汽車儀表的發(fā)展、趨勢及采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

引言

隨著汽車上的電子裝置越來越多，汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）開始大量應(yīng)用與汽車之上。如何利用汽車網(wǎng)絡(luò)中的信息，以便于司機(jī)與乘客了解車輛信息，是一項(xiàng)需要展開的研究。本研究從CAN總線獲取汽車儀表板所需的數(shù)據(jù)，并在液晶顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示，這一系列任務(wù)在硬件支持的情況下全部由高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)。

1、CAN總線技術(shù)

目前存在多種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，CAN總線技術(shù)屬于現(xiàn)場總線范疇，CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其縱向規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，由于得到了Philip、Siemence、Motorola、Intel、Fusitu等公司的支持，它已成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線。它有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制，并采用了帶優(yōu)先級(jí)的CSMA／CD協(xié)議對(duì)總線進(jìn)行仲裁。因此，CAN總線允許多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，這樣，既保證了信息處理的實(shí)時(shí)性，又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，且每幀信息都有校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、低傳輸出錯(cuò)率。其傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。

2、汽車儀表的發(fā)展及趨勢

按汽車儀表在工作原理上取得的重大技術(shù)創(chuàng)新來分，可以劃分為4個(gè)階段，或稱為經(jīng)過4代。第1代汽車儀表是基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表，人們習(xí)慣稱這類儀表為機(jī)械機(jī)心表；第2代汽車儀表的工作原理基于電測原理，即通過各類傳感器將被測的非電量變換成電信號(hào)加以測量，通常稱這類儀表為電氣式儀表；第3代為模擬電路電子式；第4代為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式全數(shù)字汽車儀表。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及液晶現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，汽車儀表的發(fā)展趨勢將更加體現(xiàn)這些高新技術(shù)的結(jié)合。如儀表的功能由軟件和硬件共同來完成儀表的功能由軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn)，而且主要是通過軟件實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于量大且對(duì)成本極為敏感的汽車儀表有特殊意義，因?yàn)檐浖拈_發(fā)費(fèi)用分?jǐn)偟矫總€(gè)儀表上是非常少的。與僅由電子線路硬件組成的汽車儀表相比，帶有ＥＣＵ的汽車儀表，其功能的實(shí)現(xiàn)手段更加靈活多樣。產(chǎn)品的“柔性”更好，即在推出新款產(chǎn)品時(shí)，能最大限度地利用以前產(chǎn)品的硬、軟件設(shè)計(jì)成果僅做少量修改便可，這在產(chǎn)品更新?lián)Q代很快的今天和未來特別重要。

3、基于CAN總線的汽車儀表設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)思想

本文利用車輛網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，從CAN總線上采集汽車儀表面板所需要的數(shù)據(jù)，如車速、水溫、燃油、里程等，經(jīng)處理器處理后進(jìn)行各種實(shí)時(shí)控制和顯示。不是像傳統(tǒng)的儀表面板那樣，本設(shè)計(jì)用液晶顯示屏動(dòng)態(tài)顯示所采集并用軟件處理的數(shù)據(jù)。這樣可以隨時(shí)根據(jù)需要，由軟件實(shí)現(xiàn)儀表面板的擴(kuò)充。整體網(wǎng)絡(luò)具有自診斷功能，降低系統(tǒng)的故障率，同時(shí)使用CAN總線方式使得整體系統(tǒng)工作更加及時(shí)、準(zhǔn)確，提高了安全性、可靠性，更具有智能化和人性化。

由于本設(shè)計(jì)只是實(shí)驗(yàn)性研究以及各汽車總線數(shù)據(jù)編碼的多樣性，本設(shè)計(jì)自行開發(fā)了簡單的ECU，用于采集車速、燃油、水溫、里程等數(shù)據(jù)。然后由CAN總線通過CAN－PC接口卡接入PC機(jī)，再由軟件編程來完成從CAN總線采集到的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。這里用Visual Basic編程。系統(tǒng)共享娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)。作為實(shí)驗(yàn)性研究，可由筆記本電腦代替PC機(jī)。然后進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如抗干擾、準(zhǔn)確度、工作穩(wěn)定性、振動(dòng)的影響、溫度的影響等。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及所用器件

