基于SAE J1939协议的CAN总线汽车仪表设计

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汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，是汽车信息的中心，能够集中、直观、迅速地反映汽车在行驶过程中的各种动态指标，如行驶速度、里程、电系状况、制动、压力、发动机转速、冷却液温度、油量、各种危险报警。随着科技进步，汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过仪表显示出来，使驾驶员能够及时了解并掌握汽车的运行状态，以妥善处理各种情况。
       
        这里给出一种基于CAN(Controller Area Network)总线的汽车仪表设计方案。该仪表利用CAN总线使其成为车身网络一部分，遵循SAE J1939协议读取发动机转速、水温等信息。仪表还能接收传感器的车速、油量、油压、制动气压等信号并显示，为驾驶员提供实时车辆工况。所设计的仪表主要应用于重型运输车等领域，在某重型车辆工厂进行的试验结果表明，该仪表能够满足数据可靠性及实时性等要求。
       
        1 CAN总线及SAE J1939协议
       
        1.1 CAN总线及SAE J1939协议简介
       
        CAN总线属于现场总线的范畴，是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交换而开发的一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线的通信实时性强，数据传输速率可高达1 Mb/s，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维，通过标准的插接件能够方便的连接。CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，是目前应用最广泛的一种汽车总线。
       
        SAE J1939协议是美国汽车工程师协会SAE(Societv of Automotive Engineer)发布的以CAN2.0B作为网络核心协议的车辆网络串行通信和控制协议。J1939是参照ISO的开放式数据互联模型定义的7层基准参考模型而制定的。该协议明确规定汽车内部ECU的地址配置、命名、通讯方式以及报文发送优先级等，并且对汽车内部各个具体的ECU通讯作了详细的说明。它使用多路复用技术，为汽车上的各种传感器、执行器和控制器提供建立在CAN总线基础上的标准化的高速网络连接，在车载电子装置之间实现高速数据共享，有效地减少了电子线束的数量，提高了车辆电子控制系统的灵活性、可靠性、可维修性和标准化程度，更大程度地发挥了CAN优异的性能。
       
        1.2 SAE J1939数据帧格式
       
        SAE J1939数据帧是以PDU(协议数据单元)为单位，共由优先权(P)、保留位(R)、数据页(DP)、PDU格式(PF)、PDU细节(Ps)、源地址(SA)及数据域(Date Field)等7个域组成。除了数据域之外的PDU对应于CAN扩展帧的29位标识符。其中PS是1个8位段，其定义取决于PF值。若PF值小于240，PS是目标地址(DA)。若PF值介于240和255之间，则PS为组扩展(GE)。
       
        有些CAN数据帧不是在PDU中定义，包括SOF、SRR、IDE、RTR、控制域部分、CRC域、ACK域和EOF域。这些域是由CAN定义的，SAE J1939不作修改。
       
        2 CAN总线汽车仪表设计
       
        2.1 仪表整体设计
       
        该汽车仪表系统由数据采集、处理以及显示3个模块组成。其中数据采集模块负责接收车辆的各种数据，并将数据预处理后发送至微处理器。其中模拟量信号、脉冲信号以及开关量信号等传感器信号在各传感器处采集后，分别经过分压、滤波整形以及光电隔离后发送至微处理器。而发动机转速、水温和故障代码等CAN总线数据通过发动机CAN模块发送至CAN总线后，通过CAN收发器进行接收。微处理器接收到需要的数据后，根据预定的算法对数据进行处理，并将处理结果输出。显示模块包括指针、LCD以及各种信号灯的显示。微处理器将发动机转速、车速等结果输出至电机驱动器，驱动器驱动步进电机转动，从而带动指针显示；微处理器直接驱动LCD显示及LED灯的亮灭。汽车仪表系统结构如图1所示。
         

       

         
        根据对汽车仪表的整体分析，汽车仪表盘由3个分表盘组成，左分表盘显示发动机转速、油量等数据，右分表盘显示车速、油压等数据，中分表盘用于放置LCD显示屏以及各种指示灯。仪表指针全部采用步进电机驱动。仪表接收到的各种数据中，从CAN总线获取发动机转速、水温以及电压，从各种传感器获取车速、油量、气压以及油压。
       
        2.2 系统硬件设计
       
        仪表采用Luminarv公司的LM3S2948处理器。这是一款基于ARM CortexM3内核的微处理器，采用32位RISC，内嵌CAN控制器、模数转换器(ADC)、模拟比较器等功能模块，减少了外围电路，降低了系统设计成本。LM3S2948处理器内置CAN模块方便了CAN总线数据的传输，同时使仪表的通信容易实现，提高了可靠性。其内置CAN模块具有以下特点：支持CAN 2.0B协议并支持符合SAE J1939协议的扩展帧的报文传输：位速率可高达l Mb/s；具有32个报文对象，每个对象都具有自己的标识符屏蔽码；包含可屏蔽中断，针对时间触发的CAN(1TrCAN)应用，可选择禁止自动重发送模式；通过CANOTx和CANORx引脚与外部CAN PHY无缝连接；具有可编程的F1F0模式。
       
