基于CAN总线的汽车智能.docx
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基于CAN总线的汽车智能
摘要
课题所设计的内容是一种基于现场总线（CAN总线）的汽车智能仪表系统，系统能够精确的测量模拟装置产生的汽车发动机转速、车速、燃油量、冷却液温度等参数。
并且能够通过显示控件显示所有测量的参数，提高了人机交互性。
文中对汽车智能仪表系统的结构和工作原理做了详细的阐述，对信号模拟装置的选择和显示形式的选择方案分别作了比较。
文中从整体上阐述了CAN总线汽车组合仪表的设计开发方法，分别从CAN理论及协议、仪表硬件设计和软件编程三个方面全面论述了开发CAN总线汽车仪表所要解决的问题及解决方案。
在硬件上完成了基于MC9
S12DG128B单片机的仪表电路设计，在软件上开发了CAN总线收发程序，完成了对步进电机、伺服电机、LCD液晶显示屏等仪表关键器件的控制，并实现了对CAN总线仪表的远程控制。
利用自行设计的信号模拟装置完成了验证试验，经过实际运行和测试表明，CAN总线汽车仪表在显示的实时性、准确性以及可靠性等方面都优于传统的电气仪表。
关键词：
CAN总线；汽车智能仪表；单片机；步进电机
ABSTRACT
Designedbythesubjectcontentisbasedonthefieldbus（CANbus）vehicleintelligentinstrumentsystem,precisemeasurementcanhaveacarsimulatorenginespeed,speed,fuelquantity,coolanttemperatureandotherparameters.Andtotheparametersmeasureddisplayedthroughthedisplaycontroltoimprovethehumancomputerinteraction.
Thedesignofintelligentinstrumentationsystemforvehiclestructureandworkingprincipleelaboratedonthechoiceofsignalsimulatoranddisplaytheformofoptionswerecompared,respectively.ThisarticledescribedawholecombinationofCANBusvehicleinstrumentationdesignanddevelopmentmethods,theoryandfromtheCANagreement,instrumenthardwaredesignandsoftwareprogrammingonthreeaspectsofthecomprehensivedevelopmentoftheCANbusautomotiveinstrumenttosolvetheproblemsandsolutionsandthecompletionoftheverificationtest.
PaperscompletedinthehardwareoftheinstrumentbasedonsinglechipMC9S12DG128Bcircuitdesign,softwaredevelopmentinaCANbustransceiverprocedures,completedasteppermotor,servomotor,LCDliquidcrystaldisplaydevices，suchasthekeyinstrumentofcontrol,andtoachieveCANbusoftheremotecontrolofinstrumentation.
Actualoperationandtestshaveshownthat,CANbusinautomotivedashboarddisplaysreal.time,accuracyandreliabilityaresuperiortotraditionalmechanicalcoreinstruments,thefuturedevelopmenttrendofautomobileinstrument.
Keywords:
CANBus；AutomotiveIntelligentInteractive；SingleChip；SteppingMotor
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2汽车电子技术的发展1
1.3汽车仪表技术的发展3
1.4汽车仪表的发展趋势5
1.4.1汽车仪表电子化5
1.4.2采用高级显示器5
1.4.3电光学技术的应用5
1.4.4CAN总线技术的应用6
1.4.5未来汽车仪表发展趋势6
1.5研究的基本内容和拟解决的主要问题7
1.5.1研究的基本内容7
1.5.2拟解决的主要问题7
第2章汽车智能仪表基础知识及CAN协议规范8
