一种基于汽车CAN通信的液晶显示系统设计

史波峰，杨帆（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）



一种基于汽车CAN通信的液晶显示系统设计

史波峰，杨帆
（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

摘要：随着汽车电子化高速发展，其车身上电控产品不断的丰富，本产品可以通过CAN通信向用户提供更为详细的车辆工作状态消息。对于汽车用户，此设备提供一个解析并实时显示的终端产品。文章着重在现有产品类型上，设计一款可满足多种具有CAN通信功能，且能够灵活布局显示内容，便于根据不同显示需求能够具有一定二次开发程度的显示系统。

关键词：液晶显示屏；CAN通信；低温启动；显示模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-122-03

1、技术背景

随着国外汽车公司涉足中国市场，先进技术的引进及国内现有技术的不断进步，我国商用汽车领域电子化程度在不断加剧。随着汽车电子技术的飞速发展，汽车电子化程度越来越高，传统布线方式已经不能满足需求。乘用车领域由于对驾驶舒适度的需求使得电子化发展迅速，整车CAN通信技术已经较为成熟，各类配套设备完善。商用汽车领域中虽然还普遍存在传统纯机械式设备，但是逐渐向电子化发展是必然趋势。其中电喷发动机的应用，以及商用车使用的ABS都是具有CAN通信能力电控设备。

虽然目前我国现有交通运输状况及运输成本等诸多因素限制，商用汽车多数仍选用MT变速箱，但不可否认AMT变速箱，AT变速箱终将替代传统MT变速箱。另外，随着道路安全意识深入人心，各类辅助制动，ABS等安全设备都逐渐走入商用汽车用户的视野。但是这类产品往往都需要电控单元进行系统控制，并通过CAN通信与整车进行协调。CAN通信已经作为汽车上设备控制，设备间协调工作，故障反馈，信息通信的重要方式。

目前针对液力缓速器，AMT变速箱，AT变速箱，用户在使用此类产品时，除非新车由OEM进行电控匹配工作，否则传统仪表无法显示设备的工作状态。并且在目前商用车电子化发展的过渡时期，电控匹配工作并未一件容易的工作，往往会遇到没有合适的仪表提供显示服务。此类产品可为用户提供一款可用于显示设备工作状态的显示设备，能引导用户正确地了解电控设备，并且有效的使用。

2、设计要求

由于CAN通信应用领域十分广泛，该系统只针对汽车方面的应用实例进行设计。国内商用车多遵照SAE J1939协议符合CAN 2.0B通信制式。该产品在设计之初就必须使得该显示系统能够满足各类设备不同CAN通信报文的显示需求。此外作为商用车辆，往往会在残酷的工作环境中运行，对于道路车辆的所有电子设备都有严格的环境性能要求。该显示系统需能够在符合ISO 16750道路车辆环境要求的工况下正常使用。

2.1显示方案规划

由于该液晶显示屏幕并非用于取代原有汽车显示仪表，只是为加装某公司特殊电控类产品汽车的司机用户提供额外信息显示使用，所以该液晶显示屏幕在显示尺寸上须有一定限定，并且利于安装。

电控设备往往存在多种工作状态，也会根据各种工作状态反馈不同的信息，这也使CAN总线上只有一个设备也可能包含较为繁杂通信信息。例如自动变速箱在使用中可能会因不同故障向CAN总线发送大量故障码。受限于屏幕尺寸，无法在屏幕上同时显示全部信息。如果全部显示，则显示内容字体大小将会让用户难以辨识，更加在行车中产生危险。屏幕尺寸与显示内容这两种因素相互之间矛盾，既要求尺寸有所限制，又需能够显示足够的信息量，合理利用显示区域尤为重要。

