毕业设计（论文）—基于CAN总线的汽车组合电子仪表系统设计

1、毕业设计说明书基于CAN总线的汽车组合电子仪表系统设计专业电气工程及其自动化学生姓名王江龙班级B自动化074学号0710603420指导教师闫奇瑾完成日期2011年6月8日基于CAN总线的汽车组合电子仪表系统设计摘 要：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。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态，妥善处理各种情况。基于CAN总线的汽车组合电子仪表系统采用的是TI的LM3S8962芯片为核心处理器，以CAN总线通讯协议为基本协议，并且使用步进电机作为汽车指针仪表的驱动器，同时辅以软件编程

2、来实现各项功能。仪表所需的各种信息均由CAN总线来进行传递，从而大大降低了系统的设计复杂性以及布线难度。同时，仪器与整个车身CAN网络相连接，形成了一个完整的汽车一体化网络控制系统。本课题利用总线技术设计汽车仪表通讯，使汽车仪表能够接收传感器的车速，油量，发动机转速，开关量等信号并实时显示出来，所设计的仪表主要应用于重型运输车等领域。同时系统能节省空间，节省成本，并且加快了数据传送，并且使得系统更稳定，安全，简便，快捷，是汽车仪表通讯未来的发展方向，有着相当广阔的市场空间。关键词：CAN；汽车仪表；LM3S8962；步进电机；LCD显示The system Based onthe Automo

3、tive CAN Buscombination of electronic instrumentAbstract：As a result of improvement of vehicle emissions，energy saving，safety andcomfort，automotive electronic control is becoming barer and beaverAutomotiveelectronic control device must quickly and accurately handle a variety of information，and displ

4、ay through the instrument so that the driver has sufficient time to understand and master the operation of motor vehicles，and properly handle the various situationsAutomotive CAN bus based on combination of electronic instrumentation system use TI's chip as the core processor LM3S8962，the CAN bu

5、s communication protocol as the basic agreement，and use the stepper motor as a motor drive pointer instrument， supplemented by software programming to implement various functions. Instrumentation required for a variety of information to be passed by the CAN bus，which greatly reduces system design co

6、mplexity and wiring difficult. Meanwhile，the instruments and the whole body is connected to CAN network to form a complete integrated network of automotive control systems. Technical design of the subject automobile instrument use bus communication， the car dashboard to receive the speed sensor，engi

7、ne speed，switch signals and real-time display，etc；the main instrument design for heavy duty trucks and other fields. At the same time the system can save space，save costs and speed up data transfer，and makes the system more stable，secure，simple，fast，a car the future development of communication inst

8、ruments，has a very broad market space. KeyWords:CAN；car dashboard；LM3S8962；signal transmission；stepper motor；LCD display目 录1. 概述11.1 课题的来源与意义11.2 国内外的发展现状11.3 课题研究的主要内容32. 系统总体设计与主芯片选型52.1 系统总体方案设计52.2主芯片52.2.1 主芯片选择52.2.2 LM3S8962芯片介绍63. 系统硬件模块设计与元器件选型93.1 系统晶振模块设计93.2 电源模块设计93.2.1 初始电源模块设计93.2.2 M

9、C34063芯片介绍103.2.3 芯片供电模块103.3 CAN总线通讯模块设计113.3.1 CAN总线基本概述113.3.2 CAN总线的特点123.3.3 CAN总线的功能描述123.3.4 CAN2.0B规范133.3.5 CAN模块电路具体设计14介绍143.4JTAG通讯模块设计153.5 信号调理模块设计163.5.1 光耦合器功能163.5.2 光耦合器的特点173.6 电机驱动模块设计173.6.1 步进电机驱动仪表的原理173.6.2 VID6606芯片介绍183.6.3 驱动芯片时序参数193.6.4 步进电机的选择203.7 液晶显示模块设计203.7.1 液晶显示器

