（通信与信息系统专业论文）基于can总线的汽车组合仪表研究.pdf

摘要 汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的安全 与经济行驶起着重要的作用，近年来，随着汽车电子技术的不断发展，汽车仪 表板上显示的信息不断增加，传统的机械指针式汽车组合仪表越来越无法满足 使用的需要，特别是计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，以 嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。 在研究、参考国内外现有智能化数字式仪表的基础上，充分利用现代电子、 计算机、传感测控等方面的技术成果，开发了新一代基于c a n 总线的多功能智 能化数字式仪表。本系统不仅具有点阵i , c d 中文显示功能，而且具有汽车黑匣 记录仪、时钟、串口通信以及步进马达控制等功能。实现了更高的智能水平。 在致力于完善系统功能、提高系统先进性与可靠性的同时，采用了c a n 总 线技术，用户可以根据不同汽车的具体情况动态地增删节点( c a n 监控模块) ， 而无需对硬件作任何的变动。该系统由一个s 3 c 4 4 b o x 控制器构成主控节点， 以及6 个最小系统节点组成。最小系统节点完成信号采集、a d 转换等功能，然 后通过c a n 总线将数据传给主节点。系统主节点对各节点采集到的数据进行计 算、判断处理后，将结果送往l c d 显示，并完成数据的存储保护，同时做出各 种控制动作。 软件是运用当前非常流行并且免费内核z c o s i i 多任务操作系统编写的， 提出了汽车组合仪表的基于嵌入式应用系统多任务运行解决方案，其中还介绍 了, c o s i i 操作系统移植到s 3 c 4 4 b o x 的过程。其中把各参数的测量数字化， 有利于与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、功 能扩展以及在传输的线束上得到更好的提高和改善。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、系列化程度大为提高，进而简化了生产工艺和制造设备。 本文在s 3 c a 4 b o x 与嵌入式操作系统* c o s i i 相结合的开发平台上实现了 基于c a n 通信的智能全数字式汽车仪表，并且完成了与其它汽车节点的全部通 信协议，同时在此基础上对一些关键部分的软硬件设计思想，以及所涉及到的 基本知识作了比较详细的剖析。 关键词： c a n 总线；汽车仪表：a r m ；# c o s - i i a b s t r a c t t h ei n s t r u m e n to fa u t o m o b i l ei st h em a i ni n t e r f a c et h r o u g hw h i c ht h ed r i v e rc a n c o n m 【i u t em e s s a g ew i t ht h ea u t o m o b i l ea n dt h es a f e l ya n de c o n o m i c a l l yr u n n i n go f t h ea u t o m o b i l ei sg r e a t l yi n f l u e n c e db yi t r e c e n t l y , w i t ha u t o m o b i l ee l e c t r o n i c a l t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la s s e m b l e di n s t r u m e n t 啪n o l o n g e rs a t i s f yn e e dm o r ea n dm o r e e s p e c i a l l yw i t ht h ew i d e l yu s i n go fc o m p u t e r , m i c r o - e l e c t r o n i c sa n df i e l db u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t b a s e do n m i c r o p r o c e s s o r i st h e n e c e s s a r y t r e n do fa u t o m o b i l ei n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t u n d e rt h es t u d yo ft h ei n s t r u m e n to fa p t i t u d ed i g i t a la u t o m o b i l ea th o m ea n d a b r o a d , a na d v a n c e dm u l t i f u n c t i o n a ls e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mf u rc a ri sd e v e l o p e d , w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yp r o g r e s si nt h ef