新能源汽车仪表盘的CAN总线通讯研究

王悦 张昕

摘要： 随着汽车产业的高速发展，新能源汽车逐渐步入大众的视野，其仪表盘显示信息相对于传统汽车仪表更全面、更智能。本文介绍了新能源汽车组合仪表盘的整体设计和功能检测过程。硬件电路采用STM32F103VET6为中央处理器，CAN—601作为CAN总线通讯的收发器，实现了将汽车各模块数据进行通过总线信息实时接收至仪表模块并进行显示的目的。利用VisualTFT组态软件平台设计仪表盘测试界面和测试程序，测试结果表明该仪表盘具有抗干扰能力强、可靠性高、结构简便和通讯速度高等特点，能够有效解决新能源汽车仪表盘通讯问题[1]。

Abstract： With the rapid development of the automobile industry， vehicles with new energy have entered the public' s vision gradually. The dashboard display information is more comprehensive and intelligent than traditional vehicle instruments. The new energy vehicle combination dashboard is mainly designed to test the function， meanwhile the overall design and function testing process are introduced during this paper. The hardware circuit uses STM32F103VET6 as the central processor， and CAN-601 as the transceiver of CAN bus communication， which realizes the purpose of receiving and displaying the data of each module of the vehicle in real time through the bus information. VisualTFT configuration software platform is used to design the test interface and test program of the dashboard. The test results show that the dashboard has strong anti-interference ability， high reliability， simple structure and high communication speed， which can effectively solve the communication problem of the dashboard of new energy vehicles.

关键词： 新能源汽车;CAN总线;仪表盘

Key words： new energy vehicles;CAN bus;dashboard

中图分类号：TH868                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0022-02

0  引言

随着新能源汽车智能化越来越高，汽车仪表盘的显示信息增多，仪表盘布局也更加复杂。传统汽车仪表必须把传感器线束接到仪表上才可以进行使用，不可以节省传感器，布线复杂，增加汽车重量、功耗高等缺点。同时各模块之间的线束连接也会导致电磁抗干扰能力减弱使汽车仪表盘所接收的数据准确程度和精确程度有所降低。本文采取CAN总线进行新能源汽车中的数据传输，通过对CAN通讯接口进行研究，依据CAN总线的实时性、可靠性和灵活性等特点，采用SAE J1939协议，设计可实时获取车辆信息的新能源汽车仪表盘，能提高仪表的工作效能，对汽车仪表技术发展有促进作用[2]。

1  CAN总线和SAE J1939的概述

CAN协议以国际标准化组织的开放性互联模型为参照，规定了数据链路层、物理层和应用层。它们分工明确，其中数据链路层的作用是用来接收和发送报文信息[3];物理层是将完成的数据进行可靠、稳定的在CAN总线网络中传输;应用层是这三个组成中最重要的一部分，主要是进行报文的滤波以及报文状态的处理。不同于以往的线束连接，CAN总线是以报文的方式进行数据的传输，发送的数据格式主要有：数据帧、错误帧、远程帧、超载帧等。SAE J1939協议通过多路复用的技术可以将基于CAN总线上的模块相互连接，快速有效的实现汽车各电子模块之间数据的传输，在保证传输速率、准确程度的同时减少了线束的连接提高了系统的可靠性，有效的发挥了CAN总线的优点。

2  总体设计方案

汽车仪表盘作为汽车与驾驶员之间进行信息沟通的工具与平台，实时向驾驶员提供汽车自身以及行车时外部交通环境的信息[4]。本文采用STM32F103VET6作为中央核心处理器，并且利用CAN总线进行各模块之间的数据传输。对所接收到的信息进行分析处理之后发出相应指令，完成对数据的传输处理以及储存，最后在显示屏上对处理后的数据进行综合显示方便驾驶员实时了解车况信息[5]。①对CAN总线以及SAE J1939协议的深入研究，制定出本系统的仪表CAN网络系统应用层协议[6]。②设计系统的总体方案，研究分析新能源汽车仪表各模块的硬件组成，针对其功能原理给出新能源汽车仪表的硬件设计方案。③设计新能源汽车仪表系统的软件，根据模块化设计方案，对各模块进行软件分析设计，并针对设计流程绘制流程图进行详细解说。④针对上述设计方案，进行实际工作的测试，以此检验系统是否可以符合汽车仪表所需的功能，并不断优化完善。本文是基于CAN总线通讯技术结合微控制器的新能源汽车智能仪表的设计。以STM32F103VET6作为本系统的中央核心处理器，CAN总线是汽车各模块数据传输的通道，硬件设计是系统可以可靠实时运行的基础，软件设计是系统可以正常运行的前提。对汽车仪表盘的功能进行整理分析，智能仪表系统总体框架图如图1所示。

3  系统的硬件设计

GCAN-601是集成1路标准CAN-bus接口、1路标准UART串行接口的通讯转换模块。当其处于正常工作期间，可对CAN总线上的数据进行实时监测并对信号的传输敏感。当监测到CAN总线上的信息被接收时便立即对其进行分析处理，并将所处理的数据按照格式不同分别装入CAN总线和UART总线的缓冲区，并按设定的工作标准将信息转换传输给对方总线，快速准确的实现信息的相互传递[7]。GCAN-601模块接入CAN总线只需将CAN_H与CAN_H对应相连，便可以实现CAN总线之间的数据传输。各引脚具体含义如表1所示。

