詳解基于CAN總線的汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)—硬件系統(tǒng)方案

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方案的好壞，和開發(fā)者對系統(tǒng)本身的了解程度有密切的關(guān)系，當(dāng)還不完全了解系統(tǒng)需求的時(shí)候，就開始進(jìn)行開發(fā)工作是盲目的和不切合實(shí)際的。當(dāng)代汽車對工況信息的顯示要求越來越高，要求汽車組合儀表提供信息量大，顯示直觀、清晰、穩(wěn)定，而且要求響應(yīng)速度快，顯示精度高哪]。本課題根據(jù)汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件和汽車儀表基本技術(shù)條件，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方案，提出了以下設(shè)計(jì)原則:

(l)作為駕駛員與車輛進(jìn)行信息交流的界面要簡潔和直接方便，使駕駛員在不需要分神的情況下能很方便地了解相關(guān)信息。

(2)系統(tǒng)必須能夠及時(shí)準(zhǔn)確地提供大量的信息，要求顯示信息速度快，部分信號要求實(shí)時(shí)反映。

(3)必須滿足汽車儀表的基本技術(shù)條件。在交通現(xiàn)狀復(fù)雜的情況下，面對路途顛簸、冰雪、酷暑和高原，保證系統(tǒng)在環(huán)境變化方面有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

(4)在電子技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，預(yù)留軟硬件后續(xù)發(fā)展空間。防止系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)變化微小時(shí)，而對設(shè)計(jì)電路和程序做很大的修改與調(diào)整。

(5)系統(tǒng)要有良好的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，以市場需求作為產(chǎn)品開發(fā)的導(dǎo)向。界面要滿足駕駛舒適性，設(shè)計(jì)的儀表板在車內(nèi)部有美化作用。

3.2系統(tǒng)的功能需求分析

汽車組合儀表不作為信號的發(fā)生單元向外部發(fā)出信息，只根據(jù)人們對汽車儀表的信息顯示的需求，將分布在汽車車身上的各部件信號傳輸?shù)絻x表上，實(shí)時(shí)反映汽車各部件當(dāng)前的工作狀態(tài)，使駕駛員能及時(shí)準(zhǔn)確的了解汽車當(dāng)前的狀態(tài)，從而保證汽車可靠安全的行駛的重任。同時(shí)還作為中繼站，將傳感器直接傳遞過來的信息經(jīng)過 MCU通過CAN總線傳遞給其他電控單元。本儀表開發(fā)工作首先從外圍功能需求分析入手，從而構(gòu)架出系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，再從功能結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行對功能模塊的設(shè)計(jì)，根據(jù)功能模塊選擇合適的MCU和外圍電子元器件，最后根據(jù)各電器元件特征進(jìn)行程序軟件的開發(fā)與調(diào)試。本課題所研究的汽車組合儀表主要實(shí)現(xiàn)的功能有:

注:在功能指示燈中，按照汽車操縱件信號裝置的標(biāo)志(GB4094一1999)劃分為三種顏色，分別為綠色:正常運(yùn)行指示;黃色:警告標(biāo)志;紅色:危險(xiǎn)報(bào)警標(biāo)志.

3.3系統(tǒng)技術(shù)方案

根據(jù)表3一l的功能設(shè)計(jì)分析，首先，儀表要作為CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接收來自CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)動機(jī)、變速箱、ABS等節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?，還要完成以下參數(shù)的采集工作任務(wù) ，具體有:發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的脈沖信號，電壓表、燃油表、輪胎氣壓的模擬信號(其中的水溫表和機(jī)油壓力表是發(fā)動機(jī)的ECU通過CAN總線傳遞信號)。同時(shí)單片機(jī)還要完成時(shí)鐘顯示和按鍵調(diào)節(jié)、儀表板背光亮度調(diào)節(jié)、當(dāng)前里程清零等動能。部分狀態(tài)指示燈的開關(guān)信號和傳感器的信號在本儀表總成中并沒有通過單片機(jī)來進(jìn)行控制，而采用直接由外部電器開關(guān)和傳感部件對其狀態(tài)進(jìn)行控制 。單片機(jī)對不同的信號對應(yīng)有著各自的特征和處理要求，具體如表3一2所示:

根據(jù)表3-2中的信號分類，結(jié)合表3一1的功能需求分析及單片機(jī)本身的特性可將本儀表系統(tǒng)劃分為以下的功能模塊:

1、電源調(diào)節(jié)模塊:儀表系統(tǒng)使用24V電系電源，允許電源的短期波動范圍在12V~32V之間。各功能指示燈(LED)、LCD、蜂鳴器等需12V電源，MCU、EEPROM等需sv電源。電源電壓調(diào)整模塊保證各元器件的工作電壓穩(wěn)定，具體設(shè)計(jì)見4.1節(jié)。

2、CAN通信接口模塊1201:實(shí)現(xiàn)CAN控制器的功能，支持CAN2.OA、B通信協(xié)議，通信速率為25OKb，能夠接收多種標(biāo)識符的CAN總線數(shù)據(jù)包，能在車輛內(nèi)電磁干擾(EMC)的環(huán)境下可靠工作，能夠通過編程測試CAN模塊的正常使用。

3、脈沖信號調(diào)節(jié)模塊與周D轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)模塊1211:轉(zhuǎn)速與車速信號屬于脈沖信號，由于車速〔或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速)傳感器輸出的信號不是標(biāo)準(zhǔn)方波信號，而且往往還附加了許多的干擾信號，這就要對信號進(jìn)行預(yù)處理，去除其中的干擾信號，并把信號過濾、整形為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號輸入給MCU。而燃油、電壓、輪胎氣壓屬于O一 SV的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，車載電源電壓為24V，通常情況下需要電阻對其進(jìn)行分壓后傳送給MCU。

4、開關(guān)信號接口:直接由外部開關(guān)位置或傳感器信號反應(yīng)出汽車的工作狀態(tài)，根據(jù)標(biāo)志GB4094一1999的要求陣〕，汽車各部件的工作狀態(tài)可分為3種顏色:紅、黃、綠。當(dāng)汽車對應(yīng)部件出現(xiàn)信號時(shí)，即高亮顯示提示駕駛員當(dāng)前的操作和應(yīng)注意的問題。

5、信息顯示模塊:包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動儀表信息和液晶屏顯示信息。步進(jìn)電機(jī)儀表指針的顯示結(jié)構(gòu)可以由液晶屏的顯示功能來完成，會使整個(gè)儀表的結(jié)構(gòu)更加緊湊，但指針模擬的指示結(jié)構(gòu)更加直觀與明確，己被廣大駕駛員普遍接受并認(rèn)同，在卡車、貨車和公共汽車中一般使用儀表結(jié)構(gòu)顯示。液晶屏的顯示功能更強(qiáng)大，操作也比較復(fù)雜，一般在高檔轎車中比較流行使用液晶顯示結(jié)構(gòu)，這也是現(xiàn)代汽車向舒適化和人性化發(fā)展的一個(gè)方向。

6，蜂鳴器報(bào)警模塊:當(dāng)汽車各部件運(yùn)行狀態(tài)超過其額定值后，信息反饋給MCU，由MCU發(fā)出信號驅(qū)動蜂鳴器，同時(shí)對應(yīng)的故障燈閃爍。

7、護(hù)PRoM模塊:系統(tǒng)采用了電擦除可編程的只讀EZPROM來保存需要永久記憶的數(shù)據(jù)和固定時(shí)刻內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)等，并且加入了“看門狗”電路來監(jiān)視MCU的工作。從整體結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)硬件各功能模塊之間的結(jié)合就構(gòu)成了整個(gè)儀表的硬件系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖3一1所示。

