（通信与信息系统专业论文）基于can总线的汽车数字仪表系统的设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着网络通信技术、微控制器技术的发展，通信技术在汽车电子系统中的应 用日渐广泛，汽车仪表作为汽车电子系统的重要信息终端，其通信和控制技术也 在不断的发展。而我国目前的汽车仪表技术与国外相比仍然有很大的差距，因此 很有必要对汽车仪表的新技术进行研究和开发。 本文研究的主要内容包括： 1 介绍了汽车仪表技术发展的趋势，并对现代汽车仪表所采用的两项新技 术一- c a n 总线通信技术和步进电机驱动技术进行了介绍。然后在此基础上提出 了一个p w m 脉冲直接驱动步进电机微步运行的方案，方案以软件算法处理代替了 部分相关硬件的功能，能有效的降低仪表硬件设计的复杂度和成本 2 采用p w m 直接驱动方案设计了一个数字化发动机转速表该转速表通过微 控制器输出特定的p w m 脉冲序列直接驱动步进电机以微步方式运行，再由步进电 机带动指针旋转指示发动机的转速。 3 根据现代汽车仪表的发展要求，设计了一个基于c a n 总线的汽车数字仪表 系统。该仪表采用了c a n 总线通信的方式，从c a n 总线上获取信息；p w m 直接驱 动步进电机带动指针显示；该设计有效的降低了系统布线难度以及硬件设计的复 杂度，使得仪表和整个车身网络形成了一个网络一体化控制系统。 4 介绍了对转速表和汽车数字仪表系统的测试，以及仪表系统作为一个节点 在针对长安s c 6 3 5 0 的车身c a n 网络上的试验。并对测试结果进行了分析。 本文所介绍的发动机转速表已形成了实际的产品，开始给东风汽车小批量供 货，并给无锡动力送样测试；汽车数字仪表系统作为国家8 6 3 计划项目“面向汽 车电子控制的嵌入式系统开发平台及其应用”的一部分，已和项目一起通过了验 收。证明了设计方案切实可行，具有一定的实用价值。 关键词：汽车仪表，c a n 总线，p w m ，步进电机，微步 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa n dm i e r o c o n t r o l l e r t e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yb r o a du s e di n a u t o m o b i l ee l e c t r o n i cs y s t e m a u t o m o b i l e si n s t r u m e n t ，a sa ni m p o r t a n ti n f o r m a t i o n t e r m i n a lo ft h ea u t o m o b i l e se l e c t r o n i cs y s t e m , i t st e c h n o l o g yo fc o n m m n i c a t i o na n d c o n t r o li sa l s oc o n t i n u i n gd e v e l o p s b u tt h e r ei ss t i l lac o n s i d e r a b l eg a pb e t w e e n c h i n e s ea u t o m o b i l ei n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dt h ef o r e i g nc o u n t r y s t h e r e f o r e 。i t s v e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h en e wt e e h n o l o g i e so ft h ea u t o m o b i l e s i n s t r u m e n t t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 i n t r o d u c e da u t o m o b i l ei n s t n n n e n t a t i o nd e v e l o p m e n tt r e n d s t h e n , t h et w o n e wa u t o m o b i l e si n s t r u m e n tt e c h n o l o 鼢岫ec a nb u sc o m m u n i c a t i o na n dd r i v i n g s t e p p e r - m o t o rh a sb e e ni n t r o d u c e d b a s o d0 1 1t h i s 。