10、的选择203.7.2 液晶显示器简介213.8 复位电路模块设计233.9 报警模块设计234. 软件设计244.1 软件主程序流程设计244.2 CAN总线系统流程设计245. 结束语27参考文献28致谢29附录30附录1：元器件清单31附录2：主电路图33基于CAN总线的汽车组合电子仪表系统设计1.概 述1.1 课题的来源与意义随着集成电路和芯片在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制单元越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等。如果仍采用常规布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目的急剧增加，同时复杂电路也降低了汽

11、车可靠性，增加了维修难度。于是，先进的通信网络技术CAN总线被引入到汽车组合仪表设计中，并替代原有的机械式、电气式传统的仪表设计。它用低成本的双绞线电缆代替了车身内昂贵的导线，并大幅度减少了用线数量；提高可靠性、安全性，降低了成本1。 通常状况下，电子控制装置通过CAN总线提供稳定、可靠的低成本网络连接。在现代汽车中，采用总线的意义已远远超出节省电线的范围，它已成为车内各零部件实施信息交互的标准接口。整车的总线网络成为整车的电器平台，也就是说只要有总线存在，就可以在这个总线平台上不断增加汽车的智能化零部件2。总线技术促进了汽车智能化的发展3。根据ISO(国际标准化组织)定义的OSI模型，CAN

12、协议定义了物理层及数据链路层规范，这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。因此汽车总线技术有着相当广阔的前景。 我国目前主流的大多数汽车仪表都存在着以下的缺陷4：a)精度不高。传统的汽车仪表在低速区的基本误差相当大，在低速区的线性也是很差，而在转速表、油量表和水温表等都有类似的问题。b)分度不均匀。由于传统汽车仪表的指针位置是由合成磁场确定的，其线性差的问题难以解决，故常采用低速区和高速区不均匀分度方法加以纠正，但这样会导致高速区和低速区指示精度降低和分辨率下降。c)可靠性差。由于传统的汽车仪表是由针轴、游丝、线包、磁屏蔽罩和机械零件构成，其故障率很高。目前国内汽车仪表

13、行业在整体上仍滞后于整车的发展，与国外相比有很大的差距，如产品技术水平低，造型单调，产品质量可靠性和耐久性差，数字化程度低等57。适应CAN总线技术、嵌入式系统技术和液晶显示技术的迅速发展和广泛应用，汽车仪表必须与汽车上其它装置交换数据，即接入到汽车的网络总线上，并能够相互通信，这就必然推动了汽车仪表的升级换代。因此，如果能够研制出智能化的汽车仪表对我国的汽车行业具有重大的现实意义。1.2 国内外的发展现状汽车发展已经走过了100多年的历程，汽车仪表也在不断开发和发展之中。汽车仪表发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分，已经经过了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

14、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代为步进电动机式全数字汽车仪表8。目前汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期。第3代汽车车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只是用电子器件取代原来的电气器件。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的主流产品，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9。电子器件经历了分立器件和专用集成电路阶段。发展到今天以塑料件为主：围绕提高指示精度和指针平稳性，由动圈式发展成动磁式等1012。

15、第4代全数字式汽车仪表从其应用的技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但信号处理方式己从模拟变成数字。其最显著的特征是工作原理与第3代汽车仪表完全不同。目前国内部分中、高档轿车采用的是步进电动机式汽车仪表。其它一些轿车也正在配套该类型的仪表，步进电动式汽车仪表将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品。我国的汽车仪表与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。如当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并准备向更高方向发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，特别是步进电动机式汽车仪表，但其开发还不具备技术条件。全数字式汽车仪表，特别是步进电动

16、机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术，有着十分广阔的市场前景。随着科学技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多，从发动机控制到传动控制，从行驶、制动、转向控制到安全保证系统及仪表报警系统，使汽车电气系统形成了一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。参照国外汽车行业的现状，选择CAN总线作为汽车的通信总线，是解决上述问题的比较好的一个途径。嵌入式系统作为一个热门领域，涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用。在全球半导体市场快速复苏，消费电子、通信以及嵌入式系统各个应用领域快速发展，嵌入式微处理器技术不断进步的情况下，全球嵌入式系统产业规模继续保持稳

