CAN总线的车用仪表系统设计与实现

叶青艳

(烟台汽车工程职业学院 汽车工程系, 山东 烟台 265500)

0 引言

随着我国科技以及经济的迅速发展，人们的整体生活水平渐渐向着小康生活靠拢，消费水平的提高促使人们将汽车作为代步工具，替代传统的步行方式有利于节省人们的大量时间。而汽车制造领域为了满足人们对于汽车的性能需求，在汽车制造过程中投入大量的设备，比如为了强化汽车的通信功能，增强了汽车主控单元的复杂程度。实际上，汽车的重要组成部件为仪表盘，汽车的仪表盘可以实现人车交互界面，促使人们对于汽车的使用程度更加熟练，为了强化车用仪表系统对于信号模拟的精准性，将在汽车的设计开发过程中加入CAN总线技术，并通过叙述CAN总线的工作原理，从而设计车用仪表系统的硬件部分以及软件编程，以此实现CAN总线技术的远程控制功能，并通过车用仪表系统的测试实验，证明基于CAN总线的车用仪表系统具有精准度高、成本低等优势，具有一定的使用价值。

1 车用仪表系统的需求分析

1.1 提供全面详细的信息

为保证用户可以通过汽车的仪表盘轻松掌握基本内容，将在汽车中增加电子器件以及设备的使用数量，而通过电子器件以及设备的使用数量不断增加，用户可以根据仪表系统查看汽车的使用油量信息、汽车的实时速度以及车厢温度等常规信息之外，还可以看到更加全面的数据信息，通过该数据的展示有利于驾驶员及时更改操作技术，并有效节约油量，降低使用成本，全面的数据信息主要指的是单位时间内油量的消耗数据[1]。

1.2 具备较高的响应实时度

在汽车的行驶过程中由车用仪表系统向驾驶员提供全面且详细的数据信息有利于提高用户对汽车的信赖程度，从而实现汽车的销量峰值，并且车用仪表系统向驾驶员提供全面且详细的数据信息应具备良好的时效性，有利于向驾驶员实时反馈更加准确的车身及路况信息。因此，为提高汽车的优越性能，汽车的车用仪表系统应具有较高的响应实时度[2]。

1.3 具备较高的可靠性

车用仪表系统的需求除了应该具有全面的数据信息以及良好的响实时度，还应该具备较高的可靠性以及一定的实用性，较高的可靠性有利于驾驶员对汽车的信赖程度显著提升，而车用仪表系统所提供的数据信息是否正确将直接影响驾驶员的操作行为，严重者将出现一系列的交通事故。因此，车用仪表系统可靠性以及安全性具有重要作用，保障驾驶员的安全[3]。

1.4 直观的显示信息

车用仪表系统向驾驶员直观地展示界面信息，可以促进驾驶员对于汽车的熟练程度，每当驾驶员对于车用仪表系统的功能产生不解时，便可以通过车用仪表系统所提供的信息进行操作，随着汽车仪表系统为提高自身性能不断在自身增加电子器件以及设备的使用数量，促使汽车的发展越来越好，随之而来的是汽车的状态信息不能实时更新。因此，在汽车的仪表系统中以直观的形式展示界面信息至关重要[4]。

2 CAN总线的概述分析

2.1 CAN总线的内涵

CAN总线实际上指的是控制局域网，主要通过网络为汽车提供微控制器通信，该通信方式有利于促进汽车之间ECU的交换数据信息，并通过控制局域网控制汽车的运行状态，从而形成独特的汽车电子控制网络。CAN总线最早出现于德国，通过德国的不断完善，将CAN总线形成现阶段的通信协议，目前CAN总线主要通过多主方式实现串行通信接口，基于CAN总线的车用仪表系统具有极强的位速率以及抗干扰性，可以排除外界干扰因素，促使车用仪表系统的信号传播速度可以高达10 km的时候，基于CAN总线的车用仪表系统仍可以传输较高频率的数据信息，具有重要意义[5]。

2.2 CAN总线的特点

根据分析表明，CAN总线的应用具有多种优势，并且CAN总线的通信协议主要包含2种，分别是CAN2.0A以及CAN2.0B。其中CAN2.0A通讯协议的实现主要包含4种帧格式，数据帧属于CAN2.0A的主体格式，主要应用于各个节点之间的信息传递，具有重要作用；远程帧主要在数据帧的基础上用于发送相同标识的数据帧；出错帧主要发挥其自身的检测作用，用来检测CAN总线在应用过程中出现的错误数据，并进行标志；超载帧主要由相应的标志以及界定符号组成，当CAN总线在应用过程中出现超载现象时而出现的逻辑状态。CAN2.0B通讯协议的实现主要包含2种帧格式，分别是标准帧以及扩展帧，其中标准帧主要将数据信息分为11个字节进行展示；而扩展帧主要将数据信息分为13个字节进行展示[6]。