i e l d ss u c ha se l e c t r o n i c , c o m p u t e r , s e u s o ra n dc o n t r o l l i n g t h es y s t e mn o to n l yp o s s e s s e sl c d i n t e r f a c et o r e p o r tp a r a m e t e r , b u ta l s op e r f o r m st h eg e n e r a lf u n c t i o n ss u c ha sa u t o m o b i l er u n n i n g r e c o r d e r , c l o c kc h i p ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a n ds t e p p i n gm o t o rc o n t r o lf u n c t i o n s t op e r f e c tt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，i m p r o v et h ea d v a n c e s , a n dg u a r a n t yt h e c r e d i b i l i t y , c a nb u si sa d o p t e d , w h i c hm a k e si tp o s s i b l ef u ru s e r st oa d du n i t s ( c a n m o n i t o r i n gm o d u l e ) d y n a m i c a l l yt om e e td i f f e r e n tn e e d s ，w i t h o u tt h el e a s tc h a n g e so f t h es y s t e m sh a r d w a r e t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d eu po fo n es 3 c 4 4 b o xm a i n c o n t r o l l i n gu n i t , a n df u u rs m a l l e s tu n i t s t h es m a l l e s tu n i ti s t os a m p l es i g n a l s , p e r f o r ma df u n c t i o n , a n ds e n dt h e mt ot h em a i nu n i tu s i n gc a nb u s f i n i s h e d p r o c e s s i n gt h er e c e i v e dd a t a , t h em a i nu n i td i s p l a y st h er e s u l t , t h ec o n t r o l l i n gu n i t s e n d so u tc o n t r o l l i n gs i g n a l s t h es o f t w a r ei sb a s e du p o np r e s e n tf a s h i o na n df r e em a co s 卫c o s i it h a ti s b a s e do nt h ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yo fm u l t i t a s ks y s t e ma n di tb r i n g sf o r w a r dt h e s e t t l i n gs c h e m eo ft h ei n s t r u m e n to fa u t o m o b i l e s o f t w a r ew i t ht h em a co s m c o s i ia n d i c o s - i i st r a n s p l a n t i n gs 3 c a 4 b o x t h ed i g i t i z e dm e a s u r e d p a r a m e t e r si si nf a v o ro fc o m m u t i n gd a t aw i t ho t h e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m sa n d a u t o m o b i l ec o n t r o l s y s t e m sd e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o n , w h i c hm a k e st h e i n s t r u m e n to fa u t o m o b i l eh a v eal o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , c o m f o r t ，e x p a n d i n gs y s t e m f u n c t i o na n di m p r o v i n gw i r i n gh a r n e s s t h r o u g ha m e n d i n gs y s