ap l a nt h a t 曲o u t 戚n gp w m t o r e a l i z et h es t e p p e r - m o t o r sd r i v ei nm i c r o - s t e pd i r e c t l yi sg i v e n t h i sp l a nu s e st h ea l g o r i t h m i c m a n i p u l a t i o no fs o t t w a r et os u b s t i t u t ef o rs o m ef i l l l e t i o no ft h er e l a t i v el m r d w m - e ；t h i sc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s ta n dt h eh a r d w a l e $ c o m p l i c a e yo f t h ei n s t r u m e n t 2 i n t r o d u c e dad i g i t a le n g i n er o t a t i o n a ls p e e di n s t r u m e n t sd e s i g nw h i c hu s i n g t h em e t h o do fu s i n gp w mt or e a l i z et h es t e p p e r - m o t o r sd r i v ei nm i c r o - s t e pd i r e c t l y i nt h i s i n s t r u m e n t , t h em i e r o e o n t r o l l e ro u t p u tas p e c i f i c a l l yp w mp u l s es e a u e n c 豁t od r i v et h e s t e p p e r - m o t o r i nm i c r o - s t e pd i r e c t l y , t h e nt h es t 印p ：m 咖血v t h ei n d i c a t o rt os h o wt h e c o r r e c tr o t a t i o n a ls p e e do f m ee n g i n e 3 a e c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h em o d e ma u t o m o b i l e i n s t r u m e n t a t i o n , t h i sp a p e rd e s i g n sa na u t o m o b i l e sd i g i t a li n s t r u m e n ts y s t e mw h i c h b a s e do i lt h ec a nb u s 耽ei n s t r u m e n t so b t a i ni n f o r m a t i o nf r o mt h ec a nb u s d r i v e n i n d i c a t o r ss t e p p e r - m o t o rb yu s i n gp w m d i r e c t l y , t h i sd e s i g no p t i o nc a l lr e d u c et h e d i f f i c u l t yo f w i r i n ga n dt h ec o m p l e x i t yo f h a r d w a r ed e s i g ne f f e c t i v e l y , i ta l s of o r m e d t h ei n s t r u m e n ta n dt h eo t h e ru n i to f t h ea u t o m o b i l e ，se l e c t r o n i cs y s t e ma sai n t e g r a t i o n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s 4 i n t r o d u c e dt h et e s t i n go ft h er o t a t i o n a ls p e e di n s t r u m e n ta n dt h ea u t o m o b i l e s d i 百t a li n s t r u m e n ts y s t e m , a n dt h ee x p e r i m e n t a t i o no fw h i c ht h ei n s t r u m e n ts y s t e m a p p l i e dt ot h ec h a n g a ns c 6 3 5 0a u t o m o b i l e sc a nn e t w o r ki si n t r o d u c e d t h e nt h e r e s e to f t h et e s t i n gh a sb e e na n a l y z e di nt h ep a p e r t h ee n g i n er o t a t i o n a l s p e e dm e t e rp r o d u c t sh a sa l r e a d yb e g i nt os u p p l yt o d o n g f e n gg r o u pa n ds e n ds a m p l et ow u x i d o n g l ig r o u pt ot e s t ；a n dt h ea u t o m o b i l e s d i 西a li n s t r u m