1 引言

　　汽車儀表作為車輛與駕駛員交流的窗口，承擔向駕駛員實時提供車輛工況任務。汽車儀表是汽車電子在車輛中應用研究的重點之一。隨著歐洲排放標準在國內(nèi)推廣，符合歐洲排放標準具備控制器局域網(wǎng)絡（ControllerAreaNetwork，簡稱CAN）總線接口的發(fā)動機和與之通訊的總線式數(shù)字儀表也逐漸擴大市場。隨著車載總線技術發(fā)展，帶有CAN總線接口的汽車數(shù)字儀表得到廣泛應用。應用層SAEJ1939協(xié)議是目前國內(nèi)汽車行業(yè)應用廣泛的CAN總線應用層協(xié)議。

　　這里提出的基于CAN總線的汽車數(shù)字儀表是利用CAN總線使其成為車身網(wǎng)絡一部分，遵循SAEJ1939協(xié)議讀取發(fā)動機轉速、水溫等信息?？紤]到車輛實際狀況，該汽車數(shù)字儀表還能接收傳感器的車速、油量、油壓、制動氣壓等信號并顯示，為駕駛員提供實時車輛工況。

　　2 SAEJ1939協(xié)議簡介

　　SAEJ1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會SAE（SocietyofAutomotiveEngineer）發(fā)布的以CAN2.0B作為網(wǎng)絡協(xié)議的車輛網(wǎng)絡串行通信和控制協(xié)議。SAEJ1939協(xié)議使用CAN的數(shù)據(jù)幀封裝其數(shù)據(jù)信息，對CAN擴展幀的29位標識符編碼，形成獨特的編碼系統(tǒng)作為車輛通訊標準。該協(xié)議明確規(guī)定了汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發(fā)送優(yōu)先級等，詳細說明了汽車內(nèi)部具體的ECU通訊內(nèi)容。實現(xiàn)車輛電子設備間高速數(shù)據(jù)傳輸，減少線路數(shù)量，限度利用CAN總線優(yōu)越性能。

　　2.1 SAEJ1939報文格式

　　SAEJ1939數(shù)據(jù)幀是以PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）為單位，共由優(yōu)先權（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁（DP）、PDU格式（PF）、PDU細節(jié)（PS）、源地址（SA）及數(shù)據(jù)域（DateField）等7個域組成。除了數(shù)據(jù)域外的PDU對應于CAN擴展幀的29位標識符，其對應關系如表1所列。其中PS是一個8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標地址（DA）。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴展（GE）。

　　2.2 SAEJ1939應用層

　　應用層詳細定義了SAEJ1939協(xié)議中使用的每個參數(shù)，包括數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、結果、范圍以及參數(shù)組編號（PGN）等。這些參數(shù)分為控制參數(shù)、動力傳動系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、動力傳動系統(tǒng)控制參數(shù)、動力傳動系統(tǒng)配置參數(shù)、信息參數(shù)以及信息狀態(tài)參數(shù)。SAEJ1939使用參數(shù)組編號（PGN）作為一參數(shù)組的標簽。該標簽包括：保留位（R），數(shù)據(jù)頁（DP）、PDU格式域（PF8位）和組擴展域（GE8位）。另外，PF值小于240時，PGN低字節(jié)位置0。參數(shù)組中的每個參數(shù)都能用ASCII碼表示，其狀態(tài)量少可用兩個位表示。文字數(shù)字數(shù)據(jù)采用位在前的傳輸方式，其他包括兩個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)的參數(shù)則采用位在前的傳輸方式。除此之外，應用層中還詳細定義了參數(shù)組屬性。該參數(shù)組屬性包括：優(yōu)先權、更新率、參數(shù)組的協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式、參數(shù)組編號，參數(shù)組的數(shù)據(jù)參數(shù)號及其在參數(shù)組中的位置。

　　3 基于CAN總線的汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)設計

　　3.1 硬件電路設計

　　該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)由信號采集和處理顯示等模塊組成，如圖1所示。通過模擬量信號分壓，濾波整形脈沖信號，CAN總線信號通過收發(fā)器發(fā)送至中央處理器，然后再將處理后的信號通過步進電機控制器控制步進電機，驅動LCD液晶屏顯示。其中信號采集模塊包含CAN總線數(shù)據(jù)采集和傳感器數(shù)據(jù)采集。在實際的車載環(huán)境中，該系統(tǒng)設計遵循SAEJ1939協(xié)議在CAN總線上獲取發(fā)動機轉速、水溫和故障代碼，而其他信息包括車速、油量、機油壓力、制動氣壓則從相應傳感器以模擬量和脈沖量形式讀取。通過測量車速傳感器脈沖信號獲取車速信號，油量傳感器的信號經(jīng)分壓后直接發(fā)送給中央處理器內(nèi)A/D轉換器處理。