2.1汽车智能仪表系统简介8
2.2仪表背景灯的发光原理8
2.3仪表显示器件及其驱动方法9
2.3.1液晶的各种技术参数9
2.3.2液晶显示器的基本原理11
2.3.3液晶显示的驱动方法11
2.4步进电动机的驱动方式13
2.4.2步进电动机的工作原理14
2.4.3步进电动机的振荡和失步15
2.5伺服电机的驱动方式15
2.6CAN总线技术16
2.6.1汽车应用多路传输技术的背景16
2.6.2CAN总线协议17
2.7本章小结20
第3章汽车智能仪表系统的硬件设计21
3.1汽车仪表主芯片的选择21
3.1.1MC9S12DG128B芯片概述21
3.1.2CAN总线模块23
3.1.3A/D转换模块26
3.1.4脉宽调制模块（PWM）27
3.3CAN总线模块电路设计27
3.4步进电机驱动电路设计30
3.5液晶显示屏外围电路设计32
3.6伺服电机驱动电路设计33
3.7电源电路设计33
3.7.1LM2576稳压电路设计34
3.7.2L7805稳压电路设计35
3.8挡位指示灯电路设计35
3.9本章小结36
第4章基于人机工程学的仪表布置方案设计37
4.1仪表的选择37
4.2仪表的空间位置设计38
4.3仪表的排列38
4.4本章小结40
第5章汽车智能仪表系统的软件设计41
5.1软件集成开发环境CodeWarrior介绍41
5.2汽车智能仪表的主程序开发41
5.3CAN收发程序开发42
5.3.1概述42
5.3.2程序功能描述43
5.4车速表、转速表程序开发44
5.4.1概述44
5.4.2程序功能描述45
5.5利用实时中断RTI控制步进电机46
5.6油量表、冷却液温度表程序开发47
5.6.1概述47
5.6.2程序功能描述47
5.7液晶显示屏程序开发48
5.7.1概述48
5.7.2程序功能描述48
5.8指示灯程序开发49
5.9本章小结50
第6章系统测试与分析51
6.1模拟信号装置51
6.2测试结果52
6.3系统的静态特性分析57
6.3.1非线性度57
6.3.2灵敏度57
6.4本章小结58
结论59
参考文献60
致谢62
附录63
A外文翻译63
B智能仪表图片78
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
汽车仪表盘作为汽车上最重要的信息终端，为驾驶员提供汽车行驶和汽车内各部分工作状态的信息。
随着汽车电子技术的发展，汽车仪表盘将成为汽车的电子控制信息中心，能提供的信息将越来越多，功能将越来越强大，是汽车电子技术的一个研究重点。
当今发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，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。
为此国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表。
借鉴和吸收国外先进的汽车电子技术网络、总线、通讯协议的技术标准，结合我国汽车产业当前的现状，以及加入世界贸易组织后，汽车工业面临的问题，制定出有我们自主特色的汽车网络、总线、通讯协议等技术。
这些技术的突破为我国采用汽车网络技术提高整车技术水平，发展车载网络平台，提出我们自主的知识产权和参与国际竞争具有重大现实意义。
课题通过实时嵌入式操作系统μC/OS.Ⅱ在16位微控制器MC9S12DG128B的移植，将仪表与微处理器、CAN网络技术融合，基于CAN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。
1.2汽车电子技术的发展
汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了一百多年。
从卡尔·本茨造出的第一辆三轮汽车（图1.1）到现在，已经诞生了从速度为零到加速到100km/h只需要三秒钟多一点的超级跑车，这一百年，汽车发展的速度是惊人的。
2000年以来，汽车电子技术的迅猛发展极大地改善了汽车的各项性能。
纯电动汽车技术、混合动力技术、智能交通系统（ITS）和以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品，随着新能源技术、高性能传感技术、现代微电子技术、自动控制技术、无线通讯技术的发展越来越广泛的为汽车所应用，以前相对独立的机械系统逐渐被基于微处理器和传感器的机电一体化系统所替代[1]。
汽车总成的各大系统之间如今越来越互相交融、互相影响，电子信息系统与机械制造有机地结合在一起，使汽车的动力性、燃油经济性、安全性、可靠性、舒适性、排气净化性都得到了显著的改善和提高。
从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保障系统及仪表报警系统，从电源管理到提高汽车舒适性的电子设备装置，汽车电气形成一个复杂而庞大的网络系统，并集中在驾驶室控制[2]。