e n ts y s t e mh a sb e e no n ep a r t so f n a t i o n a l “8 6 3p l 觚”p r o j e c tw h i c hs o c a l l e d t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hf a c e st o a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sc o n t r o la n di t sa p p l i c a t i o n ”i th a db e e nc h e c k e da n d a c c e p t e dw i t ht h ep r o j e c t t h e s ep r o v et h ed e s i g np r o j e c ti n t h i sp a p e rh a sc e r t a i n f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：a u t o m o b i l e si n s t r u m e n t c a nb u s ，p w m ，s t e p p e r - m o t o r , m i c r o s t 印 h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废韭虫太堂或 其他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谢意。 学位论文作者签色墨钳签字魄渊f 年加一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮虫太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被奄阅和借阅。本人授权重庆鲣电太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 葚岔j 导师签名： 奶 皑 i 签字日期： p - 6 年f 月u 日签字日期：私力上年r 月阳 i i ， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的主要窗口1 1 】，也是汽车电子控制系 统中重要的信息终端。近年来，随着网络通信技术和微控制器的发展，网络通信 技术在汽车领域的应用范围日益广泛，特别是现代通信控制网络在汽车仪表中的 应用非常活跃，使得汽车仪表的通信方式和控制手段产生了巨大的变化，呈现网 络化、数字化的趋势，以适应现代汽车电子系统通信和控制的网络一体化发展需 求。而我国的汽车仪表行业发展仍滞后于整个汽车行业的发展，迫切需要技术创 新，研发出适应现代汽车电子系统的数字化仪表产品。新一代的汽车仪表的技术 创新主要体现在两个方面田：总线通信技术在汽车上的使用所引起的仪表信息传 输方式的变化和步进电机在仪表领域的应用。 目前，在各种汽车总线通信技术中，c a n n 总线的应用最为广泛，已成为国际 标准，其应用范围也从最初的汽车电控逐步扩展到工业控制的各个领域，成为最 有前途的现场总线之一嗍。在国外，c a n 网络在汽车上的应用现在已越来越普遍， 尤其是在高档的客车、货车及轿车上，技术也日趋成熟。在欧洲，d a i m l e r c h r y s l e r 、b m w 、v o l k s w a g e n 及v o l v o 公司等都将c a n 作为它们电子系统控制器 网络化的一种手段。美国的制造商也正逐步将他们的汽车网络系统由j 1 8 5 0 过渡， 到c a n 。而在国内，对汽车c a n 总线网络的研究才刚起步，距大规模实际应用还 有很长的时间，与发达国家的技术水平差距较大。目前，大多数的国内汽车上的 各种控制信号都是采用传统的信号线连接方式，连线繁杂，布线困难。虽然国内 的一些汽车如奥迪a 6 ，帕萨特等车型上已经采用了总线技术，但大部分是直接 引进国外的产品，缺乏自主的知识产权随着我国加入w t o ，汽车产业正面临巨 大的挑战，为了能在未来全球化的市场竞争中占据一席之地，必须把握汽车电子 技术发展的趋势，研究和开发具有自主知识产权的汽车电子技术及应用系统已势 在必行。 与此同时，嵌入式微控制器的发展以及在汽车仪表系统上的使用使得汽车仪 表系统也正在向数字化的方向发展，以满足汽车电子系统的数字化以及车身网络 一体化的需求。目前国内部分中、高档汽车上已经配备了采用网络通信技术的数 字化步进电机式的仪表盘，但大多从国外进口，而国内自己开发的具有自主知识 产权的新一代汽车数字仪表还很少，大部分汽车仪表还处于模拟电子式仪表阶 段。因此，很有必要进行这方面的技术创新研究，以提高我国汽车仪表的整体水 ， 重庆邮电大学硕七论文 第一章绪论 平。 1 2 汽车仪表概述 汽车仪表用来指示汽车以及发动机的运行情况，以便驾驶员随时掌握汽车和 发动机的工作状况，从而保证汽车行驶的安全、可靠。汽车上的常用仪表包括： 电流表、机油压力表、水温表、燃油表、车速里程表及发动机转速表等。现代的 汽车仪表多为多功能的组合仪表，仪表盘上不仅包含上述的几种常用仪表，还包 含有l c d 、各种指示和报警指示灯等以提供汽车运行的各种信息。 