研究嵌入式系統(tǒng)的CAN總線汽車儀表

摘 要：時代的發(fā)展推動了汽車行業(yè)的創(chuàng)新變革，汽車如今在人們的生活中越來越普遍被使用，汽車的性能等也有了新的要求。在電子信息的快速發(fā)展下，汽車對此進行了融合，使得汽車的發(fā)展更加的現(xiàn)代化、科技化[1]。目前，嵌入式系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域中已經(jīng)開始使用，利用嵌入式系統(tǒng)能夠使CAN總線汽車儀表得到新的創(chuàng)新發(fā)展，并提高汽車行業(yè)的經(jīng)濟科技效率。CAN總線技術(shù)就是新型的信息高效傳輸技術(shù)，利用此可將汽車之間的傳感器進行信號傳遞，使得汽車更加的智能化。

關(guān)鍵詞：CAN總線技術(shù) 嵌入式系統(tǒng) 汽車儀表

Abstract：The development of the times has promoted the innovation and change of the automotive industry， and automobiles are now more and more commonly used in people's lives， and the performance of automobiles also has new requirements. Under the rapid development of electronic information， automobiles have integrated this， making the development of automobiles more modern and technological. At present， embedded systems have begun to be used in the automotive field， and the use of embedded systems can make new innovative developments in CAN bus automotive instruments and improve the economic and technological efficiency of the automotive industry. CAN bus technology is a new type of efficient information transmission technology， which can be used to transmit signals between sensors between cars， making cars more intelligent.

Key words：CAN bus technology， embedded systems， automotive instrumentation

1 引言

隨著汽車的不斷發(fā)展，汽車之間的傳感器和信號傳輸線越來越多，使得汽車的美觀性受到了影響。如今人們對于汽車的要求越來越高，為了進一步提高汽車的使用性能，利用嵌入式系統(tǒng)對其進行整改創(chuàng)新，從而使得汽車的信號傳遞更加快速。CAN總線技術(shù)在汽車儀表中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，利用此技術(shù)能夠?qū)ζ嚨牟煌娍貑卧蛡鞲衅鬟M行控制，使得信號傳遞得到更大的發(fā)揮。隨著嵌入式系統(tǒng)的CAN總線技術(shù)在汽車儀表中的廣泛使用，此技術(shù)已經(jīng)成為了汽車信號傳遞的主要總線系統(tǒng)。

2 汽車儀表嵌入系統(tǒng)的CAN總線應(yīng)用原理與作用

汽車的CAN總線技術(shù)是通過兩條線實現(xiàn)車輛電控模塊內(nèi)部的信息傳輸，使整個總線系統(tǒng)的信息均可以在兩條線上實現(xiàn)傳遞，從一定意義上大大減少了傳遞信息的使用時間，并進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。汽車儀表嵌入系統(tǒng)的CAN總線在汽車的電控模塊內(nèi)還增加了相應(yīng)接收器、信號處理器和信息轉(zhuǎn)發(fā)器，通常通過兩條數(shù)據(jù)連接線和不同的電控模塊聯(lián)系在一起，并利用此將數(shù)據(jù)信號進行傳送。在傳輸中一般使用三個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一是動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，二是車身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，三是娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其中娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求較為嚴苛，因此對數(shù)據(jù)的傳輸速度要求特別高，其傳輸速率通常為每秒1MB。其中，動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度通常為每秒500KB，而車身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度則為每秒100KB。由于不同層次的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不同，因此在使用期間要用網(wǎng)關(guān)對此進行協(xié)調(diào)運用。在CAN總線實行期間，傳感器、執(zhí)行器和控制單元要相互結(jié)合形成節(jié)點，并通過數(shù)據(jù)線將每個節(jié)點連接起來，從而組成一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)的整合能夠形成一個汽車整體的信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)對整車控制信號的快速傳輸[2]。

