第３３卷第５期２０１０年１０月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒＯｎＤｅｖｉｃｅｓＶ０１．３３Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１０ＤｉｇｉｔａｌＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｌｕｓｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＣＡＮＢＵＳＬ／Ｈｏｎｇｍｅｉ１”，ＴＯＮＧＷｅｉｍｉｎｇｈ，ＣＨＥＮＧＳｈｕｋａｎ９１ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ矿Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１。Ｃｈｉｎａ．、，１．＆ｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥ蟛ｎｅｅｒｉｎｇ、２．Ａ日ｍｐａｃｅ肺一ＴｅｃｈＨｏｌｄｉｎｇＧｒｏｕｐＣＯ．，Ｌｔｄ．。Ｈａｒｂｉｎ１５００６０，Ｃｈ／ｎａ，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ｔｈｅＣＡＮｂｕｓａｌｌ—ｄｉｓｔａｌａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎ—ｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｉ８ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＴｈｅｍａｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉＳｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｔｆｉｒｓｔ．ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｉＳｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＭＢ９０４２５Ｇ．ＴｈｅｎｔｈｅＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｉｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄａｎｄｔｈｅａｒｅｓｏｆｔｗａｒｅｉＳｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｔｙｐｅｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｍａｓｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ，ｈｉ【ｓｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｓｔｒｏｎｇｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｅｎｇｉｎｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔＥＥＡＣＣ：７２１０Ｂｓｙｓｔｅｍ（ＥＭＳ）；ｔｙｐｅｔｅｓｔｉｎｇ；ＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１∞５－９４９０．２０１０．０５．０３０ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表李宏梅１’２，佟为明ｈ，程树康１／１．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨１５０００１；、＼２．航天科技控股集团股份有限公司，哈尔滨１５００６０／摘要：为适应汽车仪表发展需要，研制了ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表。