t e m sp a r a m e t e r , t h e s y s t e m sp e r f o r m a n c ea n dm e 笛u r c 啪b ec h a n g ew i t hc l i e n t s n e e d b ya m e n d i n g s y s t e m sp a r a m e t e r , i t nm a k ea u t o m o b i l ei n s t r u m e n ta d a p ta l lk i n d so fn e e do n k i n da n dr a n g e ，w h i c hc a nd e v e l o p m e n ta u t o m o b i l et e c h n o l o g yi ng e n e r a lu s i n g , m o d u l a r i z a t i o n , s t a n d a r d i z a t i o na n ds e r i e s ，c o n s e q u e n t l yp r e d i g e s t i n gp r o d u c i n ga r t s a n dc r a f t sa n dm a n u f a c t u r ee q u i p m e n t f i n a l l y , t h ei n s t r u m e n tc o m b i n i n gs 3 c 4 4 8 0 xa n de m b e d d e dm a co s m c o s - i i a c h i e v e st h ei n s t r u m e n to fa p t i t u d ed i g i t a la u t o m o b i l et h a ti sb a s e do nc a nb u sa n d i ta c h i e v e se n t i r e t yp r o t o c o lw i t ho t h e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m s ，a n da l s ot h e c o r r e l a t i v eb a s a lk n o w l e d g eo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em a i nu n i ta n d s m a l l e s tu n i ta r ed i s c u s s e d ，a n ds o m ek e ys e c t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d ：c a nb u s ；a u t o m o b i mi n s t r a m e n t ；a r m ；2 c o s 丑 独创性声明 本人声明，所里交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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：臼蚴日期：馥= 竖丑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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：台韭盈 导师签名：鼍垒丞日期：凇立 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 至今汽车走过了1 0 0 多年的发展历程，作为现代汽车关键零部件之一，现代汽 车仪表将广泛采用电子与计算机技术，使之成为现代汽车的信息和控制中心。它 主要集中反映汽车行驶速度、里程累计、电系状况、制动、发动机转速、压力、 冷却液温度与存量，然油量、指示灯状态，以及车辆行驶过程外部环境条件、位 置、行驶路线和导航信息，是一个集感觉、识别、情况分析、信息库、自适应和 自控制六大功能与一体的显示汽车行驶时各种参数、保证安全驾驶的智能化辅 助系统。 汽车仪表发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过了4 代：第1 代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，即机械心表；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电量转换成电信号加以 测量，称之为电气式仪表；第3 代为模拟电路电子式；第4 代为步进电动机式全 数字汽车仪表。目前汽车仪表正在经历第3 代向第4 代转型时期。 由于现代汽车仪表所要显示的内容和信息种类越来越多，精度越来越高，传 统电气式仪表难以满足更高层次要求，因而汽车仪表的电子化和数字化将成为必 然趋势。9 0 年代，国外锖造商为了克服电气式仪表的原理误差和工艺误差，纷纷推 广采用电子式仪表，首先将传感器的模拟信号数字化，如将驱动车速里程表的软 轴或电机变换成霍尔传感器，将机械传动或电量转动变成数字电信号传输。其次 是将磁感应指示模块变成数字显示形式，里程累计由蜗杆传动变成由步进电机驱 动或直接数字化显示。随着信息技术的高度发展，汽车仪表已从单个仪表电子化 迈向集成化和系统化【。 