（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车数字仪表的设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着能源危机和环境问题的日益凸显，电动汽车作为当前汽车工业 发展的一个重要方向，越来越受到人们的重视。本课题在嵌入式技术和汽车电子 迅猛发展的背景下，进行了电动汽车数字仪表的设计与实现。 本课题所设计的电动汽车数字仪表采用三星a r m 9 2 0 t 内核处理器$ 3 c 2 4 1 0 为核心，包括c a n 总线模块、脉冲计数模块、a d 转换模块、g p i o 接口、l c d 触摸屏接口、音频输出接口、以及r s 2 3 2 接口和u s b 接口等模块。数字仪表实 时接收电动汽车的行车速度、电动机转速、母线电压、母线电流、灯光、车门、 胎压、刹车、驻车、安全带等信息，进行处理、存储，然后在液晶屏上实现数字 化、图形化显示。用户可以点击触摸屏，实现显示界面的切换，完成人机交互。 除了显示各种行车基本信息之外，本电动汽车数字仪表还可以实时报警、显示电 子地图。 本课题的主要工作包括：电动汽车数字仪表的整体方案设计，c p u 选型， 硬件电路的设计与实现，嵌入式l i n u x 操作系统的移植、m i n i g u i 和交叉编译工 具链的配置与安装等软件开发平台的搭建，c a n 总线模块、脉冲计数模块、a d 转换模块和g p i o 接口设备驱动程序的设计，并将其动态加载到内核中，以及显 示界面的设计与应用程序的具体实现。 本电动汽车数字仪表设计了四组显示界面，采用基于m i n i g u i 的多线程结 构。其中，主线程主要负责创建皮肤界面、图形化显示、界面切换等，子线程主 要完成接收电动汽车运行时的各种信息，并将接收到的信息处理后，保存到数据 结构体中。 本电动汽车数字仪表不仅有效的将电动汽车的各种常规信息显示在液晶屏 上，而且成功的显示了电子地图。本电动汽车数字仪表性能稳定，显示信息丰富 多样，界面切换流畅，并完成了实验室测试，达到了预期目标。但是，仍存在改 进与提升空间，论文最后给出了进一步改进的思路。 关键词电动汽车数字仪表；嵌入式l i n u x ： 线程 设备驱动程序；m 越g u i ；p o s i x 多 a b s t r a c t a b s tr a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，a st h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb e c o m e i n c r e a s i n g l yo b v i o u s ，e l e c t r i cv e h i c l eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no ft h e a u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，w h i c hh a sa r o u s e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tt h e b a c k g r o u n do ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n da u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s ，d i g i t a lm e t e ro fe l e c t r i cv e h i c l ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i sr e s e a r c h t o p i c d i g i t a lm e t e ro fe l e c t r i cv e h i c l ec a nr e c e i v et h es i g n a l so fr u n n i n gs p e e d ，m o t o r s p e e d ，b a t t e r yc a p a c i t y , l i g h t ，v e h i c l ed o o r ，t i r ep r e s s u r e ，b r e a k i n g ，v e h i c l eh a l t i n g ，a n d s a f e t yb e l ta n ds oo n ，a c c o r d i n gt oc a nm o d u l e ，p u l s ec o u n t e rm o d u l e ，a dc o n v e r t m o d u l ea n dg p i oi n t e r f a c e a n dt h e nt h ed i g i t a la n dg r a p h i c a ld i s p l a yc a nb es h o w n o nt h el e ds c r e e na n dt h eu s e rc a ns w i t c ht h ed i s p