首先介绍了仪表要实现的主要功能，并据此设计了基于微控制器ＭＢ９０４２５Ｇ的仪表硬件电路；然后确定了仪表ＣＡＮ通信协议并进行了软件设计；继而阐述了仪表的技术特点。型式试验和批量生产后实际应用结果表明该仪表具有工作稳定可靠、仪表指示精度高、故障诊断实时和可扩展能力强等特点。关键词：汽车仪表；发动机管理系统（ＥＭＳ）；型式试验；ＣＡＮ通信协议中图分类号：ＴＰ２７１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００５－９４９０（２０１０）０５—０６４６—０５随着现代微电子技术的发展，汽车仪表逐渐向电子化、数字化、智能化、网络化趋势发展。作为驾驶员与汽车信息交流的重要接口和界面，目前汽车仪表正向ＣＡＮ总线全数字式仪表阶段发展【１—３｜。ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表是基于步进电机、ＣＡＮ总线技术等全新技术的汽车仪表，它以微控制器为核心，主要功能是实现车辆行驶过程中相关信息的采集、处理与显示，并通过ＣＡＮ总线与整车中的其它网络节点进行数据通信【４。］。本文以自主研发的一汽Ｊ６卡车仪表为例，介绍了ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表的功能与硬件收稿日期：２０１０—０５—１１修改日期：２０１０—０６—１３构成、ＣＡＮ通信协议、软件设计及技术特点。１仪表功能与硬件构成１．１仪表功能１．１．１显示功能在车辆行驶过程中，为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，ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表必须能够迅速、准确地显示车辆的各种信息和状态，包括车速、行驶里程、发动机转速、发动机冷却液温度、发动机机油压力、油箱剩余燃油、蓄电池电压、汽车刹车系统贮气瓶压力以及各种指示报警信息等。万方数据第５期李宏梅，佟为明等：ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表６４７１．１．２ＣＡＮ通信功能通过ＣＡＮ总线，仪表可方便地与整车中其它网络节点的ＥＣＵ进行信息交换。ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表通过ＣＡＮ总线接收的数据包括：发动机转速、发动机冷却液温度、发动机机油压力、实际缓速器转矩百分比和发动机管理系统（ＥＭＳ）的故障诊断信息等；通过ＣＡＮ总线发送的数据包括车速和变速箱输出轴转速等。１．１．３Ｉ／Ｏ采集与控制功能仪表采集的信号分为开关量、模拟量和脉冲量三种。开关量信号的输入状态为接高电平、接地或悬空，包括转向指示灯信号、驻车指示灯信号等；模拟量信号是以电阻、电压形式输入到仪表中的，包括燃油信号、汽车刹车系统贮气瓶压力信号等；脉冲量信号主要是指输入到仪表中的车速信号，车速信号来自车速传感器，是周期随车速变化的方波信号。仪表具有车速脉冲输出功能，要求输出的车速脉冲波形如图１所示。车速传感器信号车速脉冲输出ｆｒ图１车速脉冲输出定时图车速秽（ｋｒｒｄｈ）与周期Ｔ（８）、高电平持续时间ｔ（ｍｓ）之间须满足公式：秽＝２２５×专ｋｍ／ｈ（１）１．２仪表硬件构成ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表技术上起点高，产品涉及电子、电磁、计算机、机械、光学和材料等技术领域。各指针表均使用步进电机进行驱动，指示灯均使用ＬＥＤ进行显示，并采用ＬＣＤ显示汽车行驶里程数及ＥＭＳ故障诊断代码等。１．２．１硬件框图为实现仪表上述显示功能、ＣＡＮ通信功能以及Ｌ／Ｏ采集与控制功能，本文选用Ｆｕｊｉｔｓｕ公司专为汽车仪表开发的、内部集成了ＣＡＮ控制器的ＭＢ９０４２５Ｇ系列单片机进行仪表设计，电路设计遵循模块化的原则。仪表硬件构成如图２所示。１．２．２脉冲输入信号处理电路汽车使用环境复杂，经常会产生很强的电磁干扰和电冲击干扰，这些干扰将直接影响输入到仪表中脉万方数据指针驱动电微控制器路鬻垂酉车速输出电路一一一一一一一一电源电压监测电路｜｜。”