赵 峰，郝 魁，于淑霞，崔广磊，郭丽娜
（包头职业技术学院车辆工程系，内蒙古 包头 014030 ）
混动汽车是由两个或者多个能够同时运转的驱动系统所组成，相比于其他车辆，其组合仪表系统所涉及的显示内容及通讯线路相对较多且复杂，而CAN 总线技术具有布线简单、数据传输速率较高、传输过程抗干扰能力较强等特点，若将其应用于混动汽车组合仪表系统中可以有效地降低布线的复杂程度，为各类元件的数据传输提供简单、高效、可靠的通信途径。
何全陆［1］等将CAN 总线技术应用于汽车组合仪表系统，在微处理器的电路上实现模块化的软件设计，提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力，减少了车身的布线。
陈建辉［2⁃3］结合工程车辆的需要，设计了一种适用于工程车的仪表系统，研究表明：采用CAN 总线技术的工程车的仪表系统具有较高的可靠性，并且符合工程车辆仪表的发展需要。
王文博、高文倩［4⁃5］等将 CAN 总线技术应用于水稻收割机和内燃叉车的仪表系统中，并对整个仪表系统进行了重新设计，研究表明：应用CAN总线技术的仪表系统极大地提高了数据信息传输的效率。
荣庆丰、车晓镭［6⁃7］等设计开发了一种CAN 总线数字仪表测试系统，主要针对仪表硬件系统选型和驱动的控制进行了研究。
李有通、曹晓琳［8⁃10］等对采用 CAN 总线技术的智能仪表系统的总体结构设计进行分析，最后对智能仪表的硬件系统进行全方位阐述。
综上，现有的研究主要集中于将CAN 总线技术应用于常规车辆中，而对于混动汽车组合仪表系统的应用相对较少，并且在设计研发过程中大多偏重于对硬件系统的设计，而对软件系统的设计和开发以及验证CAN 总线技术是否可行相对缺乏。
本文基于CAN 总线技术设计了一款适用于混动汽车的组合仪表系统，首先根据仪表系统所要显示的信息内容，对功能模块和外形进行设计；
其次根据各个功能模块的需求，对关键硬件元件进行选型和电路设计，并完成PCB 板的制作；
再次基于所设计的硬件电路，选用IAR6.3 作为软件集成开发环境，对软件系统的主、子程序模块进行开发设计；
最后借助USB⁃CAN 转换器，设定通讯协议，在线验证了将CAN 总线技术应用于混动汽车组合仪表系统的可行性。
（一）组合仪表的功能及所显示的信息内容
组合仪表作为混动汽车状态的显示单元，可将车辆信息经过微控制器显示到仪表上，同时也可以将信息通过CAN 总线传输到控制器上，使车辆能够快速地做出诊断。
组合仪表所涉及的信息内容，如表1 所示。
表1 组合仪表所涉及的信息内容
混动汽车所采集的数据信号类型有以下三种：
1.模拟信号量—由A／D 转换模块处理，如车辆动力电池剩余电量信号、水温信号、车辆温度信号、车辆燃油剩余量信号等。
2.脉冲信号量—由PWM 脉冲模块处理，如车辆发动机转速信号、车辆车速信号。
3.开关信号量—由I／O 模块处理，如车辆左右转向灯、雾灯开关、远近光灯开关、ABS、车门报警开关等。
（二）组合仪表的功能模块
根据组合仪表所显示的信息内容，可得出混动汽车组合仪表所需的功能模块，具体功能模块，如表2 所示。
表2 组合仪表的功能模块
（三）组合仪表的外观设计
1.四类表型的设计
车辆水温表的指示特性、车辆车速表的指示特性、车辆动力电池SOC 表的指示特性以及车辆发动机转速表的指示特性，如表3 所示。
表3 四类表的指示特性
2.组合仪表整体外观设计
以常用仪表外观为参照，设计整体外观图形。
（一） 硬件系统关键部件的选型
混动汽车组合仪表的硬件系统是由微控制器、舵机、CAN 总线收发器以及液晶显示屏等电子元件构成，其中微控制器和CAN 总线收发器是混动汽车硬件系统最为核心的部件，二者性能的好坏直接影响整个硬件系统的功用，因此微控制器和CAN 总线收发器的选型尤为重要。
1.微控制器的选型