3 基于CAN总线的车用仪表系统的架构分析及其工作原理

3.1 车用仪表系统的结构

车用仪表系统的系统框架图如图1所示。

图1 车用仪表系统的系统框架图

从图中可以看出本文主要将车用仪表系统的系统框架分为3部分，分别是仪表系统、CAN总线以及信号模拟装置，其中车用仪表系统中最主要的核心要素包括车速表、转速表、水温表、燃油量表、档位开关灯以及其他电器；而信号模拟装置包含了多种信号模拟，分别是转速模拟信号、车速模拟信号、水温模拟信号、燃油量模拟信号、档位开关信号以及其他信号[7]。

3.2 车用仪表系统的工作原理

基于CAN总线技术的车用仪表系统主要通过信号模拟装置进行信息交互，为保证CAN总线向车用仪表系统传输正确的数据信息，将在车用仪表系统中加入微控制器，并且，微控制器应选择MOTOROLA中的MC9S12DG128，因其内部具有2个相对独立的MSCAN控制器，可以从全方位角度大幅度地缩短开发周期，并降低车用仪表系统的开发难度，从根源上提高车用仪表系统的多方面性能。车用仪表系统的信号模拟装置中，将为其设置人机交互界面，有利于操作者通过清晰的人机交互界面观察输入信号的量值。人机交互界面中包含的输入按钮将通过AD转换器将对应的数字信号传入至MCU中，再通过MCU将所形成的数据信息存储至CAN的数据寄存器中，最终传入至CAN总线终端。仪表系统中的CAN模块会接收总线上的数据，将接受到的数据传送到仪表MCU中，通过仪表中的MCU对数据进行处理，执行相应的动作，最终完成系统间的通信[8]。

4 基于CAN总线技术的车用仪表系统设计

4.1 车用仪表系统硬件设计

4.1.1 系统总体结构

为保证基于CAN总线技术的车用仪表系统可以顺利运行，将在其硬件设计中通过脉冲信号对电路进行调理，脉冲信号主要指的是基于CAN总线技术的汽车速度以及电机转动速度，车用仪表系统将对脉冲信号进行全面整形，并进行光电隔离加工，加工完成后将该信号的数据信息传送至单片机中，从而实现脉冲信号的测量过程。相对于脉冲信号的测量，针对模拟信号的设定，将选择水温以及机油的压力进行模拟，其操作过程为将脉冲信号测量的数据传送至单片机后，通过单片机的A/D转换功能将数据输入端中，并将最终测量结果通过单片机传送至步进电机的驱动模块，驱动电机正常运转，从而实现汽车数据在人际交互界面显示，基于CAN总线技术的智能仪表硬件系统总体结构图[9]如图2所示。

图2 基于CAN总线技术的智能仪表硬件系统总体结构图

4.1.2 智能仪表的主要控制器

针对智能仪表的硬件设计将选择CAN控制器的新型微型控制器作为仪表系统的主要控制器，CAN控制器的新型微型控制器实际上是通过仪表系统衍生出的新型单片机，基于CAN控制器的新型微型控制器的仪表系统具有较高性能，可以实现人们的日常所需，除此之外，通过智能仪表系统还可以进行系统维护、诊断以及优化等功能[10]。

4.1.3 智能仪表的步进电机

智能仪表系统中最主要的核心要素是电机，因此对于电机的选择至关重要，本文将选择微型步进电机作为主要电机，该电机的使用可以为汽车的仪表盘提供指示信息，具有多重优势。步进电机的工作原理主要利用两路逻辑脉冲信号从而实现电机的驱动过程，该方法的使用可以最大限度地保证步进电机可以在5-10 V的脉冲下进行工作，在此时的脉冲下步进电机的驱动频率可高达1 100 Hz，如果想让该电机完成高强度运作应将输出轴步距角达到1/12度方可实现，除此之外，为保证步进电机可以针对高强度运作进行调节，特将驱动模式分为2种，分别是驱动模式及微步模式。