該測試系統(tǒng)由液晶顯示器、PC-CAN接口卡、單片機(jī)、CAN控制器（SJA1000）、CAN總線發(fā)送/接收驅(qū)動(dòng)器（PCA82C250）、和各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

專用液晶顯示屏用來顯示轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、燃油消耗等；PC機(jī)用來處理CAN總線上的數(shù)據(jù)并通過軟件顯示于顯示屏上；PC－CAN接口卡完成PC機(jī)與CAN之間的通信；自行設(shè)計(jì)的ECU完成從各傳感器采集數(shù)據(jù)，通過CAN收發(fā)器連于CAN總線上。其中的PC－CAN接口卡通過RS232接口或UAB與PC機(jī)相連，PC－CAN接口卡再通過總線與自行設(shè)計(jì)的ECU相連。在實(shí)際中PC－CAN接口卡與車輛CAN總線相連，可采集大量數(shù)據(jù)信息，從而隨時(shí)可通過軟件編程把這些信息在顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示出來。

3.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

PC－CAN接口卡選用CAN232智能CAN接口卡，它適合CAN-bus的小流量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，最高可達(dá)500幀/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，提供廣泛和強(qiáng)大的軟件支持。支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)。該接口卡為用戶提供了編程需要的三個(gè)文件：CAN232dll.DLL，CAN232dll.LIB，ExportHead.H。

CAN協(xié)議控制器選用SJA1000，它是Philips公司生產(chǎn)的適合汽車環(huán)境的獨(dú)立CAN控制器，支持CAN2.0B協(xié)議。CAN發(fā)送/接收驅(qū)動(dòng)器選用Philip公司的PCA82C250，它是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，它可以用高達(dá)1Mbits/s的位速率在兩條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN2.0的分層結(jié)構(gòu)是按ISO/OSI模型對(duì)CAN結(jié)構(gòu)的描述。數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路層（LLC，Logical Link Control）和媒體訪問控制（MAC，Medium Access Control）兩個(gè)層。LLC層完成下列功能：為數(shù)據(jù)發(fā)送以及以及遠(yuǎn)層數(shù)據(jù)請(qǐng)求傳送服務(wù)；判斷是否接受接收到的數(shù)據(jù)；提供恢復(fù)管理和超載處理。

MAC層主要定義了傳輸協(xié)議，包括信息幀格式、仲裁方式、應(yīng)答信號(hào)、錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤信令和故障限制等。

物理層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的物理信號(hào)的傳送，主要定義網(wǎng)絡(luò)的電氣特性。CAN網(wǎng)絡(luò)中可以采用多種不同的物理層協(xié)議。

本研究用VC編程語言實(shí)現(xiàn)汽車儀表數(shù)據(jù)的顯示。PC—CAN接口卡自帶三個(gè)文件CAN232dll.DLL，CAN232dll.LIB，ExportHead.H，其中ExportHead.H描述了動(dòng)態(tài)鏈接庫CAN232dll.DLL所定義的外部函數(shù)。如下所示：

將接口卡所帶的三個(gè)文件拷貝在VC目錄下，在VC菜單的PROJECT-》SETTING中的LINK項(xiàng)下，填入CAN232dll.LIB。然后在程序的頭文件中加入“＃include ExportHead.H”。

4、結(jié)論

本研究只有一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，所以顯示器所顯示的數(shù)據(jù)只有轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、燃油消耗，但是在實(shí)際的汽車網(wǎng)絡(luò)中，通過編程我們可以動(dòng)態(tài)獲得CAN總線上的所有信息，并能夠以友好的人機(jī)界面顯示，使車輛信息對(duì)駕駛員或乘客透明化。所以基于CAN總線的汽車儀表軟件實(shí)現(xiàn)是汽車儀表設(shè)計(jì)的一個(gè)新的嘗試。

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