信息進(jìn)行全面掌握，基于CAN總線進(jìn)行汽車(chē)智能儀表的研究成為汽車(chē)儀表研發(fā)的趨勢(shì)。

1 ?CAN概述

1.1 內(nèi)涵

CAN是多主方式的串行通信系統(tǒng)，位速率強(qiáng)、抗干擾性能強(qiáng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一種形式，在國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛。CAN總線技術(shù)最早是德國(guó)公司研發(fā)，應(yīng)用目的是解決汽車(chē)控制器存在的問(wèn)題。將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)運(yùn)營(yíng)的局域環(huán)境內(nèi)，可以通過(guò)CAN內(nèi)含的微型控制通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，將汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并為分布式控制和實(shí)時(shí)性控制提供網(wǎng)絡(luò)信息支持。

1.2 特點(diǎn)

CAN能快速檢測(cè)出錯(cuò)誤，因支持分布式控制和串行通訊網(wǎng)絡(luò)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)傳感器系統(tǒng)，主要包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中CAN2.0A主要通過(guò)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行各設(shè)備信息的傳遞，通過(guò)遠(yuǎn)程幀進(jìn)行各設(shè)備單元信息和數(shù)據(jù)請(qǐng)求的處理，通過(guò)出錯(cuò)幀進(jìn)行總線信號(hào)是否出錯(cuò)的檢測(cè)，通過(guò)超載幀的標(biāo)志和特定符號(hào)等來(lái)呈現(xiàn)是否有錯(cuò)誤。CAN2.0B通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)幀信息的11個(gè)字節(jié)進(jìn)行信息展示，其中一個(gè)字節(jié)是1的幀信息，2字節(jié)是2和3的報(bào)文識(shí)別碼;通過(guò)擴(kuò)展幀的13個(gè)字節(jié)的信息進(jìn)行信息展示，其中，2字節(jié)主要是29位數(shù)字有效，且由2-5的報(bào)文識(shí)別碼組成，而3字節(jié)遠(yuǎn)程幀操作無(wú)效，是由6-13數(shù)據(jù)幀的信息組成。

2 ?基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的設(shè)計(jì)總方案是對(duì)系統(tǒng)功能、系統(tǒng)可靠性、實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行整合后總結(jié)出來(lái)的最合理方案，決定了后續(xù)設(shè)計(jì)的順利性。在功能上，汽車(chē)智能儀表是對(duì)車(chē)速、蓄電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、里程數(shù)、燃油量等進(jìn)行綜合顯示的儀器。同時(shí)對(duì)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的車(chē)載裝備工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警或強(qiáng)行制動(dòng)，避免發(fā)生故事。其報(bào)警功能一般是圖標(biāo)結(jié)合燈光閃爍、語(yǔ)音報(bào)警。用戶(hù)在應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)自己的喜好進(jìn)行儀表界面的設(shè)計(jì)，使智能儀表更具個(gè)性化。

基于CAN總線汽車(chē)智能儀表還具備拓展接口，可以根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。CAN總線汽車(chē)智能儀表每個(gè)模塊都有自己的工作準(zhǔn)則，在遵循工作準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有功能。為了實(shí)現(xiàn)儀表系統(tǒng)的信號(hào)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)等，需要在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)資源合理分配，以使操作簡(jiǎn)便，使系統(tǒng)工作效率更高。

2.2 框架設(shè)計(jì)

基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的整體設(shè)計(jì)是先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。采集的數(shù)據(jù)主要包括汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的水溫、油量、車(chē)速相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送主要是將采集到的信息傳送至主控制芯。在完成數(shù)據(jù)采集與傳送后，接收數(shù)據(jù)的主控制芯對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，歸納出結(jié)果，顯示在智能汽車(chē)儀表的顯示屏上。通過(guò)屏幕上信息的顯示，駕駛員能了解汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中水溫、油量、車(chē)速等各種信息，以根據(jù)需求進(jìn)行駕駛調(diào)整。具體框架如圖1所示。

3 ?基于CAN總線汽車(chē)智能儀表的系統(tǒng)硬件

3.1 硬件總體方案

人們生活水平在提高，精神追求也相應(yīng)提高，在加強(qiáng)汽車(chē)的過(guò)程中，要求更高的舒適性和可靠性。研發(fā)人員在進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，將豐富的電子設(shè)備應(yīng)用于汽車(chē)上，但設(shè)備過(guò)多，信息過(guò)于龐大，使信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理都變得更復(fù)雜，也會(huì)增加設(shè)備的故障率，增強(qiáng)維修的困難。而CAN總線的高性能性實(shí)現(xiàn)了車(chē)內(nèi)設(shè)備之間信息的有效傳遞和處理，成為智能儀表的重要支撐?；贑AN總線的汽車(chē)智能儀表在工作時(shí)對(duì)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和傳輸，之后通過(guò)轉(zhuǎn)換再做出判斷和命令。以圖像顯示的數(shù)據(jù)，是先對(duì)數(shù)據(jù)接收和處理，再轉(zhuǎn)換成圖像形式，最后顯示在顯示器上，使駕駛員掌握汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的所有車(chē)況信息。

