帶CAN總線(xiàn)的汽車(chē)儀表總程

　　引言：隨著(zhù)汽車(chē)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，其在我國制造業(yè)界的龍頭地位越來(lái)越明顯。為進(jìn)一步增加汽車(chē)生產(chǎn)的國產(chǎn)化程度，作為汽車(chē)核心技術(shù)的自主產(chǎn)權就迫切地提到我國汽車(chē)發(fā)展的戰略日程上來(lái)。 帶CAN總線(xiàn)的車(chē)載儀表系統就是基于這一理念，迎合當今潮流，在眾多國內汽車(chē)制造商的急切關(guān)注下，作為我國汽車(chē)業(yè)的一項科技含量高起點(diǎn)的自主技術(shù)知識產(chǎn)權的產(chǎn)品研發(fā)出來(lái)。該電子系統的特殊優(yōu)點(diǎn) 其一， 它將以前的模擬組合的各分離式儀表 數字化式的統一管理起來(lái)。在 提高了儀表的穩定性、 精度，提高了儀表壽命的同時(shí) 大大地降低了制造成本；其二, 它在汽車(chē)儀表內引入了CAN總線(xiàn),將系統設計成 開(kāi)放式,易嵌入式的結構，在減少了系統的線(xiàn)索， 提高了系統抗干擾性的同時(shí),大大地增加了系統內的數據流量, 保正了車(chē)載儀表的實(shí)時(shí)性。 簡(jiǎn)化了儀表系統和汽車(chē)中央控制中心的接口。

　　已研發(fā)出來(lái)的該套電子儀表系統,不緊填補了我國車(chē)載儀表無(wú)全數字化的空白，同時(shí)它也是一個(gè)有著(zhù)廣泛的市場(chǎng)行情,可持續性發(fā)展的企業(yè)項目。

　　車(chē)載儀表系統要處理的參數和硬件工作原理框圖

　　一  車(chē)載儀表系統要處理和顯示的參數

　　該儀表系統是被安置在駕駛員和方向盤(pán)前,主要是向駕駛員集中提供行進(jìn)中的車(chē)輛的行駛狀況。

　　車(chē)輛的行駛狀況在此表述為一系列參數。 這其中一的些參數須以表針的形式實(shí)時(shí)的指示給駕駛員,另外的一些參數須以數字形式實(shí)時(shí)的顯示給駕駛員。

　　本儀表系統設計成一個(gè)總表盤(pán)。 總表盤(pán)上要以表針指示的主要參數有：1） 發(fā)動(dòng)機冷卻水的溫度、2）油箱中的油量、3）發(fā)動(dòng)機的轉速、 4） 汽車(chē)實(shí)時(shí)行使速度。

　　儀表盤(pán)上要以液晶顯示的參數有： 1） 發(fā)動(dòng)機的轉速、 2）汽車(chē)實(shí)時(shí)行使速度、 3）行車(chē)時(shí)間和車(chē)行總里程(此片 液晶片上所顯示的數據可以翻 頁(yè))。 電路最大可同時(shí)點(diǎn)亮16位液晶數碼管，此外 儀表盤(pán)上還要有各向車(chē)行方向指示燈、轉向燈、儀表盤(pán)背光顯示燈等。

　　該儀表系統的主要工作、任務(wù)是： 通過(guò)溫度傳感器將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機冷卻水的溫度、 通過(guò)油浮子 或 磁浮開(kāi)關(guān)傳感器將汽車(chē)油箱中的余油量、 通過(guò)高速、 低速 霍爾傳感器將汽車(chē)內燃機的轉速和汽車(chē)的實(shí)時(shí)行使速度轉換為脈沖周期, 經(jīng)過(guò)CPU  的A/D轉換處理 和CCP的脈寬捕捉處理, 處理結果 用四個(gè)步進(jìn)電機帶動(dòng)四個(gè)表針，實(shí)時(shí)地指示給車(chē)駕駛員, 同時(shí) 發(fā)動(dòng)機轉速,車(chē)行駛速度,車(chē)行駛里程,三個(gè)參數還須以液晶數碼管，可數字式地顯示出來(lái)。此外汽車(chē)的門(mén)控制顯示燈，左右轉向, 前后行駛, 以及汽車(chē)的剎車(chē)燈, 當環(huán)境光線(xiàn)暗下后 儀表盤(pán)須制動(dòng)開(kāi)啟的背光燈等,都須以發(fā)光管的形式反應到儀表盤(pán)上。此外系統還需每隔一段時(shí)間記錄并同時(shí)備份一次行車(chē)里程數到串行存儲器中。

