基于CAN总线的插电式混合动力汽车车载信息系统研究.docx
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基于CAN总线的插电式混合动力汽车车载信息系统研究
基于CAN总线的插电式混合动力汽车车载信息系统研究
摘要
车载信息系统是运用计算机、卫星定位、通讯、控制等技术来提供安全、环保及舒适性功能和服务的汽车电子设备，它是智能汽车的组成部分，也叫汽车电子装置。
随着汽车电子技术的不断发展，车载信息系统已经逐渐向智能化、数字化方向发展，其在汽车行驶过程中对汽车状态进行分析并提供相关行驶数据，用能显示大量车载信息的液晶显示屏代替了原来有限的指针式仪表等。
所以现代车载信息发展趋向：
一是人与车交流形式更多样，内容更丰富，数据更精准；二是伴随汽车技术发展更紧凑，更新换代速度快，市场不断壮大，与人的生活日益密切相关。
车载信息系统构建主要分为信息采集、数据CAN通信和信息显示几个部分。
本文旨在深入研讨基于CAN总线在汽车的应用，结合新能源汽车特点，实现车载信息的采集与显示。
本论文主要研究以下几个方面：
车载信息采集的软硬件设计，CAN总线通信原理及其实现，信息的液晶屏显示设计。
考虑其功能需要及汽车技术发展，选用STM32F103C6T6和STM32F103R8T6作为核心芯片，实现CAN通信信号的采集处理，信息显示等。
本系统基于CAN总线通信，在数据通信的稳定性和可靠性上相比其他总线有无法比拟的优越性；针对时下研究热点及技术前沿的新能源汽车，结合已日臻成熟的总线技术实现车载信息的采集显示；采用液晶显示，不仅丰富交流形式更提供良好用户体验，为智能汽车技术的发展拓宽思路，使其应用范围更普及化。
关键词 CAN总线；车载信息；信息采集；液晶显示
ResearchonVehicleInformationSystemofAPlug-inHybridElectricVehicleBasedonCANBus
Abstract
Vehicleinformationsystemistheuseofcomputers,satellitepositioning,communications,andcontroltechnologiestoprovidesecurity,environmentalprotectionandcomfortfeaturesandservicesforautomotiveelectronicsequipment,whichisanintegralpartofintelligentvehicle,alsoknownasautomobileelectronicdevices.Withthecontinuousdevelopmentofautomotiveelectronicstechnology，vehicleinformationsystemhasbeengraduallytotheintelligent，digitaldirection，anditscarswiththestateofthecarduringtheanalysisandtoproviderelevantdrivingdata，theLCDscreenwithalargenumberofvehicleinformationwhichcanbedisplayedinsteadoftheoriginallimitedpointerinstrumentandsoon.Therefore，thedevelopmentofmodernvehicleinformationtrends:
First,peopleandcarsmorediverseformsofcommunication，richer，moreaccuratedata;Second，automotivetechnologyisaccompaniedbythedevelopmentofmorecompactandfastreplacement，andiscloselyrelatedtopeople'slives.
VehicleInformationSystemincludesinformationcollection，CANbuscommunicationofthedata，LCDdisplayoftheinformation.Thisdissertationaimstoin-depthdiscussionbasedonCANbusinautomotiveapplications，combiningfeaturesofnewenergyvehicles，vehicleinformationtoachievetheacquisitionanddisplay.Inthisdissertation，thefollowingaspects:
vehicleinformationacquisitionhardwareandsoftwaredesign，CANbuscommunicationtheoryandimplementationofinformationLCDdisplaydesigns.Consideringthefunctionalneedsandautomotivetechnologydevelopment，selectionSTM32F103C6T6andSTM32F103R8T6ascorechips，CANcommunicationsignalacquisitionandprocessing，andinformationdisplay.
