基于CAN总线的车用仪表系统的设计分析

郑聪

摘 要：在汽车工业发展速度不断提升的背景下，大众对于车辆运行过程中安全性、舒适性的要求更为严格。同时，为满足节能环保方面的要求，大量汽车电子控制设备开始广泛应用于车辆控制系统中。本文即提出一种基于CAN总线的车用仪表系统设计方案，基于对CAN总线性能特点的分析，研究车用仪表系统硬件电路以及软件系统模块的设计要点，望能够进一步优化车用仪表系统的相关性能。

关键词：车用仪表系统；CAN总线；设计

中图分类号：U463 文献标识码：A

作为车辆驾驶人员直观了解车辆运行状态的“平台”——车用仪表装置的重要意义是不言而喻的。传统机械模拟式车用仪表已经难以满足驾驶人员对车辆运行状态参数的多样化需求。新型车用仪表系统正基于对CAN总线技术的应用，逐步向着网络化以及数字化方向发展。本文即构建一种基于CAN总线的车用仪表系统设计方法，将具体设计要点与方案总结如下：

一、CAN总线性能特点

与常规意义上的串口通信方式相比，在CAN总线的实际应用中，其主要体现出了以下几个方面的性能优势：第一，基于CAN总线技术的传输速率最高可达到1.0Mbps左右，低速狀态下的传输距离最远可达到10.0km左右；第二，基于CAN总线技术采用双线差分信号模式，可根据不同环境选择双绞线、光纤以及统筹电缆等通信介质；第三，基于CAN总线的通信协议自身对总线挂接节点数量无明显限制，仅受发送节点驱动能力影响，单个网段节点数量应控制在32个以内；第四，基于CAN总线技术的通信协议采用短帧结构，受外部因素的干扰小且传输时间短；第五，基于CAN总线技术的通信协议以多主站结构模式，搭载于总线上的各个节点平等，任意节点均可在CAN总线空闲状态下实现对数据的主动发送与传输。

二、系统硬件电路设计

1.系统整体方案分析

基于CAN总线的车用仪表系统应当通过搭载CAN总线技术的方式对车用仪表系统所产生各种模拟信号、数字脉冲信号、数字开关信号进行实时采集，获取发动机电控单元以及车身模块电控单元所对应信号数据，及时显示车辆里程、行驶速度等参数。整套车用仪表系统应当具有结构直观、数据精度高、线性度好、响应速度快、抗干扰能力强、重复性好以及性能稳定等诸多优势。

2.系统关键器件选择分析

在基于CAN总线的车用仪表装置硬件系统中，所涉及到的关键器件包括微控制器以及步进电机这两个方面。在器件的选择上应当关注如下问题：（1）微控制器的选择。本文所选择为控制为u PD78F0822B单片机，该装置与MCS-51有良好的兼容性，内部集成有步进电机控制驱动器、CAN控制器以及液晶驱动控制器等。应用该微控制器能够使外部电路设计更为简化，对提高系统整体抗干扰能力以及稳定性有重要意义与价值。（2）步进电机的选择。本文选用基于VID29-05型步进电机作为车用仪表系统步进电机装置。该装置属于精密性维特电机，内置180/1减速比的齿轮系，可用于车辆仪表指示盘中，实现数字信号与模拟信号的可靠转换。该步进电机需要依托于两路逻辑脉冲信号驱动，驱动方式包括微步式、分布式以及整步式这3种类型，所对应驱动频率最大值在600Hz左右。在本文研究中，为确保车用仪表系统运转更为稳定，减少硬件系统运转状态下的噪音干扰，对步进电机驱动方式选择为微步驱动模式，通过对细分驱动技术的应用，以与正弦更为接近的脉冲序列驱动电机，从而使步进电机能够获得更小的微步步进。

3.系统外围电路的设计

首先，在系统电源电路设计中，电源转换芯片选型为L7805型，该芯片为三端集成稳压芯片，内部含有过载、过热以及过流保护电路，系统内部电容可有效预防电源浪涌问题，对电压纹波脉动有良好的抑制效果。

其次，在信号数据采集电路设计中，以车辆运行速度周期信号为例，输入仪表盘的周期或脉冲信号，经过信号处理电路滤波一调整后，送入单片机定时/计数模块进行测量。由于LM393工作时噪声干扰的存在，会在输出端产生尖峰、阶跃等干扰存在，因此我们在信号处理电路与单片机端口之间增加了光电隔离器。光电隔离器TLP521是能量型元件，它的导通需要5.0mA左右的电流，由于尖峰噪声的电流不能使其导通，所以可以进一步过滤掉前端的干扰，保护单片机引脚的安全。

最后，在CAN总线通信接口电路设计中，PCA82C25O是CAN控制器和物理总线的接口，该器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。PCA82C250主要特性有：与15011898标准完全兼容，高速率，具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；具有斜率控制，降低射频干扰，过热保护，总线与电源及地之间的短路保护，低电流保护模式等模式。

三、系统软件模块设计

1.软件设计思路分析

整套基于CAN总线技术的车用仪表系统软件模块包括主程序模块、数据采集与处理模块、CAN总线通信模块、液晶显示器模块、步进电机驱动模块、数据储存模块这几个方面。模块开发语言环境为C语言，软件设计采用模块化设计方法。

2.仪表系统的子模块程序设计

首先，在基于CAN总线的通信模块程序设计中，初始化设计是最为重要的一个环节。CAN控制器在上电、硬件复位、节点错误终端等情况下必须进行初始化设定，涉及到包括中断配置、输出管脚配置、滤波器验收、滤波器模式、数据缓冲器以及总线位定时等功能。而在基于CAN总线的接收程序设计中，节点报文接收采用的是中断控制方法。由于本方案中所选型微处理器中报文信息会自动储存于内部扩展的RAM存储区中，因此可在中断程序中对数据进行直接读取与处理，对提高数据实时性有重要意义。

其次，在数据采集处理模块程序设计中，该模块的主要功能是对车辆运行速度以及燃油液位高度等关键信号进行实时性采集与处理。根据传感器输出频率以及调试结构，将脉冲信号采样周期控制为100.0ms，以6次采样结果平均值作为参考依据，故信号更新周期在600.0ms左右。程序实现中首先定时中断，然后采集车速信号并处理，燃油液位信号经A/D转换采样后设置采样次数为6次，对模拟量数据进行滤波处理，最终中断完成。

最后，在步进电机控制模块程序设计中，本模块的主要目标是确保仪表指针能够信号变化做出及时响应，同时避免步进电机指针出现过冲或失步等问题。因此，步进电机控制模块程序设计中采用基于24细分的驱动模式，运转精度为1/12°，用过引入加减速控制策略的方式以确保步进电机中指针运动轨迹的平顺性。

结语

对于我国而言，汽车工业的发展时间相对较短，所积累的经验也不够丰富，在汽车电子产品的研究开发以及生产能力上还比较薄弱。目前，汽车电子化开发与应用已成为评估汽车工业发展水平的重要标志之一。在这一背景下，展开对汽车电子产品的研究与开发工作已成为汽车工艺的迫切需求。当前车辆仪表所需显示的信息类型更多，内容更为多样，且精度要求更加严格，以往的电子式仪表难以满意上述要求。故本文提出一种基于CAN总线技术的车用仪表系统设计方案，望能够通过对系统的应用，以促进车辆仪表系统功能的进一步发展与完善。

参考文献

[1]李旭荣.基于CAN总线的纯电动大巴组合仪表的设计[J].信息系统工程，2012（1）：20-21.