同时为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享， 如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。但每个控制单元对实时性的要求 是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于 优先权竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，c a n 总线正是为满足这些要 求而设计的。 武汉理工大学硕士学位论文 本课题通过仪表与微处理器、网络技术融合，基于c a n 总线网络的全数字电 子器件代替原有的机械机芯表、电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【2 j 。 1 2 汽车仪表的发展现状 国际市场上汽车电子仪表应用主流有三种形式：第一种形式与国内市场上 正大力推行的电子式汽车里程表和电子式发动机转速表一样，主要是对车速里程 表、转速表电子化改造。第二种形式是所有汽车仪表机芯统一成一种结构的步 进电机，所有的传感信号经a d 转换后，由中央处理器c p u 运算处理后发布指令， 使各步进电机运转，实现仪表指示功能，由于该过程是全数字化的，因而它不仅指 示精度高，加上合适的软件还能实现自诊断功能。第三种形式即是信息管理系统， 也是国际汽车电子仪表的发展趋势i ”。 我国汽车仪表的发展随汽车工业一道，自5 0 年代创业起步至今已5 0 多年，生 产企业超过百家，经历了从简单仿制到自主开发的漫长历程，经过8 0 年代与9 0 年 代的大规模技术改造和引进、消化、吸收国外先进技术，改变了过去产品品种单 一、质量不高、工艺落后、生产与发展速度缓慢的局面，目前产品品种可基本满 足国内生产品种中低档汽车车型的配套需求。产品已从原先只能简单指示汽车 行驶过程中速度、燃油量、冷却液温度、机油或制动压力、发动机转速及燃油 传感器、温度传感器、压力传感器的传统型五表三器发展到机械式、电气式、 电子式三大系列，并逐步向数字化方向发展【4 j 。 1 3 论文研究的内容 把先进的c a n 总线通信技术引入到汽车仪表中，解决汽车仪表表盘数据传 输的问题。本论文研究的主要内容有： ( 1 ) 汽车在行驶过程中各状态参量的数据采集 2 武汉理工大学硕士学位论文 主要包括油量、油压、气压、电压、水温等模拟量和车速、转速等脉冲量 的采集。 ( 2 ) 利用c a n 总线进行数据通信 系统要将采集的数据汇总进行处理，首先必须进行可靠的数据传输。本系 统采用c a n 总线作为数据的通信网络。需要对c a n 总线的协议标准、兼容的 硬件、软件处理作进一步详细的研究。 ( 3 ) 数据存储保护的实现 行车记录仪的核心功能之一就是对采集的众多参量进行存储，以便于车辆 的科学管理和交通事故的调查。因此，如何能准确无误地将大量数据存储并保 护好是本系统要研究的重点问题之一。 ( 4 ) 车载信息的l c d 显示 实时显示汽车速度、转速以及里程等大量汽车行驶过程中的动态数据的功 能。 ( 5 ) , u c o s i i 在a r m s 3 c 4 4 b o x 上的移植 嵌入式操作系统# c o s i i 在基于a r ms 3 c 4 4 b o x 的目标板上的移植，并编 写了z c o s i i 下的c a n 总线设备驱动程序。并完成了在# c o s i i 下运行的简 单的c a n 总线测试应用程序的编写。 此外，在系统的稳定性方面，本文也做了大量软硬件设计工作。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车载系统信号采集测量模块设计 2 1 车载信号采集测量模块硬件设计 车速传感器 = = 0 h p 脉冲计数 发动机转速传感器 = 二= = 0 输 冷却液水温传感器 二= = 昌 入 信 卜 号 a d 采集 处 燃油液位传感器 二= 0 理 模 块 s 3 c 4 4 b o x 机油压力传感器 = = 0 蓄电池传感器 = = 0 图2 - 1 车载信号采集测量模块 信号采集测量主要是采集脉冲量( 开关量) 、模拟量等，车速与发动机的转速 传感器输出的是脉冲量信号，水温，燃油液位及油压传感器输出的是模拟信号， 而蓄电池电压本身就是模g a i t 5 1 。故这些由传感器输出的信号先经过信号处理模 块处理如图2 - 1 所示，即进行隔离，放大，滤波和电平变换，以适应a r m 的3 3 v 电平匹配【6 】。 2 2 脉冲信号采集测量模块硬件设计 车速传感器采用光电式，由常规车速表软轴驱动，软轴带动开有方孔的轮 4 武汉理工大学硕士学位论文 子在发光二极管和光电晶体之间旋转。由于轮子轮番遮断发光二极管发射的光 束，光电晶体管便发出一连串的电脉冲信号，经过信号采集测量模块将其整形 成平滑的脉冲信号，然后被s 3 c 4 4 b o x 控制器计数成每秒脉冲数，每秒脉冲数 变换成公里小时值。 发动机转速传感器采用磁电式曲轴转角传感器，由转子和线圈组成。转子 固定在分电器轴上，线圈固定在分电器壳体上。永久磁铁的磁力线经转子、线 圈、托架构成封闭回路。转子旋转时，由于转子凸起与托架间的磁隙不断发生 变化，通过线圈的磁通也不断交化，线圈中便产生感应电压，并以交流形式输 出。发动机转动时，使感应线圈内磁通变化，从而在感应线圈内产生交变的电 动势，传感器相应的处理单元再将它处理后，即变成脉冲信号。 下面是发动机转速和车速试验所采集波形。 发动机转速波形图如图2 - 2 所示。 