汽车仪表的发展经历了四个阶段【5 】：最早的汽车仪表采用的是基于机械作用 力而工作的机械式仪表，即机械机心表；第2 代汽车仪表的工作原理基于电测原 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；第3 代为模拟电路电子式；第4 代为步迸电动机式全数字汽车仪表。 目前，我国的汽车仪表正处于从第三代到第四代的过渡阶段，传统的模拟机 电式仪表正逐步被全数字式的步进电机仪表所取代同时，汽车电子系统日渐复 杂，汽车仪表的功能越来越强，所提供和接收的信息也越来越多，采用传统的信 号线连接传感器来传递信息的通信方式已不能满足系统的实时性和可靠性的需 求。因此，随着网络通信技术在汽车仪表上的广泛应用，汽车仪表也正在向数字 化、智能化和网络一体化发展。 1 3 课题研究的主要内容 本论文研究的主要内容是基于c a n 总线的汽车数字仪表系统的设计和实现。 首先提出了一个采用p 删脉冲直接驱动步迸电机的方案；然后采用此方案设计了 一个数字式汽车发动机转速表。 在此基础上，设计了一个采用c a n 总线通信，步进电机驱动指针显示的汽车 数字仪表系统。设计中将仪表作为整个车身c a n 网络的一个节点，仪表所需的信 息均从c a n 总线采集，以降低布线的复杂性和难度，同时和整个汽车车身电子控 制系统形成了一个一体化控制的网络系统。仪表指针驱动采用了p w m 直接驱动步 进电机的方式嘲，去除了专用的驱动芯片和硬件电路，而改由软件算法来控制， 以节约系统成本，降低硬件电路复杂度。最后在针对“长安之星”s c 6 3 5 0 汽车 所构建的车身c a n 网络上进行了实际的试验和测试。 2 ， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题提出的背景，然后对现代汽车仪表及其发展状况进行了 分析。介绍了现代汽车仪表的新技术，指出了研究新一代汽车仪表系统的必要性。 最后在此基础上提出了课题所要研究的主要内容。 重庆邮电人学硕士论文 第_ 二章系统设计方案 第二章系统设计方案 2 1 仪表通信方式的选择 汽车仪表作为汽车电子系统的一个重要的信息终端，是驾驶员了解汽车运行 状况的主要渠道。由于汽车仪表工作环境的特殊性，要求汽车仪表和其它汽车电 子器件之间的通信方式具有较高的实时性、可靠性和精确性。 传统的汽车仪表采用的是模拟信号传输的方式，通过线束从车身上各个传感 器、控制器上直接获取汽车运行状况的信息。随着汽车技术的发展，汽车仪表的 功能日益强大，所需传输的信息越来越多，传统的模拟通信方式已不能满足现代 汽车仪表的发展需求，为简化现代汽车中仪表与大量智能传感器和电子控制单元 之间进行的复杂的信息传递和数据交换，本课题中选用了总线通信的方式来实现 汽车仪表和汽车上其它电子单元之间的通信 在众多的串行总线系统中，c a n 总线是目前在汽车电子领域应用最为广泛的 一种，它采用多主方式工作，是一种支持分布、实时控制的串行通信总线网络， 其基础是无破坏性仲裁机制，使得总线能以最高优先权访问报文而没有任何延 时。它能很好的满足汽车仪表通信的实时性、可靠性和精确性的要求。因此本课 题设计中选用了c a n 总线作为汽车仪表的通信方式。 2 1 1c a n 总线概述川 c a n 全称为控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，是德国b o s c h 公 司为解决现代汽车众多的控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种 串行数据通讯协议。 2 0 世纪9 0 年代初，b o s c hc a n 规范c a n2 0 版被提交给国际标准化组织。 在数次行政讨论之后，应一些主要的法国汽车厂商要求增加了v e h i c l ea r e a n e t w o r k ( v a n ) 内容，并于1 9 9 3 年1 1 月出版了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。除 了c a n 协议外它也规定了最高至i m b p s 波特率时的物理层，同时在国际标准 i s 0 1 1 5 1 9 - 2 中也规定了c a n 数据传输中的容错方法。1 9 9 5 年国际标准i s 0 1 1 8 9 8 进行了扩展，以附录的形式说明了2 9 位c a n 标识符。 c a n 协议迄今已有十几年发展历程，且仍在不断发展完善，其应用范围也在 不断的扩大，由最开始的汽车电子控制系统到现在的航空，轮船，铁路控制等不 同领域都在使用c a n 总线系统。目前，在国外，尤其是欧洲，汽车网络的技术已 日趋成熟，应用也非常广泛大部分的欧洲出产的汽车上都安装了c a n 网络控制 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章系统设计方案 系统。而在国内，对汽车车身网络的研究才刚刚起步，距大规模的实际应用还有 一定距离，很有必要对c a n 总线在汽车电子上的应用进行研究。 2 1 。2c a n 总线特点【7 】嘲 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的，根据 i s o o s i 参考模型，c a n 被分为以下几层： 数据链路层 ， 一逻辑链路控制子层( l l c ) 一媒体访问控制子层( m a c ) 物理层 逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围如下： 为远程数据请求以及数据传输提供服务。 