17、步增长。嵌入式计算技术的进步，正在以前所未有的程度影响和改变着我们的生活。迄今为止，只要我们目之能及，嵌入式系统已经“无处不在”、“无所不能”。其中“无所不能”是指嵌入式系统将人工智能技术和超级计算技术有机结合，而“无所不在”则是指嵌入式系统存在着广阔的应用天地，如人们平常用的手机、摄像机、医疗仪器、汽车、以至工业控制、航天、航空等设备都嵌有嵌入式系统。事实上，这些都只是嵌入式应用的冰山一角。由于迅速发展的网络技术和非常廉价的微处理器的出现，不远的将来嵌入式设备将会全面走入人类的生活，而且还会在人类的工业、军事、自然探索等各方面广泛应用。而我国信息化与全面小康社会建设更是对嵌入式系统市场提出巨

18、大需求，信息家电产品年需求量已达到几亿台，每一类数字化家电产品都有几千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台的需求量，商用嵌入式系统需求量突破几百万台。以下为最值得关注的5个主要嵌入式产品市场13：嵌入式系统的应用覆盖航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、智能IC卡、第二代身份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及军事等等各种领域，但目前最值得关注的嵌入式产品市场主要有如下几类：第一、家庭信息网络：家用电器已经开始向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、数字电话等都将嵌入微处理机并通过家庭网关与网络连接，构成家庭信息网

19、络。但不论是高度集成的智能数字终端，还是各类数字融合产品，都离不开嵌入式系统的支持，可以说，嵌入式系统是家庭信息网络、IT融合的重要技术基础。具有丰富功能，高度集成的智能数字终端将是未来的发展方向。第二、移动计算设备：移动计算设备包括手机、PDA、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大规模的手机用户，而掌上电脑或PDA由于易于使用、携带方便、价格便宜，未来几年将在我国得到快速发展。PDA与手机也已呈现融合趋势。使用掌上电脑或PDA上网，人们可以随时随地获取信息。第三、网络设备：随着下一代网络技术的研发成功和投入使用，必然要有更多更强的嵌入式网络设备和产品面世，这意味着巨大的嵌入式网络设备和产品市

20、场需求13。嵌入式系统也在向无线网络WLAN发展，它有望部署到住宅及商用建筑自动化、工业设备监测以及其他无线传感和控制应用中。第四、自动化与测控仪器仪表：测控仪器仪表种类繁多，而新型的测控仪器仪表无一不是嵌入式系统。此外，在工控和仿真领域，嵌入式设备也早已得到广泛应用。中国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，而智能控制设备、智能仪表、自动控制等，这些都为嵌入式系统提供了巨大的市场14。第五、交通电子设备：汽车智能驾驶设备、汽车模拟驾驶器、汽车喷油泵调试台、轮船智能驾驶设备等都面临更新换代，而这类新型设备都离不开嵌入式系统15。中国汽车业的发展必然为汽车电子的嵌入式系统应用带来良好商机。因此，

21、嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收费监控、汽车自导航、GPS车载终端、电子警察和汽车检测中的将会拥有良好的市场前景。CAN总线以及嵌入式系统的引入，不仅可以大大简化布线，实现数据共享，提高可靠性，而且为汽车的智能化提供了无可比拟的拓展空间，是汽车发展史上划时代的革命。1.3 课题研究的主要内容本课题利用总线技术设计汽车仪表通讯系统，使汽车仪表系统能节省空间，节省成本，并且加快了数据传送，并且使得系统更稳定，安全，简便，快捷。是汽车仪表通讯未来的发展方向，有着相当广阔的市场空间。课题采用了TI的LM3S8962芯片为核心处理器，以CAN总线为通讯协议，并且利用步进电机作为仪表指针驱动器，液晶显

