一种CAN总线全电子车用仪表的设计与实现

要 随着汽车电子技术的进步，汽车仪表也必然随之而发 展，当前全电子式的汽车仪表代替机械式和电气式的汽车仪表已经成 为现实，未来汽车仪表的发展以线的仪表为主要发展趋势。 本文对汽车仪表发展做了阐述后，研究了当前车身的 总线技术，剖析了国内某重要汽车企业自主研发的 线轿车仪表技术要求，在此基础上研究设计了一款 线的全电子步进电机式汽车组合仪表。硬件上采用了飞思卡尔汽车级仪表专用芯片 中央处理器， 以恩智浦 收发器的硬件平台。软件上分析了汽车仪表设 计平台的必要性和可行性，对仪表软件的模块化进行了研究。同时针对汽车行业 的特殊性，对硬件的抗干扰能力和软件的符合性和稳定性进行了深入考虑，通过 设计和测试的结果进行了相应的修改，达到了既定的设计要求并通过了相关的测试。 由于在设计中进行了平台化的考虑，今后只需对软件 进行针对性的升级和改进，就能在此基础上实现平台的移植，为 今后相类似的全电子式汽车仪表提供了完整可靠的应用解决方案和经验。并能通 过软件升级在此基础上建立功能更强大的更复杂的系统；该系统为现在中高端汽 车仪表的开发应用提供了完善的解决方案。 关键词 ： 微处理器 步进电机 汽车仪表 of is to of of a of of AN as of of of of a AN on a s of of of of to of in be on a is to a on of a is in of a 第一章 绪论 . 1 究的背景与意义 . 1 内外研究现状 . 2 文研究的目的和内容 . 3 文的结构安排 . 4 第二章 相关技术介绍与分析 . 6 车内总线及通讯协议介绍 . 6 络测试系统 . 7 单元测试 . 9 成测试 . 10 章小结 . 11 第三章 系统需求分析 . 12 统功能需求 . 12 速表功能需求 . 12 速表功能需求 . 13 温表功能需求 . 14 油表功能需求 . 14 件控制的报警指示灯需求 . 15 晶显示屏的显示需求 . 15 号解析需求 . 17 络管理需求 . 21 能需求 . 22 靠性 . 22 维护性和可扩展性需求 . 23 章小结 . 24 第四章 系统设计与实现 . 25 统总体概述 . 25 统的硬件环境 . 26 目录 件系统环境 . 26 源电路模块设计 . 26 口模块设计 . 27 字信号接口模块设计 . 27 拟信号接口模块设计 . 28 压检测电路模块设计 . 28 动电路模块设计 . 29 发支持环境 . 30 统部分功能的策略设计 . 30 时油耗策略 . 30 均油耗策略 . 31 均车速策略 . 31 行里程策略 . 32 统任务模块化设计 . 32 行模式控制任务设计 . 33 样处理任务设计说明 . 34 写任务设计说明 . 39 C 目标参数计算任务设计说明 . 41 讯处理任务程序设计说明 . 43 统功能的实现 . 46 章小结 . 47 第五章 系统测试 . 49 能测试与环境试验验证 . 49 件测试 . 49 能测试 . 49 线测试 . 50 合仪表型电磁兼容试验 . 52 组合仪表整车静态及动态试验 . 53 相关的试验设备清单 . 54 验结果 . 55 第六章 总结与展望 . 56 统性能 . 56 在的问题 . 57 究方向 . 57 致 谢 . 58 参考文献 . 59 1第一章 绪论 究的背景与意义 汽车上的电子控制组件基本可为两大类 :(1)汽车驾驶操控系统，包括车身、底盘和动力控制系统。 (2)汽车驾驶辅助系统，包括车身信息、导航、娱乐等系统。 现代驾驶者对汽车安全性、操作性、舒适性和环保要求不断提高。过去采用手工控制或机械装置控制的方式已远远不能 适应，汽车电子控制技术的运用是满足这些要求的最好方法，因此汽车内的电子 控制系统越来越多。