CAN總線技術(shù)目前已經(jīng)在汽車儀表方面得到了廣泛應(yīng)用，由于其自身優(yōu)勢出眾，整個技術(shù)已經(jīng)成為了目前汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展的新方向。CAN總線的應(yīng)用使得汽車的儀表線路得到簡化，讓整個布線方式精簡化，不僅節(jié)約了汽車的制造成本，還讓汽車的自身重量得到降低。通過網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)作用使得CAN總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率得到提升，并且當(dāng)CAN總線系統(tǒng)的某一項電控單元受到損壞時，其他電控單元由于并聯(lián)的方式并不會受到影響，依然可以順利運行。此外，當(dāng)CAN總線系統(tǒng)中的一根數(shù)據(jù)線受到損壞時，整個系統(tǒng)還可以進行單線運行，這就造成了CAN總線系統(tǒng)具有超高的穩(wěn)定性。

3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點

（1）實時性。嵌入式操作系統(tǒng)通常用在特殊的多用戶計算機用戶系統(tǒng)中，所以整個操作系統(tǒng)具有體積較小、流通功耗較低、系統(tǒng)集成度較高和成本低廉的優(yōu)點。通過嵌入式系統(tǒng)能夠把板卡上所進行的任務(wù)同時整合到芯片的內(nèi)部中，進而讓整個嵌入式系統(tǒng)更加具備專業(yè)性和小型化。通過這樣的方式提高了整個系統(tǒng)的移動能力，從而讓網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)能夠緊密結(jié)合，進一步推動了嵌入式系統(tǒng)的電子信息化。在電子信息的快速發(fā)展期間，嵌入式操作系統(tǒng)涵蓋了半導(dǎo)體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，對不同技術(shù)進行分析融合，使得嵌入式系統(tǒng)得到更綜合性的發(fā)展[3]。同時由于各項技術(shù)的加持，嵌入式系統(tǒng)能夠不斷創(chuàng)新、研發(fā)出更具有繼承性的系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)具有嚴格的實時性。

（2）周期性。嵌入式系統(tǒng)與汽車儀表程序結(jié)合在一起能夠?qū)ζ溥M行升級換代，使得汽車儀表得到更好的創(chuàng)新發(fā)展。所以，嵌入式系統(tǒng)在汽車儀表中使用具有較長的周期性。

（3）設(shè)計性。嵌入性系統(tǒng)中的硬件和軟件在設(shè)計期間要求有較高的效率，并在安全穩(wěn)定的狀況下追求性能的先進性和創(chuàng)新性，利用成本的降低投入不斷提升嵌入式系統(tǒng)在產(chǎn)品中的市場。

（4）軟件存儲。為了進一步提高整個嵌入式操作系統(tǒng)的傳輸執(zhí)行速率和穩(wěn)定性，系統(tǒng)將相關(guān)軟件固化在存儲芯片中或者內(nèi)部的處理存儲器中。由于嵌入式系統(tǒng)的特性，所以整個軟件存儲不會出現(xiàn)在外盤或者移動硬盤中，整體具有嚴格的劃分。

（5）無開發(fā)功能。嵌入式系統(tǒng)雖然整體較為先進，但還不具有自主開發(fā)功能。在整體系統(tǒng)設(shè)計完畢后，用戶無法對相關(guān)程序和系統(tǒng)進行整改，只有擁有全套的交叉開發(fā)工具和特定的環(huán)境中才能進行相關(guān)開發(fā)，所以整個嵌入式系統(tǒng)的保密性非常高。