　　二 車(chē)載儀表系統硬件電路工作原理和原理圖

　　本系統中心選型的單片機 是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的工業(yè)級PIC18F458?？梢哉f(shuō), PIC18F458是一款專(zhuān)為車(chē)載儀表系統 量身訂定做的單片機。 雖然CPU PIC18F458的外圍接口是8位的, 但內核總線(xiàn)結構確是16位的。準確的說(shuō) PIC18F458是一款準16位單片機，即 它既具有8位單片機接口簡(jiǎn)單特點(diǎn) 同時(shí) 它又具備16位單片機的運算能力。 該單片機指令系統采用流水指令, 且內部集成了8位硬乘法器, 所以該款單片機運算速度快, CPU強壯,彌補了低檔PIC系列單片機運算能力不足的缺點(diǎn)。且I/O口的驅動(dòng)電流大于2mA, 可直接用于驅動(dòng)數碼管, CPU芯片帶載能力極強。另外該單片機還可進(jìn)行8路，十位精度的A/D轉換。該款單片機的程序和數據存儲結構較一般的單片機有所不同, 其空間設計的都特別大, 總體來(lái)說(shuō),有4K的數據存儲器 和2M的程序存儲器空間, 內存空間為哈福結構,數據空間和程序空間可獨立尋址。 就4K的數據存儲器管理而言,分為16個(gè)頁(yè)面,每頁(yè)面為256個(gè)字節。 2M的程序存儲器空間管理,類(lèi)似于8088/8086,2M的程序存儲器空間管理,分為堆棧和物理地址二個(gè)部分(因篇幅,這里不展開(kāi)敘說(shuō))。這款單片機內存管理有很有特點(diǎn), 之所以這樣做,不單單是為了增加內存空間,更為重要的是有利于嵌入式操作系統的移植。就這款單片機而言, 系統如采用目前較流行的商用嵌入式操作系統則無(wú)需外擴存儲芯片。

　　該款單片機專(zhuān)為車(chē)載儀表設計,它包含了一般16位單片機所含的內核的同時(shí), 它的內部還封裝了一個(gè)256字節的可用電擦除的串行存儲器。雖然該存儲器采用SOC封裝,和CPU內核封裝在同一芯片內, 但接口仍采用I2C總線(xiàn)的方式。本儀表系統設計,因需要,外擴了一片FLASH串行存儲器24LC01,以記錄一些較重要的車(chē)輛信息。 用I2C總線(xiàn)的方式向24LC01寫(xiě)數據的同時(shí)可以鏡象復制一份數據到該CPU芯 片內的 串行存儲器中,這樣可以將重要的數據保二份,一份在CPU內,一份在CPU外。這樣既防止了重要數據丟失,也防止了車(chē)輛信息數據被人為做假。下面分五個(gè)子圖簡(jiǎn)介該車(chē)載儀表電子系統的工作原理和具體的實(shí)現電路。

　　1）           CPU單片機 PIC18F458應用工作原理系統圖和接線(xiàn)圖

　　圖一CPU單片機 PIC18F458應用系統接線(xiàn)圖：

　　注: CCP1為脈沖寬度捕捉器,ECCP1為增強型脈沖寬度捕捉器

　　圖一為CPU工作原理與系統電路圖, 該電路系統由單片機芯片 U1和七大電路模塊組成。本系統選用的單片機是PIC18F458,  DIP封裝，四十個(gè)管腳。 從U1圖表的標識中可以較直觀(guān)地、大至地看出U1芯片 各管腳的功能。七大模塊是： 一， 四個(gè)儀表步進(jìn)電機控制模塊、二，雙脈寬信號捕捉模塊、三，液晶顯示模塊、四，CAN收發(fā)驅動(dòng)模塊、五，儀表鍵盤(pán)擴展模塊、六，信號指示燈控制模塊、七，A/D轉換控制模塊。系統還擴展了一片24LC01B，FLASH串行存儲器,該串行存儲器通過(guò)I2C總線(xiàn)和CPU相連，用來(lái)記錄汽車(chē)的身份，行車(chē)總里程等。圖中 Q1是STO-23封裝的單片機的上電復模塊。

