基于CAN总线技术的汽车智能仪表设计

白月飞 杨斌（兰州城市学院，甘肃 兰州730070）

1 引言

电子制造业和微型计算机技术的不断发展，这给车载智能仪表的研制和实现带来了可能和机会。在现代汽车中越来越多的高科技技术运用在电子设备中，例如红外探测防撞设备、刹车防抱死系统、倒车雷达、黑匣子等。这些设备使得汽车的安全性能越来越高，防护系统越来越完善。但是即使有了这些高科技电子设备，面对驾驶员的非正常操作以及外界的突发事故，这些高科技系统显得捉襟见肘。因为没有一个综合的系统对汽车运行状况进行监测，以及对数据进行处理和判断，在隐患面前做出报警和纠正不正确驾驶。为了使汽车变得更加安全、可靠、节能，需要驾驶员对汽车各部分运行的状况的信息全面的掌握，传统的机械仪表对汽车各部分的信息已不能全面的简洁的做出显示，因此汽车智能仪表是当今汽车仪表行业发展的趋势。

2 汽车智能仪表总体结构设计

系统总体方案设计是对系统的整体结构、功能、可靠性、抗干扰性以及可实现性等信息进行分析整合，最后综合的评估后得出的一套该系统最合理的方案。因此，该部分对整个后续的设计工作起着决定性的作用，决定了设计的周期，难度，费用，以及成败都是至关重要的。该章节的内容包括系统可实现功能的探讨，硬件电路各器件的选择分析和电路的设计方案，以及软件的功能实现的分析等组成。

2.1 智能仪表的功能分析

1)运用智能车载数字仪表来对信息综合的显示，包括车速、发动机转速、蓄电池电压、燃油量、里程数等信息。

2)对汽车各个部分运行状况参数和车载设备的工作情况实行监测，发现异常情况控制器会采取报警措施和强制性采取动作。实施自我防范的功能，避免了事故的进一步发生。报警提示一般是已报警图标伴随着不同灯光颜色的闪烁，以及配合着语音报警等。

3)用户可以根据自己需要和习惯，选择适合自己的风格的仪表界面，不管是颜色，图形的大小，盘面的信息排列顺序以及还可以对盘面信息进行删减，使车载仪表更具个性化。

4)系统还具备外设和扩展接口，可进行数据下载和根据用户的需求扩展相应的电子设备，例如电子地图，倒车雷达等等。 在智能仪表的实现中，要遵循系统设计的准则。各个模块都有着自己的准则，在遵循这些基本准则时又要求功能全部实现，因此该智能仪表显示系统就必须划分如下几个方面:传感器、总线传输、中央处理器、数据存储、终端显示以及可以用于外围设备扩展的和数据下载的端口的几个方面。为了实现这样一个拥有信号采集、数据传输、数据处理、数据存储、液晶显示等多种功能的综合系统，只有利用嵌入式实时操作系统,C/OS-II并且结合微控制器(MCU)，使系统结构得以简化，资源分配合理，操作简洁，系统的工作稳定可靠且效率高。实时操作系统,C/OS-II还可以在汽车有突发事故或者安全故障时，及时的做出反应，并向驾驶员发出报警和及时的做出安全保护的动作。

2.2 智能仪表系统总体框架结构

智能仪表系统总体框架结构如图1所示：中央控制器硬件共分为10个模块:

图1 智能仪表系统总体框架结构

(1)中央处理器(MCU)(2)电源模块(3)CAN通讯模块(4)频率量采集模块(5)模拟量采集模块(6)开关量采集模块(7)时钟模块(8)外设接口扩展模块(9)串口调试模块(10)Flash存储模块。

3 系统硬件的分析

3.1 硬件总体方案的选择

随着科技的飞速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对汽车性能的可靠性和驾驶舒适性的要求变得越来越高，为了满足用户的需求，越来越多的电子设备运用在汽车上。庞大的电子设备之间的信息交换，指令的传递，以及数据的采集处理和判断都变得异常的复杂，随之而来的车内空间的紧缺，众多电子设备带来的运行时故障率越来越高，维修的难度越来越大。为了能使信号在车内各个部分间传递，实现车内信息共享，对采集到的信息能够及时的传递给处理器，并且能发出正确的指令，传统控制器模块和线束通讯模式己经远远不能满足人们的需求，因此，高性能的处理器和CAN总线通讯应运而生。

