1 引言

汽車儀表作為車輛與駕駛員交流的窗口，承擔向駕駛員實時提供車輛工況任務。汽車儀表是汽車電子在車輛中應用研究的重點之一。隨著歐Ⅲ排放標準在國內推廣，符合歐Ⅲ排放標準具備控制器局域網絡（Controller Area Network，簡稱CAN）總線接口的發動機和與之通訊的總線式數字儀表也逐漸擴大市場。隨著車載總線技術發展，帶有CAN總線接口的汽車數字儀表得到廣泛應用。應用層SAE J1939協議是目前國內汽車行業應用最廣泛的CAN總線應用層協議。

這里提出的基于CAN總線的汽車數字儀表是利用CAN總線使其成為車身網絡一部分，遵循SAE J1939協議讀取發動機轉速、水溫等信息。考慮到車輛實際狀況，該汽車數字儀表還能接收傳感器的車速、油量、油壓、制動氣壓等信號并顯示，為駕駛員提供實時車輛工況。

2 SAE J1939協議簡介

SAE J1939協議是美國汽車工程師協會SAE（Societyof Automotive Engineer）發布的以CAN2．0B作為網絡核心協議的車輛網絡串行通信和控制協議。SAE J1939協議使用CAN的數據幀封裝其數據信息，對CAN擴展幀的29位標識符編碼，形成獨特的編碼系統作為車輛通訊標準。該協議明確規定了汽車內部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發送優先級等，詳細說明了汽車內部具體的ECU通訊內容。實現車輛電子設備間高速數據傳輸，減少線路數量，最大限度利用CAN總線優越性能。

2．1 SAE J1939報文格式

SAE J1939數據幀是以PDU（協議數據單元）為單位，共由優先權（P）、保留位（R）、數據頁（DP）、PDU格式（PF）、PDU細節（PS）、源地址（SA）及數據域（Date Field）等7個域組成。除了數據域外的PDU對應于CAN擴展幀的29位標識符，其對應關系如表1所列。其中PS是一個8位段，其定義取決于PF值。若PF值小于240，PS是目標地址（DA）。若PF值介于240和255之間，則PS為組擴展（GE）。

2．2 SAE J1939應用層

應用層詳細定義了SAE J1939協議中使用的每個參數，包括數據長度、數據類型、結果、范圍以及參數組編號（PGN）等。這些參數分為控制參數、動力傳動系統狀態參數、動力傳動系統控制參數、動力傳動系統配置參數、信息參數以及信息狀態參數。SAE J1939使用參數組編號（PGN）作為一參數組的唯一標簽。該標簽包括：保留位（R），數據頁（DP）、PDU格式域（PF 8位）和組擴展域（GE 8位）。另外，PF值小于240時，PGN低字節位置0。參數組中的每個參數都能用ASCII碼表示，其狀態量最少可用兩個位表示。文字數字數據采用最高位在前的傳輸方式，其他包括兩個或多個數據字節的參數則采用最低位在前的傳輸方式。除此之外，應用層中還詳細定義了參數組屬性。該參數組屬性包括：優先權、更新率、參數組的協議數據單元格式、參數組編號，參數組的數據參數號及其在參數組中的位置。

3 基于CAN總線的汽車數字儀表系統設計

3．1 硬件電路設計

該汽車數字儀表系統由信號采集和處理顯示等模塊組成，如圖l所示。通過模擬量信號分壓，濾波整形脈沖信號，CAN總線信號通過收發器發送至中央處理器，然后再將處理后的信號通過步進電機控制器控制步進電機，驅動LCD液晶屏顯示。其中信號采集模塊包含CAN總線數據采集和傳感器數據采集。在實際的車載環境中，該系統設計遵循SAE J1939協議在CAN總線上獲取發動機轉速、水溫和故障代碼，而其他信息包括車速、油量、機油壓力、制動氣壓則從相應傳感器以模擬量和脈沖量形式讀取。通過測量車速傳感器脈沖信號獲取車速信號，油量傳感器的信號經分壓后直接發送給中央處理器內A/D轉換器處理。