l a yi n t e r f a c et oa c h i e v e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nb ys p o tb o w l i n go nt h et o u c hs c r e e n b e s i d e st h eb a s i c f u n c t i o n ，t h ed i g i t a lm e t e rc a na l s or e a l i z es u c hf u n c t i o na st h er e a l t i m ea l a r m i n g ， d i s p l a y i n gt h ee l e c t r o n i cm a pa n dn a v i g a t i o n a l lk i n d so fd e s i g nt a s ki sa c c o m p l i s h e di nt h i sr e s e a r c ht o p i c ，i n c l u d i n gt h e s e l e c t i o no ft h ec p u ，t h ed e s i g n i n go fh a r d w a r e ，t h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e d l i n u xo s ，t h ec o n s t r u c t i o no fs o f t w a r ep l a t f o r m ，s u c ha st h ec o n f i g u r a t i o na n dt h e i n s t a l l a t i o no fm i n i g u ia n dc r o s sc o m p i l et o o lc h a i n t h ed r i v e rd e s i g no ft h ec a n m o d u l e ，p u l s ec o u n t e rm o d u l e ，a dc o n v e r tm o d u l ea n dg p i oi n t e r f a c e ，a n dt h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no fd i s p l a yi n t e r f a c e t h eh a i m w r a r e ：t h ea r m 9p r o c e s s o rs 3 c 2 410 ，3 2 m s d r a m ，6 4 mn a n d f l a s hi su s e da sc p u a n dt h ec a nm o d u l e ，t h ep u l s ec o u n t e rm o d u l e ，t h ea dc o n v e r t m o d u l e ，t h eg p i oi n t e r f a c e ，t h el c d t o u c hs c r e e ni n t e r f a c e ，t h ea u d i oo u t p u tp o 心 t h es e r i a lp o r ta n dt h eu s bi n t e r f a c ea r ed e s i g n e do nt h ei n t e r f a c eb o a r d ，s oa st om e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m t h ed e v i c ed r i v e r ：t h ed e v i c ed r i v e r so ft h ec a nm o d u l e ，t h ep u l s ec o u n t e r m o d u l e t h e 加c o n v e r tm o d u l ea n dt h eg p l 0i n t e r f a c eb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma r ed e s i g n e da n dd y n a m i cl o a d e dt ot h ek e r n e l t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m s ：f o u rd i s p l a yi n t e r f a c e sa r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no ft h ed i g i t a lm e t e ro fe l e c t r i cv e h i c l e a n dt h em u l t i t h r e a d a p p l i c a t i o np r o g r a mb a s eo nm i n i g u ii sa l s od e s i g n e d t h em a i nt h r e a di su s e df o r