4.2 系统数据通信接口模块的软件设计

系统数据通信接口模块的软件设计主要分为3个程序，第一程序为初始化子操作程序，该程序主要通过CAN总线的控制器对各部分功能进行控制，初始化程序的主要工作形式为电复位、硬件复位以及软件复位。CAN总线技术中最主要的节点为中断操作方式，该节点可以通过控制器进行双重缓冲，最终的数据信息将由广播的形式发送至终端接收模块，对于数据的处理部分，首先经过报文模式进行数据传输，对于访问部分将以仲裁的形式实现。系统数据通信接口模块的软件设计除了初始化子操作程序以外，还包含发送子程序以及接收子程序，CAN通信程序流程图如图3所示。

图3 CAN通信程序流程图

4.3 车用仪表系统的抗干扰设计

汽车在行驶过程中仪表盘会遭受多种外界因素的干扰，除此之外，仪表系统自身的电子设备将会以电磁形式对其进行干扰，影响汽车的可靠性，而车用仪表系统的抗干扰设计将通过噪声耦合限制以及低噪声电路设计对干扰因素进行消除，不但如此，还将在硬件部分以宽电压输入的方式控制干扰信号，为保证仪表系统可以维持自身的稳定性，将在电源系统中加入电容滤波网络，针对多种干扰因素，可以采用看门狗系统，具有较强的抗干扰能力。

4.4 现场总线控制模块

本文将针对现场总线控制模块进行分布式控制，并借助数字化通信系统对网络进行控制，现场总线控制模块将改变传统的控制方式，采用集散控制方式实现各节点之间的对接，除此之外，还将针对该模块进行设置下位机，以此实现全方位控制现场操作，该方法具有一定的优势，比如有利于及时对系统进行维护，具有简洁的结构，方便工作人员对其进行掌握。

5 基于CAN总线的车用仪表系统实现与测试

5.1 CAN总线通信测试

通过Vector公司的CANoe测试工具可以实现CAN总线的数据报文，该过程将通过示波器进行相互配合，报文程序实现后将通过CAN总线模块的控制器对车用仪表系统的参数信息进行评估，CAN总线通信时的报文测试信号波形图如图4所示。

图4 CAN总线通信时的报文测试信号波形图

从图中可以了解到在基于CAN总线的车用仪表系统测试中将以CAN发送的某数据帧作为测试的对象，通过图中的波形曲线可以看出，该波形清晰且完整，完整波形证明CAN总线的车用仪表系统通信测试成功，该仪表系统可以正常工作。

5.2 车用仪表系统的功能测试

车用仪表系统的功能测试将通过CAN总线与仪表系统进行建联，并通过CANoe测试工具显示仪表系统的各部分参数信息，最终将结果与软件系统的数据信息进行对比，与软件系统的数据信息进行对比的目的是为了验证该系统是否可以达到预期效果，系统功能测试结果如图5所示。

图5 系统功能测试结果

从图中可以了解到该系统可以通过CAN总线实现预期效果，并且具有结果准确、实时接收数据的优势，可以通过人际交互界面全面展示车速以及转速的基本信息，除此之外，车用仪表系统还可以将数据展示在CANoe测试工具中，通过相关测试皆可证明该系统达到设计目标，具有一定的利用价值。

6 总结

随着国家经济效益的不断增长，汽车行业渐渐走向正轨，人们不但只追求代步，对于汽车的各方面性能具有多种需求，因此可靠性、舒适性强的汽车更具有优势，汽车电子化发展渐渐成为人类关注的焦点之一。在科技飞速发展的时代，汽车领域也在不断完善，为了满足人类的日常所需，将在汽车仪表系统中加入更多的电子设备，随之而来的问题是，车用仪表系统的模块之间由于联系过于复杂，从而造成汽车的可靠性以及舒适性大大降低，为实现汽车仪表系统的智能化发展，将在系统中加入CAN总线对系统进行控制，从而实现车用仪表系统较高的传输效率、良好的稳定性以及较强的抗干扰能力，使驾驶人员通过车用仪表系统更直观地观察到车用仪表系统所显示的数据信息。基于CAN总线技术的车用仪表系统具有多种优势，可以从根源上缩短仪表系统在开发过程中所需要的时间，除此之外，还可以实现控制开发成本的目的，不但如此，本文将通过CAN总线的车用仪表系统实现与测试，模拟真实信号装置实现汽车对仪表系统的需求，经实验表明，该系统具有良好的经济性以及实用性。