基于SAE J1939協(xié)議的CAN總線(xiàn)汽車(chē)儀表設計

汽車(chē)儀表是汽車(chē)與駕駛員進(jìn)行信息交流的窗口，是汽車(chē)信息的中心，能夠集中、直觀(guān)、迅速地反映汽車(chē)在行駛過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)指標，如行駛速度、里程、電系狀況、制動(dòng)、壓力、發(fā)動(dòng)機轉速、冷卻液溫度、油量、各種危險報警。隨著(zhù)科技進(jìn)步，汽車(chē)排放、節能、安全和舒適性等使用性能不斷提高，汽車(chē)電子控制程度也越來(lái)越高。汽車(chē)電子控制裝置必須迅速、準確地處理各種信息，并通過(guò)儀表顯示出來(lái)，使駕駛員能夠及時(shí)了解并掌握汽車(chē)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(xiàn)的汽車(chē)儀表設計方案。該儀表利用CAN總線(xiàn)使其成為車(chē)身網(wǎng)絡(luò )一部分，遵循SAE J1939協(xié)議讀取發(fā)動(dòng)機轉速、水溫等信息。儀表還能接收傳感器的車(chē)速、油量、油壓、制動(dòng)氣壓等信號并顯示，為駕駛員提供實(shí)時(shí)車(chē)輛工況。所設計的儀表主要應用于重型運輸車(chē)等領(lǐng)域，在某重型車(chē)輛工廠(chǎng)進(jìn)行的試驗結果表明，該儀表能夠滿(mǎn)足數據可靠性及實(shí)時(shí)性等要求。

1 CAN總線(xiàn)及SAE J1939協(xié)議

1.1 CAN總線(xiàn)及SAE J1939協(xié)議簡(jiǎn)介

CAN總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制和測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)的通信實(shí)時(shí)性強，數據傳輸速率可高達1 Mb/s，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或者光導纖維，通過(guò)標準的插接件能夠方便的連接。CAN總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，是目前應用最廣泛的一種汽車(chē)總線(xiàn)。

SAE J1939協(xié)議是美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )SAE(Societv of Automotive Engineer)發(fā)布的以CAN2.0B作為網(wǎng)絡(luò )核心協(xié)議的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )串行通信和控制協(xié)議。J1939是參照ISO的開(kāi)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)議明確規定汽車(chē)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(chē)內部各個(gè)具體的ECU通訊作了詳細的說(shuō)明。它使用多路復用技術(shù)，為汽車(chē)上的各種傳感器、執行器和控制器提供建立在CAN總線(xiàn)基礎上的標準化的高速網(wǎng)絡(luò )連接，在車(chē)載電子裝置之間實(shí)現高速數據共享，有效地減少了電子線(xiàn)束的數量，提高了車(chē)輛電子控制系統的靈活性、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(yè)(DP)、PDU格式(PF)、PDU細節(Ps)、源地址(SA)及數據域(Date Field)等7個(gè)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(gè)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(xiàn)汽車(chē)儀表設計

2.1 儀表整體設計

該汽車(chē)儀表系統由數據采集、處理以及顯示3個(gè)模塊組成。其中數據采集模塊負責接收車(chē)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(kāi)關(guān)量信號等傳感器信號在各傳感器處采集后，分別經(jīng)過(guò)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(dòng)機轉速、水溫和故障代碼等CAN總線(xiàn)數據通過(guò)發(fā)動(dòng)機CAN模塊發(fā)送至CAN總線(xiàn)后，通過(guò)CAN收發(fā)器進(jìn)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(jìn)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(dòng)機轉速、車(chē)速等結果輸出至電機驅動(dòng)器，驅動(dòng)器驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)，從而帶動(dòng)指針顯示；微處理器直接驅動(dòng)LCD顯示及LED燈的亮滅。汽車(chē)儀表系統結構如圖1所示。

根據對汽車(chē)儀表的整體分析，汽車(chē)儀表盤(pán)由3個(gè)分表盤(pán)組成，左分表盤(pán)顯示發(fā)動(dòng)機轉速、油量等數據，右分表盤(pán)顯示車(chē)速、油壓等數據，中分表盤(pán)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(jìn)電機驅動(dòng)。儀表接收到的各種數據中，從CAN總線(xiàn)獲取發(fā)動(dòng)機轉速、水溫以及電壓，從各種傳感器獲取車(chē)速、油量、氣壓以及油壓。

2.2 系統硬件設計

儀表采用Luminarv公司的LM3S2948處理器。這是一款基于A(yíng)RM CortexM3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，降低了系統設計成本。LM3S2948處理器內置CAN模塊方便了CAN總線(xiàn)數據的傳輸，同時(shí)使儀表的通信容易實(shí)現，提高了可靠性。其內置CAN模塊具有以下特點(diǎn)：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(gè)報文對象，每個(gè)對象都具有自己的標識符屏蔽碼；包含可屏蔽中斷，針對時(shí)間觸發(fā)的CAN(1TrCAN)應用，可選擇禁止自動(dòng)重發(fā)送模式；通過(guò)CANOTx和CANORx引腳與外部CAN PHY無(wú)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(jià)位低等特點(diǎn)。其CAN控制器模塊特性完全滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)汽車(chē)儀表的應用要求。該處理器具有強大的處理能力，在車(chē)輛的各種工況下都能夠實(shí)時(shí)反映車(chē)輛信息，同時(shí)該處理器具有很大的可擴展空間，有利于后續開(kāi)發(fā)。

由于LM3S2948內置CAN控制器模塊，所以只需外接一個(gè)CAN收發(fā)器即可接收總線(xiàn)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(shí)現CAN節點(diǎn)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(dòng)器驅動(dòng)步進(jìn)電機。每片VID6606可同時(shí)驅動(dòng)4路步進(jìn)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(jìn)電機的輸出軸以微步轉動(dòng)，每個(gè)微步電機輸出軸轉動(dòng)1/12(°)，最大角速度可達600(°)/s。該電機驅動(dòng)器具有以下特點(diǎn)：硬件微步驅動(dòng)、簡(jiǎn)單易用，電機只需速度F(sex)和方向(CW/CCW)2個(gè)控制端、所有輸入引腳都有干擾過(guò)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(dòng)，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(dòng)儀表電路。