汽车操控系统和辅助系统目前都基本将原来大部分要手动操 作的部件改为电控，逐步实现了机电一体化。 汽车电控单元的增加，带来了新的突出问题，导线数量的剧增导致车身重量增加，更突出的是汽车大量内部信息交流和 数据传递的及时、可靠的要求提到了一个更高的阶段。因此网络和总线技术在此 期间有了很大的发展，逐渐的满足了线控汽车的需要，并不断的发展。目前，国 外的汽车总线技术已经成熟，并广泛的运用于轿车、客车和工程机械当中。 传统的汽车仪表一般是设计为机械式或者电气式模拟信号仪表， 给驾驶员提供的数据信息量很少，一般只包含车速里程 、转速、水温、油量和少量的报警灯信息。当前，汽车上已采用了大量的新功能 的电子组件，需要在汽车仪表上反映出大量的报警信息，这种机械和电气式的仪表已经不适应了。 汽车仪表必须运用数字电子技术、 网络技术和新的显示方式才能及时监控和显示汽车各电子部件的运行参数，才能为用 户提供娱乐、商务等方面的辅助服务，才能在新颖性、准确性、轻型化、低成本 和标准化等方面适应现代汽车工业的要求。汽车仪表电子化、总线化、信息化当 前仪表发展的方向，未来汽车仪表技术的发展更加突出对各种新型信号的处理， 采用更多的网络技术和软件控制技术实现对信息的转换，并采用更新颖的显示技 术来给驾驶人员提供信息服务，汽车仪表的功能将会空前拓宽。 满足上述要求的车用组合仪表即 线全电子式步进电机组合仪表。目前在外资企业和合资企业的车型中大量使用 ，同时由于该技术存在技术壁垒，对于汽车实际的网络协议一般都是汽车企业的 核心机密，国内企业没有合资背景很难2了解协议的细节，不能对应进行研究和开 发，形成配套生产能力。因此自主研发技术的车用仪表已成为中国汽车配套企业的迫切任务。 本课题来源于国内汽车集团自主研发 线汽车项目，这是首次在该企业进行 线汽车的自主开发，将建立其企业自身的 线标准和测试方法从仪表企业的角度来看，只有跟进国内企 业的技术发展，才能得到相应的技术锻炼，得到相应的技术发展和工程实践，积 累相当的经验，并在该企业今后的新品开发中占据有利地位，并辐射到其他客户 ，形成与一些外资企业或合资企业同等的竞争地位，因此具有极大的技术意义和市场价值。 内外研究现状 汽车仪表随着汽车电子的发展基本上经历了机械式仪 表、电气式仪表和全电子式仪表三个阶段。 机械式仪表一般是采用机械作用力实现里程表指示功 能的仪表。电气式仪表是基于电测原理将信号转换，采用动磁式 机芯和专用芯片和简单液晶屏实现里程等信息显示。全电子仪表是采用微处理器 和数字电路对信号进行采集、处理并使用步进电机、发光二极管和液晶屏指示车 速、转速、水温油量指示及相关报警信号显示。 国内汽车企业目前还有极少部分采用机械式仪表，例如低价格的微车、小卡。小部分的老车型在使用电气式的仪表，新 车型已大部分采用全电子式的仪表。但对于国内汽车企业，这种全电子式仪表只 能算是初级的全电子式仪表，即只采用了单片机的控制技术驱动了步进电机和只 能显示极少信息的段码式液晶屏。并不是完整的全电子式仪表。而外企或合资品牌的汽车采用的都是 线的全电子式步进电机式仪表。由于 线汽车技术的标准为国外汽车工业制定，同时汽车的关重零部件仍主要为国外企业掌控，例如 主要电控模块等。这些电控设备的通讯都全部采用总线 技术。而其通讯协议作为其核心内容，往往只在各个模块的供应商中传递，甚至 国内的汽车厂家都不能提供。因此，要么这样的车型采用的都是外资或合资的配套企业，要么在仪表上都不采用 线技术。国内配套仪表企业在 线全电子式仪表方面很少具有实践机会，缺乏开发经验，在技术上居于劣势。 当前，世界先进的 线全电子仪表的主要技术体现在以下方面： (1) 主要采用 线接口进行信息交换，是汽车网络中的一个节点。 