基于CAN总线的汽车仪表研究

李娜

摘要： 本文以CAN技术总线为基础，提出了一款关于车用仪表盘的设计方案。以型号MCUMB594的微控制器为主体，以CAN总线为加强各区域之间联系的媒介，表述了关于车用仪表盘系统设计的总体思路。之后文章对MCU微控制器、CAN通信总线收发器、智能仪表步进电机、LCD模块优化、系统通信接口软件设计、系统子模块程序设计等零部件方面分别的进行了细致的阐述说明，展现了CAN总线的车用仪表系统设计的具体环节。最后进行了系统测试，其结果表明了以CAN为基础的车用仪表盘可以满足实际操作以及用户的需求。

Abstract： Based on CAN technology bus， this paper presents a design scheme of vehicle instrument panel. Taking the microcontroller of model MCUMB594 as the main body and CAN bus as the medium to strengthen the connection between various areas， the general idea of the design of vehicle instrument panel system is described. After that， the article elaborates the MCU microcontroller， CAN communication bus transceiver， intelligent instrument stepper motor， LCD module optimization， system communication interface software design， system submodule programming and other parts in detail， showing the specific link of CAN bus vehicle instrument system design. Finally， the system test is carried out， and the results show that the can-based vehicle dashboard CAN meet the needs of actual operation and users.

關键词： CAN;汽车;仪表系统;设计分析

Key words： CAN;car;instrument system;design and analysis

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0010-03

0  引言

早期的车用仪表盘只能简单的展示其汽车行驶的速度、总里程、油位等，其仪表盘的整体布局缺少了合理性和可视性，在夜晚时不是很利于观察，可操作性也较低，在内容上也缺少了可延展性，整体过于单调。不能满足用户对于车用仪表盘的要求。现如今，随着经济以及科技水平的发展，人们运用了数字模拟以及研发智能化电子设备的方式有效地来弥补了传统的仪表盘的缺陷，这些方式可以有效地预测危险的发生并可以满足人们对于车用仪表盘的更多需求。以此可以表明，车用仪表盘的智能化发展是至关重要的。

1  系统需求分析

随着经济的不断发展，人们对汽车的性能以及品质上也提出了更高的要求，车用仪表盘就是体现其汽车整体性能中的极为关键的一环，它被要求除了应当满足车用仪表盘的传统功用外，还应该提升其稳定性，提高其创造性，缩短响应时间，带给人们关于汽车状况的更多内容，满足用户对于驾车高品质的追求，带给驾驶人更好的驾车体验[1]。

1.1 提供更加全面准确的内容

随着汽车整体性能的不断发展，电子器件也日趋增多，普通的汽车仪表盘上的内容已无法满足使用者的需求，因此要求车用仪表盘上除了应当显示车速、油量、温度等常规信息外，还应当提供更加全面丰富的内容，例如显示一定时间内的油耗信息，它可以有效的帮助驾驶员了解到汽油柴油等的使用情况，以此来进行节油省油等有效操作，降低经济支出。

1.2 具有较好的响应速度

在汽车行驶中，仪表盘显示内容的即时性迅速性，可以给驾驶员更多的时间进行有效反应，从而对当前的车身以及路况信息拥有一个更加全面的了解。因此，汽车仪表盘的响应以及通讯时速至关重要。

1.3 具备着较高的可信性

汽车仪表盘的作用十分重要，它关乎着驾驶员对于路面信息状况进行的行为操作正确与否。它直接影响着驾驶人以及乘车人的生命安全，若所显示的内容一旦出错，极可能产生十分严重的后果。因此，车用仪表盘被要求应有极高的可信性和可靠性，在面对复杂的交通环境时，仍能够迅速可靠的给驾驶人提供信息，以此使驾驶员做出一个正确的行为操作。

1.4 直观的展示内容

汽车仪表盘是驾驶员获取车身以及路况信息等一个非常重要的工具，随着汽车电子器件的日趋增多，仪表盘上所需展示的内容也由此增多，因此直观的展示其内容情况可以给驾驶员带来一个更好的驾车体验，能够更加便捷有效的了解到路面状况。是其系统需求中必不可少的部分。

2  CAN总线技术特点

CAN是一种可以不受电磁干扰、检索速度频率快、排查错误能力强并且可以进行分布式控制的超级网络通讯系统，它主要包括CAN2. 0A和CAN2. 0B两种。此系统的受众范围广、且适用性较强，因此它在传感器系统的研发以及汽车发动机部件的制作等方面都有很强的应用。其中CAN2. 0A和CAN2. 0B在帧的格式上以及适用范围方面有着较大的不同。其主要表现在：

①CAN2. 0A主要包含了四种帧格式，第一种为用于检测总的线路是否出现故障的出错帧，它主要通过一些固定标志以此给驾驶员发出线路故障的信号。第二种为在现今网络上进行数据信息传递的数据帧，其应用范围极广。第三种为用于体现逻辑链路控制层内部不同超载状态的超载帧。它主要是由超载标识符号以及超载标志构成。以此用于体现不同的超载情况。第四种为用于远程协作的远程帧。它是由发起方请求发送特定ID，接收方通过在线单元来进行完成的。数据帧与远程帧的应用格式整体相同，但远程帧缺少数据帧的数据字节。