c r e a t i n gt h es k i ni n t e r f a c e ，g r a p h i c a lp l a y i n g ，a n di n t e r f a c es w i t c h i n ga n ds oo n a n d t h es l a v e rt h r e a di sr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v i n gk i n d so fi n f o r m a t i o na n df i l l i n gd a t at o t h es t r u c t u r eb o d ya c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t t i l i sd i g i t a lm e t e rc a nn o to n l ys h o wt h ec o n v e n t i o n a li n f o r m a t i o no ft h ee l e c t r i c v e h i c l ei nt h el e de f f e c t i v e l y ，b u ta l s od i s p l a yt h ee l e c t r o n i cm a ps u c c e s s f u l l y t h e d i g i t a lm e t e rh a ss t e a d yp e r f o r m a n c e ，d i v e r s i f i e di n f o r m a t i o n sd i s p l a y i n ga n df l u e n t i i l 北京工业大学工学硕士学位论文 i n t e r f a c es w i t c h i n g a l lt h e s eg o o dp e r f o r m a n c e sh a sb e e nv e r t i f i e di nt h el a b o r a t o r y t e s ta n dr e a c he x p e c t e dt a r g e t b u ti tc a nb em e n da n du p g r a d e a tl a s tt h ep a p e r i n t r o d u c e df u r t h e ri m p r o v e m e n tt h i n k i n g k e yw o r d sd i g i t a lm e t e ro f e l e c t f i cv e h i c l e ；t h ee m b e d d e dl i n u x ；d e v i c ed r i v e r ； m i n i g u i ；p o s i xm u l t i t h r e a d i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨越嗍业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨地导师签名： 嗍缓盟 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 为缓解全球汽车需求量增加与环境污染严重、石油短缺等日益尖锐的矛盾， 各国更加重视可替代内燃机动力汽车的研发。在众多的技术方案中，电动汽车凭 借结构简单、不依赖燃料、效率高、行驶中“零排放”等优势，从各种动力形式 的汽车中脱颖而出，成为当前汽车工业发展和研究的重要方向之一【l j 。 在北京奥运会期间，有4 5 5 辆电动汽车为赛事服务，并一直服务到残奥会结 束，成为奥运期间一道亮丽的风景线，真正展现了“绿色奥运 的风采。 随着计算机、电子技术的迅速发展，特别是嵌入式技术在汽车仪表中的广泛 应用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。从功能上看，也正在从单一的提 供车况信息，向能对驾驶员提供车况、驾驶决策、实时报警、娱乐为一体的车载 信息系统方向发展睇j 。 1 2 汽车仪表国内外发展现状 由于国外的嵌入式计算机技术、通信技术、汽车电子技术开展得比较早，发 展也比较完善，所以车载信息系统和综合显示技术也比较成熟，主要是实现了将 计算机系统和组合仪表共同构成一套功能齐全的驾驶员信息系统。实际上国外在， 这方面已经做了尝试，并且取得了初步成果。例如，德国的奥迪系列、日本的丰 田和日产汽车都能为驾驶员提供时钟、车内外温度、行驶时间、平均车速、平均 耗油量、燃油储备可行驶里程、发动机转速、冷却水温等信息。实现了对汽车主 要状态参数的实时采集、显示和记录，并进行实时的故障诊断。目前国外的汽车 信息系统主要包括汽车数字仪表显示系统、汽车故障诊断与“黑匣子”黑匣子记 录系统、语音提示与告警系统、汽车导航与全球定位系统( g p s ) 、汽车无线通信 技术( g s m ) 、汽车地理信息系统( g i s ) 、汽车娱乐视听系统等 2 1 。 我国的车载仪表技术水平与国外先进水平相比还有较大的差距。