“８’“窖施毒譬翁留％｜｜电源处理电路图２仪表硬件框图冲信号的波形【６Ｊ。以车速信号为例，干扰将使车速信号产生毛刺，如果不对信号进行滤波、滤除毛刺，就不可避免地会使车速表指针发生抖动。另外，由于单片机能够接收处理的脉冲信号为ＴｒＬ电平，车速传感器直接输出的信号不满足这一要求，因此还需对车速信号进行幅值调理。车速信号处理电路如图３所示。５Ｖ图３车速信号处理电路仪表ＣＡＮ通信协议ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表采用的通信标准是ＳＡＥＪ１９３９协议。ＳＡＥＪ１９３９是以ＣＡＮ总线为核心的车辆网络串行通信和控制协议，其通信速率为ｋｂｉｔ／ｓ。针对汽车应用，ＳＡＥＪ１９３９统一定义了整套的地址编码系统，对信息的结构形式、传输方式、网络的管理以及故障诊断等内容做了详细的规定【７曲］。消息格式需适应ＣＡＮ网络的要求变化。ＣＡＮ２．０Ｂ的扩展信息帧仲裁场含有２９ｂｉｔ标识符［１０１。ＣＡＮ扩展信息帧通信结构如表１所示。表１ＣＡＮ扩展信息帧通信结构目位１５位ＳＯＦｌ拟符ＳＲＲＩＤＥ标１８识位行ＩＩｇｒａｒｔｒｏＩＤＬＣ仉８ＡｃＫＡｃＫＥ（）Ｆ字节数据ｃＲｃ帧校应帧菇仲裁场控制场数据场验答结场场柬２２５０２．１消息／帧格式电子（１）帧起始：标志帧的起始。（２）仲裁场：由２９位标识符、替代远程请求位（ＳＲＲ）、标识位（ＩＤＥ）及远程发送请求位（ＲＴＲ）组成。（３）控制场：由数据长度码（ＤＬＣ）和保留位ｒ１、Ｉｏ组成。（４）数据场：由数据帧中被发送的数据组成。（５）校验场：包括ＣＲＣ序列及ＣＲＣ界定符。（６）应答场：包括应答间隙和应答界定符。（７）帧结束：标志通信结束。ＳＡＥＪ１９３９利用ＣＡＮ协议中扩展帧２９位标识符实现了一个完整的网络定义。ＳＡＥＪ１９３９的数据场与ＣＡＮ的数据场是相同的，区别在于２９位标识符。ＳＡＥＪ１９３９的２９位标识符如图４所示。㈨扩展帧格式目标标识符１８位扩晨标识符Ｊ１９９９曾Ｈ各式３Ｉ２１１Ｒｌ：ＰＤｕ格式（ＰＦ）ｓ特定ＰＤＵＯＰＳ）濠地址（ＳＡｌ８｜７Ｉ６Ｉ５Ｉ４ｌ２１１８Ｉ７Ｉ６㈦５４…２ｌ８…７６Ｉ５Ｉ４…３２ｌＩＪ１９３９帧位位置２Ｉ３ｌ５ｌ７１８ｌ９ｈｏ］ｉ１１１２１５１１６Ｉ＂１１８Ｉ叫２（１１２１ｂＩｏｌ刈ｄ２６ｌ叫捌》ｂｄ３１１Ｇ～№９位Ｄ位置ｄ２）Ｉ置ｄ拍∞１２２１２１１划１９１１８１７１１６１５１１４４１３ｈｚｌｎｌｌ０４９ｌ８ｌ７Ｉ６Ｉ５１４Ｉ３ｌ２ＩＩｌ图４ＳＡＥＪ１９３９的２９位标识符２．２协议数据单元（ＰＤＵ）ＳＡＥＪ１９３９的数据帧是以协议数据单元（ＰＤＵ）形式进行传输的，ＰＤＵ被分组封装在一个或多个ＣＡＮ数据帧中，通过物理介质传送到其他网络设备。ＳＡＥＪ１９３９协议数据单元由七部分组成，分别是优先级（Ｐ）、保留位（Ｒ）、数据页（ＤＰ）、ＰＤＵ格式（ＰＦ）、特定ＰＤＵ（ＰＳ）、源地址（ＳＡ）和数据场。ＳＡＥＪ１９３９协议数据单元如图５所示。图５协议数据单元（ＰＤＵ）２．３车辆应用层ＳＡＥＪ１９３９的应用层为访问ＯＳＩ环境的应用程序提供了一种手段。在应用层的参数定义中，规定了ＳＡＥＪ１９３９网络中使用的每个参数的描述，并为每个参数分配了一个编号（ＳＰＮ）０１１］。以发动机转速为例说明ＳＡＥＪｌ９３９协议中参数的定义：ＳＰＮｌ９０一发动机转速一由转过７２０。最小曲轴角的速度除以气缸的数目得到的发动机实际转速。数据长度：２ｔｙｐｅ分辨率：０．１２５ｒｐｍ／ｂｉｔ，０偏移量数据范围：０～８０３１．８７５ｒ／ｍ类型：测量值万方数据器件第３３卷ＳＰＮ：１９０参数组编号（ＰＧＮ）：６１４４４３仪表软件设计ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表软件采用结构化程序设计方案，具有良好的模块性、可修改性及可移植性。仪表软件主要由ＣＡＮ通信管理、ＬＣＤ显示、ＬＥＤ显示、采样滤波、指针驱动、数据存储、故障诊断等功能模块组成。仪表工作分正常、故障诊断两种模式：正常工作时，ＬＣＤ实时显示汽车当前行驶里程数；进入故障诊断模式时，ＬＣＤ用于显示发动机管理系统（ＥＭＳ）等的故障。仪表软件流程如图６所示。