微控制器的选型是组合仪表设计研发的第一步，它对外围设备的选用、电路设计以及整体方案的可行性具有深远的影响。
因此，选取的微控制器应满足内部资源丰富、市场定位和成本合理、能够适应恶劣环境等基本要求。
微控制器选用STM32F103R6T6 芯片，芯片采用性能较好的Cortex⁃M3 作为内核，工作频率可达72MHz。
R6T6 的内部资源相对丰富，其丰富的内部资源不仅有利于对控制电路进行设计，而且保障了仪表系统的稳定性，为后续硬件和软件的更新升级提供了空间。
R6T6 具体的内部资源，如表4 所示。
表4 R6T6 具体的内部资源
2.CAN 总线收发器的选型
基于CAN 总线其实质是基于CAN 总线技术中的一个CAN 节点，CAN 节点是挂接在CAN 总线上的单元，并通过CAN 总线来实现节点间的通信，进而形成复杂的控制过程。
其数据信号收发流程，如图1 所示。
图1 CAN 节点数据信号收发流程图
选用 bxCAN 作为 CAN 控制器，它集成于R6T6 内部，遵循CAN 协议，其波特率高达1Mbps，并具有3 个发送邮箱和2 个接收FIFO 存储器。
用户可以通过编程R6T6 来控制bxCAN 的工作状态，使CAN 节点可以完成对数据信号的收发和诊断。
CAN 收发装置选用TJA1050 总线收发器，它可以提供CAN 所需的大电流，提供电流保护，其传输速率高达1Mbps。
TJA1050 是由先进的绝缘硅材料制成，可以有效地降低电磁辐射，提高电磁的抗干扰性。
TJA1050 引脚结构，如图2 所示。
图2 TJA1050 引脚结构
由图2 可知：TJA1050 总线收发器由8 个引脚构成。
TXD—发送输入信号引脚；
GND—接地引脚；
VCC—电源引脚；
RXD—接收输入信号引脚；
VREF—参考电压输出引脚；
CANL—CAN 总线低电平引脚；
CANH—CAN 总线高电平引脚；
S—静音、高速模式引脚，引脚S 接高电平为静音模式，引脚S 接地为高速模式。
（二）硬件系统外围电路设计
混动汽车组合仪表硬件系统所涉及的电路设计相对较多，其中电源电压调节电路设计、信号采集电路设计和CAN 总线通讯接口电路设计是保证整个硬件电路系统正常运行的关键。
1.电源电压调节电路设计
蓄电池作为混动汽车主要的供电设备，其电压为12V，而蜂鸣器、舵机、发光二极管等只需使用5V 的电压，R6T6 所用电压和 A／D 转换电压为3.3V，若将这些电器元件与蓄电池并联，瞬间变化的电压会对电子设备造成巨大的伤害。
为了保证输入电压的稳定性，选用LM2575 的电源稳压转换器将12V 的电源转换成系统所需的5V 电源供电。
5V 电压调节电路设计，如图3 所示，其中D15 起到反接保护作用，C16 和C18 可以有效地抑制输入输出电压的纹波脉动，当电流过大时，F1（恢复熔断丝）可自动断开，过段时间可以自动恢复继续通电。
图3 5V 电压调节电路设计
通过LM2575 的转换器，将12V 电压转换成5V 电压，再选用SP1117 的电源稳压转换器，将5V电压转换成系统所需的3.3V 工作电压。
3.3V 电压调节电路设计，如图4 所示，其中C20 和C22 进行二次稳压。
图4 3.3V 电压调节电路设计
2.信号采集电路设计
由于组合仪表输入信号的类型有所不同，需通过信号采集模块的处理，将其转换成微控制器所需的信号来进行信号控制。
车速或转速信号是通过霍尔式、光电式、磁电式传感器来进行采集的，工作原理是通过信号采集模块将一系列的电脉冲信号进行处理，使信号更加有序平稳，再经过微控制器运算变成数字式的车速或转速。
处理脉冲信号的电路，如图5 所示。
图5 脉冲信号处理电路
图中C24、R47 是滤波电路，主要是用来消除干扰信号、突发信号和高频信号，上拉电阻R21 起到限流的作用，脉冲信号由输入端口进入，处理后经输出端口输出至微控制器的PC6 引脚和PC7 引脚。