ThesystemisbasedonCANbuscommunication，datacommunicationinthestabilityandreliabilitycomparedtootherbushasincomparablesuperiority;researchfocusfortoday'scutting-edgetechnologyandnewenergyvehicles，combinedwithbustechnologyhasmaturedtoachievevehicleinformationtheacquisitionanddisplay;usingliquidcrystaldisplay，notonlyenrichedformofcommunicationbutalsoprovideagooduserexperienceforthedevelopmentofintelligentvehicletechnologiesbroadentheideatomakeitmoreuniversalrangeofapplications.
Keywords CANbus;vehicleinformation;informationcollection;liquid
crystaldisplay
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目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究现状及发展状况2
1.2.1车载信息系统的国内外研究现状及发展状况2
1.2.2插电式混合动力汽车的国内外研究现状及发展状况3
1.3总线技术在汽车上的应用6
1.3.1现场总线概念6
1.3.2常用现场总线7
1.3.3CAN总线在汽车上的应用8
1.4论文的研究工作9
1.5本章小结9
第2章CAN总线协议与应用10
2.1CAN总线的概念及特点10
2.2CAN总线的模型结构与技术规范11
2.2.1CAN总线的分层结构11
2.2.2CAN总线的位数值表示与通信距离11
2.2.3CAN总线的技术规范12
2.3CAN报文的帧结构13
2.4CAN总线系统的构成15
2.5本章小结16
第3章车载信息系统总体结构设计17
3.1车载信息系统网络结构设计17
3.1.1车载信息系统数据传输网络结构17
3.1.2车载信息系统的各模块节点分配18
3.2车载信息系统硬件结构设计18
3.3车载信息系统软件设计19
3.4本章小结20
第四章车载信息系统硬件设计21
4.1车身信息检测模块硬件设计21
4.1.1电池电量检测模块21
4.1.2双电池隔离模块24
4.1.3水位检测模块27
4.1.4温度检测模块29
4.1.5湿度检测模块31
4.2主屏显示模块硬件设计32
4.3CAN接口电路设计33
4.4本章小结35
第五章车载信息系统软件设计36
5.1车载信息系统各模块设计36
5.1.1电池检测模块设计36
5.1.2双电池模块37
5.1.3水位检测模块和湿度检测模块38
5.1.4温度检测模块38
5.1.5主屏显示模块39
5.2本章小结41
第六章结论42
6.1全文工作总结42
6.2后续工作展望42
致谢43
参考文献44
附录外文文献46
DevelopmentofIntegratedMotorAssistHybridSystem:
46
Developmentofthe‘Insight’，aPersonalHybridCoupe46
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第1章绪论
1.1课题背景及意义
汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。
从卡尔·本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时18公里的速度，跑到现在，竟然诞生了从速度为零到加速到100公里/小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。
诚然，汽车在这一百多年里的发展是惊人的！
随着汽车市场日益壮大，如今已有许多公司把各种先进技术和装备，如微型电子计算机、无线电通讯、卫星导航等等新技术、新设备和新方法、新材料广泛应用于汽车工业中，汽车正在走向自动化、电子化和数字化。