确定l l c 子层接收的报文中哪些报文实际上被验收。 为恢复管理和过载通知提供手段。 在这里，定义对象处理较为自由。m a c 予层的作用主要是传送规则，也就是 控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始 发送新报文以及什么时候开始接收报文，均在m a c 子层里确定。位定时的一些普 通功能也可以看作是m a c 子层的一部分。自然，m a c 子层的修改是受到限制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行“位”的实际传输。 同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面 还是很自由的。 由于c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其它的中间 层，应用层直接和数据链路层交换数据，有利于系统中实时信号的传送。 与一般的通信总线相比，c a n 总线具有以下特点： 1 c a n 为多主方式工作，不分主从，通信方式灵活，通过报文标识符通信， 无需站地址等节点信息： 2 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求； 3 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况； 4 c a n 只需通过报文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，无需专门的“调度”； 5 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k r a ( 速率5 k b p s 以下) ； 重庆邮电大学硕士论文第二章系统设计方案 6 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。报文 标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限 制： 7 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，降低了数据出错概率。c a n 节点在错 误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响； 8 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 2 1 3c a n 报文传输格式【8 】 c a n 技术规范2 o b 版本规定了两种报文格式：标准帧格式和扩展帧格式。 其不同之处为标识符的长度不同：标准帧含有1 1 位标识符，而扩展帧含有2 9 位 标识符。 共有以下4 种不同类型的帧： 1 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 数据帧由7 个不同的域组成：帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o n f i e l d ) 、控制域( c o n t r o lf i d d ) 、数据域( d a t af i e l d ) 、c r c 域( c r cf i e l d ) 、 应答域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 。数据域的长度可以为0 。数据帧 的报文格式如图2 1 所示。 v l k 一 c e _ - 卜s p a ( o f o v e r l o a d 斤a m e l a r o 蚶一i o n 】f i e l dl d 越a f l e t d i c f fi e l d a ck f i e e n d o f ff a 韵e 图2 1 数据帧报文格式 6 重庆邮电大学硕士论文 第_ 二章系统设计方案 ( 1 ) 帧起始 帧起始( s o f ) 标志数据帧或远程帧的开始，仅由一个显性位构成。 ( 2 ) 仲裁域 仲裁域的格式在标准帧和扩展帧里是不同的，对于标准帧，仲裁域由1 1 位标 识符和r t r 位( 远程发送请求位，在数据帧里为显性，远程帧里为隐性) 组成， 其格式如图2 2 所示。 & a n d a r df o rm a t i 臣三圄址叵 二二 图2 2 标准帧的仲裁域格式 对于扩展帧，仲裁域由2 9 位标识符、s r r 位( 替代远程请求位，隐性) 、i d e 位( 标识符扩展位，标准帧里为显性，扩展帧里为隐性) 及r t r 位组成。其格式 如图2 3 所示。 & t e n d e df o r m a t 卜竺型生# 辈。 i 匝三亘翮二三三丑哑匝 图2 3 扩展帧的仲裁域格式 ( 3 ) 控制域 标准帧的控制域由e 位，保留位i o 和4 位数据代码长度( d l c ) 构成，扩展 帧的控制域由两个保留位r l ，r o 及d l c 构成。 