基于SAEJ1939协议的CAN总线汽车仪表设计.docx

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1、基于 SAE J1939 协议的 CAN 总线汽车仪表设计来源：EEFOCUS 与非网 公布时间：2023-01-21 共享到:浪微博 腾讯微博 豆瓣网 开心网 搜狐微博 网易微博汽车仪表是汽车与驾驶员进展信息沟通的窗口，是汽车信息的中心，能够集中、直观、快速地反映汽车在行驶过程中的各种动态指标，如行驶速度、里程、电系状况、制动、压力、发动机转速、冷却液温度、油量、各种危急报警。随着科技进步，汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，汽车电子把握程度也越来越高。汽车电子把握装置必需快速、准确地处理各种信息，并通过仪表显示出来，使驾驶员能够准时了解并把握汽车的运行状态， 以妥当处理各种状况

2、。这里给出一种基于 CAN(Controller Area Network)总线的汽车仪表设计方案。该仪表利用CAN 总线使其成为车身网络一局部，遵循 SAE J1939 协议读取发动机转速、水温等信息。仪表还能接收传感器的车速、油量、油压、制动气压等信号并显示，为驾驶员供给实时车辆工况。所设计的仪表主要应用于重型运输车等领域，在某重型车辆工厂进展的试验结果说明， 该仪表能够满足数据牢靠性及实时性等要求。1 CAN 总线及 SAE J1939 协议1.1 CAN 总线及 SAE J1939 协议简介CAN 总线属于现场总线的范畴，是德国 Bosch 公司在 20 世纪 80 年月初为解决现代汽

3、车中众多的把握和测试仪器之间的数据交换而开发的一种有效支持分布式把握或实时把握的串行 通信网络。CAN 总线的通信实时性强，数据传输速率可高达 1 Mb/s，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维，通过标准的插接件能够便利的连接。CAN 总线的数据通信具有突出的牢靠性、实时性和灵敏性，是目前应用最广泛的一种汽车总线。SAE J1939 协议是美国汽车工程师协会 SAE(Societv of Automotive Engineer)公布的以CAN2.0B 作为网络核心协议的车辆网络串行通信和把握协议。J1939 是参照 ISO 的开放式数据互联模型定义的 7 层基准参考模型而制定的。该协议明

4、确规定汽车内部 ECU 的地址配置、命名、通讯方式以及报文发送优先级等，并且对汽车内部各个具体的 ECU 通讯作了具体的说明。它使用多路复用技术，为汽车上的各种传感器、执行器和把握器供给建立在 CAN 总线根底上的标准化的高速网络连接，在车载电子装置之间实现高速数据共享，有效地削减了电子 线束的数量，提高了车辆电子把握系统的灵敏性、牢靠性、可修理性和标准化程度，更大程度地发挥了 CAN 优异的性能。1.2 SAE J1939 数据帧格式SAE J1939 数据帧是以 PDU(协议数据单元)为单位，共由优先权(P)、保存位(R)、数据页(DP)、PDU 格式(PF)、PDU 细节(Ps)、源地址

5、(SA)及数据域(Date Field)等 7 个域组成。除了数据域之外的 PDU 对应于 CAN 扩展帧的 29 位标识符。其中 PS 是 1 个 8 位段，其定义取决于 PF 值。假设 PF 值小于 240，PS 是目标地址(DA)。假设 PF 值介于 240 和 255 之间，则 PS 为组扩展(GE)。有些 CAN 数据帧不是在 PDU 中定义，包括 SOF、SRR、IDE、RTR、把握域局部、CRC 域、ACK域和 EOF 域。这些域是由 CAN 定义的，SAE J1939 不作修改。2 CAN 总线汽车仪表设计2.1 仪表整体设计该汽车仪表系统由数据采集、处理以及显示 3 个模块组

6、成。其中数据采集模块负责接收车辆的各种数据，并将数据预处理后发送至微处理器。其中模拟量信号、脉冲信号以及开关量信号等传感器信号在各传感器处采集后，分别经过分压、滤波整形以及光电隔离后发送至微处 理器。而发动机转速、水温存故障代码等 CAN 总线数据通过发动机CAN 模块发送至CAN 总线后，通过 CAN 收发器进展接收。微处理器接收到需要的数据后，依据预定的算法对数据进展处理，并将处理结果输出。显示模块包括指针、LCD 以及各种信号灯的显示。微处理器将发动机转速、车速等结果输出至电机驱动器，驱动器驱动步进电机转动，从而带动指针显示； 微处理器直接驱动 LCD 显示及 LED 灯的亮灭。汽车仪表

7、系统构造如图 1 所示。依据对汽车仪表的整体分析，汽车仪表盘由 3 个分表盘组成，左分表盘显示发动机转速、油量等数据，右分表盘显示车速、油压等数据，中分表盘用于放置 LCD 显示屏以及各种指示灯。仪表指针全部承受步进电机驱动。仪表接收到的各种数据中，从 CAN 总线猎取发动机转速、水温以及电压，从各种传感器猎取车速、油量、气压以及油压。2.2 系统硬件设计仪表承受 Luminarv 公司的 LM3S2948 处理器。这是一款基于 ARM CortexM3 内核的微处理器，承受 32 位 RISC，内嵌CAN 把握器、模数转换器(ADC)、模拟比较器等功能模块，削减了外围电路，降低了系统设计本钱