由于STM32F103VET6微处理器有着众多的优点，如使用具有性价比最大的Cortex内核、内置CAN控制器与收发器可以满足本系统的通信需求，因此本系统选用STM32F103VET6作为系统硬件设计的核心要件。除此之外，微处理器内置的CAN2.0控制器，在保证数据准确传输的同时减少了线束连接，降低了由于线路杂乱所造成的干扰问题，在保证系统线路简洁的同时提高了数据传输的准确性。LCD显示是汽车智能仪表研究中最重要的一部分，主要的作用是显示仪表各模块的实时信息以及CAN总线通讯的解析。只有把LCD控制器、CAN总线技术以及软件代码整合起来才能将汽车各模块的数据进行实时准确的显示出来。根据本系统的功能需要，主要需要将汽车的车速和发动机转速信息在仪表盘进行指针显示，其他各种状态量和开关量用数字和图像显示，实现了人机的信息交互[8]。

4  系统的软件设计

对于系统的软件设计主要分为以下几个部分：主程序模块主要负责对各个功能子模块信息进行数据调度驱动其执行命令;CAN总线通讯模块相当于信息传输通道，其作用是进行汽车内部各电子模块信息的传输;数据采集模块的作用是通过数字滤波的处理方式，采集脉冲信号以及模拟信号;A/D转换模块的功能是滤除高频信号并转化为单片机可识别的数据，降低其干扰程度;LCD液晶显示模块主要将汽车信息实时显示，方便驾驶员快速准确的了解车况。以下是三种核心模块的重点分析研究。

主程序模块的工作原理是当汽车智能仪表与汽车电源相互连接后，进行各模块的初始化设置，对以CAN总线为载体传输的数据实时收发并进行分析处理，调用各组模块，保障汽车仪表系统的正常工作。针对数据采集模块，是将汽车行驶或静止状态时整车信息参数进行采集，通过对数据的收集与转换，将信号传输到液晶显示屏进行显示[9]。CAN总线通讯模块作为本系统的核心部分，主要是对汽车电子模块间进行数据传输。

本系统主要采用STM32F103VET6与GCAN-601组成CAN总线通信模块，该模块是由CAN控制器、CAN收发器以及数据模块接口等组成。本系统的具体设计流程如下：首先进行系统的初始化设置，之后调用CAN总线各子模块程序，对CAN总线上所发送的数据进行实时处理分析，将所采集到的信息通过LCD显示屏显示。数据采集流程图如图2所示[10]。

5  系统测试

在CAN总线通讯技术应用于汽车方面，新能源汽车与传统汽车在部分车身类系统和部分整车控制系统有着众多相似之处;但仍存在着不同之处，新能源汽车具有其特有的功率传感器，新能源汽车CAN通信使汽车功率实时性更好，精确度更高。在本文的设计中，基于CAN总线的汽车功率信号进行采集，以提高汽车功率测量的灵敏度和抗干扰能力。运用以下的公式进行计算：Pe=Te×（2π×n/60）/1000=Te×n/9550（kW）（1）

其中：Te—有效转矩，N·m;n—发动机转速，r/min。发动机的有效转矩用台架试验方法测定，并根据霍尔效应原理，该系统应用在一段时间内采集脉冲个数的方式进行测量发动机转速，计算的汽车功率数据使用编辑的DBC文件进行解析，转化成了CAN总线数据，定时将数据主动上传，最终实现通过CAN总线进行汽车功率采集。

6  总结

通过不断的研究学习，深刻了解到CAN总线通讯的内涵，本文最终选择以STM32F103VET6作为微处理器，实现了新能源汽车仪表盘CAN总线通讯技术，并通过仿真实验完成了采集電路的设计、CAN总线通讯设计以及LCD显示电路的设计等，保证汽车智能仪表各模块正常工作。同时随着时代的发展，“5G”技术的不断突破，汽车智能化程度的高低逐渐成为各大汽车厂商的核心竞争力。而仪表盘作为驾驶员直观了解汽车状态的重要部分之一，由于CAN总线技术与其他技术相比具有可靠性高、实时准确等优点，因此未来在新能源汽车智能仪表盘的应用必将会成为一种潮流。

参考文献：

[1]孙周.电动汽车电池管理系统的设计与开发[D].南京林业大学，2011.

[2]李静.基于CAN总线的新型汽车仪表系统的设计与实现[D].南京邮电大学，2017.

[3]田晓鸿.基于CAN总线的车用仪表系统的设计[D].小型内燃机与车辆技术，2018.

[4]刘朋.刚性矿用自卸车电气系统研究[D].长安大学，2013.

[5]曾勇.电动汽车仪表关键技术分析与研究[D].武汉科技大学，2019.

[6]张海艳.RS232485与CAN总线协议转换器的研究与设计[D].大连海事大学，2008.

[7]李湘江，杨世文，南金瑞.基于CAN总线和Labview的纯电动汽车仪表盘设计[D].河北农机，2014.

[8]罗牛，刘学文，刘金龙，阮明昌.基于VR的汽车仪表盘系统的设计与开发[D].上海工程技术大学学报，2018.

[9]苏开宇.电动摩托车BMS硬件系统设计与实现[D].杭州电子科技大学，2018.

[10]朱海艺.基于单片机技术与CAN总线结合的汽车仪表设计[D].杭州电子科技大学，2020.