　　儀表步進(jìn)電機控制模塊用的是MOTOROALTER公司 專(zhuān)為驅動(dòng)儀表指針的步進(jìn)電機設計的專(zhuān)用芯片XI2027。該芯片帶載能力強，可同時(shí)驅動(dòng)四個(gè)帶儀表指針的步進(jìn)電機。本系統用它驅動(dòng)顯示汽車(chē)車(chē)速的步進(jìn)電機；顯示汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速的步進(jìn)電機；顯示汽車(chē)冷卻水溫的步進(jìn)電機；顯示汽車(chē)車(chē)箱油位步進(jìn)電機。

　　兩路脈寬信號捕捉模塊是本電子系統的工作中心。汽車(chē)車(chē)速和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速是該儀表系統關(guān)于車(chē)況要重點(diǎn)顯示的參數。選擇PIC18F458為控制中心的原因之一是該單片機有二路脈寬信號捕捉器,一路為普通脈寬信號捕捉器 CCP1，另一路為增強型高速脈寬信號捕捉器 ECCP1，本系統正是很好的利用了PIC18F458單片機這一特點(diǎn)，通過(guò)應用霍爾傳感器，用CCP1測量轉動(dòng)較慢的汽車(chē)車(chē)速；用ECCP1測量轉動(dòng)較快的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速，將汽車(chē)車(chē)速、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速和步進(jìn)電機帶動(dòng)的儀表對應顯示出來(lái)。

　　液晶顯示模塊用的是PHILIPS公司的HT1621B液晶驅動(dòng)芯片，該芯片可同時(shí)驅動(dòng)八個(gè)液晶數碼管。

　　系統較傳統儀表先進(jìn)的是引入CAN總線(xiàn)結構，選擇PIC18F458為控制中心的原因之二是該單片機內部集成了CAN控制器。選擇PIC18F458，這抬高了電子儀表系統的技術(shù)含量的同時(shí)大大地節省了單片機外圍接口電路，單片機外圍只需擴展CAN驅動(dòng)電路而無(wú)需復雜的控制電路。該電子系統可脫離CAN總線(xiàn)獨立工作。

　　選擇PIC18F458為控制中心的原因之三是該單片機有8個(gè)十位精度 A/D轉換接口。特別要提的是一路通過(guò)傳感器測量油箱中液位A/D轉換，另一路通過(guò)傳感器測量車(chē)冷卻水溫度 A/D轉換。此外還有光強等等。

　　為了節約單片機 I/O 資源，系統鍵盤(pán)采用了譯碼的擴展方式，擴展了74LS148譯碼芯片。信號燈控制模塊用于驅動(dòng)各車(chē)行方向指示燈和背光燈的顯示控制等。

　　2）步進(jìn)電機的控制模塊工作原理和接線(xiàn)圖

 本儀表盤(pán)上使用的電機是 SWATCH 公司生產(chǎn)的 M-S MOTOR。該電機設計精巧,結構簡(jiǎn)單,價(jià)廉物美,可以應用于各種儀表場(chǎng)合,是目前廣泛運用的十字交叉線(xiàn)圈儀表電機的替代品。其結構 可參閱SWATCH的說(shuō)明書(shū) 。原理： 該電機的電動(dòng)轉子由二個(gè)平行的帶磁鐵心的線(xiàn)圈驅動(dòng)，接口 電路圖上標為Stepmotor，步進(jìn)電機接口。脈沖驅動(dòng)線(xiàn)圈帶動(dòng)電動(dòng)機轉子轉動(dòng)，每經(jīng)過(guò)一脈沖序列的驅動(dòng)，電動(dòng)機轉子可轉 600 ，總共傳動(dòng)速比為 1:180，也就是說(shuō)，每經(jīng)過(guò)一脈沖序列，指針轉動(dòng) 1/30。M-S MOTOR步進(jìn)電機的線(xiàn)圈驅動(dòng)電流僅需 20mA，能耗低。