最终设计方案选用LCD12232F点阵显示屏，该屏幕自带中英文字符库能够支持字符模式及绘图模式两种显示状态，并能自由切换以满足不同状态下先得的需要。

2.2背光颜色切换

SAE J1939通信协议中对设备在CAN总线中故障码的制式提出了明确要求。故障码在总线中传递时必须包含故障等级说明，一般常分为三级，正常，一般故障，严重故障。显示系统在能够处理这类特殊报文的同时必须能给司机提供醒目的提示，尤其是在警告状态下。如果出现警告状态，然而司机并未留意屏幕上显示内容继续操作车辆，往往会造成严重后果，不但车辆设备受损损失财产，更甚至威胁生命。

显示屏幕上在处理该类报文后显示特殊文字或图表提醒司机正确处置故障。在车辆上往往采用不同颜色进行警示提醒，所以在现有显示屏幕上必须根据故障代码更新显示内容的同时也应根据故障等级切换背光颜色。方案设计中根据汽车行业标准划分为三个等级，正常模式绿色背光，一般故障琥珀色背光，严重故障红色背光。

在实际测试方案时发现由于不同背光会影响液晶屏幕显示灰阶度，MCU需能够在每一种背光下合理调节灰阶度，使得显示效果达到理想状态。

2.3低温环境快速启动

由于选用液晶屏幕作为显示载体，受其自身材料本身特性影响，在低温环境下流动性降低制约了其显示能力。经过试验测试，在低温-10℃时，屏幕显示会存在显示更新延时；温度低于-20℃时，基本无法正常使用；尤其是在-40℃极限环境下，启动后屏幕不显示任何内容。

这些特殊工况是商用汽车都会面对的情况，并且这也不符合ISO 16750道路车辆电子设备标准中对电子设备的最低要求。为能够在极限工况下该屏幕系统仍能够为用户及时准确地提供显示服务。通过测试证明，在液晶屏幕下方安置一片与屏幕尺寸相同的加热丝，可以有效改善低温时工作环境。在低温环境下，启动加热丝，并且加热丝加热功率能够紧随环境温度自行调节，及时将屏幕温度上升到可工作范围内，实现屏幕快速启动。

该方案需要对加热丝进行功率调节，利用占空比可调的PWM 波，调节加热丝上施加的等效电流大小从而调节加热丝加热功率。为能够根据环境温度调节PWM波占空比需有温度反馈量，所以方案设计中在屏幕下方电路板中内置温度传感芯片，实时获取环境温度量，及时调整加热丝功率。并且通过该温度传感芯片获得温度信息，自动开启关闭加热丝工作，进而降低能耗。

3、实现方案

3.1系统流程图

图2　系统流程图

系统通过利用MCU处理单元对整车CAN网络中需要解析的CAN报文进行实时监听，利用多级外部中断与时间中断机制，形成针对不同情况下的事件响应机制，以满足对复杂通讯信息的解析工作。通过设立事件响应机制，触发不同事件下对屏幕显示模式的更改需求，同时进行显示内容的刷新工作，从而实现屏幕复用功能，即显示状态切换功能。该机制的设立能够很好地解决小尺寸屏幕显示大量信息的问题，并因为其具有一定信息识别判断能力，无需单独设立显示切换按键，从而方便使用。

系统在上电后首先完成对MCU及外围设备的初始化工作，测得此时环境温度，决定是否需要启动加热丝。之后监听CAN总线通信报文。图2以显示系统流程图。其中在监听CAN总线消息时分别利用了不同响应方式，使得能都同时处理大量CAN报文，并且根据这些消息的优先级决策出显示模式，进而更新显示内容。

3.2硬件系统简图

图3　硬件系统简图

液晶屏幕显示系统整体对外具有四路引脚，其中两路作为供电使用，另外两路是CAN通信中的CAN_H和CAN_L。由于液晶显示设备并非整车CAN总网终端设备，内部未添加120Ω终端电阻，以配合整车使用。