2 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 3 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 4 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供附 加的延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与 前面的帧分隔。 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以上的单元同 时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用了识别符的逐位仲裁可以 7 重庆邮电大学硕士论文第一二章系统设计方案 解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同识别符的数 据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都 对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以 继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监视到的是一“显性”电平，那么单 元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表li 列举 了相关的数据。 表1 1c a n 通信距离与速率 l 位速率脑p s l 0 0 05 0 02 5 01 2 5l o o5 02 01 05 l 最大距离，m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 2 2 仪表指示方式的选择 仪表对汽车运行状况的指示可以采用数字、图像、指针等指示方式，数字方 式指示精确度较高，但不能很直观的反映汽车运行状况的变化，如车速变化的快 慢等；图像方式能直观的反映更多的信息，但成本较高。指针指示的精确度不如 前两种方式高，但反映汽车运行状况变化较为直观，且成本较低。本文设计中选 用的是指针和数字指示结合的方式，车速、发动机转速等信息通过指针指示，行 驶里程数则以数字形式显示。 在指针驱动部分，本文使用的是步进电机作为驱动指针旋转指示的器件，与 传统的模拟机电式电机相比，步进电机具有精确度高、运行稳定、长时间运行可 靠性高等优点，且便于实现数字控制。 2 2 1 步进电机概述 步进电动机可以简单地定义为嗍，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状 态就前进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动 机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也 可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。 步进电动机具有自身的特色归纳起来有哪： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应步距误差不长期积累、可以组成结构 较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控 制系统。 j；自td，idl，；l；lj，。 重庆邮电大学硕士论文 第二章系统设计方案 ( 3 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 4 ) 易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。 ( 5 ) 停止时可有自锁能力。 ( 6 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 。大范围内选择。在小步距 情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负 载。 ( 7 ) 速度可在相当宽范围内平滑调节；同时用一台控制器控制几台步进电 动机可以使它们完全同步运行。 ( 8 ) 步进电动机带惯性负载的能力较差。 ( 9 ) 由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的 不同而复杂化。 ( 1 0 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 2 2 2 步进电机微步驱动原理 步进电机的工作方式酬根据其转动的步距角不同可分为全步、分步和微步三 种 全步和分步方式都是通过控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机 产生步进旋转的合成磁势拖动转子步进旋转；步距角己由电动机结构所确定，如 果要求步进电动机有更小的步距角、更高的分辨率( 1 l p 脉冲当量) ，或者为减小电 动机振动、噪声等原因，可以在每次输人脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入 或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步 距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，绕组电流不是一 个方被，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶， 则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动 方法，称为微步驱动。 