汽车上的电控单元不再是仅仅与负载设备简单地连接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，经过复杂的控制决策运算，发出控制指令。
采用传统的点对点的电气连接方式，导致车内导线长度不确定地增加、电器节点数剧增、电器原理图繁琐复杂，这样必然造成庞大的布线系统。
据统计，一辆采用传统布线方法的高挡汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点可达1500个，导线的重量已经达到汽车重量的4%以上，成为制约整车性能提高的一个重要瓶颈。
无论从材料成本、安装工序，还是从工作性能、传输效率看，传统布线方法己经不适应汽车发展的要求。
这些汽车设计制造中的实际问题直接推动了汽车电子网络技术的快速发展，并成为解决这一问题有效而合理的方法。
在汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的。
网络的概念是在协议管理下，由若干终端、传输设备和通信控制处理器等组成的系统集合。
汽车电子控制网络则指按照特定的车用网络协议，以共享资源为主要目的，将所有位置上分散且独立工作的车载控制模块相互连接在一起的集合，它体现在车内各控制模块间的自由通信与相互协调。
从20世纪80年代开始汽车电子和网络的开发及其应用在欧美进入了一个高速发展的时期，各大汽车厂商无一例外地在汽车网络化的研究上投入大量的资源。
在美国由通用、福特和戴姆莱一克莱斯勒三大公司主宰汽车工业，为了研发汽车电子和网络化技术成立了Vistcon和Delphi公司。
而在欧洲则有德国著名的宝马、大众和奔驰公司，意大利的菲亚特，法国的标致、雪铁龙和雷诺国际大公司，以及为这些大公司进行汽车电子配套生产的德国Bosch和siemens公司[3]。
这些大公司为了提高汽车市场的占有率，提高产品的竞争能力，在汽车网络化的研究上投入大量的资源，并逐渐形成自己的企业和工业标准，并试图形成以本企业标准作为行业标准。
如BOSCH的CAN，SAE的J1850、J1939[4]，马自达的PALMNET，德国大众的ABUS，美国商用机器的AUTOLAN，法国汽车工业的VAN等。
目前，国外的汽车总线技术己经成熟，采用总线系统的车辆有BENZ，BMW，RORSCHE，ROLLSROYCE，JAGUAR，VOLVO等。
电子控制技术与信息技术引入汽车设计，对汽车电子技术的发展起到里程碑的作用，从最初的4位微处理器、8位微处理器到现在广泛应用的16位、32位微处理器，微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，电子控制系统己经由局部控制发展到了整车系统控制，以及信息化、智能化、交通控制网络化。
汽车工业的高速发展，使得汽车制造业开始了根本性的变革，汽车己经由单纯的机械产品发展成为高级的机电一体化产品。
在现代汽车工业中，电子技术是关键技术，它的应用对汽车工业的快速增长起着举足轻重的作用，其水平的高低是衡量汽车工业现代化程度的判别标准。
因而电子技术已经成为当今汽车工业的发展方向，汽车工业的竞争，其实质就是电子技术的竞争[5]。
1.3汽车仪表技术的发展
1901年奥兹汽车公司首先给汽车安装车速表，如图1.2所示。
此后，车速表被越来越多的汽车采用。
其中包括享誉世界的福特T型车，如图1.3所示。
1908年它第一次步入历史舞台，产量就达到10,660辆，打破了汽车业有史以来的所有记录。
图1.11886年世界上第一辆汽车图1.2带有车速表的奥兹莫比尔轿车
图1.3福特T型车内饰（右侧为车速表）图1.4机械式仪表的里程表
到了1910年，汽车仪表已经是汽车上的标准配置。
驾驶员通过汽车仪表来了解汽车的状态，明显提高了汽车的安全性。
这一阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式的，是基于机械作用力而工作的机械式仪表，所以也称机械机芯表。
例如汽车的里程表的驱动力是由变速箱引出的，通过一根软轴将变速箱输出轴的转速传递到仪表中，再经过涡轮蜗杆机构拨动数字转盘，如图1.4所示。
这种汽车仪表功能单一，仅仅显示汽车必要的车况状态，更多的是为安全性着想。
它的信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视认性不好，容易使驾驶员疲劳。
从20世纪40年代到50年代，仪表功能的实现不再仅仅依靠机械作用力，而是基于电测原理，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。
电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原理是永久磁铁产生的磁场和可动线圈通入电流后产生的磁场，相互作用而产生的旋转力矩。