3(2) 采用仪用步进电机作为指针的驱动机构，质量稳定。 (3) 采用点阵液晶屏或 晶屏作为信息窗口，可以显示大量的汽车信息。给司机提供全面的汽车状态的信息。 (4) 采用单一的汽车仪表专用的微处理器作为核心控制器件，仪表的功能主要通过平台化软件进行实现。 (5) 仪表诊断功能。能与汽车诊断仪通讯。能为汽车维修提供深入的信息。 (6) 仪表具有在线下载程序功能，便于生产过程中的参数调整。 文研究的目的和内容 目前国外的先进汽车仪表技术，一般都采用微机处理各种电子传感器的信息，通过总线进行汽车信息的数据交流，采用 液晶显示器和仪用步进电机显示各种车身信息。由于国内的自主汽车技术研发刚 刚起步，在先进汽车技术方面还存在一定的技术壁垒，因此必须对 线的步进电机式全电子式仪表技术进行深入的研究，提高仪表的设计和制造水平，抓住当前国内汽车产业发展的机遇进行实践，才能提高汽车仪表企业的竞争实力，打破 进入中高端汽车电子配套市场的准入门槛，获得更广泛的市场前景。 本课题的研究的目标就是要设计并实现 线全电子式步进电机车用仪表的软件平台，在汽车级微处理器的基础上 通过软件实现车身传感器信息的采集，各网络节点的信息交流，控制步进电机和 晶屏显示水温、油量、车速、转速、里程及各种报警信息。能通过各项汽车环境测试要求，并能满足实车使用。 该软件平台首先要适应当前汽车输入信号的发展，一 方面是汽车各类信号来源和传递方式的发展。例如传统的车速信 号来自于机械传动并通过软轴提供给仪表。现代的主流是通过电子式车速传感器 提供脉冲信号，在配置较为高档的汽车上， 电控单元共用车速传感器，车速信号可来自汽车变速箱，也可来自于轮速，信号的传递方式即可采用硬线直接连接，也可通过 线进行数据化的共享。另一方面是随着汽车电子部件 的增多，各类显示信息的种类和数量的变化，一般的汽车仪表的报警信号在十二 三个左右，但复杂的轿车和卡车仪表的报警信息在三十个左右，车内外温度、倒 车雷达、胎压显示、防盗、电子助力转向、电子防侧滑、卫星导航和网络等信息 都可以计入仪表。软件设计中必须针对汽车信号的特殊需求，准确的进行采样和 处理，为真实有效的反映汽车信息提供基础。 4该软件要实现车用仪表的各项功能。由于汽车仪表的 功能拓展，输入信号的电子化，显示技术的发展，汽车仪表的控 制方式也由原来的分离模块或者单立技术发展为综合控制，即采用功能强大的中 央控制单元对输入的车速、里程、发动机转速、油量、水温、报警信号和增添的 特定功能进行直接采样，通过软件程序进行调理，并直接通过芯片内部的步进电机和 制单元，驱动仪表指针转动和液晶显示屏的显示，减少了分离元器件 的使用，提高了通用性和参数变化调整的灵活性。使汽车仪表的技术可平台化， 模块化，智能化。从而提高新产品的开发质量，加快同类型变形产品的研发速度，并使技术的可持续性发展成为可能。 该软件主要关注以下技术的实现。 首先是接口软件技术的研究，尤其是总线接口软件的研发。当前 线的汽车仪表是发展的趋势，我国企业的相关 技术和经验刚刚处于起步阶段，如何更好的制定相关的应用层规范和发展测试技 术，提高软件的可靠性和合理性是必须关注的重要课题。 其次是指示控制软件技术，主要包含步进电机的控制 技术，如何提高步进电机的跟随性、响应性、平滑性对软件的开 发有着很高的要求，另外图形显示技术也是当前需要研究和完善的重点。同时控 制策略的不断发展才能满足客户不断提升的实用性要求，例如油量显示，过去的 仪表存在着指示不准确的问题。油表的显示受路况变化、加油习惯、停车位置等 的影响。而全电子式仪表可利用更多的相关信息，例如车速、转速、时间等当前 参数，制定较为复杂的计算策略，并辅以模糊化的判断技术解决这一问题。还有 就是实现诊断功能和在线刷写程序的功能。 