汽车起重机总线仪表的研制和应用

（1.四川长江工程起重机有限责任公司，四川泸州,646006；2.大连理工汽车电子研究所，辽宁大连,116023）

汽车起重机总线仪表的研制和应用

陈杰斌,牛志明

（1.四川长江工程起重机有限责任公司，四川泸州,646006；2.大连理工汽车电子研究所，辽宁大连,116023）

为满足新一代G系列汽车起重机对仪表的功能、外观和布局要求，其仪表设计分别应用了CAN总线和RS232串口双总线通讯技术，既实现了信息共享，又降低了总线实施成本；独特的分立式仪表布局使仪表台的布局更加灵活，便于仪表维修；采用步进电机驱动和液晶显示技术实现了仪表的数字化指示，提高指示精度，保证了仪表的一致性。通过总线仪表在实际应用中的反馈情况来看，完全满足新一代G系列汽车起重机的配套要求，成功实现了汽车起重机仪表的更新换代。

汽车起重机；汽车仪表；CAN总线；RS232串口；步进电机

1 汽车仪表的发展趋势

进入21世纪后，数字化、信息化和网络化技术的突飞猛进的发展，为现代汽车仪表的发展提供了强有力的支撑。首先仪表所需的的信息不再由各种相应的传感器分别通过不同的导线将模拟电信号或是脉冲信号进行传递，而是以网络总线的形式将所需的所有信息通过只有少数几根导线进行传递，不仅实现了信息共享，扩大了信息的流通量，而且还节约大量的导线，减轻了车身重量，相应也减少了大量的连接器以及繁琐的布线工序，提高了系统的可靠性。网络化、数字化最突出的优点就是使仪表系统工作的可靠性大为提高，同时也实现了智能化的故障诊断。其次仪表也由传统模拟式发展成为全数字化仪表，典型代表分为两大类，一类就是步进电机控制式仪表，另一类是显示屏模拟指针指示或是数字显示仪表，这两类仪表都实现了信息的精确指示和高度的一致性，并且不受外界环境温度和工作年限的影响。目前从实际应用情况分析，汽车仪表将是以步进电机仪表加上液晶显示屏为当代的主流产品。

未来汽车仪表必将被用现代传感测试、电子信息、计算机与网络技术组成的智能化的综合车载信息系统来取代，每台车的仪表系统变为一个多媒体的世界，它标志着汽车仪表将要跨入一个崭新的时代。

2 CAN总线在汽车仪表中的应用

控制局域网CAN （Controller Area Network）是国际上应用最广泛的现场总线之一，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试设备之间的数据交换而开发的一种通讯协议，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，目的是通过较少的信号线将汽车上的各种电子设备网络连接起来，并提高数据传输的可靠性。

长江牌G系列汽车起重机是由四川长江工程起重机有限公司联姻德国保时捷公司按欧洲标准设计并生产的，大量采用轿车元素，将世界顶级轿车的线型、理念和诸元素，率先引入重装工程机械行业。作为驾驶室中的重要部件-汽车仪表，不仅在外观上要与新型驾驶室的整体设计要求匹配，而且在功能及可靠性方面也要达到更高的标准要求。因此CAN总线必然成为汽车仪表设计中的重要一环。G系列汽车起重机的CAN总线通讯协议是以SEAJ1939通用协议标准为依据的，根据此协议可以通过CAN总线直接接收到由发动机电控单元ECU发出的车速、里程、发动机转速、工作小时、水温、油压和尿素箱液位及温度的数据，然后由各个仪表分别将接收到数据指示出来。这样就可省去大部分仪表所匹配的传感器和连接导线，同时也极大提高了仪表的指示精度和可靠性。

3 总线仪表系统的设计

3.1仪表系统的整体布局

本仪表系统是为具有“国Ⅳ”排放标准的G系列汽车起重机而设计的，它是由CAN总线接收模块、车速里程表、发动机转速及工作小时表、水温表、油压表、燃油表和尿素箱液位温度表组成，如图3-1所示。

图3-1 仪表系统的组成

仪表系统采用的是分立式仪表形式，车速里程表采用Ø85标准外径，其他仪表全部采用Ø60标准外径，这种形式的特点就是布局灵活，方便组合，快速拆装，便于维修更换，特别适合在工程车辆上应用。

仪表系统使用的是双总线形式进行数据传输的，首先，发动机电控单元ECU通过CAN总线（双线制CANH和CANL）将有关仪表的所有信息发送到接收模块中，然后接收模块将接收到的仪表数据再通过RS232串口总线的发送线TxD（单线制）传送到各个仪表中，这种双总线形式是分立式仪表系统数据传输的最佳选择。图3-2是驾驶室仪表板的实际布局图。

图3-2 仪表板实际布局图

3.2CAN总线接收模块的设计

CAN接收模块的应用电路图如图3-3所示。它包括以下几部分功能：

图3-3 CAN接收模块应用电路图

1)高性能的稳压电源模块。由于车载电源波动较大，而且其电气环境恶劣，因此稳压电源模块的性能好坏对于整个仪表系统是至关重要的，因此电源模块必须具有过流、过压和过热等保护功能，同时要满足车载电源工况的要求，为仪表系统提供可靠、稳定的电源。

