帶CAN總線的汽車儀表總程

　　引言：隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，其在我國制造業(yè)界的龍頭地位越來越明顯。為進一步增加汽車生產(chǎn)的國產(chǎn)化程度，作為汽車核心技術的自主產(chǎn)權就迫切地提到我國汽車發(fā)展的戰(zhàn)略日程上來。 帶CAN總線的車載儀表系統(tǒng)就是基于這一理念，迎合當今潮流，在眾多國內汽車制造商的急切關注下，作為我國汽車業(yè)的一項科技含量高起點的自主技術知識產(chǎn)權的產(chǎn)品研發(fā)出來。該電子系統(tǒng)的特殊優(yōu)點 其一， 它將以前的模擬組合的各分離式儀表 數(shù)字化式的統(tǒng)一管理起來。在 提高了儀表的穩(wěn)定性、 精度，提高了儀表壽命的同時 大大地降低了制造成本；其二, 它在汽車儀表內引入了CAN總線,將系統(tǒng)設計成 開放式,易嵌入式的結構，在減少了系統(tǒng)的線索， 提高了系統(tǒng)抗干擾性的同時,大大地增加了系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)流量, 保正了車載儀表的實時性。 簡化了儀表系統(tǒng)和汽車中央控制中心的接口。

　　已研發(fā)出來的該套電子儀表系統(tǒng),不緊填補了我國車載儀表無全數(shù)字化的空白，同時它也是一個有著廣泛的市場行情,可持續(xù)性發(fā)展的企業(yè)項目。

　　車載儀表系統(tǒng)要處理的參數(shù)和硬件工作原理框圖

　　一  車載儀表系統(tǒng)要處理和顯示的參數(shù)

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

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

　　本儀表系統(tǒng)設計成一個總表盤。 總表盤上要以表針指示的主要參數(shù)有：1） 發(fā)動機冷卻水的溫度、2）油箱中的油量、3）發(fā)動機的轉速、 4） 汽車實時行使速度。

　　儀表盤上要以液晶顯示的參數(shù)有： 1） 發(fā)動機的轉速、 2）汽車實時行使速度、 3）行車時間和車行總里程(此片 液晶片上所顯示的數(shù)據(jù)可以翻 頁)。 電路最大可同時點亮16位液晶數(shù)碼管，此外 儀表盤上還要有各向車行方向指示燈、轉向燈、儀表盤背光顯示燈等。

　　該儀表系統(tǒng)的主要工作、任務是： 通過溫度傳感器將汽車發(fā)動機冷卻水的溫度、 通過油浮子 或 磁浮開關傳感器將汽車油箱中的余油量、 通過高速、 低速 霍爾傳感器將汽車內燃機的轉速和汽車的實時行使速度轉換為脈沖周期, 經(jīng)過CPU  的A/D轉換處理 和CCP的脈寬捕捉處理, 處理結果 用四個步進電機帶動四個表針，實時地指示給車駕駛員, 同時 發(fā)動機轉速,車行駛速度,車行駛里程,三個參數(shù)還須以液晶數(shù)碼管，可數(shù)字式地顯示出來。此外汽車的門控制顯示燈，左右轉向, 前后行駛, 以及汽車的剎車燈, 當環(huán)境光線暗下后 儀表盤須制動開啟的背光燈等,都須以發(fā)光管的形式反應到儀表盤上。此外系統(tǒng)還需每隔一段時間記錄并同時備份一次行車里程數(shù)到串行存儲器中。

　　二 車載儀表系統(tǒng)硬件電路工作原理和原理圖

　　本系統(tǒng)中心選型的單片機 是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的工業(yè)級PIC18F458。可以說, PIC18F458是一款專為車載儀表系統(tǒng) 量身訂定做的單片機。 雖然CPU PIC18F458的外圍接口是8位的, 但內核總線結構確是16位的。準確的說 PIC18F458是一款準16位單片機，即 它既具有8位單片機接口簡單特點 同時 它又具備16位單片機的運算能力。 該單片機指令系統(tǒng)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。且I/O口的驅動電流大于2mA, 可直接用于驅動數(shù)碼管, CPU芯片帶載能力極強。另外該單片機還可進行8路，十位精度的A/D轉換。該款單片機的程序和數(shù)據(jù)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, 總體來說,有4K的數(shù)據(jù)存儲器 和2M的程序存儲器空間, 內存空間為哈福結構,數(shù)據(jù)空間和程序空間可獨立尋址。 就4K的數(shù)據(jù)存儲器管理而言,分為16個頁面,每頁面為256個字節(jié)。 2M的程序存儲器空間管理,類似于8088/8086,2M的程序存儲器空間管理,分為堆棧和物理地址二個部分(因篇幅,這里不展開敘說)。這款單片機內存管理有很有特點, 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(tǒng)的移植。就這款單片機而言, 系統(tǒng)如采用目前較流行的商用嵌入式操作系統(tǒng)則無需外擴存儲芯片。