4 嵌入式系統(tǒng)的CAN總線在汽車儀表中的硬件設(shè)計

汽車儀表可以利用處理器對它進行相關(guān)操作，處理器一般可以使用S3C6410處理器，它具有低功耗、高性價比的特點，因此在應(yīng)用期間對于圖形加速、編碼、顯示處理等有很大的功能優(yōu)勢。處理器在硬件設(shè)施方面有很多的外設(shè)，比如擁有真彩色的控制器，定時器和卡接口等。由于這些硬件設(shè)施的存在使得整個處理器有很大的擴展空間，所以在汽車儀表的后續(xù)研究創(chuàng)新中有很大的優(yōu)勢和潛力。為進一步提高嵌入式系統(tǒng)的CAN總線在汽車儀表中的硬件設(shè)計，可從系統(tǒng)的設(shè)計原則、功能需求分析等方面進行展開，對硬件設(shè)計做出相應(yīng)的對策分析。

4.1 嵌入式系統(tǒng)CAN總線在汽車儀表中的硬件設(shè)計原則

隨著目前對于汽車儀表的要求越來越高，開發(fā)者能夠從系統(tǒng)本身出發(fā)，利用嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)進行相關(guān)設(shè)計，進一步提高汽車儀表的硬件設(shè)計。目前汽車儀表對顯示信息等要求越來越清晰直觀，且整個儀表的響應(yīng)速度不斷提升，這就要求汽車儀表要結(jié)合系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計，且遵循以下幾項設(shè)計原則。首先，嵌入式系統(tǒng)CAN總線在汽車儀表硬件設(shè)計期間要盡可能地使信息交流頁面清晰整潔，從而確保駕駛員能夠在不分心的狀態(tài)下了解信息，不僅保證了駕駛員的安全性，也進一步提升了汽車儀表的使用滿意率。其次，利用嵌入式CAN總線技術(shù)對汽車儀表進行創(chuàng)新發(fā)展，使得汽車儀表既有基本的技術(shù)，也有相應(yīng)的創(chuàng)新技術(shù)[4]。利用CAN總線技術(shù)能夠確保汽車在行駛期間遇到極端天氣能夠使信息詳細化，并且具有真實性，保障系統(tǒng)在環(huán)境變化時也擁有良好的安全穩(wěn)定性。此外，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車儀表要利用嵌入式系統(tǒng)的CAN總線技術(shù)對其硬件后續(xù)發(fā)展空間做出預(yù)留，保障系統(tǒng)在功能設(shè)計時對整個程序產(chǎn)生較大的影響。最后，整個汽車儀表在硬件設(shè)計時要考慮經(jīng)濟實用性，將市場需求作為整個系統(tǒng)開發(fā)融合的前提，利用嵌入式系統(tǒng)的CAN總線技術(shù)對汽車儀表的市場進行前景分析，從而保證整個創(chuàng)新設(shè)計具有較好的開發(fā)性。且在設(shè)計期間要考慮駕駛的舒適性，進一步提高汽車儀表在車中的美化性質(zhì)。

