汽車儀表是汽車與駕駛員進行信息交流的窗口，是汽車信息的中心，能夠集中、直觀、迅速地反映汽車在行駛過程中的各種動態(tài)指標，如行駛速度、里程、電系狀況、制動、壓力、發(fā)動機轉速、冷卻液溫度、油量、各種危險報警。隨著科技進步，汽車排放、節(jié)能、安全和舒適性等使用性能不斷提高，汽車電子控制程度也越來越高。汽車電子控制裝置必須迅速、準確地處理各種信息，并通過儀表顯示出來，使駕駛員能夠及時了解并掌握汽車的運行狀態(tài)，以妥善處理各種情況。
這里給出一種基于CAN(Controller Area Network)總線的汽車儀表設計方案。該儀表利用CAN總線使其成為車身網絡一部分，遵循SAE J1939協(xié)議讀取發(fā)動機轉速、水溫等信息。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。所設計的儀表主要應用于重型運輸車等領域，在某重型車輛工廠進行的試驗結果表明，該儀表能夠滿足數據可靠性及實時性等要求。
1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議
1．1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議簡介
CAN總線屬于現場總線的范疇，是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線的通信實時性強，數據傳輸速率可高達1 Mb／s，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或者光導纖維，通過標準的插接件能夠方便的連接。CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前應用最廣泛的一種汽車總線。
SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會SAE(Societv of Automotive Engineer)發(fā)布的以CAN2．0B作為網絡核心協(xié)議的車輛網絡串行通信和控制協(xié)議。J1939是參照ISO的開放式數據互聯(lián)模型定義的7層基準參考模型而制定的。該協(xié)議明確規(guī)定汽車內部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發(fā)送優(yōu)先級等，并且對汽車內部各個具體的ECU通訊作了詳細的說明。它使用多路復用技術，為汽車上的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎上的標準化的高速網絡連接，在車載電子裝置之間實現高速數據共享，有效地減少了電子線束的數量，提高了車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標準化程度，更大程度地發(fā)揮了CAN優(yōu)異的性能。
1．2 SAE J1939數據幀格式
SAE J1939數據幀是以PDU(協(xié)議數據單元)為單位，共由優(yōu)先權(P)、保留位(R)、數據頁(DP)、PDU格式(PF)、PDU細節(jié)(Ps)、源地址(SA)及數據域(Date Field)等7個域組成。除了數據域之外的PDU對應于CAN擴展幀的29位標識符。其中PS是1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)。
有些CAN數據幀不是在PDU中定義，包括SOF、SRR、IDE、RTR、控制域部分、CRC域、ACK域和EOF域。這些域是由CAN定義的，SAE J1939不作修改。
2 CAN總線汽車儀表設計
2．1 儀表整體設計
該汽車儀表系統(tǒng)由數據采集、處理以及顯示3個模塊組成。其中數據采集模塊負責接收車輛的各種數據，并將數據預處理后發(fā)送至微處理器。其中模擬量信號、脈沖信號以及開關量信號等傳感器信號在各傳感器處采集后，分別經過分壓、濾波整形以及光電隔離后發(fā)送至微處理器。而發(fā)動機轉速、水溫和故障代碼等CAN總線數據通過發(fā)動機CAN模塊發(fā)送至CAN總線后，通過CAN收發(fā)器進行接收。微處理器接收到需要的數據后，根據預定的算法對數據進行處理，并將處理結果輸出。顯示模塊包括指針、LCD以及各種信號燈的顯示。微處理器將發(fā)動機轉速、車速等結果輸出至電機驅動器，驅動器驅動步進電機轉動，從而帶動指針顯示；微處理器直接驅動LCD顯示及LED燈的亮滅。汽車儀表系統(tǒng)結構如圖1所示。
根據對汽車儀表的整體分析，汽車儀表盤由3個分表盤組成，左分表盤顯示發(fā)動機轉速、油量等數據，右分表盤顯示車速、油壓等數據，中分表盤用于放置LCD顯示屏以及各種指示燈。儀表指針全部采用步進電機驅動。儀表接收到的各種數據中，從CAN總線獲取發(fā)動機轉速、水溫以及電壓，從各種傳感器獲取車速、油量、氣壓以及油壓。
2．2 系統(tǒng)硬件設計