　　該款單片機專為車載儀表設計,它包含了一般16位單片機所含的內核的同時, 它的內部還封裝了一個256字節(jié)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總線的方式。本儀表系統(tǒng)設計,因需要,外擴了一片F(xiàn)LASH串行存儲器24LC01,以記錄一些較重要的車輛信息。 用I2C總線的方式向24LC01寫數(shù)據(jù)的同時可以鏡象復制一份數(shù)據(jù)到該CPU芯 片內的 串行存儲器中,這樣可以將重要的數(shù)據(jù)保二份,一份在CPU內,一份在CPU外。這樣既防止了重要數(shù)據(jù)丟失,也防止了車輛信息數(shù)據(jù)被人為做假。下面分五個子圖簡介該車載儀表電子系統(tǒng)的工作原理和具體的實現(xiàn)電路。

　　1）           CPU單片機 PIC18F458應用工作原理系統(tǒng)圖和接線圖

　　圖一CPU單片機 PIC18F458應用系統(tǒng)接線圖：

　　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(tǒng)電路圖, 該電路系統(tǒng)由單片機芯片 U1和七大電路模塊組成。本系統(tǒng)選用的單片機是PIC18F458,  DIP封裝，四十個管腳。 從U1圖表的標識中可以較直觀地、大至地看出U1芯片 各管腳的功能。七大模塊是： 一， 四個儀表步進電機控制模塊、二，雙脈寬信號捕捉模塊、三，液晶顯示模塊、四，CAN收發(fā)驅動模塊、五，儀表鍵盤擴展模塊、六，信號指示燈控制模塊、七，A/D轉換控制模塊。系統(tǒng)還擴展了一片24LC01B，F(xiàn)LASH串行存儲器,該串行存儲器通過I2C總線和CPU相連，用來記錄汽車的身份，行車總里程等。圖中 Q1是STO-23封裝的單片機的上電復模塊。

　　儀表步進電機控制模塊用的是MOTOROALTER公司 專為驅動儀表指針的步進電機設計的專用芯片XI2027。該芯片帶載能力強，可同時驅動四個帶儀表指針的步進電機。本系統(tǒng)用它驅動顯示汽車車速的步進電機；顯示汽車發(fā)動機轉速的步進電機；顯示汽車冷卻水溫的步進電機；顯示汽車車箱油位步進電機。

　　兩路脈寬信號捕捉模塊是本電子系統(tǒng)的工作中心。汽車車速和汽車發(fā)動機轉速是該儀表系統(tǒng)關于車況要重點顯示的參數(shù)。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(tǒng)正是很好的利用了PIC18F458單片機這一特點，通過應用霍爾傳感器，用CCP1測量轉動較慢的汽車車速；用ECCP1測量轉動較快的汽車發(fā)動機轉速，將汽車車速、汽車發(fā)動機轉速和步進電機帶動的儀表對應顯示出來。

　　液晶顯示模塊用的是PHILIPS公司的HT1621B液晶驅動芯片，該芯片可同時驅動八個液晶數(shù)碼管。

　　系統(tǒng)較傳統(tǒng)儀表先進的是引入CAN總線結構，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(tǒng)的技術含量的同時大大地節(jié)省了單片機外圍接口電路，單片機外圍只需擴展CAN驅動電路而無需復雜的控制電路。該電子系統(tǒng)可脫離CAN總線獨立工作。

　　選擇PIC18F458為控制中心的原因之三是該單片機有8個十位精度 A/D轉換接口。特別要提的是一路通過傳感器測量油箱中液位A/D轉換，另一路通過傳感器測量車冷卻水溫度 A/D轉換。此外還有光強等等。

　　為了節(jié)約單片機 I/O 資源，系統(tǒng)鍵盤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各車行方向指示燈和背光燈的顯示控制等。

　　2）步進電機的控制模塊工作原理和接線圖

 本儀表盤上使用的電機是 SWATCH 公司生產(chǎn)的 M-S MOTOR。該電機設計精巧,結構簡單,價廉物美,可以應用于各種儀表場合,是目前廣泛運用的十字交叉線圈儀表電機的替代品。其結構 可參閱SWATCH的說明書 。原理： 該電機的電動轉子由二個平行的帶磁鐵心的線圈驅動，接口 電路圖上標為Stepmotor，步進電機接口。脈沖驅動線圈帶動電動機轉子轉動，每經(jīng)過一脈沖序列的驅動，電動機轉子可轉 600 ，總共傳動速比為 1:180，也就是說，每經(jīng)過一脈沖序列，指針轉動 1/30。M-S MOTOR步進電機的線圈驅動電流僅需 20mA，能耗低。

