基于CAN总线的汽车仪表设计

摘 要本设计致力于汽车入讨论了系统的设计思想与实现方法，实现了在个设计分为硬件系统和软件系统两部分。其中硬件系统是以飞思卡尔公司的为微处理器的核心。软件系统是利用C 语言编写程序实现两个统首先构建了一个由两个两个节点进行软件设计后，来实现相互之间的通讯和数据收发，同时在汽车的用层协议基础上，上位机节点对接收的到虚拟仪表各控件所对应的数据。其中，基于键词：车仪表；语言；单片机AN of of of is of is as s is of AN CU of a by AN of to in AN PC to CM is of 摘要.第1章绪论.课题研究的目的和意义.汽车仪表的发展.研究的基本内容.汽车总线.汽车的其他总线.汽车通讯协议.1939通讯协议.本章小结.硬件系统的组成.微处理器的选择.微处理器的介绍.串行接口电路的设计.按键电路设计.电位计电路设计.本章小结.下位机主程序流程图.上位机流程图. 按键中断函数流程图. 本章小结. 整体概述. 测试. 本章小结.文原文.文翻译.而随着汽车电子技术的发展，它已经渐渐不能满足现代汽车对于汽车仪表的功能需要。因为目前对汽车仪表的要求，已经不仅仅满足于单纯的完成指示工作了，而且还要求汽车仪表能够对实现对汽车各部件参数的监测，而达到控制汽车各种运行工况的目的。在未来，自动导航和定位系统会渐渐成为汽车仪表的必不可少的配置，而且多媒体等娱乐技术也会嵌入到汽车仪表当中。所以说，汽车仪表的发展趋势一定是向着全数字仪表的方向去发展的。仪表是汽车工作状态的信息显示中心，是驾驶员与汽车进行信息交流的平台，是保证汽车安全行驶的关键零部件之一。近年来随着微电子技术、控制技术、网络通信技术的发展，此汽车仪表可通过须专门布置传感器，从而可使汽车仪表系统得到大大简化，同时也显著降低了仪表的成本。因此,将设计选用16位微控制器仪表与微处理器、于气式仪表和模拟电路电子仪表，把各参数的测量数字化，有利于和汽车其它的电子集中控制系统进行数据交换，有利于汽车集中控制系统的发展和实现，此外还使得汽车仪表的功耗、安全性、可靠性、舒适性得到更好的提高。通过调整电路参数还可适应不同种类和量程的产品需求，使得汽车仪表在结构的通用化、模块化、标准化、系列化程度大大提高，进而简化了生产工艺和制造设备。部结构和显示方式，汽车仪表的发展过程可以分为以下四个阶段1：1传统仪表阶段。这一阶段是从20世纪初到20世纪30年代，在此阶段中汽车开始安装各种仪表，如车速里程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流表(电压表)和发动机转速表等，这些确定了现代汽车仪表板的基本结构。这一阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式/电磁机械式的，是基于机械作用力而工作的机械式仪表，所以也称机械机芯表。这种汽车仪表功能单一，仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是为安全性着想，信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，容易使驾驶员疲劳。2电气式仪表阶段。这一阶段从20世纪40年代到50年代，仪表功能实现不再仅仅依靠机械作用力，而是基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量，称之为电气式仪表。电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原理是永久磁铁在气隙中产生的磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力矩。磁电式仪表多用于测量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。磁电式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流电路的精密测量和实验室中的标准测量仪表。但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变，测量误差变大。3现代电子仪表阶段，也称模拟电路电子式仪表。第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件，其出现的时间大致在20世纪5060年代。随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电路，是国内汽车仪表目前主流产品，目前国内大多数汽车还是采用这种结构的仪表。经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心阶段，围绕着提高指示精度和指针平稳性，动磁式代替了动圈式2。4步进电机式全数字汽车仪表。全数字式汽车仪表在国外从80年代末就己经开始研究，在国内直到最近才开始对其重视。