4.2 嵌入式系統(tǒng)CAN總線在汽車儀表中的硬件設(shè)計技術(shù)方案

在汽車儀表設(shè)計期間首先要將儀表作為CAN網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，讓其接收來自CAN網(wǎng)絡(luò)中的各種傳輸信息，與此同時讓它在完成數(shù)據(jù)參數(shù)的收集工作，內(nèi)容涉及發(fā)動機的工作速度、電壓表、輪胎氣壓的模擬信息等，利用此進一步分析相關(guān)數(shù)據(jù)的信息狀況。此外，還通過單片機對汽車儀表的按鍵控制和儀表板照明控制的模塊進行了設(shè)計，使部分狀態(tài)指示燈的相關(guān)信息和傳感器的信息可以在儀表內(nèi)利用外部控制開關(guān)等設(shè)備實現(xiàn)控制，使單片機直接與此設(shè)備聯(lián)系。在設(shè)計期間利用嵌入式系統(tǒng)CAN總線對汽車儀表的硬件系統(tǒng)進行功能劃分，從而使整個汽車儀表的各項功能更加具體。在設(shè)置電源調(diào)節(jié)模塊時，汽車儀表系統(tǒng)結(jié)合CAN總線技術(shù)，對電源進行控制，使用24V電系電源，且讓電源有自身的波動空間，一般控制在12-32V之間。利用對電源電壓的調(diào)控進一步保證各個器件的穩(wěn)定性，使得汽車儀表的安全性進一步得到提升。而在設(shè)計CAN通信接口板塊時，為了進一步實現(xiàn)CAN控制器的各項功能，利用通信協(xié)議和通信速率等對不同的標識符進行接收，并通過嵌入式系統(tǒng)使得汽車在電磁干擾的狀態(tài)下能夠依然進行工作，讓通過編程測試的CAN模塊可以正常得到使用。當(dāng)設(shè)立信息顯示模塊時，利用嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)對信息顯示進行劃分，分為步進電機驅(qū)動儀表信息和液晶屏顯示信息。通過液晶屏的顯示功能可以完成對步進電機儀表指針顯示結(jié)構(gòu)的實際操作，利用此操作可以使儀表的整體結(jié)構(gòu)更加完善緊湊，并且指針模擬的指示結(jié)構(gòu)更加明確直觀。目前步進電機的儀表顯示在社會上已經(jīng)得到了廣泛推廣，在汽車、卡車等有了大量的使用。而液晶屏的儀表顯示功能更加強大，利用嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)對此進行操作研究，使得整個技術(shù)更加繁雜。如今液晶屏儀表顯示功能則更廣泛存在于高檔轎車中，利用此功能進一步提升了汽車的人性化發(fā)展，使得汽車更加的美觀舒適。

5 嵌入式系統(tǒng)的CAN總線在汽車儀表中的軟件設(shè)計

5.1 CAN總線通信設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)是汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，目的是想解決現(xiàn)代汽車中電控單元過多存在問題，利用此技術(shù)進行通信協(xié)議開發(fā)，使得車輛之間可以利用電子控制單元進行信息交換，從而在此基礎(chǔ)上形成一定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)利用標準模型制定相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議，并通過這些協(xié)議明確規(guī)定了數(shù)據(jù)發(fā)送的地址、數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級和信息擴展的格式等。利用CAN總線技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行連接裝置，使得數(shù)據(jù)信息在高速中也能被快速傳輸。一般CAN在通信設(shè)計期間能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)分為不同的、獨立的程序模塊，利用不同的程序進行管理控制，使得整個汽車儀表在此基礎(chǔ)上更好的進行發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)CAN總線在進行工作期間，首先對處理器進行初始化操作，將寄存器逐一對應(yīng)起來，并且在執(zhí)行期間讓整個程序嚴格遵循SPI指令。一般SPI指令包含復(fù)位、讀、寫、發(fā)送等不同的請求，并且初始化必須要在配置模式下才能夠順利進行。

5.2 人機交互頁面設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車儀表的人機交互頁面，通過計算機語言能為汽車儀表提供一套豐富的、高動態(tài)的用戶頁面框架和開發(fā)工具。由于計算機語言具有描述用戶頁面外觀和行為的特性，因此可用其對用戶頁面進行樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用嵌入式系統(tǒng)的CAN總線技術(shù)可將計算機語言應(yīng)用在汽車儀表系統(tǒng)中，用計算機語言定義不同的用戶頁面元素，將元素進行整合調(diào)整，進而創(chuàng)新出新的應(yīng)用程序。計算機語言對汽車儀表的數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型非常重要，利用此方式能夠使CAN總線技術(shù)發(fā)揮的更加全面，對資源的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷季哂袕娏业挠绊?。此外，還可以利用嵌入式系統(tǒng)CAN總線將計算機語言和C++模塊進行整合，讓其能夠?qū)崿F(xiàn)不同語言和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互，從而使得汽車儀表的系統(tǒng)環(huán)境被加載調(diào)用，使人機交互頁面得到更多的數(shù)據(jù)信息。在人機交互頁面設(shè)計期間整個內(nèi)容設(shè)計頁面布局、通信機制的應(yīng)用、通信狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等，將嵌入式系統(tǒng)CAN總線與人機交互頁面進行整合，可以讓通信方式更加便捷的傳輸?shù)狡噧x表中，且汽車儀表可以快速接收數(shù)據(jù)信息。在人機交互的頁面中，還可以利用程序?qū)x表盤的圖片進行縮放，讓其成為適合的屏幕，然后利用程序進行儀表盤指針旋轉(zhuǎn)，將圖片的中心作為轉(zhuǎn)軸。通過嵌入式系統(tǒng)CAN總線對此進行整合分析，可以使汽車儀表實現(xiàn)人機交互頁面的設(shè)計，進一步推動汽車儀表的智能化發(fā)展。