22、示器作为显示屏幕的汽车组合仪表系统；设计要求步进电机细分后步距<0.5°，并设计好步距细分驱动电路模块；同时以LM3S8962为控制核心，并设计出控制核心的外围电路；另外还要求设计CAN总线的模块电路。通过对课题的了解以及对相关资料的收集与整理，本课题对汽车仪表进行了相关设计，主要设计内容如下：A 汽车仪表的整体方案设计；对汽车仪表的内容，结构，原理进行了全面论述，通过分析给出了系统的整体原理图。B系统软硬件平台设计；其中硬件包括主控制器的选择，电源电路、时钟电路、驱动电路等模块的设计，以及液晶驱动电路、CAN接口电路等外围电路的设计；软件包括系统整体运行流程的设计。2. 系统

23、总体设计与主芯片选型2.1 系统总体方案设计系统由数据采集，处理以及显示3个模块组成。其中数据采集模块负责接收车辆的数据，采集到的开关量通过调理模块的调理，输入到主芯片进行处理。而其他一些汽车的参数，如汽车车速，发动机转速，油箱油量，冷却液温度等，都由汽车上本身带有的数据采集系统采集调理后通过CAN总线输入到主芯片进行处理，汽车错误代码也由汽车自带检测设备输入到主芯片。系统根据采集的信号进行处理计算，从而驱动步进电机，以及液晶显示驱动，并通过显示设备显示出来。要是信号超出范围或者出现异常则启动报警模块，发出报警信号。总体设计结构如图2-1所示。图2-1 系统总体流程2.2主芯片2.2.1主芯片

24、选择主芯片的选择比较重要，它决定了系统运行的效率，优劣性等等。如何选择一种适合设计需要的芯片十分重要。对于明确的对象，选择功能过少的芯片，无法完成控制任务，选择功能过多的芯片，则会造成资源浪费，使性价比下降。因此，实际应用中可根据一些原则来选择芯片，需要了解芯片对控制系统的适用性。了解芯片的可购买性，了解芯片的可开发性等一些因素。根据对芯片选择的原则，可选择出最适用于控制系统的芯片，从而保证控制系统高可靠性、最优的性价比、最长的使用寿命和最好的升级换代性。本课题采用TI的LM3S8962为核心处理器。LM3S8962微处理器的管脚图如图2-2所示。图2-2LM3S8962芯片管脚图 LM3S8

25、962芯片介绍LM3S8962 微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。至于那些对功耗有特别要求的应用方案，LM3S8962微控制器还具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使LM3S8962芯片在未被激活的时候进入低功耗状态。 一个上电/掉电序列发生器、连续的时间计数器(RTC)、一对匹配寄存器、一个到系统总线的APB接口以及专用的非易失性存储器、休眠模块等功能组件LM3S8962微控制器极其适合用在电池的应用中。除此之外，该LM3S8962微控制器的优势还在于能

26、够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统(SoC)的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。 另外，该微控制器使用了兼容ARM的指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。 最后，LM3S8962微控制器与Stellaris系列的所有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。为了能够帮助用户产品快速的上市，Luminary Micro公司提供了一整套的解决方案，包括评估和开发用的板卡、白皮书和应用笔记、方便使用的外设驱动程序库、以及强劲的支持、销售和分销网络。LM3S8962微控制器包括下列的产品特性：A32位RISC性能；a. 采用为小封装应用方案而优化的32

27、位ARMCortex-M3 v7M架构；b. 提供系统时钟、包括一个简单的24位写清零、递减、自装载计数器，同时具有灵活的控制机制；c. 仅采用与Thumb兼容的Thumb-2指令集以获取更高的代码密度；d. 工作频率为50-MHz；e. 硬件除法和单周期乘法；f. 集成嵌套向量中断控制器(NVIC)，使中断的处理更为简捷；g. 36中断具有8个优先等级；h. 带存储器保护单元(MPU)，提供特权模式来保护操作系统的功能；i. 非对齐式数据访问，使数据能够更为有效的安置到存储器中；j. 精确的位操作，不仅最大限度的利用了存储器空间而且还改良了对外设的控制；BCAN；a. 支持CAN协议版本2.