全步、分步、微步驱动电流波形关系如图2 4 所示。 脉冲摩列 制 螭一电压o 摹y t234sl2345 ， h dl 1 一一 l 十全；净l ：十：步 ， ， 一十属朝 一十t 步 图2 4 两相式步进电机电流细分波形图 9 重庆邮电大学硕士论文第二章系统设计方案 微步驱动时合成磁势的旋转情况如图2 5 所示。 0 4 图2 5 微步驱动合成磁势旋转情况 其中，步进电机一个分步转过的角度为6 0 。，即图中状态0 到状态4 ，而微 步驱动即是将这一个分步再细分为r i 步( 图2 2 中为4 步) ，每一微步电机转过 的步距角为口i - - 0 2 = 0 3 - 铆4 = l q = 1 5 。 2 2 3 步进电机驱动方案设计 由步进电机驱动的原理可知，要实现步进电机的微步驱动，就必须对输入电 机各相绕组的电流进行细分，使得输入电机绕组的电流为阶梯波。 传统的微步驱动方法多是采用硬件驱动电路或专用的步进电机驱动芯片( 如 v l d 6 6 0 6 、m c 3 3 9 9 1 等) 来实现对电流的细分，如单电压串电阻驱动、斩波恒流 驱动等。其原理是通过控制电机绕组两端电压成阶梯变化来实现电机绕组电流的 阶梯化，从而实现对步进电机微步驱动的控制。但采用添加驱动电路的方式会使 得硬件电路较为复杂，且难于实现精确的控制，而使用专用的驱动芯片又会增加 设计的成本。 随着计算机技术的发展，微控制器在仪表领域的应用日渐广泛，功能也日益 强大、完善。许多原本必需由硬件完成的功能现在用软件也能达到同样的效果。 因此，本文提出了一个采用p w m 调制脉冲直接驱动步进电机微步运行的方案，将 原本由硬件实现的电流细分功能改由软件来实现，即利用软件代码控制微控制器 产生动态的p w m 调制脉冲序列来控制步进电机的驱动。与传统的方法相比，这种 方法在保证了控制的精确性和可靠性的基础上有效的降低了硬件电路的复杂性 和系统的成本。其原理是：通过控制脉冲的占空比的变化( 脉宽调制) 来控制输 入步进电机绕组的电流有效值呈阶梯式变化，从而控制步进电机实现微步驱动。 l o 重庆邮电人学硕士论文 第二章系统设计方案 p w m ( 脉冲宽度调制) 方法是在保持脉冲的周期不变的条件下，改变脉冲信 号占空比的一种电流调制方法。通过p w m 调制可以得到不同占空比的脉冲信号， 而脉冲信号电流有效值与其占空比成线性比例关系。例如：设当占空比为1 0 0 时脉冲信号电流有效值为i ，则当占空比为5 0 时，其电流有效值为i 的5 0 。 这样，就可以通过控制输入步进电机绕组的电流脉冲序列的占空比以阶梯形式变 化，使得通过绕组的电流的有效值成阶梯形式，从而实现步进电机的微步驱动。 以二相式步进电机为例，可以通过对步进电机两相绕组分别输入具有一定相位差 的占空比按正弦规律阶梯变化的脉冲序列来实现其微步驱动。脉冲序列如图2 6 所示。 l 图2 6p w m 脉冲序列 此时，通过电机绕组的电流的有效值的波形如图2 7 所示，可以看到，电 流有效值是呈正弦阶梯变化的。 h n 麴抽 n 鬈阻 n o 重瞳 n 翮重m n 2 6 l m 毛o 覆2 l 匝蕾 o 5 m 覆 锄 l 暑7 h 赴9 矗n - i m l l2 34，67891 0l i1 2l ：31 41 51 6l l b1 92 02 12 22 3捌 _ - h- - - - - i - 一- 二 h- _一 ： 厂 厂 厂 l _。 1_ | - 1 - - h_ - _ 一 厂r _ - l i h i - - 厂厂 l 厂 ：jl _l l 鳘| 2 7 步进电机绕组电流有效值波形 重庆邮电大学硕士论文第二章系统设计方案 2 4 本章小结 本章介绍了基于c a n 总线的汽车数字仪表系统的方案设计，首先介绍了系统 通信方案的选择，设计中选择的是c a n 总线作为系统通信方式，并对c a n 总线进 行了简要的介绍；然后介绍了系统指示方案的选择，设计中选择的是采用步进电 机驱动指针指示和l c d 数字指示相结合的方式；并提出了一个采用p w m 调制直接 驱动步进电机微步驱动的方案。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章数字式直驱型转速表的设计 第三章数字式直驱型转速表的设计 3 1 转速表总体设计 转速表是汽车仪表系统的重要组成部分，驾驶员通过转速表可以了解到汽车 的核心部件一发动机的运行状况。因此本文中首先设计并实现了一个采用p w i g 脉 冲直接驱动步进电机微步驱动方案的数字化发动机转速表，以验证方案的可行 性。 3 1 1 转速表总体设计方案 转速表采用指针的方式指示汽车发动机的转速。霍耳元件感应生成的脉冲信 号，其频率的多少直接反映出发动机转速，以此为转速表的测量对象，在不使用任 何专用步进电机驱动芯片的前提下，根据采集的信号频率对比当前指针位置计算 步进电机转向和转角，再根据转角大小确定指针转速、加减速，输出动态p w i g 调 制驱动信号，直接接到双向步进电机的双驱四头端，带动指针旋转以显示发动机 转速。如图3 1 所示。 