有了卫星导航系统，汽车可接收交通卫星的通信资料，确定汽车所在位置，从而自动提供最优行车路线，并且显示出交通图；汽车的雷达系统可以把障碍物的距离和大小告诉给驾驶员，这样停车就更容易；而语言感知系统可以用图、表和声音告诉驾驶人员汽车的各个部位情况，此外还可按“音”行事，执行驾驶有关指令等等。
另外随着新能源汽车技术的发展与应用，汽车的能耗，排放废气、噪声和污染等公害也日将减少，安全性、使用方便性将日益提高，即使再次发生石油危机，汽车工业也不会受到很大的影响。
专家们认为，汽车是当前世界最主要的交通工具，在将来它仍然是世界上的主要交通工具，别的任何开工交通工具都不可能完全把汽车取代。
也正因为汽车的发展与普及、道路交通状况的复杂以及驾驶体验要求的提升，伴随其而生的车载信息服务变得越来越重要。
车载信息服务被誉为汽车产业的第三次革命，其涉及的关键技术有：
传感器及相关技术、汽车电子技术、数据通信与传输技术、语音技术、云计算技地理信息技术、数字广播和多媒体技术等；其主要的产品有：
汽车信息服务系统、影音娱乐服务系统、卫星导航信息系统、车载电脑、车辆行驶记录仪、车辆视频监视终端、车辆胎压检测系统、CMS中央管理系统、车辆远程诊断系统、车辆智能终端和车辆移动数据定位终端；其应用范围：
乘用车领域（个人车辆），公交领域（城市公交、长途公交、出租车），物流领域（城际物流、城市快递、长途物流），特种领域（危险品车辆、化学品车辆、医用车辆、警用车辆）。
根据美国能源信息署EIA发布的国际能源展望，世界能源市场消耗量2005年到2030年预计增加50%。
随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也将增加，目前二氧化碳排放中，25%来自于汽车。
至2030年，将由2005年的281亿吨增至423亿吨。
在我国，汽车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳排放目前已居全球第二，减排二氧化碳的压力将越来越大。
近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。
根据国务院发展研究中心估计，2010年，我国的汽车保有量将接近6千万辆，2020年将达到1.4亿辆，机动车的燃油需求分别为1.38亿吨和2.56亿吨，为当年全国石油总需求的43%和57%。
我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比增长，预计到2010年进口依存度将接近50%。
因此大力发展新能源汽车，用电代油，是保证我国能源安全的战略措施，是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。
针对于此，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，节能减排、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车七个产业作为重点领域将集中力量加快推进，国家将加强财税金融等政策扶持力度。
根据《节能与新能源汽车长夜发展规划（2012—2020）》中谈到，以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。
争取到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆；2015年燃烧消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。
汽车发展趋势的传统观点认为，内燃机汽车最终会被燃料电池汽车替代。
纯电动汽车、清洁柴油和替代燃料的研究进展，使汽车的发展趋势变得多样化。
但是由于电池的性能和价格的制约，BEV一直没有实现商业化；由于燃料电池的性能、寿命和成本的影响，FCV的商业化还有很长的路要走；在现阶段，利用电网充电的插电式混合动力汽车（PHEV）技术可能成为一种成本低、容易实现，可以长期使用的过渡性电动汽车的解决方案。
1.2国内外研究现状及发展状况
本文从两方面阐述国内外研究现状及发展状况：
一是车载信息的发展，二是混合动力汽车的发展。
1.2.1车载信息系统的国内外研究现状及发展状况
随着汽车行业的的迅猛发展和家庭汽车的普遍化，人们平常出行越来越多的使用汽车代步。
