王悅 張昕

摘要： 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，新能源汽車逐漸步入大眾的視野，其儀表盤顯示信息相對(duì)于傳統(tǒng)汽車儀表更全面、更智能。本文介紹了新能源汽車組合儀表盤的整體設(shè)計(jì)和功能檢測(cè)過程。硬件電路采用STM32F103VET6為中央處理器，CAN—601作為CAN總線通訊的收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了將汽車各模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行通過總線信息實(shí)時(shí)接收至儀表模塊并進(jìn)行顯示的目的。利用VisualTFT組態(tài)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)儀表盤測(cè)試界面和測(cè)試程序，測(cè)試結(jié)果表明該儀表盤具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便和通訊速度高等特點(diǎn)，能夠有效解決新能源汽車儀表盤通訊問題[1]。

Abstract： With the rapid development of the automobile industry， vehicles with new energy have entered the public' s vision gradually. The dashboard display information is more comprehensive and intelligent than traditional vehicle instruments. The new energy vehicle combination dashboard is mainly designed to test the function， meanwhile the overall design and function testing process are introduced during this paper. The hardware circuit uses STM32F103VET6 as the central processor， and CAN-601 as the transceiver of CAN bus communication， which realizes the purpose of receiving and displaying the data of each module of the vehicle in real time through the bus information. VisualTFT configuration software platform is used to design the test interface and test program of the dashboard. The test results show that the dashboard has strong anti-interference ability， high reliability， simple structure and high communication speed， which can effectively solve the communication problem of the dashboard of new energy vehicles.

關(guān)鍵詞： 新能源汽車;CAN總線;儀表盤

Key words： new energy vehicles;CAN bus;dashboard

中圖分類號(hào)：TH868????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0022-02

0? 引言

隨著新能源汽車智能化越來越高，汽車儀表盤的顯示信息增多，儀表盤布局也更加復(fù)雜。傳統(tǒng)汽車儀表必須把傳感器線束接到儀表上才可以進(jìn)行使用，不可以節(jié)省傳感器，布線復(fù)雜，增加汽車重量、功耗高等缺點(diǎn)。同時(shí)各模塊之間的線束連接也會(huì)導(dǎo)致電磁抗干擾能力減弱使汽車儀表盤所接收的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度和精確程度有所降低。本文采取CAN總線進(jìn)行新能源汽車中的數(shù)據(jù)傳輸，通過對(duì)CAN通訊接口進(jìn)行研究，依據(jù)CAN總線的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性等特點(diǎn)，采用SAE J1939協(xié)議，設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)獲取車輛信息的新能源汽車儀表盤，能提高儀表的工作效能，對(duì)汽車儀表技術(shù)發(fā)展有促進(jìn)作用[2]。

1? CAN總線和SAE J1939的概述

CAN協(xié)議以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放性互聯(lián)模型為參照，規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層、物理層和應(yīng)用層。它們分工明確，其中數(shù)據(jù)鏈路層的作用是用來接收和發(fā)送報(bào)文信息[3];物理層是將完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸;應(yīng)用層是這三個(gè)組成中最重要的一部分，主要是進(jìn)行報(bào)文的濾波以及報(bào)文狀態(tài)的處理。不同于以往的線束連接，CAN總線是以報(bào)文的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式主要有：數(shù)據(jù)幀、錯(cuò)誤幀、遠(yuǎn)程幀、超載幀等。SAE J1939協(xié)議通過多路復(fù)用的技術(shù)可以將基于CAN總線上的模塊相互連接，快速有效的實(shí)現(xiàn)汽車各電子模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸，在保證傳輸速率、準(zhǔn)確程度的同時(shí)減少了線束的連接提高了系統(tǒng)的可靠性，有效的發(fā)揮了CAN總線的優(yōu)點(diǎn)。