28、0 part A/B；b. 传输位速率可达1Mb/s；c. 32个消息对象，每个都带有独立的标识符屏蔽；d. 可屏蔽的中断；e. 可禁止TTCAN的自动重发模式；f. 可编程设定的自循环自检操作；C功率；a. 片内低压差(LDO)稳压器，具有可编程的输出电压，用户可调节的范围为2.25V到2.75V；b. 休眠模块处理3.3V通电/断电序列，并控制内核的数字逻辑和模拟电路；c. 控制器的低功耗模式：睡眠模式和深度睡眠模式；d. 外设的低功耗模式：软件控制单个外设的关断；e. LDO带有检测不可调整电压和自动复位的功能，可由用户控制使能；f. 3.3V电源掉电检测，可通过中断或复位来报告；D其他

29、特性；a.6个复位源；b.可编程的时钟源控制；c.可对单个外设的时钟进行选通以节省功耗；d.遵循IEEE 1149.1-1990标准的测试访问端口(TAP)控制器；e.通过JTAG和串行线接口进行调试访问；f. 完整的JTAG边界扫描；根据汽车瞬时油耗系统要实现的检测功能的要求、单片机的匹配原则以及LM3S8962微控制器的一些特性满足设计的需求，故此选择此单片机。本设计采用芯片LM3S8962芯片的一些功能，芯片本身可提供模拟/数字转换功能，所以只要调理好的信号输入芯片就可以了，不需要再另行设计信号转换调理电路；芯片还自带内部CAN总线协议，所以只要外部连接一个CAN总线收发器，就可以很好地

30、实现CAN总线通讯了。本设计需要用到芯片的一些功能，需要的管脚说明如表2-1所示。表2-1 LM3S8962芯片管脚说明编号管脚名称管脚类型缓冲类型管脚描述1ADC0I模拟模数转换输入02ADC1I模拟模数转换输入13ADC2I模拟模数转换输入24ADC3I模拟模数转换输入35VDDA-电源模拟电路(ADC、模拟比较器等)的正电源(3.3V)。这些电源与VDD独立，以最大限度地减少VDD上的电气噪声，使其不影响模拟功能。6VDD-电源I/O和某些逻辑的电源正极7GND-电源逻辑和I/O管脚的地参考8CAN0RxITTLCAN模块0接收9CAN0TxOTTLCAN模块0发送10VDD25-电源大

31、多数逻辑功能(包括处理器内核和大部份外设)的电源正极。11XTALPPHYOTTL以太网PHY的XTALP12XTALNPHYITTL以太网PHY的XTALN13PA03I/OTTLGPIO端口A位0314PB03I/OTTLGPIO端口A位0315PF03I/OTTLGPIO端口F位0316OSC0I模拟主振荡器晶体输入17OSC1O模拟主振荡器晶体输出18RSTITTL系统复位输入19TRSTITTLJTAG TRSTn20TDIITTLJTAG TDI21TMSI/OTTLJTAG TMS22TCKITTLJTAG TCK23TDOOTTLJTAG TDO3. 系统硬件模块设计与元器件选

32、型3.1 系统晶振模块设计晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。主振荡器：主振荡器用下面的其中一种方法来提供一个频率精确的时钟源：OSC0输入管脚连接一个外部单端时钟源或在OSC0输入和OSC1输出管脚之间连接一个外部晶体。允许的晶体值取决于主振荡器是否用作PLL的时钟参考源。如果主振荡器用作PLL的时钟参考源，那么支持的晶体频率范围为3.579545 MHz8.192 MHz。如果没有使用PLL，则支持的晶体频率在1 MHz和8.192 MHz之间。本设计没有使用PLL，采用8MHz的晶体频率，具体电路设计如图

33、2-3所示。这样可以提高系统的工作效率，同时便于计算。图2-3 主芯片晶振电路3.2 电源模块设计本设计系统需要的电压为5V，以及3.3V稳压电源。而汽车所携带的车载电瓶为12V的电源，所以需要电压转换模块来实现5V和3.3V的电压供给。3.2.1初始电源模块设计开关电源模块所需输入电压为车载电瓶电压12V。所采用的功能芯片MC34063。如图2-4所示。图2-4初始电源模块该模块输入为车载电瓶12V直流电压。输出电压为5V直流电，输出电流为1.5A。其中D1是为了防止电源反接同时杜绝外部接地过来的干扰。其工作原理有5步：A比较器的反相输入端(脚5)通过外接分压电阻R2、R3监视输出电压 。其