nnfnnf 峰一峰值- 2 v平均值5 2 7 v 罔捌2 0 2 6 m l鞭率“8 4 1 - l z 息速 篇嚣1 3 4 ”4 m “嚣氅4 $ h “z周期频事5 1 1 5 0 0 r p m nnfn 八n 峰一峰值1 2 6 v平均但盯， 周期3 3 4 1 删频率“4 3 h z 2 0 0 0 r p m 篙裟：翟震怒z 3 0 0 0 q a m 图2 - 2 发动机转速波形图 5 武汉理工大学硕士学位论文 车速波形如图2 - 3 所示。 nn (n nf 峰- 峰值4 4 0 v平均值1 8 6 v 周期3 6 3 5 n 幢 频率2 2 5 l k 4 0 k m h 篙舞船盖茎器邕 6 0 k m h 厂n门厂厂厂 峰- 峰值4 3 6 v 平均值2 0 3 周期1 6 4 3 m s援率6 08 6 1 - 1 z $ 0 k m h 峰- 峰值“o v 周期91 3 0 m s 图2 - 3 车速波形图 平均值1 9 s v 攒率1 0 9 5 i l z 1 4 0 k m h 由于车速( 或发动机转速) 传感器输出的信号不是标准方波信号，而且往往还 附加了许多的干扰信号，这就要对信号进行预处理，去除其中的干扰信号，并 把信号整形为标准的方波信号输入给s 3 c 4 4 b o x 控制器，这里用光电耦合器进 行整形，这是由于光电耦合器是光感器件，它的触发需要一定的能量，因此它 对滤除此种干扰有良好的效果。在这里进行光电隔离的另一个目的是防止干扰 窜入。所谓光电隔离就是去掉传输量与输入输出通道之间的公共地线，实现彼 此电隔离以抑制干扰脉冲【“。 根据s 3 c 4 4 b o x 控制器的输入电平要求，送入s 3 c 4 4 b o x 控制器的脉冲量 ( 开关量) 均应在3 0 v 3 6 v 之间 s l ，故模块处理电路将车速、转速传感器输出的 脉冲信号经光电耦合器6 n 1 3 7 进行电平转换为3 3 v 后分别送至s 3 c 4 4 b o x 控制 器的e i n t 0 和e i n t l 单元引脚。e i n t 0 e i n t l 引脚由1 变0 时，开始计数， e i n t 0 e i n t l 引脚由0 变1 时，停止计数。计数过程中用查询方式测试 a i n 0 a i n l 引脚的电平，高电平时，由定时器自动计数；测试到低电平时，表 武汉理工大学硕士学位论文 明计数结束，s 3 c 4 4 b o x 控制器可以取计数值并计算计数结果。这样，e 删 e i n t l 引脚信号的高电平脉宽可由定时器0 1 计数得出。采用这种硬件设计不仅 保证了计数的速度，也保证了计数的精度。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发光源 和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用 透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。由于光电 耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小f 光电耦合器的输入阻抗 1 0 0 q 1 0 0 0 0 ，而干扰源的内阻通常为1 0 s q 1 0 6 q ) ，即使有时干扰电压的幅 度较大，但所提供的能量却很小，只能形成很微弱的电流，不易使半导体二极 管发光，因此电压幅值很高的尖脉冲干扰，由于没有足够的能量而不能使二极 管发光，从而被抑制掉了。由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的 影响，同时由于光电耦合器的隔离电阻很大( 约1 口2 q ) ，隔离电容很小( 约0 5 2 p f ) ，所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。光电耦合器的隔离阻抗随着频率 的提高而降低，抗干扰效果也将降低。 因此在脉冲量检测采集模块中采用光电耦合器起到抗干扰、安全保障和电 平转换作用。这里选用高速6 n 1 3 7 光电耦合器。其具体特性如下：6 n 1 3 7 是用 于输入输出高电压隔离快速接口应用上的，电气隔离最小是3 0 0 0 v d c ，速度可 达到1 0 m s ，工作电压是+ 5 v ，其l e d 的正向电流最大可为2 0 m a ，正向压降为 1 6 5 v ，反向电压最小为5 v 即可以击穿光藕，输出电流最大可为5 0 m a ，输出电 压最大可为7 v 。l e d 开( 发光) 的电流范围为7 2 0 m a 。l e d 关( 灭) 的电流范围 为0 2 5 0 u a 。 6 n 1 3 7 内部结构如图2 - 4 所示。 + 3 v e 图2 - 46 n 1 3 7 内部结构图 7 v c c v o g n d 武汉理工大学硕士学位论文 信号从脚2 和脚3 输入，发光二极管发光，经片内光道传到光敏二极管， 经电流电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端为使能端，当 使能端为高时，与门的输出为高电平，经输出的三极管反向后光电隔离器输出 为低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出为高电平，但 这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。 脉冲信号测量模块原理图如图2 - 5 所示。 