　　圖二 儀表系統(tǒng)電機驅動接口電路圖：

　　本儀表系統(tǒng)選用的電機驅動模塊 如圖二。 芯片U4 X12027。U4 X12027 是MOTOROALTER公司 專為驅動儀表指針的步進電機設計的專用芯片。該芯片系列有四種，有驅動單個電機的、驅動二個電機的以及驅動四個、八個電機的。 X12027可同時驅動四個步進電機。 該芯片的使用大大簡化步進電機和CPU的接口和控制電路。從圖上就看出,STEPMOTO是四個電機和芯片的接口1A、2A、3A、4A， 1B、2B、3B、4B，  1C、2C、3C、4C，1D、2D、3D、4D。 FA,FB,FC,FD可分別控制四個電機的轉動方向；ORIENT控制的是各電機需轉動步數(shù)；RESET控制、清除和更新電機實時，需轉動的步數(shù)。

　　3）顯示模塊，鍵盤模塊工作原理和接線圖

圖三   顯示模塊接線圖：

　　本儀表系統(tǒng)選用的顯示模塊驅動電路如圖 三所示。芯片U2  HT1621B是 PHILIPS公司專為液晶段 碼顯示器而設計的專用驅動芯片， HT1621B 可驅動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SPI總線 和 CPU接口； 數(shù)據(jù)通過SPI總線下載到 HT1621B顯示緩沖區(qū)中,由HT1621B負責顯示和制動刷新，不占用CPU的時間。WR為液晶顯示鎖存器的“寫” 控制端，低電平有效。

　　鍵盤電路，如圖四所示，由于CPU 系統(tǒng)資源I/O口不足，本儀表系統(tǒng)采用譯碼的方法對鍵盤電路進行了擴展。如圖四  U8  74LS148為8—3編碼芯片。系統(tǒng)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  鍵盤模塊接口線路圖圖：

　　4）CAN通信模塊工作原理和接線圖

　　本系統(tǒng) 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)點外, 本儀表系統(tǒng)選擇 PIC18F458單片機作為核心控制單元 另一個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。           

　　作為一種技術先進,可靠性高,功能完善的中遠程網(wǎng)絡控制方式,  CAN-BUS已被廣泛地應用于各自動化控制系統(tǒng)中, 在汽車電子領域, CAN-BUS已作為一種標致該汽車檔次的一個尺度,目前CAN-BUS已較廣泛地應用于高檔轎車上。本車載儀表電子系統(tǒng), 以開放式的設計為指導思想,在兼容為一般車輛所應用的同時,首先倡導應用CAN-BUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng), 其優(yōu)點是 可大大減少了車載所用線索, 降低了汽車的故障率。

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

　　本車載儀表電子系統(tǒng)可作為一個CAN獨立節(jié)點用在CAN-BUS自動化控制系統(tǒng)中，也可脫離CAN-BUS 獨立車載工作。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 ISO CAN 標準測試，標準幀和擴展數(shù)據(jù)幀二種模式，0-8位數(shù)據(jù)長度，可編程速率高達 1M bps，2個數(shù)據(jù)接收緩沖器，6個完全接收濾波器，2個對應高優(yōu)先權緩沖器，4個對應的低優(yōu)先權緩沖器，2個完全接收掩碼器，3個具有優(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(jiān)聽模式、自循環(huán)模式、錯誤識別模式。本系統(tǒng)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(tǒng)的要求設定好，以保證 CAN 總線暢通。這些寄存器能在配置模式下進行設定，設定完畢后系統(tǒng)進入正常工作模式。本儀表系統(tǒng)可作為一個 下位機CAN 節(jié)點 用在車輛 CAN 控制系統(tǒng)中，等待CAN總線傳來的數(shù)據(jù)。

　　本儀表系統(tǒng)和車輛 CAN 控制系統(tǒng)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.車速信號、二數(shù)據(jù)幀。

　　1）        ２）車速信號：

　　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(shù)據(jù)長度：8字節(jié)

　　數(shù)據(jù)頁：  0

　　設備編號：２

　　PF：     255

　　PS：     1

　　PGN：   ６５２８１（０ＸＦＦ０１）

　　１――２ＢＹＴＥ：車速　
 
　　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(shù)據(jù)長度：8字節(jié)

　　數(shù)據(jù)頁：  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：

 

　　車載儀表系統(tǒng)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，可稱之為準16位單片機。儀表系統(tǒng)復雜，程序量大。 考慮到編程人員的連續(xù)性,程序的可讀性, 程序的可移植性等, 軟件系統(tǒng)程序用C語言開發(fā)。 單片機PIC18F458 開發(fā) 仿真系統(tǒng)也支持 C語言環(huán)境。 編程.考慮到 該儀表系統(tǒng)的商用, 可持續(xù)性，為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后續(xù)擬引入實時性好工作可靠的商用嵌入式操作系統(tǒng)，.軟件系統(tǒng)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 臺進行數(shù)據(jù)處理，后 臺進行數(shù)據(jù)采集。 采用事件編程方式，后臺改變系統(tǒng)的信息,前 臺 根據(jù) 后 臺改變的信息 來完成整套儀表系統(tǒng)的實時性處理。  軟件系統(tǒng)框圖因篇幅原因略去。

　　主要參考文獻： 

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