34、中，输出电压如公式(2-1)所表示。 (2-1)由公式可知输出电压 。仅与R2、R3数值有关，因1.25V为基准电压，恒定不变。若R2、R3阻值稳定，U0亦稳定。因此：B脚5电压与内部基准电压1.25V同时送入内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(1.25V)时，比较器输出为跳变电压，开启R-S触发器的S脚控制门，R-S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态(高电平)，驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容充电以提高U0，达到自动控制U0稳定的作用。C当脚5的电压值高于内部基准电压(1.25V)时，R-S触发器的S脚控制门被封锁，Q端为“0”状

35、态(低电平)，T2截止，T1亦截止。 D振荡器的IPK 输入(脚7)用于监视开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到R-S触发器的Q端。 E脚3外接振荡器所需要的定时电容电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管T1的通断时间。3.2.2 MC34063芯片介绍MC34063本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或芯片

36、(MCU)为基础的系统里。由于其内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5V。内部线路包含有参考电压源，振荡器，转换器，逻辑控制线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成高电平，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成低电平。芯片所用管脚如表2-2所示。3.2.3 芯片供电模块芯片供电模块的功能是采用LM1117稳压器来实现的，该模块输入5V直流电，输出为3.3V直流电，输出电流为800mA；LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流

37、为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。该芯片有5个固定(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型号。在本设计中LM1117根据芯片需要提供的是3.3V的稳压电源，如图2-5所示。 图2-5 芯片供电模块LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个可调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。LM1117系列具有 LLP、TO-263、SOT-223、TO-220 和 TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。表2-2 MC34063的引脚功能 管脚编号管脚名称描述1SWC开

38、关管T1集电极引出端2SWE开关管T1发射极引出端3CT定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100100kHz范围内变化4GND电源地5CMPR电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1的精密电阻6VCC电源端7IPK负载峰值电流(Ipk)取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能8DRVC驱动管T2集电极引出端3.3 CAN总线通讯模块设计3.3.1 CAN总线基本概述控制器局域网络(Controller Area Network 简称CAN)主要用于各种过程(设备)监测及控制。CAN最初是由德国的Bosch公司为汽车的监测与控

39、制设计的，但由于CAN总线本身的突出特点，其应用领域目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视，国际上已经有很多大公司的产品采用了这一技术。CAN已经形成国际标准(ISO11898)，并已成为工业数据通信的主流技术之一。3.3.2 CAN总线的特点由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通讯总线相比，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性16，17。其特点可概括如下：a.CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线；b.CAN为多方式工作，网络上任一节点均

40、可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；c. 在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时需要，优先级高的数据最多可在134us内得到传输；d.CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息发生冲突时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，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的情况(以太网则有可能)；e.CAN节点只需要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；f.CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)；

41、通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)；g.CAN上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧报文标识符有l 1位，而在扩展帧的报文标识符(29位)的个数几乎不受限制；h. 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；i.CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；j.CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；k.CAN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；l.CAN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

42、的单片机开发工具；3.3.3CAN总线的功能描述CAN 模块支持 CAN2.0A /B协议。支持包括具有11位标识符(标准帧)或29位标识符(扩展帧)的数据帧、远程帧、错误帧以及超载帧的报文传输。传输速率可以编程为1 Mbps。CAN 模块主要由3个部件组成：a.CAN协议控制器和报文处理器；b.报文存储器；c.CAN寄存器接口；协议控制器从CAN总线传输和接收串行数据，并将数据传递到报文处理器。接着，报文处理器根据当前的滤波和报文对象存储器中的标识符，将该信息载入合适的报文对象。报文处理器还负责根据CAN总线上的事件来产生中断。报文对象存储器由32个相同的存储块组成，这些存储块保存了每个报文