图2 - 5 脉冲信号测量模块硬件原理图 其中r f 为限流电阻，发光二极管正向压降典型值为1 6 5 v ，当发光二极管 正向电流为0 2 5 0 u a 时，光敏管不导通；当正向电流为6 5 1 5 m a ，光敏管导 通。从上而的发动机转速波形图可以得到峰峰值约为1 2 8 v ，要使l e d 在峰值时 导通，r f 为1 0 k o ；从上面的车速( 里程) 波形可以得到峰峰值约为4 4 v ，要使 l e d 在峰值时导通，r f 为3 k q 。使能端e ( 脚7 ) 在0 8 v 时强制输出为高；当 在2 0 v v c c 时允许接收端工作。输出端o ( 脚6 ) 是集电极开路输出端，通 常加上拉电阻。另外输出低电平时可以吸收电流达1 2 m a ，故其电阻r s 为 4 7 kq 。但这时输出的脉冲波形正好与原脉冲波形相反，但不影响脉冲计数。 2 3 模拟信号采集测量模块硬件设计 模拟信号采集测量模块是测量冷却液水温、燃油液位、机油压力和蓄电池 电压等模拟量，通过测量其相应的电压信号大小监测各个参数的变化情况1 9 】。 冷却液水温传感器是用于检测发动机冷却液水温的，其原理是采用热敏电 8 武汉理工大学硕士学位论文 阻传感器，它是一个封闭装置，其上制有螺纹，可旋进汽缸壁或缸盖的水套中， 它的里面是一个y r c ( 负温度系数) 0 0 热敏电阻，水温降低时，热敏电阻的阻值增 大；水温升高时，则阻值减少，从而改变输出信号的大小。 燃油液位传感器是用于检测燃油箱的油量，其原理是采用浮子式传感器， 属于模拟量输出型液位传感器，由浮子、内装滑动电阻的本体以及连接这两者 的浮子臂构成，浮子可随液面上、下移。油箱内存油面高、低变化时，引起浮 子位置的高、低变化，在滑线变阻上取得不同的电阻值，即得知油面的高度。 机油压力传感器是用于保证机油泵有正常的压力压送机油，其原理是采用 应变片传感器，装在主油管道孔内的感应塞把压力转换为电量输出，通常通过 螺纹拧入缸体的油道内，当油压增高时，压力通过润滑油道接口推动膜片弯曲。 蓄电池电压本身就是一个模拟量，故无需任何其它传感器。蓄电池电压的 测量比较简单，该电压的正常值为+ 1 2 v 或+ 2 4 v ，波动范围在+ 1 0 v + 1 5 v 或 + 2 1 v + 2 7 v 之间。因a r m 中的a o 输入端要求输入电压为+ 3 3 v ，故需将蓄 电池电压进行分压、进行低通滤波后再送入a r m 中a d 输入引脚。 以上各个被测信号都以交化的电阻来体现的，但它们变化一般不是很明显， 均较弱，一般需将其放大及处理后送到a r m 处理器的a d 中。 模拟信号采集测量模块的硬件如图2 - 6 所示。汽车这些参数的传感器输出一 般为变化的电阻信号，在前置处理中先将这些变化的电阻信号转换为电压，并 将电压信号调整到3 3 v 3 6 v 范围内，然后经过相应的信号处理模块处理后， 送入a r m 控制器的1 0 位a d 转换输入端，进行相应的a i ) 转换2 电 压 八 信号 八 删 信 v 处理 d 模块 v 采集 号 图2 - 6 模拟信号采集测量模块示意图 其信号处理电路如图2 7 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 电压模拟量信号处理电路 r l 是温度或压力传感器( 其相应的温度或压力的变化反应为阻值的变化) ， 它与电阻r 2 , r 3 ，r 4 构成电桥电路，该电桥电路作用是把传感器的电阻变化转 换为电桥的电压变化。当电桥平衡时( r i = r 2 ，r 3 = r 4 ) ，此时电桥的输出u 2 等于 0 。当所测的参数发生变化引起r 1 阻值发生变化时，电桥的输出u 2 不为o ，其为 u 2 一= 兰：兰：= u 一竺二u 。该电压再经过由一个差动放大电路放大输出，这里 r 2 + r 3 r 1 + r 4 的差动放大器差模放大倍数是彳d 。( 1 + r 5 i + 一r 6 ，丽r 8 埘，这里通过调节相应的电 几w ， 阻值使其最大量程对应的模拟量为接近3 3 v ，然后与a r ms 3 c 4 4 b o x 的a d 脚连接，进行a d 转换。 由温度传感器厂家提供，在0 时，r 1 所测的电阻为1 6 k q ，为了使在 0 时所测电压为0 ，必须使r i = r 2 = i 6 k q ，r 3 = r 4 = i o o k q 。 信号处理输出的电压与s 3 c 4 4 b o x 的a ，d 引脚连接，进行a ，d 转换。 s 3 c 4 4 b o x 的模数转换模块a d c 是1 0 位转换精度，有8 个模拟输入通道，这里 选用8 个通道自动排序。这里对这4 个模拟量在一次自动排序a d 中分别采样2 次，这样在软件中即可以在一次a d 转换中得到同一个参数的2 个值，求出其 均值，这样就可以进一步消除干扰信号。本系统选用软件启动作为a d 转换触 发源。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章c a n 通信原理及其实现 控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kc a n ) 是国际上应用最为广泛的国际 标准现场总线之一，已有许多大公司在采用c a n 技术，应用范围已不再局限于 汽车领域，而向过程控制，机械工业数控机床以及传感器等领域发展。 c a n 属于总线形式串行通信网络，采用了许多新技术及独特的设计。c a n 总线的数据通信具有高稳定性、高灵活性、高可靠性的特点。