儀表采用Luminarv公司的LM3S2948處理器。這是一款基于ARMCortexM3內核的微處理器，采用32位RISC，內嵌CAN控制器、模數轉換器(ADC)、模擬比較器等功能模塊，減少了外圍電路，降低了系統(tǒng)設計成本。LM3S2948處理器內置CAN模塊方便了CAN總線數據的傳輸，同時使儀表的通信容易實現，提高了可靠性。其內置CAN模塊具有以下特點：支持CAN 2．0B協(xié)議并支持符合SAE J1939協(xié)議的擴展幀的報文傳輸：位速率可高達l Mb／s；具有32個報文對象，每個對象都具有自己的標識符屏蔽碼；包含可屏蔽中斷，針對時間觸發(fā)的CAN(1TrCAN)應用，可選擇禁止自動重發(fā)送模式；通過CANOTx和CANORx引腳與外部CAN PHY無縫連接；具有可編程的F1F0模式。
LM3S2948微處理器具有運算速度快、功耗小、體積小、價位低等特點。其CAN控制器模塊特性完全滿足CAN總線汽車儀表的應用要求。該處理器具有強大的處理能力，在車輛的各種工況下都能夠實時反映車輛信息，同時該處理器具有很大的可擴展空間，有利于后續(xù)開發(fā)。
由于LM3S2948內置CAN控制器模塊，所以只需外接一個CAN收發(fā)器即可接收總線數據。該儀表選用CTM8251T作為CAN收發(fā)器。CTM8251T是一款通用的帶隔離的CAN收發(fā)器，該器件內部集成所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器。該器件可連接任何一款CAN協(xié)議控制器，實現CAN節(jié)點的收發(fā)與隔離功能。該器件設計體積小，集成度高，可取代傳統(tǒng)的CAN收發(fā)器及其外圍電路，降低了電路的復雜程度，減少了設計成本，如圖2所示。
儀表采用VID6606驅動器驅動步進電機。每片VID6606可同時驅動4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，每個微步電機輸出軸轉動1／12(°)，最大角速度可達600(°)／s。該電機驅動器具有以下特點：硬件微步驅動、簡單易用，電機只需速度F(sex)和方向(CW／CCW)2個控制端、所有輸入引腳都有干擾過濾器、寬工作電壓、低電磁干擾輻射。儀表板指針采用VID-29電機驅動，電機內置減速比180／1的齒輪系，能夠將數字信號直接準確地轉為模擬的顯示輸出。該電機具有很高的顯示精度，其步距角最小可達到1／2(°)。圖3所示為VID6606驅動儀表電路。
該儀表利用LCD顯示時間、燃油消耗量以及產生故障時故障名稱，處理器發(fā)送的信號先經74HC245功率放大后，然后送至液晶屏F2000LCD顯示。LCD電路如圖4所示。
2．3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計分為主程序、CAN通信、數據采集處理和數據顯示等4個模塊。主程序模塊通過調用各個子模塊程序來處理數據處理：CAN通信模塊負責發(fā)送和接收數據；數據采集及處理模塊完成對各種類型數據的采集以及計算；數據顯示模塊將車速、油壓以及信號燈等信息顯示在儀表上。
圖5為系統(tǒng)主程序流程，該系統(tǒng)主程序流程分為：
1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化主要包括初始化系統(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。CAN節(jié)點初始化主要是初始化CAN控制器并中斷CAN控制器：
2)讀取傳感器以及CAN總線數據，并驅動指針以及LCD等顯示，同時等待CAN接收中斷。
3)CAN接收中斷產生，進入接收中斷子程序讀取數據。判斷數據是否符合數據接收條件，如果符合，則接收數據。此過程逐位比較接收到的29位標識符與驗收碼、屏蔽碼，只有標識符相應位與驗收碼相應位相同，系統(tǒng)才開始接收數據。
4)處理器將接收的報文進行解析，提取需要的數據并進行處理。處理器對傳感器傳來的數據和CAN總線讀取的數據進行處理計算，得到相應的指針驅動參數，計算出指針轉角，并根據初始化的步進電機的參數計算出指針轉動速度。指針轉動速度與相應的參數變化速度成正比。同時計算出車輛行駛里程并累加到總路程上。
5)處理器將包含車輛工況的一組脈沖序列發(fā)送至步進電機驅動器，驅動器驅動步進電機以微步方式轉動，指示出相應的發(fā)動機轉速、車速、水溫以及油壓等；處理器將包含車輛總路程等信息的數據發(fā)送至LCD控制器，控制器控制LCD顯示相應的總路程等：處理器改變相應的I／O引腳狀態(tài)直接點亮／關閉相應的指示燈。
2．4 故障顯示
該儀表能夠從CAN總線接收故障代碼并對故障代碼進行解析，與預先寫入的故障碼比對后找到對應的故障信息并顯示在LCD屏幕上。每一類型的數據都有特定的數據幀ID，系統(tǒng)根據幀ID判斷故障產生的位置。如果收到的是單幀故障，則系統(tǒng)來提取總字節(jié)數和總包數；如果收到的是多幀故障，系統(tǒng)則連續(xù)提取故障診斷報文至特定的字節(jié)，然后根據故障代碼查找故障類型。
3 結束語
在研究CAN總線和SAE J1939協(xié)議的基礎上，設計CAN總線汽車儀表。該設計充分利用LM3S2948以及VID6606的功能，較大程度上降低了系統(tǒng)外圍電路的設計以及成本。多次實車試驗結果表明，相對于常規(guī)儀表，該CAN總線儀表具有以下優(yōu)點：抗干擾能力強，傳輸速率高，能夠保證數據有效、快速、穩(wěn)定地傳輸；減少車身布線，硬件方案軟件化實現，簡化了設計，降低了成本；及時、直觀地查看車輛故障；CAN總線將整車構成一個網絡系統(tǒng)，能夠提升系統(tǒng)的靈活性，方便地增加設備，擴大了可開發(fā)的空間。