详解基于CAN总线的汽车仪表系统设计—硬件系统方案

系统整体方案设计

3.1系统的设计原则

一个应用系统开发方案的好坏，和开发者对系统本身的了解程度有密切的关系，当还不完全了解系统需求的时候，就开始进行开发工作是盲目的和不切合实际的。当代汽车对工况信息的显示要求越来越高，要求汽车组合仪表提供信息量大，显示直观、清晰、稳定，而且要求响应速度快，显示精度高哪]。本课题根据汽车电气设备基本技术条件和汽车仪表基本技术条件，同时结合系统的设计思路和方案，提出了以下设计原则:
(l)作为驾驶员与车辆进行信息交流的界面要简洁和直接方便，使驾驶员在不需要分神的情况下能很方便地了解相关信息。
(2)系统必须能够及时准确地提供大量的信息，要求显示信息速度快，部分信号要求实时反映。
(3)必须满足汽车仪表的基本技术条件。在交通现状复杂的情况下，面对路途颠簸、冰雪、酷暑和高原，保证系统在环境变化方面有较高的可靠性和稳定性。
(4)在电子技术快速发展的时代，预留软硬件后续发展空间。防止系统在功能设计变化微小时，而对设计电路和程序做很大的修改与调整。
（5)系统要有良好的经济性与实用性，以市场需求作为产品开发的导向。界面要满足驾驶舒适性，设计的仪表板在车内部有美化作用。

3.2系统的功能需求分析

汽车组合仪表不作为信号的发生单元向外部发出信息，只根据人们对汽车仪表的信息显示的需求，将分布在汽车车身上的各部件信号传输到仪表上，实时反映汽车各部件当前的工作状态，使驾驶员能及时准确的了解汽车当前的状态，从而保证汽车可靠安全的行驶的重任。同时还作为中继站，将传感器直接传递过来的信息经过MCU通过CAN总线传递给其他电控单元。本仪表开发工作首先从外围功能需求分析入手，从而构架出系统功能结构图，再从功能结构图进行对功能模块的设计，根据功能模块选择合适的MCU和外围电子元器件，最后根据各电器元件特征进行程序软件的开发与调试。本课题所研究的汽车组合仪表主要实现的功能有:

注:在功能指示灯中，按照汽车操纵件信号装置的标志(GB4094一1999)划分为三种颜色，分别为绿色:正常运行指示;黄色:警告标志;红色:危险报警标志.

 

3.3系统技术方案

根据表3一l的功能设计分析，首先，仪表要作为CAN网络上的一个节点，接收来自CAN网络上发动机、变速箱、ABS等节点传输的信息，还要完成以下参数的采集工作任务 ，具体有:发动机转速与车速的脉冲信号，电压表、燃油表、轮胎气压的模拟信号(其中的水温表和机油压力表是发动机的ECU通过CAN总线传递信号)。同时单片机还要完成时钟显示和按键调节、仪表板背光亮度调节、当前里程清零等动能。部分状态指示灯的开关信号和传感器的信号在本仪表总成中并没有通过单片机来进行控制，而采用直接由外部电器开关和传感部件对其状态进行控制 。单片机对不同的信号对应有着各自的特征和处理要求，具体如表3一2所示:

根据表3-2中的信号分类，结合表3一1的功能需求分析及单片机本身的特性可将本仪表系统划分为以下的功能模块:

1、电源调节模块:仪表系统使用24V电系电源，允许电源的短期波动范围在12V~32V之间。各功能指示灯(LED)、LCD、蜂鸣器等需12V电源，MCU、EEPROM等需sv电源。电源电压调整模块保证各元器件的工作电压稳定，具体设计见4.1节。

2、CAN通信接口模块1201:实现CAN控制器的功能，支持CAN2.OA、B通信协议，通信速率为25OKb，能够接收多种标识符的CAN总线数据包，能在车辆内电磁干扰(EMC)的环境下可靠工作，能够通过编程测试CAN模块的正常使用。

3、脉冲信号调节模块与周D转换调节模块1211:转速与车速信号属于脉冲信号，由于车速〔或发动机转速)传感器输出的信号不是标准方波信号，而且往往还附加了许多的干扰信号，这就要对信号进行预处理，去除其中的干扰信号，并把信号过滤、整形为标准的方波信号输入给MCU。而燃油、电压、轮胎气压属于O一SV的标准模拟信号，车载电源电压为24V，通常情况下需要电阻对其进行分压后传送给MCU。

4、开关信号接口:直接由外部开关位置或传感器信号反应出汽车的工作状态，根据标志GB4094一1999的要求阵〕，汽车各部件的工作状态可分为3种颜色:红、黄、绿。当汽车对应部件出现信号时，即高亮显示提示驾驶员当前的操作和应注意的问题。