一个由c a n 总线 构成的单一网络中，理论上可以挂无数个节点。实际应用中，节点数目受网络 硬件的电器特性所限制1 1 l j 。 随着车用电气设备越来越多，为了解决现代汽车内部用少量的线束实现大 量的控制测控仪器、微处理器、传感器和执行机构之间的数据交换问题，基于 c a n 协议的分布式控制网络逐渐在现代汽车上广泛采用【1 2 】。本课题也是结合 c a n 总线的优势和汽车总线的发展采用了c a n 总线通信网【廿】。 3 1 c a n 总线原理 3 1 1c a n 层的定义 c a n 层的定义与开放系统互连模型( o s i ) 一致，是基于o s i 的网络层定义的。 每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的 两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连【1 4 1 。表3 - 1 中展示了o s i 开放 式互连模型的各层。c a n 的规范主要是采用三层网络的结构：物理层、数据链 路层、应用层。对应物理层的是收发器( t r a n s c e i v e r ) ，主要功能是位编码解码、 位定时及同步等。对应数据链路层的器件是c a n 控制器( c o n t r o l l e r ) ，主要功能 是数据传输和远程数据请求服务、滤波及超载通知和恢复管理等。在应用层上 主要是用户特殊的应用，对应的器件是m c u 。己在工业控制和制造业领域得到 广泛应用的标准是d e v i c e n e t ，这是为p l c 和智能传感器设计的。在汽车工业， 许多制造商都应用他们自己的标准。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 1o s i 开放系统互连模型 1 物理层规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释 数据链路规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧 2 层结构 3 网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址 两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发、数据错误修 4 传输层 复 5 会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 6 表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如： 7应用层 d e v i c e n e t c a n 的分层结构图和功能如图3 - 1 所示。 图3 - 1c a n 的分层结构和功能 武汉理工大学硕士学位论文 l l c 子层主要功能是；为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供了信息，在定义 目标处理时，存在许多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧 结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。同时也要确定，为开始一 次新的发送，总线是否开放或者是否马上接收。位定时特性也是m a c 子层的一 部分。m a c 子层特性不存在修改的灵活性。 c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。 信号使用差分电压传送，两条信号线被称“c a n h 和“c a n l ，静态时均是2 5v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”。用c a n h 比c a n l 高表示 逻辑“0 ”，称为“显性”，此时，通常电压值为：c a n h = 3 5v 和c a n i ；1 5 v 。 3 1 2 报文传送及其帧结构 进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。如果一个单元不 是报文发送器，而且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧、远程帧、错误帧和过 载帧。 数据帧：数据帧携带数据从发送器到接受器。 远程帧：总线单元发送远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到一个总线错误就发送错误帧。 过载帧：用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之问提供附加的延时。 对于报文发送器和接受器，报文的实际有效时间是不同的，如果直到帧结 束末尾一直未出错，则对于发送器有效，如果报文受损，将允许按照优先权顺 序自动重发送，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则接收器报文有效i “。 构成一帧的帧起始，仲裁场，控制场，数据场，和c r c 序列均借助位填充 规则进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自 动的在实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固 定格式，不进行填充，出错帧和超载帧同样是固定格式，不要进行填充。