水温、燃油剩余量、电池剩余量由相关采集模块处理，其信号处理电路图，如图6 所示。
图6 模拟信号处理电路
图中 R50 和 C26、R51 和 C25 为滤波电路，用来消除干扰信号、突发信号和高频信号。
模拟信号由输入端口进入，处理后经输出端口输出至微控制器的PA0 引脚和PA1 引脚。
3.CAN 总线通讯接口电路设计
根据CAN 控制器和CAN 收发器的各自功用，以及二者之间的关系，CAN 总线通讯电路图，如图7 所示。
图7 CAN 通讯接口电路
由图7 可知，TXD 引脚和RXD 引脚与微控制器的 PA12 引脚和 PA11 引脚相连；
CAN＿H 和 CAN＿L 采用接线端子与物理层接口进行CAN 总线相连，R38 可有效地消除 CAN＿H 和 CAN＿L 的信号反射。
（三）PCB 板设计
基于硬件的选型和相应电路设计，设计出PCB 板的尺寸、层数、形状等参数，之后对PCB 板加载网络表格，进行硬件的布局和手工布线，完成布局、布线之后，对其进行 DRC 检验。
敷铜前的PCB 板，如图8 所示，混动汽车组合仪表外围硬件，如图9 所示。
图8 混动汽车组合仪表敷铜前的PCB 板
图9 混动汽车组合仪表外围硬件图
为了使混动汽车组合仪表的功用能够正常运行，在硬件设计的基础上，还要有合理的软件设计。
软件系统不仅可以通过操作硬件系统上的资源进行实时控制，而且合理的软件设计可以有效地弥补硬件上的不足。
（一）软件系统的整体设计
根据 Cortex⁃M3 内核的性能特点，在 IAR6.3集成开发环境中对软件系统采用功能丰富的C 语言进行编程。
在编写程序的过程中，并不是对程序指令逐条编写，而是要对程序进行模块化的设计。
首先要利用相关框架将主要流程进行定义，其次要明确各模块间输入、输出的关系，最后要以功能模块为单位进行系统化的程序设计，并对其进行求解。
软件系统的模块图，如图10 所示。
图10 组合仪表软件系统的模块图
（二）系统主程序模块的设计
1.系统的初始化设置
初始化设置可以保证内部的各个模块正常运行，方便实现仪表的各类功能。
系统初始化包括中断和定时器初始化、PWM 舵机控制模块初始化、按键模块初始化、A／D 模块初始化、串口模块初始化、bxCAN 控制器模块初始化等。
2.主程序模块设计
系统主要是由main.c 主程序和其他.c 子文件组成，main.c 主程序要对各个子文件进行初始化设置，然后对功能程序进行控制和分配，并且调动Library文件中的底层库配置寄存器。
主程序的流程，如图11 所示。
图11 主程序的流程图
3.系统的中断处理
中断处理包括实时时钟中断、外部线中断以及定时中断等，当有中断请求时，处理器会暂停当前任务，去处理中断程序，处理完毕后又会跳至之前正在处理的程序继续工作。
（三）系统主要子模块的设计
1.数据采集模块程序设计
车速和转速的脉冲信号通过信号电路处理后，由微控制器的计数寄存器输出。
根据混动汽车的实际要求，设定信号采集的频率为5Hz，并且每隔200ms 采集一次。
水温、燃油量和剩余电量等模拟信号通过A／D 转换之后，由微控制器输出。
由于这些参数变化速率较慢，所以选定为1Hz 的采样频率，每隔1s 采集一次。
数据采集流程，如图12 所示。
图12 数据采集流程图
（1）脉冲信号数据处理
频率法和周期法是脉冲信号采集常用的两种方法，频率法是根据单位时间内所测得的脉冲信号个数来得出相应的车速，而周期法是通过有多少个标准脉冲信号来得出相应的车速。
根据实际需要选用频率法来测量车速，并设定中断频率为5Hz。
脉冲信号的处理流程，如图 13 所示。
具体车速计算公式由公式（1）来描述：
图13 脉冲信号频率法处理流程图
其中：N 为 0.2s 内脉冲数；
T 为定时时间为0.2s；
I0为减速器的减速比；
D 为车轮外径，m。
（2）模拟信号数据处理