考虑到供电系统的兼容性问题，在电源处理上使用电压范围较宽的DC-DC电路进行处理，能够完全适应12V及24V系统使用。并且耐受电压能力较好，可承受一定范围的瞬时电压冲击。

为使加热丝升温迅速，以使设备能够在零下甚至-40℃环境中快速启动恢复到正常工作状态。电路设计上采取利用车辆外部供电驱动加热丝，然后通过MCU进行PWM控制，以调解加热丝实际工作功率。该方案能够有效地提升系统在极端环境下的响应时间，经实际测试在-40℃工况下，3分钟即可达到正常使用状态，满足使用需求。

3.3显示界面布局

由于显示方式存在两种模式的切换，尤其是在绘图模式状态下，显示的布局尤为重要。显示布局可任意设计规划，利于二次开发，同时在保证显示能容足够清楚的同时，尽可能提供丰富的显示内容。

绘图显示状态，图4为一种显示状态。

图4　绘图显示布局

在绘图显示状态下，整版屏幕用于显示其工作状态。

该模式状态下总计将屏幕划分为三个区域并在程序上做以优化，只有当该三者信息发生更改时，屏幕信息随即发生更改。该做法能够有效降低屏幕跟新速率，由于使用绘图模式，屏幕是直接进行点阵操作，过快的更新速率会产生严重的危害，使系统存在不稳定性。根据实际使用情况合理的降低更新速率，但是又不能出现显示延时状态。

字符显示状态，图5为一款变速箱出现故障码为001时的显示状态。

图5　字符显示布局

绘图显示状态尤其独特的优势，例如布局自由，显示内容不受限制等特点，但是在高信息量的情况下就不太适合使用，尤其对于复杂的组合状态显示。

图5利用LCD12232F屏幕自带字符库对大量信息进行编排在一个版面上进行显示。该显示状态只有在出现故障报警时才会自动切换进去，并且会根据故障等级更换背光颜色。该模式下只有当故障消失后会自动消失返回到之前的绘图模式，如图4所示。该模式下“C”表示当前意思，结合后方紧跟数字表示当前档位数；“S”表示目标意思，结合后方紧跟数字标示目标档位数；第一行后方“警告”是对故障等级的反馈，并切换背光为红色，另外一个较低等级为“注意”，对应背光为琥珀色；下方数字为显示系统解析故障报文后自行解析出的故障报码，方便用户查询手册解释了解故障信息，解决问题。

4、总结

该液晶显示系统具有良好的二次开发功能，屏幕显示代码进行了封装，方便根据不同产品规划不同显示布局方案，已经可以为本公司多款电控产品提供显示服务，甚至能够为试验台等设备提供显示服务。显示内容布局灵活，两种不同的显示方案可以单独或结合使用，以满足多种使用需求。多级背光的引入可以额外的提供不同等级信息，以提醒用户观察设备运行状况。低温快速启动的温度补偿方案能够显示系统在极端低温环境下快速恢复到正常工作范围，不会因为环境因素无法为用户提供准确及时的信息。经试验证明，该液晶显示系统能够在-40℃环境下3分钟内快速恢复正常显示，并能够在该环境下正常工作，完全符合ISO 16750中对汽车电子的低温环境运行存储要求。

参考文献

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A LCD(liquid crystal display) system design based on vehicle CAN communication

Shi Bofeng, Yang Fan
（Shaanxi FAST Gear Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710119）

Abstract:With the high-speed development of automobile electronic, electronic control products which are on vehicle are more and more growing, this product can provide customers with a more detailed vehicle operation status message by the CAN communication. For the car driver, this equipment could provide information resolution and real-time display as a terminal. In this paper, base on the existing product, designed a display system which can meet a variety of CAN communication function and flexible layout display content, and it can also make the secondary development which has different requirements easier.

Keywords:liquid crystal display; CAN communication; Low temperature start; display mode

中图分类号：U463.8

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-122-03

作者简介：史波峰，就职于陕西法士特齿轮有限责任公司。