报文 中的位流按非归零( n r n ) 方法编码，意味着一个完整的位电平是显性隐性。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始，仲裁场，控制场，数据场，c r c 场，应答场和帧结束。数据场的长度可以为零。 c a n 2 0 a 数据帧的组成如图3 2 所示。 帧起始 图3 - 2 数据帧组成 应答场 帧问空间 或超载帧 帧起始：帧起始标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个显位构成，只有 在总线处于空闲状态时，才允许帧开始发送，所有站都必须同步于首先开始发 送的那个站的帧起始前沿。 仲裁场：仲裁场由表示符和远程发送请求位组成，如图3 3 所示。对于 c a n 2 o a 标准，标识符的长度为1 1 位，这些位由从高位到低位的顺序发送，最 低位为i d 0 ，其中最高7 位( i d 1 0 i d 4 ) 不能全为隐位。r t r 位在数据帧中必须 是显位，而在远程帧中必须是隐位，在c a n 2 0 b 中标准格式和扩展格式的仲裁 场格式不同，在标准格式中，仲裁场由1 1 位标识符和远程发送请求位( r t r ) 组 成，标识符为i d 2 8 i d 1 8 ；而在扩展格式中，仲裁场由2 9 位标识符和替代远 程请求位( s r r ) ，标识位和远程发送请求位组成，标识符位为1 d 2 8 i d 0 。仲裁 场组成如图3 3 所示。 帧问空间日 帧起始 # = = = = = 。数据帧= = = = = 号 控制场 上 表示符 r t r j 立 图3 - 3 仲裁场组成 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 控制场：控制场包括数据长度和两个保留位。这两个保留位必须发送显位d ， 数据长度码d l c 指出数据场的字节数目。数据长度码为4 位，在控制场中发送。 数据长度码中数据字节数目编码如表3 - 2 所示。数据字节允许数目为o 8 ，不 能使用其它数值。d 表示显位，f 表示隐位。 瓤话功觋r c k 功 r lr od l cd l c 2 d l c ld l c 0 o 保留位b 爆一 数据长度码： 图3 - 4 控制场组成 表3 2 数据长度码中数据机直接编码 数据字节数目 d l c 3d i 上= 2d i c l d l c o 0dddd 1ddd f 2ddr d 3d d rr 4drdd 5drd r 6drrd 7drrr 8rddd 数据场：数据场由数据帧中被发送的数据组成，它包括0 8 个字节，每个 字节8 位。首先发送的是最高有效位。 武汉理工大学硕士学位论文 c r c 场：c r c 场包括c r c 序列，后随c r c 界定符。如图3 5 所示。 图3 - 5c r c 场结构 c r c 序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 的 帧，为实现c r c 计算，被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数 据场在内的位给出，其1 5 个最低位的系数为0 ，此多项式被发生器产生的多项 式除( 系数为模2 运算) ，该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。c r c 界定符必须为1 。c r c 的位填充均由硬件实现。 应答场：应答场( a c k ) 为两位，包括应答间隙和应答界定符。如图3 - 6 所示。 图3 - 6 应答场组成 帧结束：每个数据帧和远程帧均由7 个隐位组成的标志序列界定。 ( 2 ) 远程帧 需要获得数据的节点可以借助于发送一个远程帧来请求对应的节点发送数 据给它。远程帧由6 个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、 应答场和帧结束。同数据帧相比较，不同的是：远程帧的r t r 位是1 ( 这须由 用户用程序填充) ，远程帧不存在数据场。d l c 的数据值是独立的，它可以是0 8 中的任何数值。远程帧的组成如图3 7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 帧同空同 b e 。 帧问空间 ， 或超载帧 zf 可 帧结束 仲裁场 控制场a 腩 帧起始 图3 7 远程帧组成 a c k 场 ( 3 ) 出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自个站的错误标志叠加得到，后 跟的第二个是出错界定符。出错帧的组成如图3 - 8 所示。 图3 - 8 出错帧的组成 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志，一种是认可错误标志，活 动错误标志由“0 0 0 0 0 0 ”组成，而认可错误标志由“1 1 1 1 1 1 ”组成。，一个检测到出错 条件的“错误活动”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。同理，其它节点若 同样也检测到出错条件，则也发送出错标志。这样，在总线上被监视到的0j 宁 列是由各个站单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总长度在