另外，由于汽车的电磁干扰环境复杂，使用环境恶劣 ，如何提高软件的抗干扰性，提高软件的可靠性更是仪用软件技 术的核心要求。例如汽车的电源电压的波动性大，可能存在瞬间从 15V 到 6V 的电源变化。这就要求软件在进行掉电判断必须采用相应策略，准确识别当前车况 ，同时也要求对电压进行跟随性检测，标定基准电压，为 量的准确性提供正确的基准。才能防止仪表出现异常复位或者各种信号的波动，给驾驶人员提供 不准确信息，影响其判断和驾驶心理，造成不好的影响。 文的结构安排 本文的研究目标是为了实现车用 线全电子式仪表的软件系统，整体的5论文结构安排如下： 第一章简要介绍当前汽车行业电子化的发展对相应的 配套企业的要求，提出了必须开发 线全电子式仪表的意义和必要性。对国内外当前的现状作了一定的调查。阐述了本文的研究意义与研究 内容，说明了本课题的研究对当前我国汽车行业具有极大的实用价值。 第二章主要是对本课题在建立 线全电子式仪表系统的过程中，所涉及到的汽车总线和总线的测试要求和方法进 行概述，使得本课题的技术实现有较好的基础。 第三章是对 线全电子式仪表系统实际使用需求做了相应的分析，从系统功能需求、网络管理需求、可靠性需求 、可维护性和可扩展性需求等方面进行分析，确定了系统开发的具体技术目标。 第四章是对 线全电子式仪表系统的整体与模块化设计与实现，主要是根据第三章提出的技术目标，用 C 语言实现各模块功能的设计。 第五章是对系统的测试部分，列出了汽车行业的通用的测试方法与 线仪表需特别进行的测试方法和要求，并给出了测试结果。 第七章是本文所做工作的总结与对系统的进一步完善的展望。 6第二章 相关技术介绍与分析 车内总线及通讯协议介绍 汽车不断增加的功能和电子单元代替机械控制的发展，使车上的电子设备不断的增加，传统的采用点对点的连接方式，每增加一个电子设备就必须增加相应的电气连接，从而使线束越来越复杂，增加相应的成本，在有限的汽车空间内的布线也越来越困难，也导致了安装和维修的各种问题。简单的点对点的连接已不能满足越来越多的新电子设备之间的各种信息的交流速度和调度的需要。因此，现代汽车总线技术的产生和推广使用是汽车工业技术、成本、可靠性、速度等要求的必然结果。 美国汽车工程师协会（ 汽车数据传输网络划分为四类，如下表 2络数据传输分类所示。 表 2网络数据传输分类 在今天的汽车中，车身的高速信号和舒适性电子组件都通过 线进行连接， 升级版，目前成本很贵，尚不能规模化使用，但是， 会逐渐取代 成为未来车内网络的主流技术 0。而需要高速信息通信的视频、图片、动态画面或远程信息同步信息都可由 议来实现。无线通信则可以通过蓝牙技术加以实现。 线是德国 司从 20 世纪 80 年代初开始开发的通过串行总线7技术实现汽车电子组件之间的复杂通信的协议。它具有下述的基本特点： 线是一种串行数据通信协议，专门开发的 制器直接完成 应 用层的功能由用户通过微处理器自行开发。 用非破坏性仲裁技术，当出现网络两个以上节点发送时，不需要仲裁，而是通过节点的优先级自动调整，避免了 网络瘫痪的可能。优先级通过报文的标识符 (分，报文标识符在网 络中是唯一的，标识符描述了数据的含义，某些特定的应用对标识符的分配进行了标准化。根据需要可进行相关性报文过滤。 用短帧结构，受干扰的概率低，具有极好的检错效果，重新发送的时间短。 议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，理论上网络的节点是无数，其受节点的局限主要在于总线的驱动能力。当前可达 110 个节点。其节点数量可以动态变化，组网灵活。 一种多主总线，即每个节点既可以成为主机也可以成为从机，可以点对点，或者点对多，以及进行全局的数据 发送和接受。