CAN总线技术在北奔仪表中的应用

CAN总线技术在北奔仪表中的应用

一、 摘要 关键词 二、 绪论

2.1课题研究的目的及意义 2.2国内外汽车仪表的发展现状 三、 仪表主要功能

四、 CAN总线及SAE J1939协议分析 4.1 汽车CAN总线技术

4.1.1 CAN 总线的概念及特点 4.1.2 CAN 的分层结构 4.2 SAE J1939通信协议介绍

4.2.1 J1939与CAN 4.2.2数据传转协议 4.2.3 J1939的参数格式

4.2.4 SAE J1939报文帧格式 4.2.5 SAE J1939应用层协议 五、总线技术在仪表中的应用 5.1系统整体方案概述

5.1.1汽车仪表的设计目标 5.2汽车仪表的显示原理

5.2.1步进电机表头控制策略 5.2.2 LCD液晶显示控制 5.2.3报警指示符号灯 六、结束语 七、参考文献

一、 摘要 关键词

汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面。传统的汽车仪表连接方式需要大量线束，这样的设计方案会增加布线的难度，线束之间也会存在相互的电磁干扰，从而导致系统可靠性能不高。随着总线技术的迅速发展和汽车上电子设备的增加，传统的汽车仪表受到巨大的挑战，取而代之的是基于CAN总线的数字汽车仪表。CAN总线能够很好地支持汽车设备之间的数据交互，其通信速率高、可靠性好、连接方便、通信协议简单和性价比高的众多优点使得CAN总线已成为汽车电子控制装置之间通信的标准总线，在汽车分布式控制系统中得到广泛应用。

本文深入分析了当前国内外汽车网络技术的应用和发展状况，研究了CAN网络协议的技术规范，简要介绍了CAN总线的一些基本概念和基本组织规则，详细阐述了CAN总线的报文、帧格式。并基于CAN总线协议的原理，结合汽车仪表的有关特点，对CAN总线汽车仪表的相关技术进行了详细分析。

关键词：汽车仪表、CAN总线、SAE J1939、应用

二、 绪论

2.1课题研究的目的及意义

驾驶员在驾驶过程中，需要及时掌握汽车的多种状态数据，比如当前行驶速度、累计行驶里程、发动机转速、当前燃油量、冷却液的温度、当前储气罐压力值、制动系统和电控系统状况等等，对于更先进的汽车甚至还包括车辆的当前位置、当前行驶路线等导航信息。所有这一切信息都需要通过汽车仪表系统展现给驾驶员，可以说汽车仪表是现代汽车中一项不可或缺的关键零部件。

一方面，随着科技的不断进步，现代汽车的功能越来越多，如发动机电控功能、车载多媒体功能和自动导航功能。这些新功能中所应用的电子控制系统和通讯系统也越来越多。可以想象，如果这些系统之间、系统和汽车显示仪表之间、系统和汽车故障诊断系统之间需要进行数据交换，数据交换量会是多么巨大。如果仍然采用传统数据交换的方法，用导线进行点对点连接的传输方式将是复杂的工程，据统计，如果一个中级轿车需要线束插头 300个以上，插针总数 1800～2200个，线束总长超过 1.5～2.0km，电线的重量可达“40～60”公斤，装配复杂而且故障率很高，增加了维修的难度；使车身自重增加，不利于节能减排；过长的导线容易造成严重的电磁干扰，导致系统的可靠性下降。

另一方面，随着汽车仪表显示的信息种类和内容的增加，传统的电气式仪表越来越不适应这些变化。而且传统的电气式仪表由于存在原理误差和工艺误差，在显示精度上也难以满足越来越高的精度要求。庆幸的是，信息技术的飞速发展使得这一难题得以解决，基于现代先进的信息技术，汽车仪表已从传统的模拟信号转变为数字信号，已从单个仪表电子化迈向集成化和系统化。

2.2国内外汽车仪表的发展现状

我国汽车仪表工业与国外相比，技术上还有很大的差距。国内中高档汽车的仪表市场基本上被国外公司和国内大的合资公司占据，而本土的仪表厂商大都因资金、技术、市场短缺等原因发展缓慢，大都集中在中低端车市场。

目前数字式仪表在中国市场上应用份额比较大，我国合资或外商独资的企业，如德科、马瑞利、西门子、伟世通、博世等，都以生产数字式仪表为主。这几年随着国内自主车市场的兴起，发展自己的汽车配套零部件是必然趋势，拥有数10亿美元份额的汽车仪表市场，开始逐渐引起了国内整车企业以及仪器仪表厂商的注意，包括步进电机式、全液晶式。由于测试设备短缺、测试成本高、测试软件工程师缺乏等因素，以及国际大公司的产品垄断，使得国内在这方面的发展缓慢。