车载信息设 备的开发起步也较国外滞后很多，且在功能设置、性价比、与交通大系统的兼容 性、以及与整车的匹配设计等方面和国外产品存在明显差距。国产的车载信息设 备功能单一，几乎清一色用于商业车队调度，市场容量大的基础车辆的车载信息 设备的开发还比较少。有些国产的车载设备集成了g s m 、g p s ，却仅用于反劫 防盗，性价比较低。这与我国智能车载信息系统的开发起步较晚有关，也与我国 的智能交通系统的开发和建设的不完善有关。 目前，我国汽车上的仪表大多是通过指针和刻度来实现模拟显示的。传统的 汽车仪表对车速、发动机转速、燃油的消耗等信息进行监测、传递和显示。这种 仪表存在着信息量少、准确率低、体积较大、不能存储数据、人机交互性差辞缺 点，己经难以满足人们对汽车舒适性和方便性越来越高的要求。 现在汽车上的各种电子设备越来越多，为了汽车安全、经济、舒适地行驶， 需要掌握的车况信息也越来越多，用传统的汽车仪袭来显示众多的车况信息显得 力不从心，车况信息的综合显示是大势所趋。传统仪表的布局。使整个仪表占据 固定的位置和空问，仪表的利用率很低。数字仪表灵活方便的显示格式、可编程 的特点，使仪表能在不同的工作阶段显示不同的工作参数，其可分屏显示的特点 极大地提高了仪表的利用率而且具有良好的人机交互界面和人性化的显示界 第1 章绪论 面。另外数字仪表可扩展导航信息、电子地图、g p s 定位系统和车辆数字电台等 新功能陶。 随着计算机技术的迅猛发展，在车辆制造行业中仪表的数字化已经成为一种 重要的趋势。现在的中高档轿车大多采用双仪表盘，即主仪表盘位于驾驶员正前 方，采用传统的指针式仪表盘显示发动机转速、行车速度、油量、水温等基本的 汽车信息：副仪表盘位于驾驶员的右前方，采用液晶屏显示电子地图、导航，播 放d v d ，控制车门、空调等。本课题设计的电动汽车数字仪表主要显示电动汽 车的行驶速度、电动机转速、警示信息等基本信息和电子地图，即主要实现主仪 表盘的功能；考虑到行车安全，副仪表盘中的娱乐功能没有集成到本课题设计的 电动汽车数字仪表中。 1 4 课题主要研究内容 “本课题主要研究内容为电动汽车数字仪表的设计与实现。电动汽车数字仪表 通过外围接口接收汽车的速度、转速、电量、灯光、车门、胎压、刹车、驻车、 安全带等信号后进行处理、存储，然后在液晶屏上实现数字化、图形化显示，用 户可以点击触摸屏实现人机交互，根据喜好或需要选择各种显示界面。 电动汽车数字仪表还可以实时报警。当发生故障时，汽车数字仪表接收到故 障信息，进行显示、报警，提醒司机有故障发生，需要进行检查或维修。当有异 常情况( 如电池电量低、油面低、轮胎压力低、发动机转速过高等) 发生时，液 晶屏上也会有相应的内容显示以提醒司机注意。本电动汽车数字仪表可以显示电 子地图并进行车辆导航，用户可以点击触摸屏实现电子地图的放大、缩小、移动 等，也可以实现测距、线路查询等导航功能，为驾驶员提供方便、快捷的驾驶信 息。 本课题所设计的电动汽车数字仪表已不局限于显示行车速度、电动机转速、 里程、母线电压、母线电流、各种警示信息等常规信息。汽车数字仪表还能够运 用液晶屏灵活的图形显示技术和汽车总线技术，显示轮胎的胎压、温度、胎压检 测模块电池电量以及电子地图等更多的信息，并可以利用触摸屏实现界面切换， 在多个界面显示更丰富的信息。 1 5 本文的章节结构 第一章主要介绍汽车仪表在国内外的发展现状及其汽车仪表数字化的发展 趋势，阐述了本课题所设计的电动汽车数字仪表的功能和特点。 第二章首先提出了系统的整体设计方案和嵌入式系统开发流程，然后介绍系 统的硬件设计方案，包括c a n 总线模块、电源模块、脉冲信号和模拟信号处理 北京工业人学工学硕士学位论文 电路的设计。 第三章主要介绍软件开发平台的搭建，包括嵌入式l i n u x 操作系统移植( 系 统引导代码、内核和根文件系统) 、图形用户界面m i n i g u i 和交叉编译器的安装。 第四章的主要内容是嵌入式l i n u x 下设备驱动程序设计。首先介绍l i n u x 下 设备驱动程序的编写原则和开发流程，然后重点介绍基于$ 3 c 2 4 1 0 和m c p 2 5 1 0 的c a n 总线驱动程序，脉冲信号处理和a d 转换驱动程序的设计，最后阐述了 向l i n u x 内核加载驱动程序的方法。本章重点和难点为c a n 总线控制芯片 m c p 2 5 1 0 收发总线数据以及与$ 3 c 2 4 1 0 通信时的时序逻辑处理。 第五章的内容是基于m i n i g u i 的显示界面设计与多线程应用程序的实现。 首先介绍数字仪表四个功能显示界面的设计思想和仪表中各种显示信息功能的 实现方法，以及涉及到的m i n i g u i 的部分功能；其次详细阐述了应用程序的具 体实现、数据结构体、以及数据的帧格式；然后介绍p o s i x 多线程和线程间同 步机制。 最后，进行总结与展望。在结论部分，主要对本课题设计的电动汽车数字仪 表的功能和所完成的工作进行了总结；在展望部分，阐述了几种在本仪表的基础 上可进一步扩展的功能。 第2 章硬件系统的设计与实现 第2 章硬件系统的设计与实现 本章首先根据电动汽车数字仪表的特点和功能，进行系统总体方案设计，然 后详细地阐述了系统各硬件电路的设计与实现方法。 2 1 系统总体设计方案 本电动汽车数字仪表的设计目标为：具有丰富的图形显示界面，方便的人机 交互功能，实时采集车辆运行信息并及时显示与存储，针对运行故障及异常情况 提供报警信息，尽可能兼容现有仪表的信息接口与功能，为以后的升级扩展打好 基础等。