　　圖二 儀表系統電機驅動(dòng)接口電路圖：

　　本儀表系統選用的電機驅動(dòng)模塊 如圖二。 芯片U4 X12027。U4 X12027 是MOTOROALTER公司 專(zhuān)為驅動(dòng)儀表指針的步進(jìn)電機設計的專(zhuān)用芯片。該芯片系列有四種，有驅動(dòng)單個(gè)電機的、驅動(dòng)二個(gè)電機的以及驅動(dòng)四個(gè)、八個(gè)電機的。 X12027可同時(shí)驅動(dòng)四個(gè)步進(jìn)電機。 該芯片的使用大大簡(jiǎn)化步進(jìn)電機和CPU的接口和控制電路。從圖上就看出,STEPMOTO是四個(gè)電機和芯片的接口1A、2A、3A、4A， 1B、2B、3B、4B，  1C、2C、3C、4C，1D、2D、3D、4D。 FA,FB,FC,FD可分別控制四個(gè)電機的轉動(dòng)方向；ORIENT控制的是各電機需轉動(dòng)步數；RESET控制、清除和更新電機實(shí)時(shí)，需轉動(dòng)的步數。

　　3）顯示模塊，鍵盤(pán)模塊工作原理和接線(xiàn)圖

圖三   顯示模塊接線(xiàn)圖：

　　本儀表系統選用的顯示模塊驅動(dòng)電路如圖 三所示。芯片U2  HT1621B是 PHILIPS公司專(zhuān)為液晶段 碼顯示器而設計的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片， HT1621B 可驅動(dòng)16乘 8位液晶段 碼。芯片 U6  NNPRLCD是液晶顯示片，在 NNPRLCD液晶顯示片上可顯示16個(gè)8段碼。上電路圖所示的是 U2  HT1621B和U6  NNPRLCD連接方式 。圖中 CS為U2的 片 選 管腳，高電平有效； HT1621B通過(guò)SPI總線(xiàn) 和 CPU接口； 數據通過(guò)SPI總線(xiàn)下載到 HT1621B顯示緩沖區中,由HT1621B負責顯示和制動(dòng)刷新，不占用CPU的時(shí)間。WR為液晶顯示鎖存器的“寫(xiě)” 控制端，低電平有效。

　　鍵盤(pán)電路，如圖四所示，由于CPU 系統資源I/O口不足，本儀表系統采用譯碼的方法對鍵盤(pán)電路進(jìn)行了擴展。如圖四  U8  74LS148為8—3編碼芯片。系統仍采用軟件查循的方發(fā)，給U8 的 15腳高電平，查循U8的5腳，如為低電平，鍵輸入有效，“讀” 鍵值。

　　圖四  鍵盤(pán)模塊接口線(xiàn)路圖圖：

　　4）CAN通信模塊工作原理和接線(xiàn)圖

　　本系統 選型的單片機, 是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的工業(yè)級PIC18F458， 除上述的 該CPU的 各優(yōu)點(diǎn)外, 本儀表系統選擇 PIC18F458單片機作為核心控制單元 另一個(gè)更為重要的原因是該單片機內部集成了, 兼容BUSH1.0協(xié)議和BUSH2.0協(xié)議的CAN控制器。           

　　作為一種技術(shù)先進(jìn),可靠性高,功能完善的中遠程網(wǎng)絡(luò )控制方式,  CAN-BUS已被廣泛地應用于各自動(dòng)化控制系統中, 在汽車(chē)電子領(lǐng)域, CAN-BUS已作為一種標致該汽車(chē)檔次的一個(gè)尺度,目前CAN-BUS已較廣泛地應用于高檔轎車(chē)上。本車(chē)載儀表電子系統, 以開(kāi)放式的設計為指導思想,在兼容為一般車(chē)輛所應用的同時(shí),首先倡導應用CAN-BUS網(wǎng)絡(luò )控制系統, 其優(yōu)點(diǎn)是 可大大減少了車(chē)載所用線(xiàn)索, 降低了汽車(chē)的故障率。

　　因 單片機 PIC18F458內部集成了CAN控制器,本儀表系統在CAN網(wǎng)絡(luò )控制電路方面僅外擴了一片芯片U11A，CAN收發(fā)驅動(dòng)器TJA1050，硬件方面就完成了CAN-BUS的接口功能。節省、簡(jiǎn)化了電路設計,應用起來(lái)非常方便。.硬件方面，電路圖五，U9A  6N137,  U10A  6N137 是光電隔離器件。