5、信息显示模块:包括步进电机驱动仪表信息和液晶屏显示信息。步进电机仪表指针的显示结构可以由液晶屏的显示功能来完成，会使整个仪表的结构更加紧凑，但指针模拟的指示结构更加直观与明确，己被广大驾驶员普遍接受并认同，在卡车、货车和公共汽车中一般使用仪表结构显示。液晶屏的显示功能更强大，操作也比较复杂，一般在高档轿车中比较流行使用液晶显示结构，这也是现代汽车向舒适化和人性化发展的一个方向。

6，蜂鸣器报警模块:当汽车各部件运行状态超过其额定值后，信息反馈给MCU，由MCU发出信号驱动蜂鸣器，同时对应的故障灯闪烁。

7、护PRoM模块:系统采用了电擦除可编程的只读EZPROM来保存需要永久记忆的数据和固定时刻内的历史数据等，并且加入了“看门狗”电路来监视MCU的工作。从整体结构上看，系统硬件各功能模块之间的结合就构成了整个仪表的硬件系统，其系统框图如图3一1所示。

 

本方案首先根据整个系统的功能需求分析，确定相应的信号处理模块。在信号传输过程中除了CAN总线信号，也存在开关信号、模拟信号、数字信号等。然后根据所要求的信号处理功能，进行选择合适的单片机处理模块。通过对各种型号单片机的性能和价格的比较，本系统最终选择了Freescale公司(原motorola半导体产品部，于2004年独立出来)的16位带CAN接口的单片机MC9512H128作为仪表的核心MCU。本系统选用国家半导体公司)的开关电源稳压转换器LM2574一5.0作为电压调整模块，对整个系统电源提供可靠的电源。采用PhiliPs公司的Al040为高速CAN总线收发器，通过CAIH和CAIL接收和发送相关信息;选用XICOR公司的X5045作为看门狗定时器、EEPROM和电源监测芯片。同时结合MC9s12H128高度的集成特性，辅以脉冲信号滤波、放大、整形电路，LCD显示电路，步进电机和相关的外围电路，即可设计出的小型单片机数据采集系统。不仅能完成数据采集的功能，而且能实时驱动步进电机和液晶屏进行数据的显示，准确及时的反映相关信息。

3.4 CAN总线仪表的特点
与传统仪表的对比，CAN总线仪表在以下几个方面有自己的独特点:
1)控制单元间信息交流采用CAN总线传输取代了传统仪表的模拟信号。模拟仪表采用4一20mA电流的模拟信号标准，在传输过程中，由于机械传动和物理连接的作用会发生信号衰减，使最终显示的信息不准确。采用CAN总线实现汽车信息的数字化，能实现汽车CAN网络节点间数字化信息的传输，能有效的避免信号物理传递过程中的衰减，大大提高了显示终端的信息精度和可靠性 。总线介质一般可采用双绞线，两条线上的电位相反，电压和等于常值，能更好的满足国家关于汽车电气电磁辐射(GB/T18655一2002)和汽车电磁抗扰性(GB/T一7619一1998)的相关要求。

 

2)采用步进电机显示仪表信息。传统模拟仪表一般为动圈式机心(线圈连同指针一起转动)和动磁式机心(磁钢连同指针一起转动)仪表。电流通过线圈产生合成磁场，使指针转动来显示汽车部件的运行情况。机心由指针轴，游丝，线包，磁屏蔽罩和机械零件构成，其故障率很高;在低速区显示误差大，线性也比较差，因而其显示精度也比较低。相对而言，步进电机仪表性能也可靠，其显示精度更高、显示信号更准确。

 

3)液晶LCD面板显示。首先，LCD显示更美观，更为被顾客所接受。其次，LCD显示的信息量更大，在有限的空间内显示大量的信息，LCD是解决这一问题的有效途经。显示灵活，其文字化和图形的显示方案更简洁，通过更改软件程序来改变显示的内容。

 

3.5主要技术指标与性能要求

根据QC/T413一2002和Qe/T727一2004的标准:
1、温度范围:一30℃~+70℃，存储温度范围:一40℃~+85℃。
2、工作电压范围:18V~32V
3、电磁抗扰性:应符合 GB/T17619一1998的有关规定。
4、电磁骚扰性:应符合GB/T18655一2002的有关规定。
5、耐温度变化试验:应能承受一30℃~+7O℃的温度变化试验，T=2H，循环次数为5次，试验后，应符合基本性能要求。
6、水温表特性:

7、燃油表指示特性

8、机油压力表:

9、车速表

10、发动机转速表