智能車載儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

引言

隨著高性能電子顯示技術(shù)的發(fā)展，汽車儀表電子化的程度越來越高。國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出了多功能全電子顯示儀表、平視顯示儀表、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、行車記錄儀等高技術(shù)產(chǎn)品。未來，車用電子化嵌入式儀表具有以下優(yōu)點(diǎn)：提供大量復(fù)雜的信息，使汽車的電子控制程度越來越高;滿足小型、輕量化的要求，使有限的駕駛空間更人性化;高精度和高可靠性實(shí)現(xiàn)汽車儀表的電子化，降低了故障的發(fā)生率;設(shè)有在線故障診斷系統(tǒng)，一旦汽車發(fā)生故障，可以找到故障來源，方便維修;外形設(shè)計(jì)自由度高，汽車儀表盤造型美觀。基于以上優(yōu)點(diǎn)，汽車會(huì)越來越多地采用各種用途的電子化儀表。造型新穎、功能強(qiáng)大的嵌入式電子化儀表將是今后車用儀表的發(fā)展趨勢(shì)和潮流。

1 智能車載儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本智能車載儀表擁有大多數(shù)傳統(tǒng)車載儀表所擁有的功能，駕駛員可以通過車載儀表的顯示界面獲取當(dāng)前汽車的狀態(tài)信息，例如車速、油壓、油溫、水溫、機(jī)油壓力或者電瓶電量。

傳統(tǒng)車輛儀表直接與車輛的傳感器相連，儀表系統(tǒng)經(jīng)由傳感器的模擬量得到汽車當(dāng)前狀態(tài)，精確性不高。本文設(shè)計(jì)的智能車載儀表并不是簡(jiǎn)單地與傳感器相連，而是通過CAN控制器將整車連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。車輛部件配以CAN控制器，通過雙絞線將車輛部件連接起來形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)部件的電子化。同時(shí)，車載儀表和汽車部件的電子化也提高了汽車的精準(zhǔn)度和可靠性，降低故障發(fā)生率。

車載智能儀表主要分為基于S3C2440處理器的硬件系統(tǒng)和WinCE環(huán)境下的軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)CAN總線通信。軟件系統(tǒng)提供CAN總線的硬件驅(qū)動(dòng)以及在WinCE下的儀表上位應(yīng)用程序。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以S3C2440為核心，RAM內(nèi)存、NOR Flash和NAND Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，擴(kuò)展部分外圍設(shè)備以負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息的輸入與輸出，如CAN總線通信單元、LCD顯示、觸摸屏、通用串行口、USB設(shè)備、以太網(wǎng)接口等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在眾多接口中，CAN總線通信單元是在整車通信過程中的關(guān)鍵部分。在汽車的各個(gè)重要部件中，配置相應(yīng)的CAN控制單元，由雙絞線將各個(gè)CAN總線控制單元連接起來。汽車的各個(gè)部件將該部件的當(dāng)前狀態(tài)信息由CAN控制單元發(fā)送出去，經(jīng)雙絞線發(fā)送到智能車載儀表的CAN單元當(dāng)中，經(jīng)過系統(tǒng)的CAN接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)中。車載儀表系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到汽車部件的當(dāng)前狀態(tài)信息。

CAN總線接口電路如圖2所示。采用Microchip公司的CAN總線控制器MCP2515。MCP2515完全支持CAN 2.OA/B技術(shù)規(guī)范，速度達(dá)到1Mbps;SPI的接口標(biāo)準(zhǔn)使得它與S3C2440的連接更加簡(jiǎn)單;能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀;自帶2個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器，可以過濾掉不想要的報(bào)文，減少了微處理器的開銷。CAN總線收發(fā)器采用TJA1050，該器件提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間加入了光耦隔離器6N137，而不是使TXCAN和RX-CAN端直接與收發(fā)器相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。同時(shí)，這也解決了MCP2515與TJA1050之間電平兼容的問題，還可以抑制CAN網(wǎng)絡(luò)中的尖峰脈沖及噪聲干擾。光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離，否則也就失去了意義。電源的隔離可以采用小功率的電源隔離模塊或者多帶5 V隔離輸出的開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。這些部分雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

在CAN接口處，CAN通信線上的2個(gè)60Ω電阻(總計(jì)120 Ω)，起到增大負(fù)載、減少回波反射作用，是一種阻抗匹配的補(bǔ)救措施。2個(gè)60 Ω的中間部分與地端之間連接一個(gè)電容以抗干擾。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的整體環(huán)境為winCE編程環(huán)境。針對(duì)本車載智能儀表硬件系統(tǒng)定制相應(yīng)的WinCE操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)。再編寫應(yīng)用程序，通過對(duì)應(yīng)用程序的具體操作實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的操作，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。其中非常關(guān)鍵的是編寫CAN控制器的驅(qū)動(dòng)。CAN驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件對(duì)CAN控制單元的操作，以及讀取CAN控制單元中的數(shù)據(jù)代碼。