汽車整車CAN總線示教板設(shè)計分析

汽車儀表是人車交流的重要媒介，其發(fā)展主要在信息內(nèi)容及其采集、顯示等方面。以信息內(nèi)容來說，從原來的基本行駛功能要求（如機油壓力） 到現(xiàn)在各總成及整車運行情況的各種信息（如故障警示）等。其次，從信息采集與傳輸方式來說，從原來由采集元件直接獲取物理量，到現(xiàn)在利用傳感器將各種信息先轉(zhuǎn)化為電信號、再利用CAN 總線進行共享。再次，從信息顯示方式來說，經(jīng)歷了從機械式、電子式、數(shù)字式到智能化的進步。
為順應(yīng)我國汽車電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展， 將汽車電控新技術(shù)、相關(guān)電子產(chǎn)品運用于職業(yè)院校學生的技能訓(xùn)練及知識學習的教學中來。本文設(shè)計了一種典型的汽車CAN 總線儀表實訓(xùn)臺，該設(shè)備采用基于CAN 總線技術(shù)的步進電機驅(qū)動及液晶顯示的儀表系統(tǒng)，具有顯示、提示、警示等功能。下面重點介紹其硬件、軟件設(shè)計方案。
1、CAN總線汽車儀表實訓(xùn)臺設(shè)計方案
為達成設(shè)計意圖，依據(jù)汽車儀表、總線控制等前沿技術(shù)，進行了“CAN 總線汽車儀表實訓(xùn)臺”的設(shè)計，下面從硬件、軟件兩方面論述。
1.1 實訓(xùn)臺硬件設(shè)計
依功能需求， 對實訓(xùn)臺主要元件進行功能分析及選用，詳見表1。
實訓(xùn)臺的主處理器、儀表、PCB 板原型，見圖1 和圖2。
表1 CAN 總線汽車儀表實訓(xùn)臺主要元件一覽表
1.1.1 主處理器選用
選用NEC 生產(chǎn)的用于測控范疇的閃存型微控制器uPD78F0822單片機，可設(shè)定運行指令時間、4.0～5.5 V 的寬工作電壓、自帶有與CAN 總線連接的DCAN 模塊，這樣，只須加1 個CAN 收發(fā)器即與CAN 總線連接，如圖3 所示。

1.1.2 PCB 電磁干擾處理
設(shè)計PCB 時，我們運用以下原則：
1）合理總體布局與配置零配件。根據(jù)各類信號頻率、電流特性、開關(guān)數(shù)量及特點等對PCB 板空間進行合理布局，規(guī)劃好區(qū)域功能，如輸入輸出電路和元件盡可能離遠；高功率區(qū)應(yīng)單獨設(shè)置，并為完整板塊；先定核心件再配其他零配件等。
2）電源合理選用及去耦等。電源是電路動力源，也是電磁騷擾源。因此，夠用前提下，盡量選用低電流、低功率、低頻低噪電源；盡量選用加寬電源線，并讓其與數(shù)據(jù)線、地線方向一致，可增強抗噪性能。可選10～100 μF 的電容作為電源去耦電容等。
3）接地處理。盡量減小電路回路的阻抗；采用多點接地、線寬3 mm 以上；接地面與電源面為相挨兩層， 相當一大而均布的去耦電容和一高頻響應(yīng)且面、線均布的低串聯(lián)電感等。
4）去耦電容的配置。即合理選配集成電路電源及接地之間的電容。依電磁信號耦合機制，選用10～100 μF 的電解電容器，減少干擾、提升抗干擾能力。
5）其他通用原則，如為減弱高頻信號的發(fā)射和耦合，折線角度盡可能采用45°；數(shù)據(jù)、地址、控制三種總線盡量短且長度盡量接近等。
1.1.3 汽車儀表設(shè)計
依汽車儀表發(fā)展， 結(jié)合職業(yè)院校教學實際及自身科研能力， 本設(shè)計的汽車儀表主要由數(shù)據(jù)顯示（大小里程）、數(shù)據(jù)指示（車速、轉(zhuǎn)速）、超限警示（油量過低、水溫過高等）和數(shù)據(jù)存儲4 種裝置組成，如圖4 所示。