43、对象当前的配置信息、状态和实际数据。我们可以通过CAN报文对象寄存器接口来访问它们。由于不能通过存储器映射直接访问报文存储器，CAN控制器会提供一个接口来与报文存储器通信。CAN报文对象寄存器接口提供了两个寄存器组来与报文对象通信。由于不能直接访问报文对象存储器，所以必须使用这两个接口来读写各个报文对象。当多个对象包含需要处理的新信息时，这两个报文对象接口允许并行访问CAN控制器报文对象。3.3.4CAN2.0B规范CAN2.0B规范定义了数据链路层中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述了与CAN相关的外层。物理层定义了信号的发送方式，因而涉及位定时、位编码和同步的描述。在这部分规范中，未

44、定义物理层中驱动器/接收器的特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。CAN总线传输介质通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，它是一种串行数据通信总线，其通信速率最高可达1Mb/s。CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，如图2-6所示。从图中很容易看出，CAN的传输速率达1Mb/s时，最大传输

45、距离为40m，完全能够符合应用在车身CAN总线系统的要求。CAN2.0B的消息帧格式具有29位标识符，前11位与CAN2.0A消息帧的标识符相同，后18位专用于标记CAN2.0B的消息帧。CAN2.0B的消息帧根据用途分为4种不同类型：数据帧用于传送数据；远程帧用于请求发送数据；错误帧用于标识探测到的错误；超载帧用于延迟下一个信息帧的发送。图2-6 CAN总线传输速率与距离的关系3.3.5CAN模块电路具体设计Luminary LM3S8962微控制器是一款基于ARM CortexTM-M3处理器内核的高性能微控制器。ARM CortexTM-M3处理器为高性能、低成本的平台提供一个满足小存储

46、要求解决方案、简化管脚数和低功耗3方面要求的内核，以及出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。LM3S8962具有高性能的32位运算能力，即拥有32位RISC性能，但价位和传统的8位和16位相当，节约了数字仪表的开发成本。LM3S8962还内嵌了UART、I2C接口、AD转换器和模拟比较器等功能模块，高集成性不仅可以缩减大量外围电路的搭建，降低开发难度，还可以最大程度地降低产品成本，缩短开发周期。由于LM3S8962微控制器的高集成性，使本设计中CAN总线通信电路省去了通常使用的独立的SJAl000CAN控制器，只须将CAN收发器TJA1040连接在MCU和CAN总线之间，完成CAN总线信号的

47、接收和发送功能。TJA1040是一款汽车级单路隔离高速CAN收发器。它内部集成了所有必需的电气元件，除了隔离电路、CAN收发器，还有总线保护和电源电路。它省去了传统的CAN收发电路中复杂的外围电路设计，提高了设计效率。电路设计如图2-7所示。图2-7CAN总线通讯电路3.3.6TJA1040介绍TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口。它主要应用在客车的高速应用上。速度可达1Mb。TJA1040为总线提供差动的发送功能为 CAN控制器提供差动的接收功能。TJA1040收发器具备TJA1050的所有功能，同时还具有极低功耗的待机模式，以及通过总线唤醒能力。芯片管脚功能如表

48、2-3所示。当TJA1040断电时，总线反向电流为零，这样，没有接通电源的节点不会对网络其他部分造成影响，实际上它们此刻是不可见的。这种特性使得TJA1040非常适用于局部网络中的供电与点火开关相连的节点。它与PCA82C250/251以及TJA1050完全兼容，TJA1040为汽车设计者提供了一个简单的移植途径。表2-3 TJA1040的管脚说明管脚编号管脚名称描述1TXD发送数据输入2GND接地3VCC电源电压4RXD接收数据输出；总线读出数据5SPLIT共模稳压输出6CANL低电平 CAN 总线7CANH高电平 CAN 总线8STB待机模式控制输入TJA1040特性：a. 完全符合ISO