本系统的中央处理器选用的是Motorola公司生产的MC9S12DG128这款16位的单片机。该处理器利用CAN总线通讯控制对各点的信息进行接收和发送。对接收到的数据进行格式转换，然后进行分析和处理然后做出判断，最后发出指令。在图像显示方面，完成对数据格式的转换以及图像的生成、处理和存储，最终能综合全面的在液晶显示器上显示车辆运行时的驾驶员所需要的各种车况信息。因此，对处理器的选择至关重要，关系到车载电子系统的性能，当处理器的功能是够强大时，单片机外围电路以及软件的设计会变得更加简便，这样系统的稳定性也越好。

在传统的以单片机为控制器的系统中，传感器检测到信号后，经过多路开关和采样保持器，最后用A/D转换器模块将模拟信号转换成数字信号传递给单片机，经单片机逻辑计算、判断、处理后，控制器对其它部分发出指令，该数字形式的控制量同样经过D/A转换器，转换成模拟信号后传递给保持器，再发送给各个执行器件，一般主控单元电路中还附带有简单的数据显示和报警功能的模块。

3.2 现场总线控制模块

现场总线主要是进行分布式控制，它主要运用在生产车间和各种电子设备之间，采用多节点串行数字化通讯系统，是以全数字化、开放式、多节点间通信为特点的底层控制网络。它结合了当今三大高科技技术:现代计算机网络技术、自动控制技术和通信技术。自从上世纪80年代以来，CAN逐步在加工制造业、交通管理、大型机械、汽车等拥有自动化控制系统中广泛的运用。在众多总线类型中，CAN(ControllerAreaNetwork)总线在局域网重工控制性能最好，协议最为规范，设计独特，受到越来越多的关注，己经被规定为国际上总线的标准，被公认为运用最广泛的现场总线之一。

1)现场总线的结构特点

现场总线突破了传统的控制模式，以集散控制系统为基础发展而来的。传统的控制系统都是一对一进行连接，每一个控制点都必须要与主控器对接，现场的传感器、控制器、测量变送器、开关、执行器都需要与控制室的主控器进行单独连接。现场总线控制系统不拘于传统的控制模式，设立了下位机，把控制室中的控制模块以及输入输出模块下放到现场，便于现场测量变送装置更直接的与执行模块进行数据传输，使控制功能在现场完成，实现现场分布式。

2)现场总线方式的优势

1）设备维护简便:在现场出现故障时，现场控制设备对故障具有处理和诊断能力，同时控制室也会收到诊断结果及信息。维护人员可以通过这些信息了解设备运行的情况以及故障诊断的信息，以便对设备进行维护，更快的排除故障，提高了成产效率，最主要是大大减少了维护人员对设备检修时的工作量。

2）结构简便，节省空间:很多生产车间的流水线，其周围都分布着很多相关的辅助设备，走线更是凌乱无章，数量繁多，这就大大的占用了车间有限的空间，而运用了分布式控制后，总线的出现就很好的解决了这些问题，使辅助设备大大减少，最关键的是连线更简便，节省空间，便于维护。

3）节约成本：一般的生产线距离都比较长，分布广，传统控制模式需要大量的连线将控制接口与执行设备一一连接。现在有了现场总线系统连线变得更加简单，一条连线上可接多个设备，节省了电缆线和端口设备的数量，当需要扩展或者对流水线进行改进时，秩序从原来的连线上重新接一根控制线即可，而不需要重设端口和增加电子设备和电缆线，使生产变得更加灵活，压低了成本和生产投入。

4 结 语

随着汽车工业的发展，人们对汽车性能的可靠性和驾驶舒适性的要求变得越来越高，汽车电子智能化成为当前广受关注的焦点。越来越多的电子设备装载在汽车上，使得各模块之间通讯变得复杂，系统运行的可靠性随之降低。从不同单元传输过来的数据要处理，为了使系统达到具有仪表智能信息化、信息利用总线调度和共享、车载监控系统对故障进行显示和诊断等功能，不仅要有强大的中央处理器作为基础，而且还需要方便快捷的操作系统作为系统运行的平台。

[1]鲍官军,CAN总线技术、系统实现及发展趋势，论文期刊,2003年1期,浙江工业大学学报。

[2]王建国,控制器局域网的协议分析及应用,2007年10期,情报科学

[3]王春燕,现场总线技术在智能家庭控制网络中的应用,2006年5期,电气自动化出处。

[4]黄彩虹,浅谈现场总线技术在4L5线灌装线上的应用,学位论文,2005年,中国科技信息。

[5」高杰,现场总线的现状和发展出处,学术期刊,2006年6期,煤矿机械