8、。LM3S2948 处理器内置 CAN 模块便利了CAN 总线数据的传输，同时使仪表的通信简洁实现，提高了牢靠性。其内置 CAN 模块具有以下特点：支持CAN 2.0B 协议并支持符合 SAE J1939 协议的扩展帧的报文传输：位速率可高达l Mb/s；具有 32 个报文对象，每个对象都具有自己的标识符屏蔽码；包含可屏蔽中断，针对时间触发的CAN(1TrCAN)应用，可选择制止自动重发送模式；通过CANOTx 和CANORx 引脚与外部CAN PHY 无缝连接；具有可编程的 F1F0 模式。LM3S2948 微处理器具有运算速度快、功耗小、体积小、价位低等特点。其 CAN 把握器模块特性完全

9、满足 CAN 总线汽车仪表的应用要求。该处理器具有强大的处理力气，在车辆的各种工况下都能够实时反映车辆信息，同时该处理器具有很大的可扩展空间，有利于后续开发。由于 LM3S2948 内置 CAN 把握器模块，所以只需外接一个 CAN 收发器即可接收总线数据。该仪表选用 CTM8251T 作为 CAN 收发器。CTM8251T 是一款通用的带隔离的 CAN 收发器，该器件内部集成全部必需的 CAN 隔离及 CAN 收发器。该器件可连接任何一款 CAN 协议把握器，实现 CAN 节点的收发与隔离功能。该器件设计体积小，集成度高，可取代传统的 CAN 收发器及其外围电路，降低了电路的简洁程度，削减了

10、设计本钱，如图 2 所示。仪表承受 VID6606 驱动器驱动步进电机。每片 VID6606 可同时驱动 4 路步进电机。在其频率把握端输入脉冲序列 F(SCX)，即可把握输出端使步进电机的输出轴以微步转动，每个微步电机输出轴转动 1/12()，最大角速度可达 600()/s。该电机驱动器具有以下特点：硬件微步驱动、简洁易用，电机只需速度 F(sex)和方向(CW/CCW)2 个把握端、全部输入引脚都有干扰过滤器、宽工作电压、低电磁干扰辐射。仪表板指针承受 VID-29 电机驱动，电机内置减速比 180/1 的齿轮系，能够将数字信号直接准确地转为模拟的显示输出。该电机具有很高的显示精度，其步距

11、角最小可到达 1/2()。图 3 所示为VID6606 驱动仪表电路。该仪表利用 LCD 显示时间、燃油消耗量以及产生故障时故障名称，处理器发送的信号先经74HC245 功率放大后，然后送至液晶屏 F2023LCD 显示。LCD 电路如图 4 所示。2.3 系统软件设计系统软件设计分为主程序、CAN 通信、数据采集处理和数据显示等 4 个模块。主程序模块通过调用各个子模块程序来处理数据处理：CAN 通信模块负责发送和接收数据；数据采集及处理模块完成对各种类型数据的采集以及计算；数据显示模块将车速、油压以及信号灯等信息显示在仪表上。图 5 为系统主程序流程，该系统主程序流程分为：1) 系统初始化

12、。系统初始化主要包括初始化系统时钟、CAN 节点、LCD 液晶屏、步进电机等，并使能CAN 中断，设置CAN 屏蔽码和验收码。CAN 节点初始化主要是初始化CAN 把握器并中断 CAN 把握器：2) 读取传感器以及 CAN 总线数据，并驱动指针以及 LCD 等显示，同时等待 CAN 接收中断。3) CAN 接收中断产生，进入接收中断子程序读取数据。推断数据是否符合数据接收条件， 假设符合，则接收数据。此过程逐位比较接收到的 29 位标识符与验收码、屏蔽码，只有标识符相应位与验收码相应位一样，系统才开头接收数据。4) 处理器将接收的报文进展解析，提取需要的数据并进展处理。处理器对传感器传来的数据

13、和 CAN 总线读取的数据进展处理计算，得到相应的指针驱动参数，计算出指针转角，并依据初始化的步进电机的参数计算出指针转动速度。指针转动速度与相应的参数变化速度成正比。同时计算出车辆行驶里程并累加到总路程上。5) 处理器将包含车辆工况的一组脉冲序列发送至步进电机驱动器，驱动器驱动步进电机以微步方式转动，指示出相应的发动机转速、车速、水温以及油压等；处理器将包含车辆总路程等信息的数据发送至 LCD 把握器，把握器把握 LCD 显示相应的总路程等：处理器转变相应的 I/O 引脚状态直接点亮/关闭相应的指示灯。2.4 故障显示该仪表能够从 CAN 总线接收故障代码并对故障代码进展解析，与预先写入的故

14、障码比对后找到对应的故障信息并显示在 LCD 屏幕上。每一类型的数据都有特定的数据帧 ID，系统依据帧 ID 推断故障产生的位置。假设收到的是单帧故障，则系统来提取总字节数和总包数； 假设收到的是多帧故障，系统则连续提取故障诊断报文至特定的字节，然后依据故障代码查 找故障类型。3 完毕语在争论 CAN 总线和 SAE J1939 协议的根底上，设计CAN 总线汽车仪表。该设计充分利用LM3S2948 以及 VID6606 的功能，较大程度上降低了系统外围电路的设计以及本钱。屡次实车试验结果说明，相对于常规仪表，该 CAN 总线仪表具有以下优点：抗干扰力气强，传输速率高，能够保证数据有效、快速、稳定地传输；削减车身布线，硬件方案软件化实现，简化了设计，降低了本钱；准时、直观地查看车辆故障；CAN 总线将整车构成一个网络系统，能够提升系统的灵敏性，便利地增加设备，扩大了可开发的空间。