　　圖2給出信號采集模塊電路。圖中，采用帶隔離的通用CAN收發(fā)器CTM825lT接收CAN總線信號。CTM8251T內(nèi)部集成所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器，可實現(xiàn)CAN節(jié)點的收發(fā)與隔離功能，從而替代了傳統(tǒng)設計中采用光電耦合器、DC-DC隔離、CAN收發(fā)器等元件實現(xiàn)的具有隔離功能的CAN收發(fā)電路。該模塊電路可將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并具有直流2500V的隔離功能。該模塊電路設計體積小，集成度高，可取代PCA82C25l等傳統(tǒng)的CAN總線收發(fā)器及其外圍電路，從而降低了系統(tǒng)設計成本。傳感器模擬量信號經(jīng)分壓傳輸至中央處理器，圖中的VD40和C40兩元件可對微控制器LM3S2948的引腳提供過壓保護。

　　LM3S2948型微控制器完成信號處理。它是一款基于ARMCortexM3內(nèi)核的微控制器，采用32位RISC，內(nèi)嵌CAN控制器、A／D轉換器、模擬比較器、I2C接口等功能模塊，極大降低了外圍電路設計成本。LM3S2948微控制器具有運算速度快、功耗小、體積小、價位低等特點。LM3S2948的CAN控制器模塊支持CAN2.0B協(xié)議，支持符合SAEJ1939協(xié)議的擴展幀的報文傳輸，其傳輸速率可編程設置為1Mb／s，這些特性完全滿足CAN總線汽車數(shù)字儀表的應用要求。采用移位寄存器74HC595實現(xiàn)信號的串入并出，采用步進電機驅動器VID6606驅動表針。每片VID6606可同時驅動四路步進電機。在其頻率控制端輸入脈沖序列F（SCX），即可控制輸出端使步進電機的輸出軸以微步轉動，每個脈沖對應電機輸出軸轉動1/12°，角速度可達600°／s，滿足汽車儀表指示的高、快速響應的要求。表針采用步進電機VID一29驅動。圖3為VID6606驅動儀表電路。LCD驅動器采用PCF8566，其內(nèi)部集成LCD驅動器所必需的功能電路。能直接驅動任意靜態(tài)或包含4背極高達24段的LCD。中央處理器發(fā)送的信號先經(jīng)PCF8566T功率放大后，然后送至液晶屏F2000LCD顯示。

　　3.2 軟件設計

　　該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)軟件采用IAR編程調(diào)試軟件編寫。該軟件通過LM一LINK調(diào)試仿真器與LM3S2948的JTAG端口連接，實現(xiàn)在線仿真調(diào)試。

　　數(shù)據(jù)接收處理軟件首先初始化系統(tǒng)時鐘、CAN節(jié)點、LCD液晶屏、步進電機等，并使能CAN中斷，設置CAN屏蔽碼和驗收碼。初始化CAN節(jié)點的具體步驟：

　?、俜庋bCAN節(jié)點相關信息，創(chuàng)建一個軟件CAN節(jié)點結構體指針pCAN_Node_lnfo；

　　②初始化CAN控制器；

　?、壑袛郈AN控制器；

　　④設置CAN節(jié)點接收過濾。

　　初始化后，讀取CAN總線和其他傳感器信號。控制步進電機和液晶屏顯示處理數(shù)據(jù)。等待CAN總線接收中斷產(chǎn)生，判斷總線數(shù)據(jù)是否滿足屏蔽條件，即逐位比較接收的29位標識符報文與驗收碼、屏蔽碼值，屏蔽碼用于定位相關位（0=相關，1=不相關）。只有標識符中的相關位與驗收碼相應位相同，系統(tǒng)才接收報文。如滿足屏蔽條件則從寄存器讀取數(shù)據(jù)并存入緩存區(qū)，再根據(jù)SAEJ1939協(xié)議判斷計算發(fā)動機轉速、水溫和故障代碼信息，傳輸至步進電機和液晶屏顯示。例如：接收的數(shù)據(jù)為：OCF00400XXXXXX4F55XXXXXX（XX為任意數(shù)據(jù)），若設置驗收碼為Ox00000000，屏蔽碼為0xlFFFFFFF，則接收該報文。根據(jù)SAEJl939-71協(xié)議，此報文為：PGN61444一電子發(fā)動機控制器。因此，可得第4，5字節(jié)為發(fā)動機轉速，并遵循低位在前，高位在后的傳輸方式，則發(fā)動機轉速=原始數(shù)×分辨率+偏移量=21831x0.125+0=2728.875r/m。同理可計算其他汽車儀表所需數(shù)值。圖4為CAN總線數(shù)據(jù)接收程序流程圖。

　　4 結語

　　在研究了汽車CAN總線通訊協(xié)議及SAEJ1939協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)基于CAN總線的汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)設計利用LM3S2948、CTM8251、VID6606等器件的功能，地降低外圍電路成本。該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好，目前正進行裝車試驗。隨著歐洲排放標準在國內(nèi)的推廣，基于CAN總線的數(shù)字儀表必將進入快速發(fā)展的新階段。

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