5.3 CAN控制器協(xié)議驅(qū)動板塊

嵌入式系統(tǒng)CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)化板塊程序主要利用寄存器進行控制，要將汽車儀表的系統(tǒng)接入以太網(wǎng)中，就要對程序進行編碼，對以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行收發(fā)。由于以太網(wǎng)控制整個驅(qū)動程序的工作狀態(tài)，所以數(shù)據(jù)的緩沖和數(shù)據(jù)地址的讀寫工作就要利用以太網(wǎng)來進行發(fā)送。在以太網(wǎng)工作期間，首先要對程序進行復(fù)位，讓其成為跳線模式。再對程序進行工作數(shù)據(jù)設(shè)定，讓其能夠順利展開工作。其次對讀寫程序進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分發(fā)和接收，讓以太網(wǎng)的控制器在工作中利用不同的函數(shù)對程序進行初始化狀態(tài)分布。當(dāng)初始狀態(tài)完成之后，再用單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理，將不同情況一一對應(yīng)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩丝谡_時，就認為數(shù)據(jù)報正確，對數(shù)據(jù)進行解包，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄彌_區(qū)里，最后把部分數(shù)據(jù)通過接口進行輸出。若是單片機從接口接收到數(shù)據(jù)時，就通過數(shù)據(jù)協(xié)議的方式進行打包，將其送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，最后由程序輸送到局域網(wǎng)中。由于在嵌入式系統(tǒng)CAN總線中使用的通信傳輸利用的是短幀形式，所以在使用傳輸協(xié)議期間，要分清不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)規(guī)格，對于不同的數(shù)據(jù)規(guī)格進行相應(yīng)的連接，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴Ｔ谶B接傳輸基礎(chǔ)上利用CAN總線技術(shù)進行創(chuàng)新發(fā)展，進一步推出無連接接觸，從而使得汽車儀表中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率加快，進而推動了汽車儀表的相關(guān)發(fā)展。

6 結(jié)語

如今嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)已經(jīng)在汽車行業(yè)有了相應(yīng)的使用，在汽車儀表方面也有了普遍的推廣，利用此技術(shù)能夠加快汽車儀表的信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，使得汽車行業(yè)進一步得到發(fā)展。隨著社會發(fā)展的越來越智能化，汽車也在向著更加智能化、電子化的時代發(fā)展，并且CAN總線技術(shù)擁有更加廣闊的發(fā)展空間，利用此技術(shù)與汽車行業(yè)相結(jié)合，能夠為汽車打造更加高端的科技系統(tǒng)[5]。此外，將嵌入式系統(tǒng)CAN總線技術(shù)應(yīng)用于汽車儀表中在一定程度上可以降低汽車電控單元的使用成本，讓汽車儀表在其他性能方面得到更好的提升延伸。同時，CAN總線技術(shù)擁有抗干擾、傳輸效率高等特點，所以在使用期間可以保證整個信息的安全穩(wěn)定，簡化整個汽車儀表的設(shè)計。

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作者簡介

杜川川：（1985.05—），男，漢族，河南人，本科，電子信息工程中級職稱，研發(fā)工程師。研究方向：汽車智能座艙域。