开始初始化ＣＡＮ控制器初始化Ｉ／Ｏ等功能寄存器初始化变量、数组、结构从Ｅ２ＰＲＯＭ中读出速比、当前汽车行驶里程等数据仪表上电自检故严电匦赫峰采样车速等脉冲信号所有单表指针计算车速、当前行驶里程回退到零位故障诊断采样燃油等模拟量数据予程序熄灭ＬＥＤ报二工二通过ＣＡＮ总线接收报文ＬＣＤ显示处理水温、巡航灯等数据——厂警指示灯故障码ｎ翮驱动车速表等指针旋转ＬＣＤ显示当前行驶里程点亮ＬＥＤ报警指示灯图６仪表软件流程指针驱动模块是ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表软件的重要组成部分。为使各单表的步进电机运转稳、噪音低，必须用接近正弦波的脉冲波序列驱动步进电机。指针驱动模块采用了目标位置跟踪与表针速度可调两种控制方式。当计算出指针应指示的角度后，步进电机能够快速准确地到达指定的位置；步进电机的跟踪速度跟随距指定目标的角度大小变化，以确保第５期李宏梅，佟为明等：ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表６４９指针平滑运行。指针驱动软件流程如图７所示。记录指针当前旋转角度Ⅱ‘根据采样值计算指针应到达的目标角度目●△筇—ｏ●根据㈧的大小计算指针的旋转速度ｌＡ＜０ｌＡ＝ＯｌＡ＞０Ｉ逆时针旋转指针ｌＩ本次不旋转指针ｌＩ顺时针旋转指针ｌ图７指针驱动软件流程４仪表型式试验型式试验是为了验证ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表能否满足技术规范的全部要求所进行的试验，它是确保仪表可靠运行的必备条件¨２｜。只有通过型式试验，ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表才能正式投入生产。依照汽车行业标准ＱＣ／Ｔ７２７—２００７《汽车、摩托车用仪表》并参考德国大众系列标准，对ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表进行型式试验。主要内容包括：基本误差试验、指针响应时间试验、温度影响和温度循环试验、耐振动试验、电压干扰试验、电磁敏感度试验、大电流注入（ＢＣＩ）法试验、电磁骚扰性试验、汽车电点火干扰试验、防尘试验、耐盐雾试验和防静电性试验等。以温度影响和温度循环试验为例，说明型式试验所起的重要作用。ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表原理样机完成后，按照标准中规定的试验方法，对仪表进行温度影响和温度循环试验，仪表出现工作不正常的情况，故障现象是水温表、燃油表等指针摆动。经试验分析，确认产生故障的原因是低温时仪表开关电源处理电路中的一个电解电容失效，导致电源电路输出电压不稳定。更换电解电容并增加保护电路后，仪表可正常工作。由此可见，型式试验是衡量仪表能否推广应用和进入市场的先决条件。５仪表特点（１）数据传输可靠性高ｃＡＮ总线具有通信速率商、保密性高、实时性强和抗电磁干扰能力强等诸万方数据多特点。ＣＡＮ总线采用非破坏性逐位仲裁机制，具有完善的错误检测功能，能够检测出通信过程中产生的任何错误，可保证数据准确、可靠地传输。（２）信息共享，功能扩展能力强通过ＣＡＮ总线，仪表可方便地与整车中的其它网络节点进行数据交换，从而达到信息共享的目的。整车系统中的ＣＡＮ网络节点通过ＣＡＮ总线传送的信息可方便地进行扩展。（３）故障诊断实时通过ＣＡＮ总线，仪表可实时接收发动机管理系统（ＥＭＳ）等发送的故障诊断信息，并将故障代码显示在仪表的ＬＣＤ上，方便了司机维修。（４）数据采集精确仪表使用高效、可靠的采样电路采集车辆信息，如：利用输入捕捉计算脉冲输入信号的周期和脉宽，利用Ａ／Ｄ转换计算传感器的输入电阻值等，使采集到的信息更加精确、可靠。（５）单表驱动技术先进可靠各单表指针采用汽车专用步进电机进行驱动，是结合专用大规模集成电路的单一化仪表机芯。步进电机在设计上使用高级铁磁材料和特种耐磨塑料，寿命长，长期运转无故障。（６）仪表指示精度高采用全数字方式，即输入信号完全数字化，通过嵌入软件的主控制芯片对数据进行处理，配合指示精度极高，一致性极好的步进电机，仪表可达到很高的指示精度。ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表的上述技术特点使其能集中、直观、迅速地为驾驶员提供车辆行驶的各种信息和状态，为安全行驶及驾驶员舒适性提供先决条件。