49、 11898标准；b.速度高达1Mbps；c.电磁辐射(EME)非常低；d.至少可以连接110个节点；e.发送数据(TXD)显性超时功能；f.输入级符合3.3V和5V的器件；g.过热保护功能；h.SPLIT引脚对DC的稳压很有效；i.处于不上电状态的收发器会从总线脱离(零负载)；j.在汽车的瞬态环境下对总线引脚进行保护；k.差动接收器具有较宽的共模范围，可抗电磁干扰(EMI)；l.如果使用分裂终端，电压源可以稳定隐性总线电平(进一步改善EME)；3.4JTAG通讯模块设计JTAG(Joint Test Action Group联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容

50、)，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。 JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程实现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内

51、部的所有部件进行编程。JTAG接口一般的连接有两种标准，即14针接口和20针接口。本设计采用20针接口，管脚的定义如表格2-4所示。根据JTAG接口的连接标准，设计JTAG接口如图2-8所示。图2-8 JTAG模块电路表2-4 JTAG模块引脚定义编号引脚名称引脚定义1TCK测试时钟输入2TMS测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式3TDO测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出4TDI测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口5TRST测试复位，输入引脚，低电平有效3.5 信号调理模块设计汽车仪表所要显示的信号有多种，除了通过CAN总线传输的数据之外，还要通过汽车信

52、号采集系统来采集开关量，经过采集的开关量信号，如汽车启动与否，车灯的开与关，车门是否关好，安全带是否绑好等信号，通过光耦合器后，输出数字量信号，输入到主芯片中进行处理。开关量信号的调理电路如图2-9所示。3.5.1光耦合器功能调理电路采用光耦合器。光耦合器，又称光隔离器，是控制系统中常用的器件，它能实现输入与输出之间的隔离。光耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光敏晶体管。当发光二极管中通过一定值的电流时发出一定的光，被光敏晶体管接收，使其导通，而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，晶体管截止，利用这种特性即可达到开关控制的目的。光耦合器的输入端和输出端不能共用电源，否则没有效果。图2-9 开关量

53、信号调理电路光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。3.5.2光耦合器的特点光耦合器的优点是能

54、有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高，原因如下：a.光耦合器的输入阻抗很小，一般为1001K之间，而干扰源的内阻很大，通常为105108，因此能分压到光耦合器输入端的噪声很小；b.干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，即使有很高电平幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉；c.光耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合，不会受到外界光的干扰；d.输入回路与输出回路之间分布电容很小，一般仅为0.52pF，而且绝缘电阻很大，通常为10111012，因此回路一边的干扰很难通过光耦合器馈送到

55、另一边去；光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。3.6 电机驱动模块设计3.6.1 步进电机驱动仪表的原理本设计采用步进电机驱动仪表。根据步进电机所转动的角度来计算仪表所显示的数值。汽车仪表是用来显示车辆的各种运行参数、故障等信息，它的发展经历了从机械式、电气式、模拟电路式到目前广泛应用的全数字式。指针式仪表因具有显示的直观性等优点一直占据着主导地位而指针的控制大多采用步进电机来驱动。设计采用VID6606驱动器驱动步进电机。VID6606是一款专为驱动微型步进电机而设计的CMOS集成电路。每片VID6606可同时驱动4路步进电

56、机。在其频率控制端输入脉冲序列F(SCX)，即可控制输出端，使步进电机的输出轴以微步转动。芯片为了过滤快速电压瞬变，建议连结二个100nF陶瓷电容到电源输入脚(1、15)，每边一个，并尽可能的靠近芯片。图2-10所示为VID6606驱动仪表电路。工作时，处理器根据前面采集到的车况信号，计算出仪表应该显示的刻度，从而计算出仪表指针应该转过的角度。本设计采用的是VID29式的步进电机，并且采用该电机的微步模式。在该模式下，给电机一个周期的脉冲则电机转动1/12°。这样，就可以通过对芯片的编程来控制输出的脉冲周期数，从而控制电机转过的角度大小，也就是仪表指针转过的角度，从而知道仪表所显示的数值。同时信号还可以控制驱动模块的方向端口。当