未来汽车仪表的发展，将会随着汽车电子控制技术的不断进步向全数字化的“综合信息系统”方向发展。

三、 仪表主要功能

小计里程累计里程油压信息故障代码

图3-1 北奔组合仪表功能框图

北奔AT3组合仪表是为北奔重卡开发的一款欧3仪表，主要包括：

1、车速表、转速表、油量表、水温表、前后桥两气压表，点阵双底色液晶屏（显示里程数、电压、油压、油温、瞬时油耗、油门开度、档位、故障信息），报警灯组成。

2、指针采用步进电机驱动，液晶屏采用点阵显示，仪表照明和报警图案背光采用发光二极管，仪表照明亮度可调。

转速表、水温表、发动机电控单元诊断故障代码(DTC，Diagnostic trouble code)、机油压力低等部分报警图案的输入信号从CAN 总线采集，仪表ECU 同时向CAN 总线发送车速(里程)、变速箱输出轴转速信息，与发动机电控单元EECU 进行数据交换，共享系统资源。

3、CAN 总线物理、数据链路层基于ISO11898 协议的CAN2.0B 标准，应用层协议采用SAE J1939，29 位ID 扩展帧报文格式，传输速率250kbps，提供终端电阻。CAN信道具有较强的抗干扰性能。

4、仪表采集到发动机超速、冷却水温过高、冷却水位过低（CAN 信号）、气压过低（模拟量）、变速箱发生故障（开关量）等信号时，同时启动蜂鸣器响、发光二极管亮、液晶显示故障代码等声光字形式的报警提示功能。

5、仪表具有电压监测和数据保存保护功能，点火电源掉电后指针可以回零。 6、仪表满足ISO7637、GB/T17619、GB/T18655 等电磁干扰、辐射标准的要求。

四、 CAN总线及SAE J1939协议分析 4.1 汽车CAN总线技术

4.1.1 CAN 总线的概念及特点 CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 最初出现在 80 年代末的汽车工业中，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络，比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。CAN 总线最先由德国 Bosch公司提出，当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件均可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成为国际标准 IS011898(高速应用)和 IS011519(低速应用)。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。由于 CAN 总线具有很高的实时性能，因此， CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业控制等领域中得到了广泛应用。

CAN 总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：

(1)通信方式灵活。CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机备份系统。

(2)CAN 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 (3)CAN 采用 4 种非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。

(4)CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

(5)CAN 的直接通信距离最远可达 10km(传输速率 5Kb/s 以下)；通信速率最高可达 1Mb/s(此时通信距离最长为 40 米)。

(6)CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个；报文标识符可达 2032 种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。

(7)CAN 总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。每帧字节数最多为 8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8B 也不会占用过长的总线时间，从而保证了通信的实时性。

(8)CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了数据通信的可靠性。 (9)CAN 总线通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。

(10)CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 (11)CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不过，其模型结构只有 3 层，即只取 OSI 底层的物理层、数据链路层和应用层。由于 CAN 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据，结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传送。

4.1.2 CAN 的分层结构

为使设计透明和执行灵活，CAN 遵循工业 OSI 标准模型，按照 OSI 标准模型，CAN 结构分为两层:数据链路层(包括逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问子层 MAC)和物理层。而在 CAN 技术规范 2.OA 的版本中，数据链路层的 LLC和 MAC 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”，CAN 的分层结构如图 4-1。逻辑链路子层(LLC)：提供数据传输和远程数据请求服务，确认报文已接收，提供超载信息及恢复管理；介质访问控制子层(MAC)：承担定时特性，每当新的通信开始前，MAC 子层要确定总线是否开放或是否马上开始接收。MAC 层规定了传输规则(控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标志及故障界定)；物理层则规定了结点的全部电气特性。

图 4-1 CAN 网络的分层模型

4.2 SAE J1939通信协议介绍

4.2.1 J1939与CAN

J1939是一种支持闭环控制的在多个ECU之间高速通信的网络协议冈。主要运用于载货车和客车上。它是以CAN2.0为网络核心。图4-2介绍了CAN2.0的标准和扩展格式，及J1939协议所定义的格式。

图4-3则给出了J1939年的一个协议报文单元的具体格式。可以看出，J1939标识符包括:PRIORTY(优先权位)；R(保留位)；DP(数据页位)；PDU FORMAAT(协议数据单元)；PDU SPECIFIC(扩展单元)和SOURCE ADDRESS(源地址)。而报文单元还包括64位的数据场。

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