混动汽车在行驶过程中，水温、燃油量、剩余电量等信号是不断变化的，为了处理这种不断波动的非线性的模拟信号，对所得数据取平均值。模拟信号的处理流程，如图14 所示。
图14 模拟信号处理流程图
2.CAN 总线通讯模块程序设计
CAN 总线通讯模块包括：bxCAN 接口初始化模块、bxCAN 发送子程序模块以及bxCAN 接收子程序模块。
bxCAN 总线接收数据流程，如图15 所示。
图15 bxCAN 总线接收数据流程图
（1）bxCAN 接口初始化模块设计
设定寄存器的INRQ 位为1，待硬件对其确认后，bxCAN 则进入初始化模式。
当 bxCAN 处于初始化模式时，子程序的接收和发送会被禁止。
初始化处理流程，如图16 所示。
图16 bxCAN 初始化处理流程图
（2）bxCAN 发送子程序模块设计
子程序的发送流程为：①在空置邮箱中设置数据长度、标识符、待发送数据等，将寄存器的TXRQ 位置设定为1，目的是用来设定发送请求；
②当邮箱变为最高优先级邮箱时，其状态变成预定发送状态；
③当CAN 总线空闲时，子程序被发送；
④当邮箱中的子程序成功发送，邮箱为空置状态。bxCAN 发送子程序处理流程，如图17 所示。
图17 bxCAN 发送子程序流程图
（3）bxCAN 接收子程序模块设计
对于接收子程序的流程而言，首先对局部接收寄存器LAM 进行设置，并将邮箱设置成为接收标识符状态；
然后根据RMPn 或MIFn 是否为1，判断接收成功与否，成功则进入下一阶段，否则返回判断前；
最后将接收悬挂位与接受中断位RMP 复位，完成接收子程序流程。
接收到的子程序，被存储在FIFO 中，保证数据的一致性。
为了验证设计的合理性，通过CAN 总线调试软件，对混动汽车组合仪表CAN 总线通讯系统进行验证。
（一）CAN 系统调试工具的选用及协议的设定
根据混动汽车CAN 总线技术整体的复杂性，选用USB⁃CAN 转换器作为CAN 通讯系统的调试工具。
具体参数指标，如表5 所示。
表5 USB⁃CAN 转换器的性能与技术指标
在选定调试工具的基础上，对CAN 通讯协议进行定义，具体定义协议，如表6 所示。
表6 CAN 通讯协议
表中SP 表示状态参量，包括车门状态、车内温度、车速，使用一帧数据来表示三个状态参量。将其中的三个参量收发 ID 设定为01 00。
其中Data1 代表车门关闭或打开状态参量，00 代表关闭状态，01 表示打开状态。
Data3 代表车内温度，Data6代表车速。
通过模拟总线上传输的数据进行LCD 状态参量的部分显示。
（二）系统CAN 通讯验证
为了便于验证设计方案的准确性，设计了一种符合混动汽车组合仪表调试与验证的方案。
首先将USB⁃CAN 适配器与现有上位机进行有效的节点组合，其次通过上位机控制适配器完成与总线的数据交换，最后对组合仪表接收信号进行调节验证。
组合仪表调试与验证系统网络，如图18所示。
图18 组合仪表调试与验证系统网络结构图
适配器从上位机接到消息帧，通过USB 传输，将此消息发送到CAN 总线上，同时组合仪表的显示屏可以接收总线数据并以十进制方式在屏幕内显示出数据内容，完成CAN 总线通讯调试与验证。
通过使用CAN 通讯调试工具和调试软件可在显示屏上显示出所要实现的车门状态、车内温度、车速等信息，便于驾驶员及时了解车况，并且验证了将CAN 总线技术应用于混动汽车组合仪表系统的可行性。
根据混动汽车组合仪表所显示的功能，基于CAN 总线设计了一种适用于混动汽车的组合仪表系统。
混动汽车组合仪表系统在采用了CAN 总线技术后，可以有效地提高仪表信息传递的实时性、可靠性、抗干扰能力；
同时线束的减少、降低了车身的自重、实现了信息共享的目的；
除此之外，软件程序设计也达到了多功能化和模块化的要求，提高了软件的灵活性，为混动汽车组合仪表的功能开发和更新换代提供了广阔的前景。