2? 總體設(shè)計(jì)方案

汽車儀表盤作為汽車與駕駛員之間進(jìn)行信息溝通的工具與平臺(tái)，實(shí)時(shí)向駕駛員提供汽車自身以及行車時(shí)外部交通環(huán)境的信息[4]。本文采用STM32F103VET6作為中央核心處理器，并且利用CAN總線進(jìn)行各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)所接收到的信息進(jìn)行分析處理之后發(fā)出相應(yīng)指令，完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸處理以及儲(chǔ)存，最后在顯示屏上對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合顯示方便駕駛員實(shí)時(shí)了解車況信息[5]。①對(duì)CAN總線以及SAE J1939協(xié)議的深入研究，制定出本系統(tǒng)的儀表CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議[6]。②設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案，研究分析新能源汽車儀表各模塊的硬件組成，針對(duì)其功能原理給出新能源汽車儀表的硬件設(shè)計(jì)方案。③設(shè)計(jì)新能源汽車儀表系統(tǒng)的軟件，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)方案，對(duì)各模塊進(jìn)行軟件分析設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)流程繪制流程圖進(jìn)行詳細(xì)解說。④針對(duì)上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行實(shí)際工作的測(cè)試，以此檢驗(yàn)系統(tǒng)是否可以符合汽車儀表所需的功能，并不斷優(yōu)化完善。本文是基于CAN總線通訊技術(shù)結(jié)合微控制器的新能源汽車智能儀表的設(shè)計(jì)。以STM32F103VET6作為本系統(tǒng)的中央核心處理器，CAN總線是汽車各模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可以可靠實(shí)時(shí)運(yùn)行的基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的前提。對(duì)汽車儀表盤的功能進(jìn)行整理分析，智能儀表系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

3? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

GCAN-601是集成1路標(biāo)準(zhǔn)CAN-bus接口、1路標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口的通訊轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)其處于正常工作期間，可對(duì)CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)信號(hào)的傳輸敏感。當(dāng)監(jiān)測(cè)到CAN總線上的信息被接收時(shí)便立即對(duì)其進(jìn)行分析處理，并將所處理的數(shù)據(jù)按照格式不同分別裝入CAN總線和UART總線的緩沖區(qū)，并按設(shè)定的工作標(biāo)準(zhǔn)將信息轉(zhuǎn)換傳輸給對(duì)方總線，快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)信息的相互傳遞[7]。GCAN-601模塊接入CAN總線只需將CAN_H與CAN_H對(duì)應(yīng)相連，便可以實(shí)現(xiàn)CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。各引腳具體含義如表1所示。

由于STM32F103VET6微處理器有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，如使用具有性價(jià)比最大的Cortex內(nèi)核、內(nèi)置CAN控制器與收發(fā)器可以滿足本系統(tǒng)的通信需求，因此本系統(tǒng)選用STM32F103VET6作為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心要件。除此之外，微處理器內(nèi)置的CAN2.0控制器，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)耐瑫r(shí)減少了線束連接，降低了由于線路雜亂所造成的干擾問題，在保證系統(tǒng)線路簡(jiǎn)潔的同時(shí)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。LCD顯示是汽車智能儀表研究中最重要的一部分，主要的作用是顯示儀表各模塊的實(shí)時(shí)信息以及CAN總線通訊的解析。只有把LCD控制器、CAN總線技術(shù)以及軟件代碼整合起來才能將汽車各模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示出來。根據(jù)本系統(tǒng)的功能需要，主要需要將汽車的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息在儀表盤進(jìn)行指針顯示，其他各種狀態(tài)量和開關(guān)量用數(shù)字和圖像顯示，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的信息交互[8]。

4? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：主程序模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)功能子模塊信息進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度驅(qū)動(dòng)其執(zhí)行命令;CAN總線通訊模塊相當(dāng)于信息傳輸通道，其作用是進(jìn)行汽車內(nèi)部各電子模塊信息的傳輸;數(shù)據(jù)采集模塊的作用是通過數(shù)字濾波的處理方式，采集脈沖信號(hào)以及模擬信號(hào);A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能是濾除高頻信號(hào)并轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)，降低其干擾程度;LCD液晶顯示模塊主要將汽車信息實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員快速準(zhǔn)確的了解車況。以下是三種核心模塊的重點(diǎn)分析研究。