②CAN2. 0B主要包含扩展帧。其中1字节由数据和信息共同构成的，其包含的内容共有13个字节。2字节由在29位数字范围内有效的2-5报文识别码所构成，3字节是指6-9数据帧内的数据信息所构成，使用远程帧进行操作是无效的[2]。

3  基于CAN总线的车用仪表系统设计分析

3.1 系统总体结构设计

通过上述对于系统需求的一系列分析，我们对于系统的总体设计有了更加全面地了解和掌握，其总体结构设计思路如图1所示。

此系统结构设计主要选用型号为MCUMB594的微控制器为主体，以CAN总线为媒介以此进行各区域之间的联系，其中型号为MCUMB594的微控制器主要为此设计中的一个节点，因此大大减少了在布线方面的难度，提升了系统的可操作性，加强了与其他部分之间的联系。

3.2 系统硬件设计

3.2.1 MCU微控制器

MCU微控制器采用了型号为MB954的控制系统，此款微控制器的内部主要为FR81S，具有性能极强的CPU内核，它采用了模拟信号处理、CAN通路处理、电子内容显示、通信线路连接等多种实用性极强的功能，与此同时，它还具有着损耗低、性能强、保密性强、运行速度快、平稳可靠的特点。

3.2.2 CAN通信总线收发器

CAN通信总线属于以串行为主的通信数据系统，它属于短距离输送，虽然输送的成本较低、输送的距离较近，但是在输送的过程中常面临着数据传输的速率慢、效率低、输送较不稳定等问题。因此，为克服这些问题，以此达到CAN通信总线的需求，我们选用了传输速率快、受电磁干扰较小、信号频率较稳定的TJA1042收发器。其具体结构如图2所示。

TJA1042收发器具有两种模式，它们分别为待机模式和工作模式，其中在待机模式下由MCU微控制器传输高电平信号给CAN-STB。而在工作模式下由MCU微控制器传输低电平信号给CAN-STB[3]。

3.2.3 智能仪表步进电机

以CAN總线为基础所设计的智能应用系统有微型步进电机，它具有消耗能耗低、性能强、精准度高的特征，它可以进行仪表板内容的显示以及指示其他相关操作的内容，以此给驾驶员对于汽车状况更加充分的了解和帮助。为使步进马达有一个更加平稳的驱动操作通常采用两路逻辑脉冲信号。在采用两路逻辑脉冲信号的情况下，步进电机将在固定值5v-10v脉冲下开始运作，驱动频率最大值为1100Hz。驱动操作上具有两种模式，它们分别为驱动模式和微步模式，操作者可根据实际使用需求来进行模式的选择。此智能仪表步进电机内部采用了高品质高质量的耐磨材料和具有高磁导率的磁性材料，可以满足用户对于汽车零部件的高品质追求。

3.2.4 LCD模块优化

LCD 模块主要的作用是显示汽车行驶的里程数据，以此带给用户更加清晰的反馈和体验。现如今为满足用户对于LCD模块的更多需求通常选用8位段式样的产品模块，其模块输送效率快，运行过程稳定，接口处常用的方式为三线串联，其常规电流为1.5mA，可以有效地满足LCD模块对于显示里程数据的追求。

3.3 系统通信接口软件设计

根据CAN总线技术设计的智能仪表系统的接口软件设计有三方面的内容，它包括初始化子操作程序、发送子程序、接收子程序。初始化子操作程序的主要方式为使用CAN控制器通过输入相应的控制字来进行操作，以此来找出更适合CAN控制器运行的操作方式，符合实际操作的需要。其中，确定初始化的运行操作有三种方式，它们分别为硬件复位、电复位以及软件复位。在基于CAN总线运行操作的过程中，只需要发出复位请求的指令即可完成需要运行的操作。在CAN总线的运行操作中，主要的节点部分通常采用中断操作的方法以此使其他节点得到反应时间进行内容的保存。其中MCU内部控制器和CAN控制器具有着十分重要的作用，它们的内部结构具有着缓冲缓存的作用，可以有效地进行其内部数据的保存。对于系统的查询以及操作等方面通常采用主程序查询的方法，其查询内容详细全面，且可以对特殊信息进行远程处理，更易操作。其查询结果通常采用广播播报的方式进行告知，对于接收人来说更加方便快捷。其CAN系统通信接口软件的具体操作流程如图3所示。

CAN总线系统相关数据的传输通常以报文的方式来进行，其中报文初始节点的内容包括功能标识和内容标识两方面，而CAN总线相关报文的复核以及访问等由节点进行操作。CAN总线的数据标识是29位二进制，运用了CAN2. 0B协议，它对于之后应对复杂的汽车控制网络操作系统以及网络环境的巨大变化具有着极强的适应能力。CAN协议也对编码程序的操作产生了不可预计的影响，它从原有的节点地址编码方式改进为了更加多样化的编码方式，从而使操作更加迅速便捷，满足了使用者的需求。