各节点平等，任一节点可在任一时刻主动发送，而不需要专门的调度机构。 线可以灵活的选用双绞线、光纤或同轴电缆等通讯介质进行高速的数据传输。 线传输速率最高可达到 1s（ 40m），距离最远可以达到 10率 5 每帧数据都有效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，物理接口有抗电磁干扰设计，适于在高干扰环境中使用；具有错误报文重发、临时错误的恢复以及严重错误的自动关闭功能。 线协议对物理层没有严格定义，给使用者较大的灵活性，同时也给设计者带来了困难。但是通过汽车工业和美国机动车工程师学会等机构对 用协议的标准化，基本统一了总线的物理层 ，如电气接口，位速率，连接器等，对消息的意义进行了进一步统一的描述，建 立了相对认可的通信模型，使建立和集成网络变得容易多了。 络测试系统 在 络开发流程中， 需要对所开发的 络节点和 络系统进8行验证与确认，既要检查所开发的 络节点设备是否符合设计规范，即“是否 正确的做了产品”，即单节点测试。又要检查集成后的 络系统是否满足初始需求，即“是 否设计了正确的产品”。即系统集成测试。验证和确认需要通过搭建相应的测试系统来完成。 不论是单节点测试还是系统集成测试，测试的内容 (要包括 : 物理层测试 目的是验证 点及 线网络在电路设计、 物理电平特性等方面 的性能，保证节点能够正确连接入总线。有 电平（隐性电平、显性电 平及差分电平）测试、 电平沿信号测试、 点的终端电阻值测试、 电平对称性测试等。 数据链路层测试 目的是测试单个节点的数据链路层参数，确保 络集成后总线通信 性能的一致性。有位定时测试、采样点测试、 试、数据帧的正确性测 试等。 交互层测试 主要是 文的传送周期测试。 应用层测试 包括应用层协议的测试、网络管理功能测试和故障诊断测试等方面的内 容。通过此测试检测每个 点是否按照系统的 线通信规范实现了 应用层协议，是否实现了相应的诊断功能，以及 络集成后的网络管理 功能是否达到了要求。 网络测试必须先进行单元测试，然后才进行系统集成 测试。针对单个节点和 整个总线网络的 线测试平台的组成结构分别如图 2示 9图 2线测试平台 单元测试 单元测试即只针对一个被测节点设备 (进行相应的测试。 单节点的物理层和链路层测试可采用 司的 线干扰仪网络示波器 行测试。 通过改变自身的电阻和电容，可以模拟网络开路和短路、生成各种干扰脉冲提供给被测节点。 以测量 线上的信号电平，它以图形化方式将 上的电平以及它们两者的差值显示出来， 在跟踪窗口里作为 文， 信号和错误帧的形式列出。 能在跟踪窗口中按照 将 识符号， 位场以时戳方式进行显示。因此可以研究节点接入 网络后的一系列物理电平特性。如传输线干扰、 制器的干扰、可编程短路和断路、数据链路层错误 、位定时测试。 单节点应用层测试则包括了上层应用协议的测试、网 络管理功能的测试、故 障诊断测试和功能测试等方面的内容。 主要包括： 数据库使用正确性测试、 通讯 周期准确性测试、节点休眠唤醒功能测试、网络管理功能测试、网关测试、错误 帧频率测试、电压影响测试、总线物理故障测试、节点故障自恢复能力测试、通 讯失败的故障诊断功能测试等。 在实验室环境下，通过 与被测单元建立 信连接，通过 I/O 接10口 电缆 I/取被测单元的 I/O 信号。这样可在 上使用 件建立网络中其它节点的仿真模型，以半物理仿真的形式测试被测单元的功能 和通讯性能。 线系统级设计和分析测试软件 单元测试提供的多种具有不同 功能的分析评估窗口，如文本数字形式的总线报文跟踪 口、信号观测 口，图形化信号时域行为动态显示 口等。这些强大的分析评 估窗口为 点单元测试提供了便利。 