　　本車(chē)載儀表電子系統可作為一個(gè)CAN獨立節點(diǎn)用在CAN-BUS自動(dòng)化控制系統中，也可脫離CAN-BUS 獨立車(chē)載工作。PIC18F458 單片機 自帶CAN 收發(fā)接口，CAN模塊相對獨立。其主要特征如下：

　　通過(guò) ISO CAN 標準測試，標準幀和擴展數據幀二種模式，0-8位數據長(cháng)度，可編程速率高達 1M bps，2個(gè)數據接收緩沖器，6個(gè)完全接收濾波器，2個(gè)對應高優(yōu)先權緩沖器，4個(gè)對應的低優(yōu)先權緩沖器，2個(gè)完全接收掩碼器，3個(gè)具有優(yōu)先權的發(fā)送緩沖器。

　　CAN模塊可工作在六種模式下：配置模式、禁止模式、正常工作模式、監聽(tīng)模式、自循環(huán)模式、錯誤識別模式。本系統涉及兩種模式： 配置模式和正常工作模式。

　　首先 在配置模式下將 CAN 控制 和 狀態(tài)寄存器，波特率控制寄存器，I/O控制寄存器，中斷標志和中斷控制寄存器，接收掩碼器和接收濾波器按照系統的要求設定好，以保證 CAN 總線(xiàn)暢通。這些寄存器能在配置模式下進(jìn)行設定，設定完畢后系統進(jìn)入正常工作模式。本儀表系統可作為一個(gè) 下位機CAN 節點(diǎn) 用在車(chē)輛 CAN 控制系統中，等待CAN總線(xiàn)傳來(lái)的數據。

　　本儀表系統和車(chē)輛 CAN 控制系統中心的通訊涉及物理層、鏈路層及應用層：

　　物理層要求： 通信協(xié)議符合 CAN2.0B。

　　鏈路層要求： 通信協(xié)議符合CAN2.0B,并部分參照 J1939/21。

　　應用層：     在這僅給出?。?油壓信號、２.車(chē)速信號、二數據幀。

　　1）        ２）車(chē)速信號：

　　優(yōu)先級： ６

　　偏置：?。?/p>

　　測量范圍：0----２５０．９９６KＭ／Ｈ

　　單位增益：１／２５６ＫＭ／Ｈ

　　傳送速率：10０ＭS

　　數據長(cháng)度：8字節

　　數據頁(yè)：  0

　　設備編號：２

　　PF：     255

　　PS：     1

　　PGN：   ６５２８１（０ＸＦＦ０１）

　?。报D―２ＢＹＴＥ：車(chē)速　
 
　　油壓信號：

　　優(yōu)先級： ６

　　偏置：０

　　測量范圍：0----500KPA

　　單位增益：２ＫＰＡ

　　傳送速率：1S

　　數據長(cháng)度：8字節

　　數據頁(yè)：  0

　　設備編號：1

　　PF：     255

　　PS：     1

　　PGN：   ６５２８１（０ＸＦＦ０１）

　?。保拢伲裕牛河蛪骸?/p>

　?。波D―８：保留（０ＸＦＦ）                 ２――８：保留（０ＸＦＦ）

　　圖五 CAN通信模塊工作接口圖：

 

　　車(chē)載儀表系統軟件工作原理及原理框圖

　　CPU  PIC18F458雖然外圍接口是8位單片機, 但內核卻是16位的，可稱(chēng)之為準16位單片機。儀表系統復雜，程序量大。 考慮到編程人員的連續性,程序的可讀性, 程序的可移植性等, 軟件系統程序用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。 單片機PIC18F458 開(kāi)發(fā) 仿真系統也支持 C語(yǔ)言環(huán)境。 編程.考慮到 該儀表系統的商用, 可持續性，為增加系統的穩定性，后續擬引入實(shí)時(shí)性好工作可靠的商用嵌入式操作系統，.軟件系統采用前后臺事件編程的方法。前 臺是主循環(huán)程序,后 臺是中斷處理程序。前 臺進(jìn)行數據處理，后 臺進(jìn)行數據采集。 采用事件編程方式，后臺改變系統的信息,前 臺 根據 后 臺改變的信息 來(lái)完成整套儀表系統的實(shí)時(shí)性處理。  軟件系統框圖因篇幅原因略去。

　　主要參考文獻： 

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　　[3] 饒運淘 等著(zhù)?，F場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應用技術(shù)[M]。北京航空航天大學(xué)出版社，2003，6。