3.4 系统子模块程序设计

在以CAN总线为基础的系统程序设计中，最初的系统子模块程序设计极为重要。CAN系统控制器需要进行的最初的系统程序设定极多，其中在大的类别上包括复位、硬件、上电、节点错误终端等方面，在小的具体的类别上包括滤波器模式、滤波器验收、输出管脚配置、总线位定时、中断配置、数据缓冲器以及数据缓冲器等。在以CAN总线为基础的接收程序中，因为CAN总线所采用的报文方法有自动保存数据在内部RAM存储区的功能，因此主要采用了中断控制的方式，可以在中断过程中对有效内容进行处理，提取关键以及主要内容。这种方式极大的提升内容的即时性和有效性。及时的反映了数据的内容。

该子模块的设计在数据的采集筛查以及处理的过程中也具有着十分重要的作用，它可以对于汽车行驶的速度以及油箱内油量的多少等重要内容进行分析与处理。以此通过传感器的输出频率进行调整，采样6次脉冲信号，以6次采样结果的平均值作为关键数据，将一次脉冲信号的周期控制为100.0ms，因此在6次脉冲信号下的信号更新周期大概为600.0ms。在程序的操作过程前首先应设定定时中断，之后对于汽车行驶的速度以及油箱内油量的多少等情况进行分析与处理，之后在设定采样次数为6次的情况下进行滤波操作，最后中断后完成此操作。

在步进电机控制模块的程序中，此设计运用了运转精度为1/12°，24细分的驱动模式，并运用了加减速控制的方式以此使指针的运作平滑，确保了机器在运行过程中指针可以对发生的情况内容等进行及时的有效地反馈，且可以有效的避免指针出现失误或是不准确的内容以此反馈错误的现象。

4  系统测试

为了体现以CAN总线为基础所设计出的仪表盘的合理性和可靠性，我们因此使用Vector公司研发的CANoe 测试工具以此来进行检测，并对数据内容和结果进行阐述与分析。

4.1 CAN总线通信测试

CAN总线通信系统在CANoe测试工具的测试下，展现出了车用仪表盘在行驶过程中的CAN总线的相关通信内容，并评估了CAN控制器的位时间参数以及所输出的信号电平等相关内容。其中测试工具包括为示波器等。

其中，CAN所传输的任一数据帧为图中所体现的测试内容。根据此波形图中上的内容可以展示，CAN_H信号分别以黑色曲线和红色曲线的方式来进行体现，此数据帧上的数据内容完整详细，未出现数据丢失等情况，以此表明CAN通信总线符合用户对于车用仪表盘的要求。

4.2 系统功能测试

系統功能测试的方法主要包括三部分，其中第一部分是将车用仪表盘连接到要接受测试的CAN总线处。第二部分是指注意车用仪表盘在接收到数据信号以及相关内容后能否进行有效迅速的反映。第三部分是指车用仪表盘上所显示的内容是否与实际内容一致。通过以上的三个部分以此来检验以CAN总线为基础的车用仪表盘能否满足实际情况的需求以及能否达到预期的测试期准。本文所设计的仪表盘实现了最初的设计想法和设计思路，它可以在CAN总线的基础上可以有效精准地反映汽车行驶的速度以及油箱内油量的多少等相关内容，可以迅速即时的进行数据内容的接收整合，以此在CANoe以及显示屏中将关于汽车使用以及操作等的相关情况展示和反馈给用户，以此满足用户的实际需求[4]。

5  结束语

在我们国家，机械制造行业发展的时间还较少，积累的一些经验也相对不足，在一些关于汽车产品以及零部件的制造方面产生的影响较小，而在如今的整个汽车产业的环境背景下，汽车电子化产品的发展已经成为了评估整个汽车产业发展中的一个相当重要的一环，曾经汽车仪表盘所显示的内容单一，无法满足用户的需求。现如今，汽车仪表盘内容显示多样、数据内容准确、反映时间减少，这些都是基于汽车电子化产品的发展。因此可以体现出，发展汽车电子化产品极为重要，它的发展不只是自身产品的发展，更是整个汽车产业的发展，是人类的进步。因此本文设计了一种以CAN总线为基础的车用仪表盘，期待着它能够尽早的出现并进行应用，以此来满足人们的需求，提升人们的驾驶体验，推动整个汽车行业的长足发展。

参考文献：

[1]胥军，孙久强，丁一，等.基于车载网络的汽车数字仪表系统设计[J].应用科技，2013，40（3）：10-14.

[2]连学东，邹晓菲.基于AT89C51的车用数字仪表的设计[J].科协论坛（下半月），2013（11）：119-120.

[3]张丽凤.汽车智能仪表设计与CAN总线技术应用[J].自动化与仪器仪表，2017（11）：165-167.

[4]李旭荣.基于CAN总线的纯电动大巴组合仪表的设计[J].信息系统工程，2012（1）：20-21.