本方案首先根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的功能需求分析，確定相應(yīng)的信號處理模塊。在信號傳輸過程中除了CAN總線信號，也存在開關(guān)信號、模擬信號、數(shù)字信號等。然后根據(jù)所要求的信號處理功能，進(jìn)行選擇合適的單片機(jī)處理模塊。通過對各種型號單片機(jī)的性能和價(jià)格的比較，本系統(tǒng)最終選擇了Freescale公司(原 motorola半導(dǎo)體產(chǎn)品部，于2004年獨(dú)立出來)的16位帶CAN接口的單片機(jī)MC9512H128作為儀表的核心MCU。本系統(tǒng)選用國家半導(dǎo)體公司)的開關(guān)電源穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器LM2574一5.0作為電壓調(diào)整模塊，對整個(gè)系統(tǒng)電源提供可靠的電源。采用PhiliPs公司的Al040為高速CAN總線收發(fā)器，通過CAIH和CAIL接收和發(fā)送相關(guān)信息;選用XICOR公司的X5045作為看門狗定時(shí)器、EEPROM和電源監(jiān)測芯片。同時(shí)結(jié)合 MC9s12H128高度的集成特性，輔以脈沖信號濾波、放大、整形電路，LCD顯示電路，步進(jìn)電機(jī)和相關(guān)的外圍電路，即可設(shè)計(jì)出的小型單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不僅能完成數(shù)據(jù)采集的功能，而且能實(shí)時(shí)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，準(zhǔn)確及時(shí)的反映相關(guān)信息。[!--empirenews.page--]

3.4 CAN總線儀表的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀表的對比，CAN總線儀表在以下幾個(gè)方面有自己的獨(dú)特點(diǎn):

1)控制單元間信息交流采用CAN總線傳輸取代了傳統(tǒng)儀表的模擬信號。模擬儀表采用4一20mA電流的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸過程中，由于機(jī)械傳動和物理連接的作用會發(fā)生信號衰減，使最終顯示的信息不準(zhǔn)確。采用CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車信息的數(shù)字化，能實(shí)現(xiàn)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)字化信息的傳輸，能有效的避免信號物理傳遞過程中的衰減，大大提高了顯示終端的信息精度和可靠性 。總線介質(zhì)一般可采用雙絞線，兩條線上的電位相反，電壓和等于常值，能更好的滿足國家關(guān)于汽車電氣電磁輻射(GB/T18655一2002)和汽車電磁抗擾性(GB/T一7619一1998)的相關(guān)要求。

2)采用步進(jìn)電機(jī)顯示儀表信息。傳統(tǒng)模擬儀表一般為動圈式機(jī)心(線圈連同指針一起轉(zhuǎn)動)和動磁式機(jī)心(磁鋼連同指針一起轉(zhuǎn)動)儀表。電流通過線圈產(chǎn)生合成磁場，使指針轉(zhuǎn)動來顯示汽車部件的運(yùn)行情況。機(jī)心由指針軸，游絲，線包，磁屏蔽罩和機(jī)械零件構(gòu)成，其故障率很高;在低速區(qū)顯示誤差大，線性也比較差，因而其顯示精度也比較低。相對而言，步進(jìn)電機(jī)儀表性能也可靠，其顯示精度更高、顯示信號更準(zhǔn)確。

3)液晶LCD面板顯示。首先，LCD顯示更美觀，更為被顧客所接受。其次，LCD顯示的信息量更大，在有限的空間內(nèi)顯示大量的信息，LCD是解決這一問題的有效途經(jīng)。顯示靈活，其文字化和圖形的顯示方案更簡潔，通過更改軟件程序來改變顯示的內(nèi)容。

3.5主要技術(shù)指標(biāo)與性能要求

根據(jù)QC/T413一2002和Qe/T727一2004的標(biāo)準(zhǔn):

1、溫度范圍:一30℃~+70℃，存儲溫度范圍:一40℃~+85℃。

2、工作電壓范圍:18V~32V

3、電磁抗擾性:應(yīng)符合 GB/T17619一1998的有關(guān)規(guī)定。

4、電磁騷擾性:應(yīng)符合GB/T18655一2002的有關(guān)規(guī)定。

5、耐溫度變化試驗(yàn):應(yīng)能承受一30℃~+7O℃的溫度變化試驗(yàn)，T=2H，循環(huán)次數(shù)為5次，試驗(yàn)后，應(yīng)符合基本性能要求。

6、水溫表特性:

7、燃油表指示特性

8、機(jī)油壓力表:

9、車速表

10、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表