图3 1 转速表结构框图 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第三章数字式直驱型转速表的设计 3 1 2 转速表功能模块 指针：显示发动机当前转速。 l c d ：正常状态一显示发动机累计运转时间或发动机数字式转速。 设置状态一显示需设置的参数，包括指针最大转角、发动机最大转速、 齿数等；或显示指针修正值。 键盘：正常状态一切换l c d 显示内容。 设置状态一切换l c d 显示内容、设置相关参数以及修正指针位置。 掉电保护：系统掉电时对数据进行保存。 3 2 转速表硬件设计 硬件电路结构原理图如图3 2 所示。 图3 2 转速表硬件结构原理图 转速表采用的控制芯片为f r e e s c a l e 公司的m c 6 8 h c 0 8 l j l 2 微控制器1 1 q ，其 内部带有1 2 k b 的f l a s h ，5 1 2 b y t e 的r a m ，2 个1 6 位双通道定时器可用于p e v l 输 出或输入捕捉，7 段式l c d 驱动模块，键盘模块，3 2 个通用的数字i 0 口 m c 6 8 h c 0 8 l j l 2 的定时器1 工作方式为输入捕捉，t i c h o 口接收来自发动机传 感器的转速脉冲信号定时器2 工作在输出比较模式，t 2 c h 0 和t 2 c h l 端口分别 输出两路相位差为6 0 。的p 惭脉冲序列到步进电机的两相绕组以驱动步进电机。 为了增强其带负载的能力，在定时器2 输出端用一块1 j m 2 2 4 进行电流放大，放大 后的电流信号直接驱动步进电机带动指针显示发动机转速。l c d 屏直接与微控制 器的l c d 驱动模块连接，用于显示发动机累计工作时间、数字式转速、以及仪表 参数等信息。键盘直接连接到芯片 o 引脚上，通过低电平触发，用于切换l c d 显示及修改转速表参数。 1 4 耋 重庆邮电大学硕十论文 第三章数字式直驱掣转速表的设计 步进电机选用的是v i d 2 9 - 0 5 p 两相式步进电机【1 1 l ，其工作电压为5 - 1 0 r ，最 大消耗电流2 0 m a ，工作环境温度为一4 0 。1 0 5 。内置1 1 8 0 减速比的齿轮系， 输出轴最小步距角为1 1 2 。，其一个整步的步距角为1 8 0 。；每一个整步分为3 个分步，即每一分步的步距角为6 0 。；其微步的工作方式为将每一分步再细分 成四步走完，即将电机每相绕组的电流分为四个台阶投入或切断。每一个微步的 步距角为1 5 。 3 3 转速表软件设计 软件设计采用模块化的软件结构，整个软件包括：主程序模块，输入脉冲采 样模块，驱动参数计算模块，p w m 驱动模块，l c d 显示模块、键盘模块以及掉电 保护程序等。 输入脉冲采样、驱动参数计算、p w m 驱动均采用中断触发的方式完成采集 完成时，触发定时器的溢出中断，调用数据计算模块把采集来的数据转换成微型 步进电机转动的角度；再把计算结果传给p 聃驱动模块执行微型步进电机的驱 动。 为了缩短每次数据采集之间的时间间隔，使指针的转动更能实时的反映发动 机转速的变化，设计中采用驱动与数据采集并行进行的方式，即在p w m 驱动模块 接收驱动数据时，同时也起动了数据采集模块，如此可以实现驱动和采集同时进 行，让指针能够实现更宽的速度驱动范围以及更好的实时性。在数据采集过程中 主要通过脉冲触发中断的方式来实现脉冲计算，因为中断的时间非常短，对p w m 的驱动没有明显的影响。软件模块结构如图3 3 所示。 图3 3 软件模块结构图 重庆邮电大学硕士论文 第三章数字式直驱型转速表的设计 3 3 1主程序模块 主程序模块中主要的工作是：在转速表刚刚上电的时候，主程序首先进行系 统初始化，初始化m c u 的i o 口、定时器、各种中断等等；接着起动数据采集模 块，采集发动机转动速率的数据；调用键盘扫描程序，对键盘进行扫描；调用 l c d 显示程序；以及控制对发动机运行计时的启动、停止等。 主程序流程图如图3 4 所示。 图3 4 主程序流程图 ( 1 ) 考虑到汽车点火上电时的不稳定状态，程序开始时关掉了所有的中断 并增加了延时程序，以避免系统供电的不稳定造成系统运行状况出现问题。 ( 2 ) 检查转速表参数保存区，如发现为空则说明转速表为初次使用，需要 将转速表原始参数进行保存。如不为空，则从保存区读出转速表相关参数。 ( 3 ) 初始化系统，需注意的是，为了避免出现i o 口线产生错误的输入输 出，在对i 0 引脚进行初始化时必需先设定口线状态，再设定其方向( 输入或输 出) 。 - 6 重庆邮电大学硕士论文 第三章数字式直驱型转速表的设计 ( 4 ) 由于系统采用的是开环控制，无法对运行过程中产生的误差进行补偿， 长期运行时可能会造成步进电机失步累积，因此系统每次上电运行时均会将指针 复位至初始状态以消除上一次运行的失步误差。 ( 5 ) 修正指针指示的位置偏差。为了避免由于外部输入信号变化或干扰引 起错误，在修正过程中关闭了定时器1 的输入捕捉功能，不再对输入信号进行采 样。修正完成时，使能采样模块，重新进行采样。 ( 6 ) 对转速进行判断，如转速为“0 ”说明发动机已停止工作，此时停止发 动机运行累计时间的累加，并将累计时间保存至f l a s h 中，如转速不为“0 ” 且运行累计时间的增加已停止，则说明发动机刚开始工作，此时应加载f l a s h 中保存的发动机运行累计时间并启动时间的累加。 3 3 2 输入脉冲采样模块 输入脉冲的采样是由控制芯片的定时器1 的通