为方便驾驶员而设计的车载信息系统的重要性也越来越大，车载信息系统的开发也逐渐的成为了汽车车载系统领域的热点技术。
国外对车载信息的研究开始于20世纪90年代初，德国和美国相继开发出了完整的数字式车载信息系统，使汽车驾驶员的行车变得更加的方便。
目前，车载信息系统的开发得到进一步的修正和完善，它的一种实体形式——黑匣子，多年前已经在欧洲和美洲试用开来。
自1999年起，美国的Ford汽车公司开始在它生产的车辆上安装此类黑匣子，美国其他的知名汽车公司也同时开始在车辆上试装黑匣子，并已经于2000年开始对所有生产的车辆进行安装，德国、美国和瑞典的汽车在2001年也将相继安装黑匣子。
就国内车载信息系统的发展来讲，进行研发的厂家较少，但是考虑到中国强大的汽车市场潜力和发展趋势，我们应该对汽车车载信息系统的市场持积极的态度。
根据最近几年国内汽车市场的数据表明，我国汽车行业进入高度发展阶段，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升。
近几年来，我国已经成为了世界汽车生产及消费大国。
针对目前国内的汽车行业发展趋势，为了提高我国的汽车行业的国际竞争力，进行车载信息系统的研发势在必行。
根据最新技术资料显示，国外的汽车信息系统已经向着智能化和数字化方向发展。
采用先进主控芯片设计的汽车信息系统根据不同的产品需求调整系统的参数设置就可以投入使用，这使汽车信息系统结构在模块化和通用化方面有了明显的进步，提高了产品的系列化和标准化程度，有利于汽车信息系统的大规模生产。
随着现代微电子技术的发展，促进汽车车载信息系统智能化和数字化的研究将成为今后车载信息系统的主要课题。
1.2.2插电式混合动力汽车的国内外研究现状及发展状况
从上世纪九十年代开始，在世界强国及地区，混合动力电动汽车的研究开发得到了高度重视，取得了重大技术突破，很多产品已实现市场化。
在中国，近年来政府及汽车企业大力推广新能源汽车，取得了一定的进展。
下面介绍一下国内外混合动力汽车的发展状况。
汽车强国日本在开发电动车方面步入了世界的前列。
日产LEAF采用AESC的动力电池，于2010年12月至2011年初陆续在日本、美国及欧洲部分市场销售，是迄今销量最大范围最广的纯电动轿车，电池组承诺8年或16万公里的保修。
三菱i-MiEV于2009年6月5月正式发布，在2010年4月开始面向个人用户销售，采用日本锂能源动力公司（LithiumEnergyJapan）的动力电池。
在日本已累计销售了两千余台，即将在英国等海外市场销售。
除这两款车型外，丰田FT-EV，斯巴鲁R1e等电动车型将陆续推向市场。
1997年，丰田推出了混合动力车PRIUS，目前已发展到第三代，累计销量已突破10万台。
第三代PRIUS与2009年推出，匹配了1.8升阿特金森循环发动机最大功率为73kW。
驱动电机的最高峰值功率为60kW，通过升压将电机母线电压提高至650V。
丰田汽车公司在第三代PRIUS的基础上开发了插电式混合动力车，取消了原车了镍氢电池，匹配的动力电池为锂离子电池，总能量为5.2kWh，额定工作电压电压为45.6V，可通过普通的家用插座为电池充电。
在城市工况下，这款车可纯电行驶23公里，纯电动下的最高车速达100km/h。
充电时间为3h（110V）/1.5h（220V）。
本田公司在去年洛杉矶车展上，发布了全新的插电式混合动力车平台，将陆续匹配到后续的本田生产车型中。
美国在1991年，3大汽车公司签定协议，成立先进电池联合体（USABC），合作研究电动汽车用电池。
90年代初期，通用汽车公司投入10亿美元开发EV-1型纯电动轿车，并发展到第二代通用EV-II福特公司将在2011年前实现福特全顺connect电动车和福克斯电动车（FocusElectric）的批量生产。
通用汽车的插电式混合动力车VOLT已经投入市场，借助于开发VOLT建立的电动汽车开发平台，已在其各子品牌车型中同步开发了多款纯电动汽车。
在今年底特律国际车展上，福特公司展出了福特C-MAXEnergy，为采用锂离子电池的插电式混合动力车，该车为福特公司推出的首款PHEV车型，计划在明年首先在北美上市，计划在2013年在欧洲上市。
克莱斯勒公司在2009年推出了一款插电式混合动力车型克莱斯勒200C，该车为前置后驱，搭载的插电式混合动力系统包含了一个小型汽油发动机、发电机，动力电池为锂离子电池。
纯电动续驶里程约为64km。