圖2給出信號采集模塊電路。圖中，采用帶隔離的通用CAN收發器CTM825lT接收CAN總線信號。CTM8251T內部集成所有必需的CAN隔離及CAN收發器，可實現CAN節點的收發與隔離功能，從而替代了傳統設計中采用光電耦合器、DC-DC隔離、CAN收發器等元件實現的具有隔離功能的CAN收發電路。該模塊電路可將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并具有直流2 500 V的隔離功能。該模塊電路設計體積小，集成度高，可取代PCA82C25l等傳統的CAN總線收發器及其外圍電路，從而降低了系統設計成本。傳感器模擬量信號經分壓傳輸至中央處理器，圖中的VD40和C40兩元件可對微控制器LM3S2948的引腳提供過壓保護。

LM3S2948型微控制器完成信號處理。它是一款基于ARM CortexM3內核的微控制器，采用32位RISC，內嵌CAN控制器、A／D轉換器、模擬比較器、I2C接口等功能模塊，極大降低了外圍電路設計成本。LM3S2948微控制器具有運算速度快、功耗小、體積小、價位低等特點。LM3S2948的CAN控制器模塊支持CAN 2．0B協議，支持符合SAE J1939協議的擴展幀的報文傳輸，其傳輸速率可編程設置為1 Mb／s，這些特性完全滿足CAN總線汽車數字儀表的應用要求。采用移位寄存器74HC595實現信號的串入并出，采用步進電機驅動器VID6606驅動表針。每片VID6606可同時驅動四路步進電機。在其頻率控制端輸入脈沖序列F（SCX），即可控制輸出端使步進電機的輸出軸以微步轉動，每個脈沖對應電機輸出軸轉動1/12°，最大角速度可達600°／s，滿足汽車儀表指示的高精度、快速響應的要求。表針采用步進電機VID一29驅動。圖3為VID6606驅動儀表電路。LCD驅動器采用PCF8566，其內部集成LCD驅動器所必需的功能電路。能直接驅動任意靜態或包含4背極高達24段的LCD。中央處理器發送的信號先經PCF8566T功率放大后，然后送至液晶屏F2000LCD顯示。

3．2 軟件設計

該汽車數字儀表系統軟件采用IAR編程調試軟件編寫。該軟件通過LM一LINK調試仿真器與LM3S2948的JTAG端口連接，實現在線仿真調試。

數據接收處理軟件首先初始化系統時鐘、CAN節點、LCD液晶屏、步進電機等，并使能CAN中斷，設置CAN屏蔽碼和驗收碼。初始化CAN節點的具體步驟：①封裝CAN節點相關信息，創建一個軟件CAN節點結構體指針pCAN_Node_lnfo；②初始化CAN控制器；③中斷CAN控制器；④設置CAN節點接收過濾。初始化后，讀取CAN總線和其他傳感器信號。控制步進電機和液晶屏顯示處理數據。等待CAN總線接收中斷產生，判斷總線數據是否滿足屏蔽條件，即逐位比較接收的29位標識符報文與驗收碼、屏蔽碼值，屏蔽碼用于定位相關位（0=相關，1=不相關）。只有標識符中的相關位與驗收碼相應位相同，系統才接收報文。如滿足屏蔽條件則從寄存器讀取數據并存入緩存區，再根據SAE J1939協議判斷計算發動機轉速、水溫和故障代碼信息，傳輸至步進電機和液晶屏顯示。例如：接收的數據為：OCF00400 XX XX XX 4F 55 XX XX XX（XX為任意數據），若設置驗收碼為Ox00000000，屏蔽碼為0xlFFFFFFF，則接收該報文。根據SAEJl939—71協議，此報文為：PGN61444一電子發動機控制器。因此，可得第4，5字節為發動機轉速，并遵循低位在前，高位在后的傳輸方式，則發動機轉速=原始數×分辨率+偏移量=21 831x0．125+0=2 728．875 r/m。同理可計算其他汽車儀表所需數值。圖4為CAN總線數據接收程序流程圖。

4 結語

在研究了汽車CAN總線通訊協議及SAE J1939協議的基礎上，實現基于CAN總線的汽車數字儀表系統設計。該系統設計利用LM3S2948、CTM8251、VID6606等器件的功能，最大程度地降低外圍電路成本。該汽車數字儀表系統工作穩定、性能良好，目前正進行裝車試驗。隨著歐Ⅲ排放標準在國內的推廣，基于CAN總線的數字儀表必將進入快速發展的新階段。

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