圖4 儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.1.4 步進電機的選用與驅(qū)動
本設(shè)計選用VID29—05步進電機，引腳如圖5 所示， 直接利用主處理器μPD78F0822 自有的電機驅(qū)動模塊進行控制，采用細分電機驅(qū)動技術(shù)，用變化平緩的準正弦波脈沖電機驅(qū)動信號， 加上高達180/1 減速比的內(nèi)置式齒輪機構(gòu)， 可達最小步距角1/12°、最大角速度600 °/s，同時，電機運行更加安靜、平穩(wěn)。

圖5 步進電機引腳圖
1.1.5 信號采集與調(diào)理電路設(shè)計
本設(shè)計采用比亞迪F3R 的轉(zhuǎn)速、車速、水溫、油位傳感器等采集信息；并經(jīng)信號調(diào)理，將其轉(zhuǎn)化為較為理想的信號，供單片機處理，具體電路如圖6和圖7所示。

1.1.6 復(fù)位電路設(shè)計
本設(shè)計采用手動和看門狗復(fù)位。其中看門狗電路核心是一記數(shù)器，若CPU一直工作，則不起作用；若CPU停止工作，則數(shù)值不能寫入，當計數(shù)到目標值時即復(fù)位系統(tǒng)。
1.2 實訓(xùn)臺軟件設(shè)計
本設(shè)計是基于SAE J1939應(yīng)用層協(xié)議為基礎(chǔ)，利用C語言，采用模塊化結(jié)構(gòu)來進行。
1.2.1 主程序設(shè)計
工作時，先進入主處理器初始化模塊，合理分配空間資源等，接著進入主循環(huán)運作。主處理器先通過信息交流模塊獲取各傳感器或其他元件傳來的信息，并分析判定，之后，調(diào)用相應(yīng)模塊、進行操作并展示相關(guān)信息。如收到車速信息時，一是通過指針驅(qū)動模塊顯示車速， 二再通過液晶顯示模塊更新和顯示里程數(shù)據(jù)， 三是通過警示燈與蜂鳴器控制模塊，判定數(shù)據(jù)。若超標，則亮燈并鳴叫，否則不予理會。主程序流程如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖
1.2.2 軟件程序模塊化處理
本系統(tǒng)用一主程序統(tǒng)籌，當需相關(guān)操作時，執(zhí)行相應(yīng)的子程序，操作完畢后，再回主程序繼續(xù)運作。經(jīng)分析、模塊化處理，我們將本系統(tǒng)的子程序分為初始化、CAN 信息交流、儀表指針驅(qū)動模塊、警示燈與蜂鳴器控制、液晶顯示等模塊。這樣思路清晰，運作高效，也易于查漏補缺。
2、實訓(xùn)臺的調(diào)試與市場期值
2.1 實訓(xùn)臺初步調(diào)試
調(diào)試期間采用臥式， 便于零部件的擺放和調(diào)整，及先做好整體設(shè)計和完善工作。待測試完成，再制成立式，以便教學的演示和觀看。
2.2 實訓(xùn)臺市場期值
2.2.1 擴展儀表其他信息的探討
本實訓(xùn)臺儀表主要有轉(zhuǎn)速、車速、水溫、汽油量4 種信息。如若能再拓展儀表顯示的內(nèi)容，且具備故障診斷等功能，則其實用性更高。
2.2.2 各類車型個性化儀表實訓(xùn)臺設(shè)計的探討
目前流行的有歐、美、日三種車系，其儀表系統(tǒng)也不盡相同， 如轉(zhuǎn)速的信息采集， 以霍爾式為主，也有電磁式和光電式。本實訓(xùn)臺以日系車技術(shù)為主導(dǎo)，若能將其他車系“同臺展示”，則學生更能掌握CAN 總線儀表的結(jié)構(gòu)原理及其運行。
2.2.3 CAN 總線車用儀表實訓(xùn)臺市場展望
CAN 總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車電控各方面，并日臻成熟，而儀表系統(tǒng)因不涉及安全、汽車動力等核心控制，信息收發(fā)及分析也相對簡明，是學習總線技術(shù)的入門， 且儀表對非專業(yè)人員也熟悉，容易理解。在當今中國汽車民族工業(yè)和職業(yè)教育雙翼齊飛的背景下， 本儀表實訓(xùn)臺必有一定的市場前景。 


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