为此系统设计为三个结构层次，包括：信息采集层、数据处理层和人机 交互层等，如图2 1 所示。 液晶屏触摸屏 t0 l c d 接口触摸屏接口 l 语音警示 ， i 音频输出接口 软 件 系 统 巫固 雯巫亟口 至叵匠困口匾亟圈 围 亟困回 c a n 接口a d 接口 脉冲计数接口 i o 接口 tttt 电动汽车信号 人机交互层 数据处理层 信息采集层 图2 - 1系统总体设计结构框图 f i g u r e2 - 1 s t r u c t u r em a po fs y s t e mw h o l ed e v i c e ( 1 ) 信息采集层 信息采集层主要负责接收电动汽车各种运行信号和车况信息。本系统根据所 接收的各种信息形式的需要，设计有c a n 总线接口、a d 转换信息接口、脉冲 计数接口和开关量信息接口。其中，c a n 总线接口负责接收车载c a n 总线网络 上其他c a n 模块的数据，a d 转换接口负责接收电动汽车的母线电流、母线电 压、电动机温度等模拟信号，脉冲计数接口负责接收行车速度和电动机转速等脉 冲信号，开关量信息接口负责接收车灯信号、安全带信号、车门、刹车、驻车等 工作状态警示信息。 北京工业大学t 学硕十学位论文 ( 2 ) 数据处理层 数据处理层主要负责处理从信息采集层接收到的各种信息，是整个电动汽车 数字仪表系统的主要部分，包括：中央处理单元、存储单元、接口电路、以及辅 助电路等。整个系统的软件部分运行在数据处理层上，包括嵌入式l i n u x 操作系 统、设备驱动程序、图形用户界面和应用程序。 ( 3 ) 人机交互层 人机交互层是驾驶员和电动汽车数字仪表之间的交互平台，包括：液晶屏接 口、触摸屏接口和音频输出接口等。当接收到的电动汽车信息，经过处理后在液 晶屏上显示。驾驶员可以通过点击触摸屏或切换显示界面、或进行相关的操作， 实现人机交互。当有故障发生时，音频输出接口会发出语音提醒驾驶员。 电动汽车数字仪表的核心部件中央处理单元的性能决定了整个系统的 运行机制和功能实现。本系统需要通过开关量i o 、a d 转换、脉冲计数、c a n 总线等接口接收各种信息，需要液晶屏进行数字化、图形化显示。为此本系统采 用了具有三星a r m 9 2 0 t 内核的a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器是3 2 位低功耗r i s c 宏单元，其工作频率为2 0 3 m h z 。同 时支持t h u m b l 6 位压缩指令集，能以较小的存储空间需求来获得3 2 位的系统 性能。其主要特性如下： c p u 内部集成有1 6 k b 的指令缓存和数据缓存； l c d 控制器( 可支持s t n 和t f t ) ； 触摸屏接口； n a n df l a s hb o o tl o a d e r ； 系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ； 3 路u a r t ： 4 路d m a ； 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 1 个内部时钟控制器； 8 通道1 0 位a d c ； 可编程的通用i o 口和2 4 位外部中断源； 1 2 c 和1 2 s 总线接口； u s bh o s t u s bd e v i c e 接口： 看门狗计数器； s dh o s t 和多媒体卡( m u l t i m e d i ac a r d ) 接口； 系统除了中央处理单元，还包括s d r a m 、f l a s h 、电压信号调理电路、电 流信号调理电路、脉冲信号调理电路、开关信号调理电路、c a n 总线接口电路、 l i n 总线接口电路、以及l c d 触摸屏、u s b 、r s 2 3 2 、音频输出接口等。系统 硬件构成如图2 2 所示。 第2 章硬件系统的设计与实现 图2 2 硬件系统结构图 f i g u r e2 - 2 s t r u c t u r em a po fh a r d s a r es y s t e m 2 2 硬件系统构成 本系统采用核心板和接口板相分离的结构设计模式。为了系统稳定和开发周 期短，系统的核心板选用北京恒颐公司的h 2 4 1 0 c ，接口板根据实际需要设计了 各种信号调理、信号滤波等功能的接口电路和接线端子。 2 2 1核心板 北京恒颐公司开发的h 2 4 1 0 c 核心板采用具有三星a r m 9 2 0 t 内核的a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 为核心，并配有s d r a m 、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 、以及调试 接口j t a g 。其中$ 3 c 2 4 1 0 微处理器主频是2 0 3 m h z ，采用2 7 2 脚f b g a 封装。 核心板主要包含以下功能模块1 4 ： 三星删9 2 0 t 内核处理器s 3 c 2 4 1 0 a ； 2 m bn o rf l a s h ( a m 2 9 l v l 6 0 d b 9 0 e c ) 。