从其应用技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但是信号传输方式己经从模拟信号变成数字信号，并朝着数字化、智能化、网络化、虚拟化方向发展。其应用特点是单片机与微处理器的广泛应用，同时软件程序在系统设计方案中占的比重也越来越大，内部程序的编写取代了外围电路的连接闭。与传统的模拟仪表相比较具有：使用寿命长、精度高、可靠性好、抗干扰性强等特点。汽车工业推入了一个全新的时代。由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子装置发展的一个重要趋势，是大量使用微型计算机来提高汽车的性能。目前，平均每辆车上汽车电子装置的费用约占整车成本的 20%，而且越是高档的轿车电子化程度越高。有的豪华轿车已经使用了48个单片微型计算机。汽车电子控制装置的增多，使得连接汽车电子控制装置之间导线也变得更为复杂3。因此，解决现代汽车中众多控制装置和电子仪表之间的数据交换问题，以及车载电子装置之间的数据通信问题变得越来越重要，汽车仪表技术网络化已经成为汽车工业发展的必然趋势。为解决该问题，德国 司在 80 年代初开发了一种串行数据总线，讯线可以是一根双绞线、同轴电缆或光导纤维，将各种汽车电子装置连接成为一个网络4。它可以有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。在这个系统中，各控制装置独立运行，控制和改善汽车某一方面的性能，同时可为其他控制装置提供数据服务。以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络系统，由于 线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、多主站点、通讯协议简单和性能价格比高等突出的优点。如今，汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用。为使不同厂家生产的零部件能在同一辆汽车中协调工作，1993 年 11 月，式颁布了控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。同时，著名半导体器件生产厂家的广泛支持，他们纷纷推出了制器的微控制器(片，如 司的82527，2此在接口芯片技术方面，逐步形成系列。到目前为至，世界上已拥有 20 多家 10 多种 线协议控制器芯片和集成仪表中的要使用低速通讯接收汽车信息数据，可以从其他速、剩余油量以及发动机水温信号进行模拟指示；另外也可以接收如压等报警信息提示驾驶员。有专门利用车各电子控制部分的诊断信息，也可以通过仪表显示。现代汽车设计中，驰、宝马、大众、雷诺汽车都将 线作为控制器联网的手段。在国内汽车工业中，一些引进车型，如大众的帕萨特和田“花冠”，福特嘉年华等中档车中 于我国中高级车以欧洲车型为主，因此随着车仪表会进入一个全新的时代。究的基本内容1基于对汽车仪表的硬件部分进行设计。本文选用飞思卡尔通过对所设计的系统进行试验。第2章 代汽车的功能日新月异，而每增加一项功能都要增加相应的电气连接，使得分布车体各处的电缆趋于庞大和昂贵，且导致设计、安装、调试和维护的困难。传统的电气控制系统设计已不能满足汽车对安全性、性能和便利性的要求这种技术进展，现场总线技术的应用就是这种进展导致的必然结果。汽车总线控制是汽车产业的发展方向，要想进行总线控制，必须从软件和硬件两个方面着手，而使用嵌入式操作系统对软硬件进行管理，不论是实时性还是从可靠性来讲，都具有无可比拟的优势。现在在汽车上使用的主要总线，。一种极具强韧性的电气规范和协议，专门设计用于轿车或卡车中危险、常常无法预料的恶劣环境，而这种环境中有许多应用需要极高的可靠性和容错能力。1986年2月，根据这个1987年中期，2526。不久，两种此后的不断发展，从而形成了20世纪90年代初，提交给了国际标准化组织。经过讨论，应一些法国主要汽车商的要求，包含了吸收一些内容。并于1993年11月出版了正式的。从此1992年，奔驰公司首先在他们的高级轿车上使用了是是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线,是国际上应用最广泛的现场总线之一。随着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，连接导线显着增加，因而提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本已成为迫切需要解决的问题。如汽车刹车、防抱死系统、安全气囊等。机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。有抗干扰性强和使用可靠等优点，现在广泛应用于汽车工业、航空工业和工业控制等自动化领域，如分布式环境监测系统、温室环境监控系统、变电站变监测系统等，位置，温度或压力等）。总线上的每个线在逻辑上等效于线与功能，可以被任意一个试图发送数据的组件拉低。发送时脉是由发送组件产生的，因此所有接收组件必须重建时脉和数据位。