电动微型汽车的CAN总线仪表板设计

王秀青

（太原太航汽车电子有限公司，山西 太原 030006）

当前，国内汽车开发商已经意识到，传统的汽车控制系统由于车内线束过多且布线复杂，所造成的严重电磁干扰，使系统的可靠性下降等问题。这一问题会随着汽车电子控制系统的发展而日益严重。1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN（Controller Area Network，控制器区域网络）通信协议，适应了减少线束的数量、通过多个LAN（Local Area Network，局域网），进行大量数据高速通信的需要。现在在欧洲，CAN已是汽车网络的标准协议。它的高性能和可靠性已被认同，国内汽车开发商也在汽车电子控制系统中逐步采用这一标准通信协议。电动微型汽车为适应安全性、低公害、低成本的要求，需要在电子控制系统中采用CAN总线技术。为了满足市场的需求，我公司开发出了基于CAN总线的电子仪表板，它兼顾了价格和技术优势，具有较强的市场竞争力和广阔的市场发展空间。

CAN通信是CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平，从而进行信息通信的。总线电平分为显性和隐性电平，两者必居其一，发送方通过总线电平发生变化，使信息发送给接收方。在CAN协议中，所有消息都以固定格式发送。CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误还是持续的数据错误。当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。CAN的这一优势，能够很好地满足汽车网络数据通信的要求。

1 电动微型汽车的CAN总线仪表板的硬件电路结构

该款电动微型汽车的仪表板，在设计时由于采用了CAN信号作为仪表板的主要信号输入，因此硬件结构较为简单，整体硬件电路的功耗也比较低，符合电动微车的节能要求。

CAN总线上的数据信息通过CAN驱动器电平转换后，通过光电隔离器，进入UPD78F0820微控制器的CAN接口；微控制器根据CAN的ID （Identifier，标识符）地址拾取电流、电压、功率、温度、速度和LED报警等数据信息。仪表板硬件电路结构包含微控制器、电源电路模块、LED显示电路模块、LCD显示电路模块、步进电机、存储器和CAN总线驱动器、光电隔离器等，其框图如图1所示。

1.1 微控制器

仪表板硬件电路采用NEC UPD78F0820微控制器作为主芯片，进行CAN信号的识别、步进电机运行驱动、LCD显示控制和LED报警控制。该芯片认可用于汽车市场，其功能强，是仪表板专用芯片，主要特点有:具有CAN通信接口，可直接与CAN总线驱动器连接，进入CAN网络；IIC（inter-integrated circuit，内部互联)通信接口，与存储器直接连接进行里程和修正数据的存储；步进电机驱动接口，可直接连接步进电机，实现直接驱动和控制其运行；EMC （Electromagnetic Compatibility， 电磁兼容性）性能，保证仪表板在电磁干扰的环境下正常工作。UPD78F0820的管脚图如图2所示。

1.2 CAN驱动器

选用Philips的PCA82C250作为协议控制器和物理传输线路之间的接口，它的位速率高达1Mb/s，使用差动总线信号，能防止总线输出短路以及一般汽车环境中的瞬变现象，具有热关闭功能，可以在例如短路等温度过载的情况下保护器件，所需外部元件数量最少，能驱动大量的总线节点，即每个网络64～100个， 同时总线长度可达0.5～1 km。 PCA82 C250的外围电路图如图3所示。

1.3 步进电机

步进电机选用VIP29-05系列步进电机，它是一种小尺寸的双相绕组、双极性电机，主要特点:可直接由PWM信号驱动，直接转化成位移量或速度量； 固有步距角（1/3）°， 细分驱动步距角 （1/12）°；无须位置信号反馈达到位置控制目的；可迅速地加速、减速和停止；无漂移和积累误差；控制特性不受扰动影响；可实现实时控制。根据以上步进电机的特性，它完全能满足电子仪表板的设计要求。