磁电式仪表多用于测量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。
磁电式仪表的性能稳定，读数精确，使用方便。
但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变，测量误差变大。
到了1993年，终于出现了第一款纯电子式的汽车仪表。
随着计算机技术、电子技术、网络技术以及液晶现实技术的发展，汽车仪表的发展趋势将更加体现这些高新技术的结合。
根据仪表的工作原理、内部结构和显示方式，汽车仪表的发展过程可以分为以下四个阶段[6]：
1.传统仪表阶段。
这一阶段是从20世纪初到20世纪30年代，在此阶段中汽车开始安装各种仪表，如车速里程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流表（电压表）和发动机转速表等，这些确定了现代汽车仪表板的基本结构。
这一阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式/电磁机械式的，是基于机械作用力而工作的机械式仪表，所以也称机械机芯表。
这种汽车仪表功能单一，仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是为安全性着想，信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视认性不好，容易使驾驶员疲劳。
2.电气式仪表阶段。
这一阶段从20世纪40年代到50年代，仪表功能实现不再仅仅依靠机械作用力，而是基于电测原理，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。
电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原理是永久磁铁在气隙中产生的磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力矩。
磁电式仪表多用于测量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。
磁电式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流电路的精密测量和实验室中的标准测量仪表。
但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变，测量误差变大。
3.现代电子仪表阶段，也称模拟电路电子式仪表。
第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件，其出现的时间大致在20世纪50～60年代。
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主流产品，目前国内大多数汽车还是采用这种结构的仪表。
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，围绕着提高指示精度和指针平稳性，动磁式代替了动圈式。
4.步进电机式全数字汽车仪表。
全数字式汽车仪表在国外从80年代末就己经开始研究，在国内直到最近才开始对其重视。
从其应用技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但是信号传输方式己经从模拟信号变成数字信号，并朝着数字化、智能化、网络化、虚拟化方向发展。
其应用特点是单片机与微处理器的广泛应用，同时软件程序在系统设计方案中占的比重也越来越大，内部程序的编写取代了外围电路的连接闭。
与传统的模拟仪表相比较具有:
使用寿命长、精度高、可靠性好、抗干扰性强等特点。
1.4汽车仪表的发展趋势
1.4.1汽车仪表电子化
随着现代电子技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示仪表已不断地在汽车上应用。
因此，汽车电子化仪表将逐步取代常规的机电式仪表。
1.4.2采用高级显示器
未来汽车仪表将成为多功能信息显示中心，把驾驶员需求的更多信息及时地显示出来，如故障诊断、地形图显示、导航及各种信息。
汽车仪表作为信息显示中心是大势所趋，要适应这种趋势，对汽车仪表提出了许多要求，一是要求仪表具备更宽的带宽及更强的数据处理能力来支撑这些功能，因此MOST、32bitMCU等技术将很快地应用于未来的仪表产品中[7]。
其二是显示技术的进步，如由段码LCD显示向TFT.LCD等更高层次显示技术发展，对显示处理能力要求更高，当然这也需要更强的MCU。
1.4.3电光学技术的应用
电光学技术将在汽车仪表上得到广泛应用：
（1）显示和内照明器件不再用白炽灯泡，而是选用高效冷光源发光器件，导光系统更多体现出光学领域的新技术。
（2）改用电子摄像显示后视系统，驾驶员的视野范围将更宽。