组件之间传送的数据遵循标准的中包括目的组件制和数据信息负荷以及终指定的接收器将把总线拉低以确认收到一个完整的、后释放总线使之回到空闲状态。每个试图发送的组件在发送之前首先要检查总线是否处于空闲状态。如果出现多个组件试图同时发送的情况，并且总线上数据出错时它们必须相互侦听，先后退一段时间然后再尝试发送。一种有效支持分布式控制或实时控制的串性通讯网络。轴电缆或光导纤维，通信速率可达10m，通信距离可达100于其通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统中。现代汽车典型的控制单元有电控燃油喷射系统，电控传动系统，防抱死制动系统(防滑控制系统(废气再循环系统，巡航系统和空调系统，车身电子控制系统(包括照明指示和车窗，刮雨器等)。通信接口中集成了完成对数据的成帧处理，用户可在其基础上开发适应系统实际需要的应用层通信协议7。代之以对通信数据块编码，采用这种方法可使网络内节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节点同时收到相同的数据。两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突,节省了总线冲突仲裁时间；据段长度最多为8个字节,每一帧的有效字节数为8个（数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用；有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响；每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行。通信网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上其它节点发送信息,可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据；信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，在短距离(40m)条件下具有高速(1s)数据传输能力，而在最大距离10000s)传输能力，采用不归零码（码解码方式，并采用位填充（插入）技术。理层、数据链路层和应用层。输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为10m,500点数可达110个。A。采用多主竞争方式结构，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术，当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表示符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响的继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如，规定0的优先级高，在节点发送信息时，个节点都是边发送信息边检测网络状态，当某一个节点发送1而检测到0时，此节点知道有更高优先级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。效数据最多为8个字节）和带优先级的高优先级的通信请求来说，在1全可以满足现场控制的实时性要求。5种错误检测、出错标定和故障界定；而传输时间短，受干扰概率低，这些保证了出错率极低。另外，有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。过简单的连接即可完成用层功能由微控制器完成。可以是具有器件8。使用者较大的灵活性，同时也给设计者带来了困难。对性，总线应具有两种不同电平，接收端呈现（显性和隐性）两种状态。不要求总线必须是数字逻辑电平，只要是能够呈现两种电平（显性和隐性）的模拟量，满足上述设计原则就可以。可方便地提供多种发送类型，诸如：单线总线、双线总线（差分）和光缆总线。它可以直接驱动总线，若网络的规模比较大，节点数比较多，需要外加总线驱动元件，以增大输出电流。用供向总线的差动发送能力和对般在驱动芯片和加抗干扰能力。如：用4为它的响应速度比较慢，。如果采用6关以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。初始化向下加载期间，控制段可被编程以配置通信参数。发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后，后释放它，以备下次使用。对于在片的与据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。对于单独的像过对这些寄存器编程操作，可很方便控制于汽车中分布电子系统的新型低成本串行通讯系统，它是现有汽车多重传输网络的补充。这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于带宽和多功能。片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。