2)CAN总线接收仪表数据的功能。发动机电控单元所发出的信息通过CAN总线传输到CAN总线收发器上，经过变换后由微控器进行接收，微控器进行数据汇总后，再通过RS232串口数据线TxD将各仪表数据统一的、定时的发送出去。

3)由于CAN总线报文中没有燃油表的数据，所以接收模块就需要将燃油传感器的模拟电压信号转换成数字信号。燃油箱传感器的信号经过A/D转换电路由微控器进行A/D转换、软件滤波和数据汇总后，再由串口线TxD随CAN总线数据统一发送。

4)RS232串口数据包的格式如图3-4所示。

图3-4 RS232串口数据包的格式

RS232串口数据包中，包括帧头2个字节，仪表数据14个字节和CRC校验2个字节，共有18个字节。接收模块按100ms定时周期的广播发送至串口总线上。

3.3仪表部分的设计

3.3.1 车速里程表和转速小时表的设计

车速里程表和转速小时表的工作原理基本相同，硬件电路完全一致，其电路原理图如图3-5所示。工作原理是微控器首先接收到由RS232串口数据线传送的数据包，然后读出相应的车速、里程数据或是转速、工作小时数据，根据读出的车速或是转速数据，确定仪表步进电机的旋转角度，微控器就通过驱动器控制步进电机旋转到指定的角度位置，那么由步进电机带动指针旋转就可指示出实际的车速或转速值，通过读取数据包中的里程或是工作小时数据，再由微控器驱动6位液晶显示器直接将数据显示出来，也可以用步进电机驱动的6位机械轮计数器来记录里程或是工作小时。

图3-5 车速里程表和转速小时表电路原理图

由于被测量的数据是随机变化的，有时快有时慢，为了让仪表实时、直观地显示出输入量的变化，驱动程序就必须对步进电机的每一步转动进行适当的控制。可以说，一个汽车仪表做得好不好，关键就在于它对步进电机转动速度的控制是否满足实际要求。具体设计过程中的关键部分如下：

1)步进电机驱动器与微控器只有3根线相连，RST为复位端，CW为电机转动方向控制端，f(scx)为脉冲输入端，脉冲的每个上升沿驱动电机走一微步，即转动1/12°，脉冲的频率决定电机的转动速度。

2)微控器在控制步进电机在转动过程中，既要防止电机出现失步现象，又要实时精确指示出被测量的位置，那么步进电机的运转过程必须遵循图3-6的运动规律，起步阶段为加速过程，待电机加速到最大转动频率后，进入匀速运动过程，快到目标位置时进行减速运动。当转动角度较小时，可能会没有匀速过程，从加速过程直接到减速过程，最终到达目标位置后停止。

图3-6 步进电机的运动控制规律

3)车速里程表和转速小时表的软件设计

在车速里程表和转速小时表的软件设计中采用模块化的设计思想，其功能主要包括有：RS23串口接收数据程序模块；步进电机驱动程序模块和液晶计数器显示程序模块。程序流程框图如图3-7所示。

图3-7 车速里程表和转速表软件设计框图

3.3.2 水温表和油压表和燃油表的设计

水温表、油压表和燃油表与车速里程表和转速表的设计原理基本是相同的，在硬件电路中只是去掉了六位液晶显示部分，也就是这三种仪表中没有里程或小时计数电路。在软件设计中，这三种仪表与车速里程表和转速表的主要区别就是三种仪表步进电机的启动频率和最高运转频率都相应的降低一些，以适应这三种表指针变化相对缓慢的情形；另外一点就是此三种的指针指示角度范围为90°，而车速里程表和转速表的指针指示角度范围是250°。

3.3.3 尿素箱液位温度表的设计

尿素箱液位温度表采用的是双十段条码液晶显示方式，如图3-8所示。左边10个条形代表尿素箱液位值，右边10个条形代表尿素箱温度值。

尿素箱液位温度表的软件设计中主要包括有：RS23串口接收数据程序模块和双十段条码液晶显示程序模块两部分，其中RS23串口接收数据程序框图与图3-7中的串口接收子程序相同，主程序流程框图如图3-9所示。

图3-8 尿素箱液位温度表电路原理图

本文介绍了一种基于CAN总线和RS232串口总线通讯的汽车起重机仪表的电路设计原理和软件的实现方法，通过实际配套使用的反馈情况来看，完全满足了新一代G系列汽车起重机的配套要求。由于采用独特的分立式仪表布局使仪表台的的布局更加灵活，仪表维修便利，因此特别适用于苛刻环境下的工程车辆使用。

图3-9 尿素箱液位温度表主程序流程框图

[1] 杨忠敏．汽车仪表的发展现状[J]．汽车电器，2004（4）:1-3

[2] 陈德池，廖国华，张航等．微处理器与现场总线技术[M]．长沙：中南大学出版社，2003: 211-244

[3] 李刚，陈世利，周鑫玲．飞思卡尔8位单片机实用教程[M]．北京：电子工业出版社，2009: 114-176

陈杰斌.出生年月：1972年5月.性别：男.籍贯：湖南省湘潭市.职称：高级工程师.学位：重庆大学车辆工程专业硕士学位.研究方向：机械电子工程

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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