2 软件设计

CAN总线采用多主竞争工作方式和非总线仲裁技术，总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，各节点之间实现自由通信。当多个节点同时向总线发信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点不受影响，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，即使在网络负载很重的情况下，也不会出现网络崩溃情况，因此适用于汽车网络数据通信。由于CAN总线协议规范只定义了物理层和数据链路层，所以在实际应用中必须根据数据传输要求自定义几个应用层协议。本仪表板报文采用CAN2.0B标准帧格式，根据实际应用定义了几个应用层协议，以实现仪表板的各项功能。

软件设计是根据采集的CAN信息内容，然后通过判断和计算，完成相应的LED指示、数字显示和步进电机的运行控制。仪表板软件流程图如图4所示。

软件在仪表板接通电源后开始运行，首先完成微控制器的初始化，包括时钟设置和CAN功能的设置以及微控制器端口设置、变量初始化，然后进入主程序；主程序主要进行点火信号有无判断，如果点火信号不存在，仪表板进入休眠状态，如果点火信号存在，进入CAN通信判断模块；如果CAN通信没有建立联系，软件程序进入到主程序的入口；如果CAN通信已建立联系，通过识别CAN的ID地址，拾取相应的数据，然后根据它们进入LED报警指示灯数据处理模块和电流、电压、功率、温度数据处理模块以及速度数据处理模块；最后根据数据处理结果控制相应LED指示灯亮灭、控制LCD显示屏显示相应内容以及控制步进电机带动指针运行到所要求指示的位置。

3 仪表板抗干扰设计

该仪表板针对汽车的使用而设计，而汽车的点火系统有较强的电磁干扰，另外汽车在行驶过程中，不可避免会遇到较强的电磁干扰，因此有必要采取一些抗干扰措施，以确保仪表板在各种环境中都能正常工作。在本仪表板设计中，采用软件和硬件相互结合的抗扰措施。

3.1 电源抗干扰

由于该仪表板与音响、空调控制器和其它电子仪表共用车载电源12 V，因此各电子仪表之间在电源上会产生干扰。针对该仪表板的电源，可采用在车载电源12 V的仪表板输入端，用磁珠和电容组成π形滤波电路后，再供给仪表板使用的措施。在每个集成芯片电源处加0.1 μF电容滤除高频干扰。同时在仪表板PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）的设计时，将数字地和模拟地分开，最后以点连接。

3.2 光电隔离

采用传输速率大于500k的光耦，将微控制器与CAN信号从电气上隔离开来，保证部分干扰被阻挡。

3.3 微控制器抗干扰

除选用抗扰能力较强的微处理器外，在软件设计时采用指令冗余和软件看门狗的处理方式，也可提高抗扰能力。

4 结束语

CAN总线技术应用在电动微车的电子仪表板设计上，可以减少硬件结构成本和简化软件设计。随着电动微车仪表配置的增多，采用CAN总线技术仪表可以简化汽车车内线束，仪表功能容易升级和改进。我公司设计的该款仪表板是为某电动微车设计的，样件已通过确认。图5是它在电动微车上的配置图片。

［1］李真花，崔 健.CAN总线轻松入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［2］http://www.cn.renesas.com.瑞萨_CAN入门书的PDF资料[OL].

［3］http://www.cn.renesas.com.upd78f0820的PDF资料[OL].

［4］http://www.vidmotion.com.VIP29-05的PDF资料[OL].

附:对审稿意见的补充说明

1）电动微型汽车就是以电池为动力源，以电动机为动力的轻型汽车，电动汽车可以不安装离合器、变速器、传动轴等部件，使传动系统大为简化。它低噪声、零污染、环保，符合新能源汽车的要求。

2）NEC （已与瑞萨合并）的UPD78F0820是一款认可用于汽车上的芯片，它一般用作汽车仪表板的专用芯片。其功能比较强，不需要外接驱动芯片就可以直接驱动步进电机和LCD显示屏等，这样可以简化设计电路，节约设计成本。它带CAN接口，可以和CAN驱动器直接相连，比较适合用在带CAN的仪表板设计中。

另外，飞思卡尔的CPU也同样认可用于汽车上。鉴于许多仪表板设计方案多选NEC的芯片，所以出于采购和价格、性能的考虑，在本方案中选用NEC的产品。