主程序模塊的工作原理是當(dāng)汽車智能儀表與汽車電源相互連接后，進(jìn)行各模塊的初始化設(shè)置，對(duì)以CAN總線為載體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)并進(jìn)行分析處理，調(diào)用各組模塊，保障汽車儀表系統(tǒng)的正常工作。針對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊，是將汽車行駛或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)整車信息參數(shù)進(jìn)行采集，通過對(duì)數(shù)據(jù)的收集與轉(zhuǎn)換，將信號(hào)傳輸?shù)揭壕э@示屏進(jìn)行顯示[9]。CAN總線通訊模塊作為本系統(tǒng)的核心部分，主要是對(duì)汽車電子模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)主要采用STM32F103VET6與GCAN-601組成CAN總線通信模塊，該模塊是由CAN控制器、CAN收發(fā)器以及數(shù)據(jù)模塊接口等組成。本系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)流程如下：首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，之后調(diào)用CAN總線各子模塊程序，對(duì)CAN總線上所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，將所采集到的信息通過LCD顯示屏顯示。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示[10]。

5? 系統(tǒng)測(cè)試

在CAN總線通訊技術(shù)應(yīng)用于汽車方面，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車在部分車身類系統(tǒng)和部分整車控制系統(tǒng)有著眾多相似之處;但仍存在著不同之處，新能源汽車具有其特有的功率傳感器，新能源汽車CAN通信使汽車功率實(shí)時(shí)性更好，精確度更高。在本文的設(shè)計(jì)中，基于CAN總線的汽車功率信號(hào)進(jìn)行采集，以提高汽車功率測(cè)量的靈敏度和抗干擾能力。運(yùn)用以下的公式進(jìn)行計(jì)算：Pe=Te×（2π×n/60）/1000=Te×n/9550（kW）（1）

其中：Te—有效轉(zhuǎn)矩，N·m;n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩用臺(tái)架試驗(yàn)方法測(cè)定，并根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，該系統(tǒng)應(yīng)用在一段時(shí)間內(nèi)采集脈沖個(gè)數(shù)的方式進(jìn)行測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算的汽車功率數(shù)據(jù)使用編輯的DBC文件進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)化成了CAN總線數(shù)據(jù)，定時(shí)將數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳，最終實(shí)現(xiàn)通過CAN總線進(jìn)行汽車功率采集。

6? 總結(jié)

通過不斷的研究學(xué)習(xí)，深刻了解到CAN總線通訊的內(nèi)涵，本文最終選擇以STM32F103VET6作為微處理器，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車儀表盤CAN總線通訊技術(shù)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)完成了采集電路的設(shè)計(jì)、CAN總線通訊設(shè)計(jì)以及LCD顯示電路的設(shè)計(jì)等，保證汽車智能儀表各模塊正常工作。同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展，“5G”技術(shù)的不斷突破，汽車智能化程度的高低逐漸成為各大汽車廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力。而儀表盤作為駕駛員直觀了解汽車狀態(tài)的重要部分之一，由于CAN總線技術(shù)與其他技術(shù)相比具有可靠性高、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此未來在新能源汽車智能儀表盤的應(yīng)用必將會(huì)成為一種潮流。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫周.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].南京林業(yè)大學(xué)，2011.

[2]李靜.基于CAN總線的新型汽車儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[3]田曉鴻.基于CAN總線的車用儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2018.

[4]劉朋.剛性礦用自卸車電氣系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[5]曾勇.電動(dòng)汽車儀表關(guān)鍵技術(shù)分析與研究[D].武漢科技大學(xué)，2019.

[6]張海艷.RS232485與CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2008.

[7]李湘江，楊世文，南金瑞.基于CAN總線和Labview的純電動(dòng)汽車儀表盤設(shè)計(jì)[D].河北農(nóng)機(jī)，2014.

[8]羅牛，劉學(xué)文，劉金龍，阮明昌.基于VR的汽車儀表盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018.

[9]蘇開宇.電動(dòng)摩托車BMS硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2018.

[10]朱海藝.基于單片機(jī)技術(shù)與CAN總線結(jié)合的汽車儀表設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2020.