用于固化测试程序，如u s b 、 d e v i c e 监控程序、l c d 测试程序等系统硬件外设测试程序； 6 4 m bs d r a m ，所用芯片为k 4 s 5 6 1 6 3 2 ； 6 4 m bn a n df l a s h ，用于固化l i n u x 内核、根文件系统以及v i v i 等； 2 0 针j t a g 调试接口； 复位电路。 核心板所具有的资源完全可以满足本课题所设计的电动汽车数字仪表的需 要，并有利于系统以后扩展升级。 北京工业人学工学硕士学位论文 2 2 2 接口板 电动汽车数字仪表采集到的信号主要包括模拟信号、数字信号、脉冲信号和 开关量。模拟信号主要反映母线电压、母线电流、电池温度和电动机温度等信息； 数字信号主要是通过c a n 总线、l i n 总线等传输；脉冲信号包括行车速度和电 动机的转速信号；开关量则主要包括车门、灯光、刹车、驻车、安全带等信号。 根据各种采集信号的类型和硬件开发的需要，接口板设计了如下功能模块： c a n 总线模块，用来接收电动汽车上的c a n 总线信号； 模拟信号处理电路，用来将电动汽车上的母线电压、母线电流、电池温 度和电动机温度等模拟信号，转换为0 到3 3 v 的电压信号； 脉冲信号处理电路，用来处理电动汽车的行车速度和电动机转速信号； i o 接口，用来将电动汽车上的车门、灯光、刹车、驻车、安全带等1 0 v 一, 1 4v 的开关量信号，转换成低电平为0 v 、高电平为3 3 v 的开关量信号； r s 2 3 2 串口，目标板通过串口与p c 机通信，实现软件调试； u s bh o s t 口，用来挂载优盘，将驱动程序和应用程序等复制目标板， 便于调试； u s bd e v i c e 口，与r s 2 3 2 串口配合实现操作系统和应用程序的下载； l c d 触摸屏接口，便于连接液晶屏和触摸屏实现人机交互： 音频输出电路，实现语音提示功能； s d 卡接口电路，挂载s d 卡，备份重要历史数据；便于电动汽车维修时 作为参考。 。 电源模块，包括1 2 v 的d c d c 隔离电源输出、6 v 的模拟电源输出、以 及3 3 v 、5 v 的数字电源输出，用以满足电动汽车数字仪表中各个部分 的电源需要。 2 3c a n 总线模块设计 随着电子、通信和计算机技术的飞速发展，汽车上各种电子设备越来越多， 这些设备之间的通信线路越来越庞大。这些线路不仅增加了汽车的制造成本，而 且还使汽车上的电磁环境更加恶劣。更重要的是，这些线路本身没有故障检测功 能，一旦线束中出了问题，查找、维修都非常困难。结合c a n 总线的特点以及 汽车总线发展的趋势，选择c a n 总线作为汽车的通信总线，可以大大简化车载 电子设备间的通信线路。c a n 总线在汽车电子通信中应用越来越广泛，已经成 为未来发展的趋势。设计c a n 总线模块也是为了接收c a n 总线上其他模块的 信号，有利于以后的扩展升级。 第2 章硬件系统的设计与实现 2 3 1c a n 总线概述 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网络，是一种有效支持分布式 控制系统和实时控制的串行通信网络。8 0 年代初由德国b o s c h 公司为汽车检 测、控制系统而设计。c a n 属于i s o 体系结构，实现物理层，数据链路层和应 用层三层协议，其物理层和数据链路层协议已集成在芯片中，通过硬件可自动完 成串行一并行数据格式转换以及数据的帧发送和接收。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比， 它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下1 5 j ： c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线； c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可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； 、 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时 要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输： c a n 采用非破坏总线仲裁技术； c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据； c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；通信速率最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在标准帧 报文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不 受限制； 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极 低； c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果； c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响； c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节 点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的嵌入式开发 工具。 