詳解基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)儀表系統設計―硬件系統方案

系統整體方案設計

3.1系統的設計原則

一個(gè)應用系統開(kāi)發(fā)方案的好壞，和開(kāi)發(fā)者對系統本身的了解程度有密切的關(guān)系，當還不完全了解系統需求的時(shí)候，就開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作是盲目的和不切合實(shí)際的。當代汽車(chē)對工況信息的顯示要求越來(lái)越高，要求汽車(chē)組合儀表提供信息量大，顯示直觀(guān)、清晰、穩定，而且要求響應速度快，顯示精度高哪]。本課題根據汽車(chē)電氣設備基本技術(shù)條件和汽車(chē)儀表基本技術(shù)條件，同時(shí)結合系統的設計思路和方案，提出了以下設計原則:

(l)作為駕駛員與車(chē)輛進(jìn)行信息交流的界面要簡(jiǎn)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)系統必須能夠及時(shí)準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(mǎn)足汽車(chē)儀表的基本技術(shù)條件。在交通現狀復雜的情況下，面對路途顛簸、冰雪、酷暑和高原，保證系統在環(huán)境變化方面有較高的可靠性和穩定性。

(4)在電子技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，預留軟硬件后續發(fā)展空間。防止系統在功能設計變化微小時(shí)，而對設計電路和程序做很大的修改與調整。

(5)系統要有良好的經(jīng)濟性與實(shí)用性，以市場(chǎng)需求作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的導向。界面要滿(mǎn)足駕駛舒適性，設計的儀表板在車(chē)內部有美化作用。

3.2系統的功能需求分析

汽車(chē)組合儀表不作為信號的發(fā)生單元向外部發(fā)出信息，只根據人們對汽車(chē)儀表的信息顯示的需求，將分布在汽車(chē)車(chē)身上的各部件信號傳輸到儀表上，實(shí)時(shí)反映汽車(chē)各部件當前的工作狀態(tài)，使駕駛員能及時(shí)準確的了解汽車(chē)當前的狀態(tài)，從而保證汽車(chē)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(guò)來(lái)的信息經(jīng)過(guò) MCU通過(guò)CAN總線(xiàn)傳遞給其他電控單元。本儀表開(kāi)發(fā)工作首先從外圍功能需求分析入手，從而構架出系統功能結構圖，再從功能結構圖進(jìn)行對功能模塊的設計，根據功能模塊選擇合適的MCU和外圍電子元器件，最后根據各電器元件特征進(jìn)行程序軟件的開(kāi)發(fā)與調試。本課題所研究的汽車(chē)組合儀表主要實(shí)現的功能有:

注:在功能指示燈中，按照汽車(chē)操縱件信號裝置的標志(GB4094一1999)劃分為三種顏色，分別為綠色:正常運行指示;黃色:警告標志;紅色:危險報警標志.

3.3系統技術(shù)方案

根據表3一l的功能設計分析，首先，儀表要作為CAN網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)，接收來(lái)自CAN網(wǎng)絡(luò )上發(fā)動(dòng)機、變速箱、ABS等節點(diǎn)傳輸的信息，還要完成以下參數的采集工作任務(wù) ，具體有:發(fā)動(dòng)機轉速與車(chē)速的脈沖信號，電壓表、燃油表、輪胎氣壓的模擬信號(其中的水溫表和機油壓力表是發(fā)動(dòng)機的ECU通過(guò)CAN總線(xiàn)傳遞信號)。同時(shí)單片機還要完成時(shí)鐘顯示和按鍵調節、儀表板背光亮度調節、當前里程清零等動(dòng)能。部分狀態(tài)指示燈的開(kāi)關(guān)信號和傳感器的信號在本儀表總成中并沒(méi)有通過(guò)單片機來(lái)進(jìn)行控制，而采用直接由外部電器開(kāi)關(guān)和傳感部件對其狀態(tài)進(jìn)行控制 。單片機對不同的信號對應有著(zhù)各自的特征和處理要求，具體如表3一2所示:

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

1、電源調節模塊:儀表系統使用24V電系電源，允許電源的短期波動(dòng)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。電源電壓調整模塊保證各元器件的工作電壓穩定，具體設計見(jiàn)4.1節。

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

3、脈沖信號調節模塊與周D轉換調節模塊1211:轉速與車(chē)速信號屬于脈沖信號，由于車(chē)速〔或發(fā)動(dòng)機轉速)傳感器輸出的信號不是標準方波信號，而且往往還附加了許多的干擾信號，這就要對信號進(jìn)行預處理，去除其中的干擾信號，并把信號過(guò)濾、整形為標準的方波信號輸入給MCU。而燃油、電壓、輪胎氣壓屬于O一 SV的標準模擬信號，車(chē)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(kāi)關(guān)信號接口:直接由外部開(kāi)關(guān)位置或傳感器信號反應出汽車(chē)的工作狀態(tài)，根據標志GB4094一1999的要求陣〕，汽車(chē)各部件的工作狀態(tài)可分為3種顏色:紅、黃、綠。當汽車(chē)對應部件出現信號時(shí)，即高亮顯示提示駕駛員當前的操作和應注意的問(wèn)題。

5、信息顯示模塊:包括步進(jìn)電機驅動(dòng)儀表信息和液晶屏顯示信息。步進(jìn)電機儀表指針的顯示結構可以由液晶屏的顯示功能來(lái)完成，會(huì )使整個(gè)儀表的結構更加緊湊，但指針模擬的指示結構更加直觀(guān)與明確，己被廣大駕駛員普遍接受并認同，在卡車(chē)、貨車(chē)和公共汽車(chē)中一般使用儀表結構顯示。液晶屏的顯示功能更強大，操作也比較復雜，一般在高檔轎車(chē)中比較流行使用液晶顯示結構，這也是現代汽車(chē)向舒適化和人性化發(fā)展的一個(gè)方向。

6，蜂鳴器報警模塊:當汽車(chē)各部件運行狀態(tài)超過(guò)其額定值后，信息反饋給MCU，由MCU發(fā)出信號驅動(dòng)蜂鳴器，同時(shí)對應的故障燈閃爍。

7、護PRoM模塊:系統采用了電擦除可編程的只讀EZPROM來(lái)保存需要永久記憶的數據和固定時(shí)刻內的歷史數據等，并且加入了“看門(mén)狗”電路來(lái)監視MCU的工作。從整體結構上看，系統硬件各功能模塊之間的結合就構成了整個(gè)儀表的硬件系統，其系統框圖如圖3一1所示。

本方案首先根據整個(gè)系統的功能需求分析，確定相應的信號處理模塊。在信號傳輸過(guò)程中除了CAN總線(xiàn)信號，也存在開(kāi)關(guān)信號、模擬信號、數字信號等。然后根據所要求的信號處理功能，進(jìn)行選擇合適的單片機處理模塊。通過(guò)對各種型號單片機的性能和價(jià)格的比較，本系統最終選擇了Freescale公司(原 motorola半導體產(chǎn)品部，于2004年獨立出來(lái))的16位帶CAN接口的單片機MC9512H128作為儀表的核心MCU。本系統選用國家半導體公司)的開(kāi)關(guān)電源穩壓轉換器LM2574一5.0作為電壓調整模塊，對整個(gè)系統電源提供可靠的電源。采用PhiliPs公司的Al040為高速CAN總線(xiàn)收發(fā)器，通過(guò)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(mén)狗定時(shí)器、EEPROM和電源監測芯片。同時(shí)結合 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)電機和相關(guān)的外圍電路，即可設計出的小型單片機數據采集系統。不僅能完成數據采集的功能，而且能實(shí)時(shí)驅動(dòng)步進(jìn)電機和液晶屏進(jìn)行數據的顯示，準確及時(shí)的反映相關(guān)信息。