基于SAE J1939協(xié)議的CAN總線汽車(chē)儀表設(shè)計(jì)

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、迅速地反映汽車(chē)在行駛過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如行駛速度、里程、電系狀況、制動(dòng)、壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、油量、各種危險(xiǎn)報(bào)警。隨著科技進(jìn)步，汽車(chē)排放、節(jié)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(zhǔn)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(yùn)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)總線的汽車(chē)儀表設(shè)計(jì)方案。該儀表利用CAN總線使其成為車(chē)身網(wǎng)絡(luò)一部分，遵循SAE J1939協(xié)議讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)并顯示，為駕駛員提供實(shí)時(shí)車(chē)輛工況。所設(shè)計(jì)的儀表主要應(yīng)用于重型運(yùn)輸車(chē)等領(lǐng)域，在某重型車(chē)輛工廠進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀表能夠滿足數(shù)據(jù)可靠性及實(shí)時(shí)性等要求。

1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議

1.1 CAN總線及SAE J1939協(xié)議簡(jiǎn)介

CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)1 Mb/s，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或者光導(dǎo)纖維，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的插接件能夠方便的連接。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，是目前應(yīng)用最廣泛的一種汽車(chē)總線。

SAE J1939協(xié)議是美國(guó)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(shù)據(jù)互聯(lián)模型定義的7層基準(zhǔn)參考模型而制定的。該協(xié)議明確規(guī)定汽車(chē)內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)等，并且對(duì)汽車(chē)內(nèi)部各個(gè)具體的ECU通訊作了詳細(xì)的說(shuō)明。它使用多路復(fù)用技術(shù)，為汽車(chē)上的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化的高速網(wǎng)絡(luò)連接，在車(chē)載電子裝置之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，有效地減少了電子線束的數(shù)量，提高了車(chē)輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標(biāo)準(zhǔn)化程度，更大程度地發(fā)揮了CAN優(yōu)異的性能。

1.2 SAE J1939數(shù)據(jù)幀格式

SAE J1939數(shù)據(jù)幀是以PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)為單位，共由優(yōu)先權(quán)(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(yè)(DP)、PDU格式(PF)、PDU細(xì)節(jié)(Ps)、源地址(SA)及數(shù)據(jù)域(Date Field)等7個(gè)域組成。除了數(shù)據(jù)域之外的PDU對(duì)應(yīng)于CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)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(biāo)地址(DA)。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴(kuò)展(GE)。

有些CAN數(shù)據(jù)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總線汽車(chē)儀表設(shè)計(jì)

2.1 儀表整體設(shè)計(jì)

該汽車(chē)儀表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示3個(gè)模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收車(chē)輛的各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)預(yù)處理后發(fā)送至微處理器。其中模擬量信號(hào)、脈沖信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)等傳感器信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速、水溫和故障代碼等CAN總線數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)CAN模塊發(fā)送至CAN總線后，通過(guò)CAN收發(fā)器進(jìn)行接收。微處理器接收到需要的數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果輸出。顯示模塊包括指針、LCD以及各種信號(hào)燈的顯示。微處理器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速等結(jié)果輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)指針顯示；微處理器直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示及LED燈的亮滅。汽車(chē)儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速、油量等數(shù)據(jù)，右分表盤(pán)顯示車(chē)速、油壓等數(shù)據(jù)，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(jī)驅(qū)動(dòng)。儀表接收到的各種數(shù)據(jù)中，從CAN總線獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

儀表采用Luminarv公司的LM3S2948處理器。這是一款基于ARM CortexM3內(nèi)核的微處理器，采用32位RISC，內(nèi)嵌CAN控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)成本。LM3S2948處理器內(nèi)置CAN模塊方便了CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)使儀表的通信容易實(shí)現(xiàn)，提高了可靠性。其內(nèi)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(kuò)展幀的報(bào)文傳輸：位速率可高達(dá)l Mb/s；具有32個(gè)報(bào)文對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都具有自己的標(biāo)識(shí)符屏蔽碼；包含可屏蔽中斷，針對(duì)時(shí)間觸發(fā)的CAN(1TrCAN)應(yīng)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(yùn)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足CAN總線汽車(chē)儀表的應(yīng)用要求。該處理器具有強(qiáng)大的處理能力，在車(chē)輛的各種工況下都能夠?qū)崟r(shí)反映車(chē)輛信息，同時(shí)該處理器具有很大的可擴(kuò)展空間，有利于后續(xù)開(kāi)發(fā)。

由于LM3S2948內(nèi)置CAN控制器模塊，所以只需外接一個(gè)CAN收發(fā)器即可接收總線數(shù)據(jù)。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(nèi)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(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)的收發(fā)與隔離功能。該器件設(shè)計(jì)體積小，集成度高，可取代傳統(tǒng)的CAN收發(fā)器及其外圍電路，降低了電路的復(fù)雜程度，減少了設(shè)計(jì)成本，如圖2所示。

儀表采用VID6606驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。每片VID6606可同時(shí)驅(qū)動(dòng)4路步進(jìn)電機(jī)。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(jī)的輸出軸以微步轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)微步電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/12(°)，最大角速度可達(dá)600(°)/s。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有以下特點(diǎn)：硬件微步驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)單易用，電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，能夠?qū)?shù)字信號(hào)直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為模擬的顯示輸出。該電機(jī)具有很高的顯示精度，其步距角最小可達(dá)到1/2(°)。圖3所示為VID6606驅(qū)動(dòng)儀表電路。