2 3 2c a n 总线模块硬件设计 c a n 总线模块主要由c a n 控制器和c a n 总线收发器构成。c a n 控制器对 外提供了与微处理器的物理线路接口，通过对c a n 控制器的编程，c p u 可以设 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在 它的基础之上【5 】。目前，常用的独立c a n 控制器有p h i l i p s 半导体公司的s j a l 0 0 0 和m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 0 ，为方便硬件连接，提高系统稳定性，本系统采用 带有s p i 的m c p 2 5 1 0 。 图2 3 所示为本系统c a n 模块的硬件结构框图。微处理器$ 3 c 2 4 1 0 通过s p i 总线跟c a n 控制器m c p 2 5 1 0 通信；m c p 2 5 1 0 通过c a n 收发器c t m l 0 5 0 t 将 数据发送到c a n 总线上或从c a n 总线接收数据。 图2 - 3c a n 模块结构框图 f i g u r e2 3 s t r u c t u r em a po fc a nm o d u l e m c p 2 5 1 0 是m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ( 美国微芯科技有限公司) 生产的一 款控制器局域网络( c a n ) 协议控制器，具备如下特性1 6 ： 完全支持c a n 总线v 2 0 a 和v 2 0 b 技术规范，通信速率可达1m b s ； 低功耗的c m o s 技术，工作电压范围3 0 v 到5 5 v ： 高速s p i ( 串行外设接口) 支持o ，0 和1 ，1 s p i 模式，最高速度可达5 m h z ； 带有可选择使能设定的中断输出引脚； 0 8 字节报文长度； 标准和扩展数据帧并支持远程帧； 两个接收缓冲器，可优先储存报文； 三个发送缓冲器，具有优先级设定以及发送中止功能； 六个完全验收滤波器，两个完全验收屏蔽滤波器； 用于自检的环回模式； 低功耗休眠工作模式。 c t m l 0 5 0 是一款带隔离的高速c a n 收发器芯片，该芯片内部集成了c a n 总线收发器、高速光耦合器、d c d c 隔离电源以及其他一些抗干扰电路，提供 了c a n 控制器与物理总线之间的接口，以及对c a n 总线的差动发送和接收。 芯片的主要功能是将c a n 控制器的逻辑电平转换为c a n 总线的差分电平并且 具有d c 2 5 0 0 v 的隔离功能及e s d 保护作用。c t m l 0 5 0 的内部结构如图2 - 4 所 示，其中虚线框内即为c t m l 0 5 0 。 ：i 誊蟹：耋 图2 - 4c t m l 0 5 0 的内部结构图 f i g u r e 2 4 i n s i d es t m e m 他m a p o f c t m l 0 5 0 根据c a n 控制器芯片m c p 2 5 1 0 和c a n 收发器芯片c t m l 0 5 0 t 功能特性， 设计了具体的c a n 模块硬件原理图，如图2 - 5 所示。 图2 - 5c a n 模块硬件原理圈 f i g u r e 2 - 5c i r c u i t d m g r a m o f c a n m o d u l e m c p 2 5 1 0 使用3 3 v 电压供电，它可以直接与$ 3 c 2 4 1 0 通过s p i 总线连接， 进行数据通信。所使用的相关资源如下： $ 3 c 2 4 1 0 使用一个g p i o 口g p a l 6 作为m c p 2 5 1 0 的片选信号，低电平 有效； $ 3 c 2 4 1 0 将外部中断e n t 0 与m c p 2 5 1 0 的中断输出引脚连接，低电平 有效： 1 6 m h z 晶振作为输入时钟，m c p 2 5 1 0 内部有振荡电路，用晶体可以直 接起振。 m c p 2 5 1 0 和c t m l 0 5 0 t 连接的两个信号即t x c a n 和r x c a n ，都是单向 信号。对于m c p 2 5 1 0 ，t x c a n 是输出信号，r x c a n 是输入信号。只需单向满 足i or n 的电气特性即可m 。 北京工业大学工学硕十学位论文 ( 1 ) c t m l 0 5 0 t 是5 v 供电，输入信号高电平的范围是2 v 到5 v ；m c p 2 5 1 0 为3 3 v 供电，其输出信号t x c a n 的高电平最小值为2 6 v ，可以使c t m l 0 5 0 t 与m c p 2 5 1 0 的t x c a n 信号直接连接。 ( 2 ) m c p 2 5 1 0 用3 3 v 供电，输入信号r x c a n 的高电平的范围是2 v 到 3 3 v 。这并不能满足5 v 逻辑的输出电平，但是5 v 供电的c t m l 0 5 0 t 内部集成 有电平转换电路，所以可以直接连接。 另外，如果本模块是在c a n 总线网络的干线上，必须在差分总线c a n h 和 c a n l 之间并联1 2 0 欧姆电阻，克服c a n 总线反射回波提高总线抗干扰性及信 号传输可靠性。 2 4 脉冲信号、模拟信号和开关量信号处理电路的设计 2 4 1脉冲信号处理电路的设计 电动汽车的行车速度和电动机转速都是脉冲信号，它们的幅值是5 v ；频率 分别是0 到1 6 0 h z 和0 到6 0 0 0 h z 。硬件原理图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 脉冲信号处理电路原理图 f i g u r e2 - 6c i r c u i td i a g r a mo fr e c e i v i n gp u l s es i g n a l sm o d u l e 本电路所用的主要器件是比较器l m 3 9 3 和高速光隔6 n 1 3 7 。 l m 3 9 3 的主要功能是将已经变形的脉冲信号整形成标准的脉冲信号。信号输 入端的电容滤除脉冲信号中的直流分量，使高、低电平分别为5 v 和0 v 。l m 3 9 3 的基准电压的选择非常重要，因为在不同的环境中，干扰信号的幅值可能不同。 如果干扰信号的平均幅值刚好等于基准电压的幅值，又因为干扰信号是频率较高 的毛刺，那么干扰信号会被放大成高频脉冲信号。系统误认为接收到的是有效的 脉冲信号，发生误操作。l m 3 9 3 正输入端的两个电阻对电源电压进行分压，作 为基准电压；如果l m 3 9 3 负输入端的电压高于基准电压，输出端输出0 v 的低 电平；如果l m 3 9 3 负输入端的电压低于基准电压，输出端输出5 v 的高电平。 第2 章硬件系统的设计与实现 2 4 2 模拟信号处理电路的设计 电动汽车上的母线电压、母线电流、电池温度和电动机温度是模拟信号。其 中，电池温度和电动机温度是标准的0 到5 v 电压信号：0 到5 v 电压信号、电 池电压经过分压后的电压、以及电池电流通过精密电阻后均被变为0 到3 3 v 电 压信号；然后通过如图2 7 所示的电路连接到$ 3 c 2 4 1 0 的a i n 0 a i n 3 引脚。 图2 - 7 模拟信号处理电路原理图 f i g u r e2 - 7 c i r c u i td i a g r a mo fr e c e i v i n ga n a l o gs i g n a l sm o d u l e 电压信号依次通过二阶低通滤波电路和线性光隔i l 3 0 0 f 的典型电路后，接 入$ 3 c 2 4 1 0 的a i n 0 引脚。二阶低通滤波电路的运放选用l m 3 5 8 ；电路中既引 入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于图2 7 中电容c 1 4 0 0 的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于图2 7 中 电容c 1 4 0 1 的电抗趋于零，因而u + ( s ) 趋于零。所以，此电路既可以使电压放大 倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡1 8 】。线性光隔i l 3 0 0 f 的典 型电路选用的是正向输入正向输出方式。输入端是由运放l m 3 5 8 组成的反相积 分电路，输出端是电压跟随器。最后的两个二极管i n 4 1 4 8 的作用是将输出电压 限制在0 到3 3 v 之间，保证$ 3 c 2 4 1 0 不会因为输入电压过高而烧毁。 2 4 3 开关量信号处理电路的设计 电动汽车上许多信号都是开关量，比如灯光、车门、刹车、驻车、安全带等 信号。开关量的低电平是o 到2 v ，高电平是1 0v 到1 4 v ，所以这些信号不能直 接送给3 3 v 供电的$ 3 c 2 4 1 0 来处理。本系统设计了电动汽车开关量信号的前端 处理电路，如图2 8 所示。 本电路的主要功能是隔离干扰信号和实现开关量信号电平转换，主要器件是 光隔离器t l p 5 2 1 。模拟电源v e e 驱动左侧的发光二极管电路，开关量控制电路 的通断；数字电源v c c 驱动t l p 5 2 1 输出端电路。 北京工业大学t 学硕七学位论文 图2 8 开关量信号处理电路原理图 f i g u r e2 - 8 c i r c u i td i a g r a mo fr e c e i v i n gt os i g n a l sm o d u l e 2 5lin 总线模块的设计 1 3 0 1 1 u f l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 是低成本的汽车网络，它是现有多种汽车 网络在功能上的补充。l i n 总线硬件的实现是基于普通的串行通信接口( s c i ) ， 甚至在子节点中可以用普通i o 口加上定时器进行模拟。l i n 总线仅使用一根 1 2 v