3.2 車(chē)速信號(hào)采集設(shè)計(jì)

駕駛員在駕駛汽車(chē)時(shí)，對(duì)車(chē)速的掌握利于提高駕駛的安全性?；綜AN總線的車(chē)速信號(hào)采集一般選取霍爾式傳感器進(jìn)行測(cè)速，以提高車(chē)速測(cè)量的靈敏度和抗干擾能力。具體設(shè)計(jì)和工作原則如圖2所示。

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在設(shè)計(jì)汽車(chē)智能儀表時(shí)，先在變速器內(nèi)安裝好磁傳感器，目的是感應(yīng)車(chē)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行記錄，以過(guò)測(cè)定和計(jì)算脈沖信號(hào)估算車(chē)速，之后再傳回傳感器，發(fā)送加主控芯片。

3.3 油量信號(hào)采集設(shè)計(jì)

汽車(chē)智能儀表的重要功能是記錄油量，以為汽車(chē)順利運(yùn)行提供動(dòng)力支持，并了解最安全的行駛距離。此段探討的是通過(guò)浮子傳感器進(jìn)行油量的采集。浮子傳感器油量采集系統(tǒng)主要由浮子、浮子臂和滑動(dòng)變阻構(gòu)成。在采集工作進(jìn)行時(shí)，浮子隨著油箱中的油量的變化而來(lái)回浮動(dòng)，進(jìn)而記錄油量指數(shù)，并傳遞給相應(yīng)的設(shè)備。在進(jìn)行油量信息采集時(shí)要考慮電壓，使電壓的輸出信號(hào)在0～12V之間，以保證油量采集的正確率。

3.4 CAN通信設(shè)計(jì)

CAN通信模塊主要是由收發(fā)器和控制器組成。其中，收發(fā)器是對(duì)信息進(jìn)行收集和發(fā)送，之后傳送給控制器。控制器是對(duì)信息進(jìn)行接收，并通過(guò)設(shè)定的通信協(xié)議進(jìn)行通信，完成指揮工作?；贑AN總線的智能儀表的接口主要包括初始化子操作程序、發(fā)送子程序、接收子程序。初始化程序是通過(guò)CAN控制器讀入相應(yīng)的控制字，之后再確定工作方式。初始化程序包括電復(fù)位、硬件復(fù)位、軟件復(fù)位三種形式。汽車(chē)在運(yùn)行期間，可以通過(guò)向CAN控制器發(fā)射復(fù)位請(qǐng)求后再進(jìn)行程序的具體操作。CAN控制器內(nèi)部具備雙重緩沖的設(shè)置，能對(duì)數(shù)據(jù)操作進(jìn)行緩存。CAN改變了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)地址編碼操作方式，拓展了數(shù)據(jù)編碼方式，是汽車(chē)智能儀表的發(fā)展大方向。

3.5 CAN系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

汽車(chē)在行駛過(guò)程中受各種因素影響，外部因素有溫度、濕度等，內(nèi)部因素有汽車(chē)電子設(shè)備的電磁干擾等。因此，基于CAN總線的汽車(chē)智能儀表研究要考慮所有干擾因素，并通過(guò)設(shè)計(jì)排除干擾因素。CAN系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)主要是通過(guò)低噪音電路設(shè)計(jì)和噪聲耦合設(shè)計(jì)結(jié)合減少汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的干擾因素的產(chǎn)生，同時(shí)提高智能儀表對(duì)信息的敏感度?？垢蓴_硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用寬電壓輸入，目的是減少電源對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_，同時(shí)在電源上安排電容濾波電網(wǎng)，提高電源的穩(wěn)定性。在進(jìn)行系統(tǒng)操作通道抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備零件，目的是減少通道操作過(guò)程中各設(shè)備的相互干擾幾率。在進(jìn)行軟件抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，可以有效利用看門(mén)狗系統(tǒng)，目的是在發(fā)生干擾時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行復(fù)位。

總之，在人們對(duì)汽車(chē)舒適度和可靠性提供更高要求的背景下，基于CAN總線進(jìn)行汽車(chē)智能儀表設(shè)計(jì)，能使系統(tǒng)更智能化，使信息的采集、處理和共享更精確化，使汽車(chē)監(jiān)控全方位化，能提高汽車(chē)各設(shè)備的工作效率，促進(jìn)汽車(chē)研發(fā)的健康發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：李有通（1986-），男，四川廣安人，本科，講師，研究方向?yàn)槠?chē)電子、汽車(chē)維修;譚琳（1968-），男，四川鄰水人，本科，副教授，研究方向?yàn)槠?chē)維護(hù)、汽車(chē)設(shè)計(jì);陳益慶（1987-），男，四川鄰水人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)槠?chē)電子控制及汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。