以将开关、显示器、传感器和执行器等简单控制设备连接起来，主要用于汽车中的分布式电子控制系统。从机的总线拓扑结构（没有总线仲裁），仅使用一根12节点包含主任务和从任务，从节点只包含从任务。它不需要专门的片上通讯模块，采用标准串行通信接口率可达20线长度不大于40m。不需要比于这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于带宽和多功能。规范包含协议的定义、物理层以及用于开发工具和应用软件的接口定义。对于不需要控制器局域网络的高带宽和多种功能的应用，种通讯是基于串行通讯接口(数据格式、单宿主/多从概念、单线12端多路通讯的汽车标准不久前才出现。用这个标准，汽车制造商及其供应商能以非常经济的方式创建、实现和处理复杂的分层化多路复用系统。输介质以及用于开发工具和应用软件的接口。为。这个概念可以实现无缝的开发和设计工具链并提高了开发速度和网络的可靠性。这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于带宽和多功能。片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。这些优点是以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法为代价的。协议规范的第二版(2005年春季发布。由于新技术能实现经济高效的新应用，整个行业对这个标准产生了浓厚的兴趣，括：210个信道的速度达到10可用带宽提高10体大小取决于配置和对比模式的不同。时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。常为1知道消息的到达时间，通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。冗余和非冗余通信为了增强系统的可用性，息能够冗余传输，但并不是所有消息都必须冗余传输，否则会导致带宽的过多损耗。在注的主要问题是灵活性。不仅提供消息冗余传输或非冗余传输两种选择，系统还可以进行优化，以提高可用性(静态带宽分配)或吞吐量(动态带宽分配)。用户还可以扩展系统，而无需调整现有节点中的软件。同时，还支持总线或星型拓扑。以支持对系统进行调整，如通信周期的持续时间、消息长度等，以满足特定应用的需求。代们现在同时使用了两条或多条干网络而非常适合于汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。实时应用，分布式控制系统用户可以提前知道消息到达时间，消息周期偏差非常小，这使得向安全的系统它具备大量功能，可以支持面向安全的系统(如线控系统)设计。车内多媒体通讯的一个协议，但是不具备正式的标准，最初构想始于90年代中期，作为宝马公司、戴姆勒克莱斯勒（司、响系统制造商）和1998年），参与各方建立了一个自主的实体，即它控制总线的定义工作。汽车多媒体环境作了高度的优化，对要处理的主要流量类型规定了信号类别。在物理层上传输介质本身是有塑料保护套、内芯为1甲基丙烯酸甲酯）光纤，纤传输采用650色）的许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多数汽车装置都采用环形布局。一个旦汽车接通电源，网络中的所有即进入的数据从接收器直接传送至发器，以保持环路的畅通。及16个帧的块。个帧内除了前导码和其它内部管理位以外，还包含有同步、异步和控制数据。总线是完全同步的，可将网络内的任何设备指定为主设备，其它所有结点都从主设备处获得自己的时钟。网络完全是即插即用的，当上电或有连接改变时，主结点上保持着一个所连设备的中心注册处。车总线比较者一般结合使用，与高容错性的比较而言，前，是目前成本还很高，不能实际应用。能用于控制9。为不需要如智能传感器和制动装置之间的通信，使用来整个网络将是发动机、全气囊等，门窗、车灯等。时为汽车系统以一个整体而不是分散的多个系统工作提供了机会。使用车的安全系统将从这一全新的整合中获益，从而显著提高汽车的安全性能。1939通信协议使汽车电子产品的开发变得简捷、快速。所有在而使汽车电子产品开发者能够集中精力进行自己应用软件的开发。这种基于种结构最适于移植到特殊的目标系统。例如，访问接口的功能包含在一个单独的模块之中。如果需要的话，该软件能够很容易地移植到不被支持的外，通过配置文件，1939通信协议栈能够被精确地移植，完全适合特定应用的需要，因此要求这种通信协议栈完全由提供的源代码、文档、例子程序使用户能够很快地应用1939软件进行工作。所有的源代码、例子程序都能够在参考平台上直接运行(重型车和客车组合仪表)。通常接入目标硬件能够在几天内实现，而借鉴例子程序，汽车电子产品开发者很容易完成自己的应用程序。1939协议，协议栈处理了车电子产品开发只需要从应用层的角度实现应用即可。现0。协议栈的源代码采用标准信协议栈配套有完整的开发文档，可帮助汽车电子产品开发者迅速理解整套代码。协议栈包括数据链路层、传输层、网络管理层、过滤层。数据链路层：对1939只支持