一汽Ｊ６卡车，是一汽集团同步世界卡车发展技术，自主研发的世界级全新卡车。其组合仪表采用的就是ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表。一汽Ｊ６卡车仪表外观如图８所示。图８拍卡车仪表结束语目前，Ｊ６卡车仪表已批量配套一汽市场，实践６６５０电子证明，该仪表工作稳定可靠。Ｊ６卡车仪表的广泛应用，提高了一汽卡车在国内外汽车竞争中的优势地位，推进了民族汽车产业的发展。相信随着汽车电子技术的不断发展，ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表将会成为汽车仪表发展的必然趋势。参考文献：杨忠敏．汽车仪表的发展现状［Ｊ］．汽车电器，２００７，（４）：ｌ一３．［２］戴方全，王建．基于ｐ．Ｃ／ＯＳ—ＩＩ的全数字汽车仪表［Ｊ］．轻型汽车技术，２００７，（１）：７—１０．［３］佟为明，金显吉．林景波．基于Ｃ８０５１Ｆ０２３微控制器的ＣＡＮ总线实验系统设计与实现［Ｊ】．低压电器，２００７，（２３）：３７—４０．［４］肖朝晖，李山．基于ＣＡＮ总线的车载智能仪表设计［Ｊ］．自动化与仪表，２００５。２０（３）：３ｌ一３３．李宏梅（１９６６一），女，汉族，山东德州人，哈尔滨工业大学博士研究生，主任工程师，主要研究方向为计算机软、硬件，汽车仪表，汽车车身网络控制系统，故障诊断技术等，ｌｉｈｏｎｇｍｅｉ＠ｈｔｋｊ·ｇｒｏｕｐ．ｅｏｍ；万方数据器件第３３卷［５］佟为明，金显吉，林景波．基于Ｃ８０５１Ｆ０２３微控制器的ＣＡＮ总线实验系统设计与实现［Ｊ］．低压电器，２００７。（２３）：３７一加．［６］朱维杰，于湘珍．基于ＭＣ９Ｓ１２ＨＺ的智能汽车组合仪表［Ｊ］．仪器仪表技术，２００９，１６（２）：４６—４８．［７］程军，苟凯英．车辆控制系统总线通信和控制协议ＳＡＥＪ１９３９［Ｊ］．世界汽车，２０００。（２）：１９—２１．［８］王建．戴方全．ＳＡＥＪ１９３９协议在汽车仪表中的应用［Ｊ】．轻型汽车技术，２００６，（１２）：７一ｌＯ．［９】王锦坚，洪添胜．基于ＳＡＥＪ１９３９协议的客车ＣＡＮ总线发动机测试系统［Ｊ］．工业控制计算机，２００９，（４）：８２—８４．［１０］佟为明，陈培友，高洪伟，等．ＣＡＮ总线位定时与同步机制的研究［Ｊ］．电子器件。２００７，３０（４）：１４９９—１５０２．佟为明，袁帅，赵志衡，等．ＣＡＮ总线电能质量监测装置关键技术的研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００９。３０（Ｓ１０一Ｉ）：２６９—２７１．［１２］蒋志雄，黄河．基于Ｈ８／３８０２的步进电机式汽车仪表的开发［Ｊ］．微计算机应用，２００６，２７（１）：９ｌ一９３．佟为明（１９６４一），男，黑龙江宁安人，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，主要研究方向为现场总线技术及其应用，电气智能化技术，配电网自动化与变电站自动化等，ｄｉａｎｑｉ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。CAN总线全数字式汽车仪表
作者：作者单位：
李宏梅， 佟为明， 程树康， LI Hongmei， TONG Weiming， CHENG Shukang
李宏梅,LI Hongmei(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,哈尔滨,150001;航天科技控股集团股份有限公司,哈尔滨,150060)， 佟为明,程树康,TONG Weiming,CHENG Shukang(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,哈尔滨,150001)电子器件
CHINESE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES2010,33(5)5次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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