在混合动力下，该车动力性及其强劲，0～100km/h加速时间仅需7秒。
欧洲的主要汽车制造商前期主要把精力放到提高内燃机效率和柴油机的推广应用，只有小型的电动汽车制造商（如挪威的Think公司）在小批量制造销售纯电动汽车。
近年来，由于欧盟实施欧五排放标准和严格的CO2排放限值（2015年之前全部车型的CO2平均排放量均降到130克/公里以下），满足欧五排放的柴油机成本很难控制，而且即使将目前所有的汽油车都更换为柴油车，降低油耗，也很难达到130克/公里的CO2排放限制。
所以目前欧洲几乎所有的汽车公司都开始研发电动汽车，部分已开始小批量推向市场。
宝马集团的MINI-E已开发完毕，从2011年2月开始在中国实路测试，宝马与2009年推出了一款插电式混合动力概念车VisionEfficientDynamics，搭载涡轮增压柴油机。
宝马品牌除了将于2013年推出首款电动汽车i3外，还在同时开发两款纯电动概念车“ICV”和“UCV”，这两款车预计分别将于2015年和2017年上市。
德国大众汽车集团计划在三年内将其首款电动车投放至日本市场，该款电动车将基于大众（UP）和高尔夫（Golf）打造。
大众计划2013年推出基于高尔夫零排放电动车。
该款电动车的行驶里程将达150公里，能完全满足日常出行需求。
近期，德国政府与大众合作，政府提供相关的资金及优惠政策，帮助大众公司开发推广插电式混合动力车。
在今年的北美车展，研发成果插电式第六代GOLF概念车亮相。
在2004年德国奔驰汽车公司，展出了混合动力概念车“VisionGrandSportsTourer”。
2009年，奔驰推出了插电式混合动力概念车S500Plug-inHybrid，这车搭载了3.5升V6汽油机，匹配了锂离子动力电池。
正在崛起的中国同样面临着“石油荒”问题。
我国石油进口和二氧化碳排放列居全球第二位，预计2020年汽车保有量将达到2.5亿辆左右，按当前的燃油经济性水平估计，车用燃油年消耗量将突破4亿吨，二氧化碳排放量126亿吨，由此带来的城市空气污染和气候变化等环境问题也将更加突出。
石油是有限资源，长期大量进口将危及国家战略安全。
加快培育和发展节能与新能源汽车产业是我国汽车工业应对能源和环境挑战、实现跨越式发展的必然选择。
从“九五”开始，国家在新能源汽车方面展开布局，陆续发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》、《中国应对气候变化国家方案》、《节能减排综合性工作方案》、《汽车产业调整和振兴计划》、《私人购买新能源车试点财政补助资金管理暂行办法》等多个重要政策。
早在1996年，电动汽车已被国家科委列入“九五”国家重大产业工程项目。
2001年9月，科技部设立了“十五”国家863电动汽车重大专项。
组织企业、高校及科研机构，联合进行电动汽车整车技术、关键零部件核心技术攻关。
2006年底，国家“十一五”863计划设立了节能与新能源汽车重大项目，提出了“三纵”“三横”的研发布局，具体如图1.1所示。
其中的“三纵”为纯电动汽车、混合动力车及燃料电池车动力系统技术平台。
“三横为”整车控制技术、动力电池技术、电驱动系统技术。
确定了在“十一五”末期，混合动力车将通过国家产品认证，实现批量生产。
图1.1国家863电动汽车“三纵三横”的研发布局
从2009年起，启动了大规模电动汽车推广计划“十城千辆”工程，目标是到2012年底推广各类电动汽车10万辆以上。
目前，已有北京、上海、天津、重庆、深圳等25个城市成为国家级的电动汽车示范推广试点城市，沈阳、大连也在其中。
在公共交通领域示范推广的各类电动汽车超过14000多辆，累计运行里程超过2.5亿公里，实际载客90亿人次。
与此同时，电动汽车示范领域也由初期的公共服务领域扩大到私人领域，北京、上海、长春、深圳、杭州、合肥等6个城市率先成为私人购买电动汽车补贴试点城市。
目前，中国电动汽车的相关标准正在制定并将陆续公布；各大石油公司和电力公司将开始充电站、充电桩的建设；通过科技部863电动汽车重大专项，关键零部件配套企业的技术和生产工艺日趋成熟。
驱动电机及其控制器、动力电池、DC-DC转换器、强电电缆及接插件等关键零部件逐步可适用于批量生产。
在以上的各种利好条件下，国内各汽车企业均已启动电动汽车的开发计划，部分车型已申请到产品公告并小批量上市。
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