        LM3S2948微处理器具有运算速度快、功耗小、体积小、价位低等特点。其CAN控制器模块特性完全满足CAN总线汽车仪表的应用要求。该处理器具有强大的处理能力，在车辆的各种工况下都能够实时反映车辆信息，同时该处理器具有很大的可扩展空间，有利于后续开发。
       
        由于LM3S2948内置CAN控制器模块，所以只需外接一个CAN收发器即可接收总线数据。该仪表选用CTM8251T作为CAN收发器。CTM8251T是一款通用的带隔离的CAN收发器，该器件内部集成所有必需的CAN隔离及CAN收发器。该器件可连接任何一款CAN协议控制器，实现CAN节点的收发与隔离功能。该器件设计体积小，集成度高，可取代传统的CAN收发器及其外围电路，降低了电路的复杂程度，减少了设计成本，如图2所示。
         

       

         
        仪表采用VID6606驱动器驱动步进电机。每片VID6606可同时驱动4路步进电机。在其频率控制端输入脉冲序列F(SCX)，即可控制输出端使步进电机的输出轴以微步转动，每个微步电机输出轴转动1/12(°)，最大角速度可达600(°)/s。该电机驱动器具有以下特点：硬件微步驱动、简单易用，电机只需速度F(sex)和方向(CW/CCW)2个控制端、所有输入引脚都有干扰过滤器、宽工作电压、低电磁干扰辐射。仪表板指针采用VID-29电机驱动，电机内置减速比180/1的齿轮系，能够将数字信号直接准确地转为模拟的显示输出。该电机具有很高的显示精度，其步距角最小可达到1/2(°)。图3所示为VID6606驱动仪表电路。
         

       

         
        该仪表利用LCD显示时间、燃油消耗量以及产生故障时故障名称，处理器发送的信号先经74HC245功率放大后，然后送至液晶屏F2000LCD显示。LCD电路如图4所示。
         

       

           

        2.3 系统软件设计

          系统软件设计分为主程序、CAN通信、数据采集处理和数据显示等4个模块。主程序模块通过调用各个子模块程序来处理数据处理：CAN通信模块负责发送和接收数据；数据采集及处理模块完成对各种类型数据的采集以及计算；数据显示模块将车速、油压以及信号灯等信息显示在仪表上。
         

       

         
        图5为系统主程序流程，该系统主程序流程分为：
       
        1)系统初始化。系统初始化主要包括初始化系统时钟、CAN节点、LCD液晶屏、步进电机等，并使能CAN中断，设置CAN屏蔽码和验收码。CAN节点初始化主要是初始化CAN控制器并中断CAN控制器：
       
        2)读取传感器以及CAN总线数据，并驱动指针以及LCD等显示，同时等待CAN接收中断。
       
        3)CAN接收中断产生，进入接收中断子程序读取数据。判断数据是否符合数据接收条件，如果符合，则接收数据。此过程逐位比较接收到的29位标识符与验收码、屏蔽码，只有标识符相应位与验收码相应位相同，系统才开始接收数据。
       
        4)处理器将接收的报文进行解析，提取需要的数据并进行处理。处理器对传感器传来的数据和CAN总线读取的数据进行处理计算，得到相应的指针驱动参数，计算出指针转角，并根据初始化的步进电机的参数计算出指针转动速度。指针转动速度与相应的参数变化速度成正比。同时计算出车辆行驶里程并累加到总路程上。
       
        5)处理器将包含车辆工况的一组脉冲序列发送至步进电机驱动器，驱动器驱动步进电机以微步方式转动，指示出相应的发动机转速、车速、水温以及油压等；处理器将包含车辆总路程等信息的数据发送至LCD控制器，控制器控制LCD显示相应的总路程等：处理器改变相应的I/O引脚状态直接点亮/关闭相应的指示灯。
       
        2.4 故障显示
       
        该仪表能够从CAN总线接收故障代码并对故障代码进行解析，与预先写入的故障码比对后找到对应的故障信息并显示在LCD屏幕上。每一类型的数据都有特定的数据帧ID，系统根据帧ID判断故障产生的位置。如果收到的是单帧故障，则系统来提取总字节数和总包数；如果收到的是多帧故障，系统则连续提取故障诊断报文至特定的字节，然后根据故障代码查找故障类型。
       
        3 结束语
       
        在研究CAN总线和SAE J1939协议的基础上，设计CAN总线汽车仪表。该设计充分利用LM3S2948以及VID6606的功能，较大程度上降低了系统外围电路的设计以及成本。多次实车试验结果表明，相对于常规仪表，该CAN总线仪表具有以下优点：抗干扰能力强，传输速率高，能够保证数据有效、快速、稳定地传输；减少车身布线，硬件方案软件化实现，简化了设计，降低了成本；及时、直观地查看车辆故障；CAN总线将整车构成一个网络系统，能够提升系统的灵活性，方便地增加设备，扩大了可开发的空间。