在现场环境下， 可使用 供的手持式快速原型 点设备 拟网络中的其它节点对被测单元进行测试。 有丰富的 I/O 接口和 标准的 线接口， 并可以通过配置软件方便地设置其软件功能， 很好地模拟 网络中的其它节点。通过 被测单元输入 文和相应的 I/O 信号，然后观察被测单元的控制动作，就可以对被测单元的功能进行逐一测试。 成测试 当每一个节点都测试通过后，需要将所有节点连入网络，进行 线系统 集成测试，测试集成后的网络性能。 在集成测试过程中， 仍然利用 供的测试软件 测总线通信 的报文以及信号，检测总线的错误帧、总线负载率等信息。 提供了测试 软件包，能够使用扩展的编程功能编写测试流程 ,控制 工具， 并支持 言编写的测试脚本， 实现自动化测试流程， 将测试 结果自动生成 试报告。集成测试包含了更多的物理层和数据链路 层测试项目，仍然使用 行。 在系统集成后，需要观测系统长期工作的稳定性。这时候可以使用 供的 线记录仪 过 配置软件设置好 就可以 在无人值守的条件下自动记录 线上发生的报文。 有强大的连续 记录能力，测量过程记录的总线数据可以方便地在 进行回放，为工程人 员进行事后离线分析提供了便捷的途径。如果 线测量测试环境苛刻，还可 以借用 量工具， 有优越的 性和抗振动能力，适 应的温度范围广，尤其适合苛刻环境下的 线测量测试工作。 11章小结 本章主要对开发过程中要涉及到的汽车 线和测试技术做了简要的介绍。本课题就是要在汽车厂的 线协议的应用层下展开设计，并需要通过汽车厂相应的 物理层、数据链路层、交互层及应用层一系列的测试。 12第三章 系统需求分析 统功能需求 组合仪表是一个 线仪表，该组合仪表除了车速、油量、油耗及一些报警开关信号来自传感器和硬线连接外，其他的信号全部来自 线。仪表输出主要有车速、转速、油量、水温及各种报警、状态指示。其中车速、转速采用指针指示，指针采用步进电机驱动。油量、水温、档位、累计和小计里程、瞬时油耗、平均油耗及各种报警和中文提示信息都在仪表中央的一个 晶屏上显示。同时仪表上也有相应的指示灯进行指示。其造型如图 3表造型图。 图 3表造型图 速表功能需求 车速表采用步进电机指示 组合仪表的车速表指示范围： 0h。 车速信号来源： 速传感器输入，轮速传感器规格： 48 齿 /转（轮胎转一转，传感器输出 48 个脉冲） 。 仪表接收车速脉冲的 （每公里接收脉冲数） ：24803 可动部分运动状态：当车速平稳变化时，车速表指针 运动应平稳，不应有卡滞现象；在任意恒定的速度下 ,车速里程表指针在 20Km/h 176Km/h 的速度范围内，其摆动范围不超过 1Km/h。当车速表停止工作时，指针轴线应在起始分度范13围内。 车速表指示误差符合表 3表 3规定。 表 3车速表的指示误差（单体误差） 测试电压 际车速（km/h） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 指示车速 (km/h) 200000020406080车速表的指示误差（整车误差） 测试电压 示车速（km/h） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 实际车速 (km/h) 175555143352速表功能需求 转速表采用步进电机指示。 发动机转速信号：取自 线， 。 转速表指示误差符合表 3表 3规定。 表 3转速表指示误差（单体误差） 测试电压 速表指示转速（1000 2000 3000 40 00 5000 6000 7000 基本误差 （被检点转速值的百分数， %） 3 表 3转速表指示误差（整车误差） 测试电压 度（1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 指示公差（100