（3）自动导航和定位系统可能也是未来汽车仪表上不可缺少的部分，包括全球卫星定位系统和电子地图等。
（4）未来汽车仪表将会令驾驶更加安全，驾驶员再也不用低头观察仪表信息。
西门子VDO公司已经研究出了“抬头”显示系统（head.updisplay）[8]。
对于驾驶员来说，仪表信息好像是在前方两米远的发动机盖上，如图1.5所示。
图1.5西门子公司的“抬头”显示系统
1.4.4CAN总线技术的应用
由于现代汽车正逐步采用ABS、ASR、安全气囊、发动机电控燃油喷射等先进的电子控制技术，使各种信息数据的处理量不断增加，而且对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要求。
因为汽车上的电子控制单元（ECU）的数量越来越多，所以对网络技术的使用，智能仪表的开发将成为必然。
图1.6装用CAN仪表的奔驰W220系列的S级轿车
1.4.5未来汽车仪表发展趋势
未来汽车仪表的功能将不局限于现在的车速、里程、发动机转速、油量、机油压力、水温、方向灯指示，需要扩充如下功能：
（1）带ECU的汽车智能化仪表能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等。
这些信号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开直流信号，而是包含反映这些安全装置工作状态较多信息的调制信号，供ECU读取，以便ECU能准确地综合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导维修人员排除故障。
（2）将防盗系统纳入汽车仪表ECU的监管下，如车门、后行李箱等处防盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置，防盗点火起动装置等。
1.5研究的基本内容和拟解决的主要问题
1.5.1研究的基本内容
（1）信号模拟装置的设计和制作，要求信号模拟装置以MC9S12DG128B单片机为核心，模拟产生车速、转速、水温、燃油量等信号，并将这些信号通过CAN模块与CAN总线控制器发送到总线上。
（2）CAN总线通信的研究与实现，要求智能仪表装置单片机与信号模拟装置的之间能进行CAN总线通信，并且遵循CAN2.0协议，把信号模拟装置产生的各种信号送到智能仪表装置的单片机中，实现两者之间的通信。
（3）智能仪表装置的设计和制作，要求仪表装置也以MC9S12DG128B单片机为核心对仪表进行控制，指示出当前的车速、转速、水温、燃油量等。
通过控制步进电机和直流电机，实时准确的指示出车辆当前的各种信息。
1.5.2拟解决的主要问题
（1）模拟信号产生的方法，以及单片机将检测到的模拟信号转化成数字信号，并进行相应的处理，为下一步数据传输做好准备。
（2）CAN总线硬件电路的搭建。
初选CAN控制器82C250，查找相应的经典电路，用以完成硬件电路的搭建。
（3）CAN总线的通信协议，以及CAN模块的初始化设置。
对CAN总线通信进行系统的学习，掌握CAN2.0a/b通信协议，并准确的对CAN0/4口进行初始化设置，使其完成基本通信要求。
（4）步进电机的控制方式与型号选择。
以开环的方式通过调整PWM输出的占空比大小，用以控制单机的转角大小；型号参考同类车型的仪表
（5）仪表装置的安装方法。
信号模拟装置制作成独立的一部分，通过双绞线与仪表部分相连，完成总线通信。
第2章汽车智能仪表基础知识及CAN协议规范
汽车仪表需要显示车速、发动机转速、水温、油量、行驶里程和警示信号等信息，这些信息的通讯主要是由CAN总线传递。
针对汽车仪表的功能和结构，本章将介绍在CAN组合仪表产品的设计中所需要的基础理论知识和CAN协议规范。
2.1汽车智能仪表系统简介
汽车智能仪表又称为组合电子仪表，主要由各种传感器、电子显示器件、电子控制单元（ECU）及其电路组成。
传统的仪表是机械式或是电气机械式的，通过指针和刻度实现显示，存在着显示的信息少、视觉特性不好、易使驾驶员疲劳、准确性差等缺点，随着汽车电子技术的发展，新型传感器、电子显示器件和电子控制器的应用促进了汽车仪表的电子化、智能化。
汽车智能仪表具有显示信息丰富准确、显示设计自由度高、可实现小型轻量化、可靠性高等优点。
本设计中的汽车智能仪表包括发动机转速表，车速表，冷却液温度表，燃油余量表，另外还有里程表和挡位指示灯、背景灯、转向灯等组成。
利用自行设计的信号模拟装置模拟产生各种所需信号，通过CAN收发器将信号发送到总线上。
仪表系统通过接收来自总线上的各种信号对各个仪表和各种指示灯进行控制，显示出具体信息。
2.2仪表背景灯的发光原理
在汽车仪表中应用了大量的发光二极管，所以要了解发光二极管的特性。
在电子技术领域，对发光二极管（LED）的应用无处不在。
它就像一个小灯泡，但它既没有灯丝，也不是很热，而是仅仅依靠在
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