【正文】 基于 CAN 總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 212 CW/CCW 端口信號(hào)延遲 復(fù)位管腳激活后到 F(SCX)管腳激活最小延遲為 100ns，如圖 213 所示。 同時(shí)信號(hào)還可以控制驅(qū)動(dòng)模塊的方向端口。 光耦合器的特點(diǎn) 光耦合器的優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使傳輸通道上的信噪比大大提高，原因如下： a. 光耦合器的輸入阻抗很小，一般為 100Ω~1KΩ之間，而干擾源的內(nèi)阻很大，通常為 105~108Ω，因此能分壓到光耦合器輸入端的噪聲很小 ； b. 干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只能形成微弱電流，而光耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作，即使有很高電平幅值的干擾，由于不能提供足夠的電流而被抑制掉 ； c. 光耦合器是在密封條件下實(shí)現(xiàn)輸入回路與輸出回路的光耦合，不會(huì)受到外界光的干擾 ； d. 輸入回路 與輸出回路之間分布電容很小，一般僅為 ~2pF，而且絕緣電阻很大，通常為 1011~1012Ω，因此回路一邊的干擾很難通過光耦合器饋送到另一邊去 ； 光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用 20針接口，管腳的定義如表格 24 所示。 它主要應(yīng)用在客車的高速應(yīng)用上 。 LLC 子層的主要功能是報(bào)文濾波 、超載通知和恢復(fù)管理。傳輸速率可以編程為 1 Mbps。 C710uF/16VC1010uF/16VC11C6C8C9VDD5 VDD33GNDVin1Vout3Vout4GND2U2 LM111733 圖 25 芯片供電模塊 LM1117 提供電流限制和熱保護(hù) 。 C． 當(dāng)腳 5 的電壓值高于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 ()時(shí)， RS 觸發(fā)器的 S 腳控制門被封鎖， Q 端為 “ 0” 狀態(tài) (低電平 )， T2 截止， T1 亦截止。這樣可以提高系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)便于計(jì)算。 除此之外，該 LM3S8962微控制器的優(yōu)勢還在于能夠方便的運(yùn)用多種 ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng) (SoC)的底層 IP應(yīng)用方案，以及廣大的用戶群體。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收車輛的數(shù)據(jù)，采集到的開關(guān)量通過調(diào)理模塊的調(diào)理，輸入到主芯片進(jìn)行處理。 第三、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：隨著下一代 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的研發(fā)成功和投入使用，必然要有更多更強(qiáng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和產(chǎn)品面世，這意味著巨大的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和產(chǎn)品市場需求 [13]。參照國外汽車行業(yè)的現(xiàn)狀，選擇 CAN 總線 作為汽車的通信總線，是解決上述問題的 比較好的一個(gè) 途徑。 國內(nèi)外的 發(fā)展現(xiàn)狀 汽車 發(fā)展已經(jīng) 走過了 100 多年的歷程，汽車儀表也在不斷開發(fā)和發(fā)展之中。它用低成本的雙絞線電纜代替了車身內(nèi)昂貴的導(dǎo)線，并大幅度減少了用線數(shù)量；提高可靠性 、安全性， 降低 了 成本 [1]。同時(shí)，儀器與整個(gè)車身 CAN 網(wǎng)絡(luò)相連接，形成了一個(gè)完整的汽車一體化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 b)分度不均勻。 目前國內(nèi)部分中、高檔轎車采用的是 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式汽車儀表。 以下為最值得關(guān)注的 5 個(gè)主要嵌入式產(chǎn)品市場 [1~3]： 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋航天、航空、交通、網(wǎng)絡(luò)、電子、通訊、金融、智能電器、智能建筑、儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、掌上型 電腦、智能 IC 卡、第二代身份證驗(yàn)證、公共交通收費(fèi)系統(tǒng)、醫(yī)藥系統(tǒng)以及軍事等等各種領(lǐng)域，但目前最值得關(guān)注的嵌入式產(chǎn)品市場主要有如下幾類： 第一、家庭信息網(wǎng)絡(luò)：家用電器已經(jīng)開始向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，電視機(jī)、微波爐、數(shù)字電話等都將嵌入微處理機(jī)并通過家庭網(wǎng)關(guān)與 網(wǎng)絡(luò) 連接，構(gòu)成家庭信息網(wǎng)絡(luò)。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題利用總線技術(shù)設(shè)計(jì)汽車儀表通訊系統(tǒng)，使汽車儀表系統(tǒng)能節(jié)省空間，節(jié)省成本，并且加快了數(shù)據(jù)傳送，并且使得系統(tǒng)更穩(wěn)定，安全，簡便，快捷。了解芯片的可購買性 ， 了解芯片的可開發(fā)性等一些因素。 6 VDD 電源 I/O和某些邏輯的電源正 極 7 GND 電源 邏輯和 I/O管腳的地參考 8 CAN0Rx I TTL CAN模塊 0接收 9 CAN0Tx O TTL CAN模塊 0發(fā)送 10 VDD25 電源 大多數(shù)邏輯功能 (包括處理器內(nèi)核和大部份外設(shè) )的電源正極。其工作原理有5 步： A．比較器的反相輸入端 (腳 5)通過外接分壓電阻 R R3 監(jiān)視輸出電壓 。參考電壓源是溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源，振蕩器的 振蕩頻率由 3 腳的外接定時(shí)電容決定，開關(guān)晶體管由比較器的反向輸入端和與振蕩器相連的邏輯控制線路置成 高電平 ，并由與振蕩器輸出同步的下一個(gè)脈沖置成 低電平 。 CAN 總線的特點(diǎn) 由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)， CAN 總線與一般的通訊總線相比，它的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性 [16， 17]。當(dāng)多個(gè)對象包含需要處理的新信息時(shí)，這兩個(gè)報(bào)文對象接口允許并行訪問 CAN 控制器報(bào)文對象。LM3S8962 還內(nèi)嵌了 UART、 I2C 接口、 AD 轉(zhuǎn)換器和模擬比較器等功能模塊，高集成性不僅可以縮減大量外圍電路的搭建，降低開發(fā)難度，還可以最大程度地降低產(chǎn)品成本，縮短開發(fā)周期?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2021) 17 U710KR1510KR16VCC5GND GND開關(guān)量信號(hào)ADC0 圖 29 開關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路 光耦合器 一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及 信號(hào)放大 。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(jìn)電機(jī)的輸出軸以微步轉(zhuǎn)動(dòng)。而鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2021) 19 通過控制信號(hào)輸入 CW/CCWA/B/C/D 來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 VID29 系列步進(jìn)電機(jī)分為兩大產(chǎn)品系列，分別是 VID29XX/VID29XXP，電機(jī)在設(shè)計(jì)上選用高級(jí)鐵磁材料和特種耐磨塑料， 同時(shí)。從來確定儀表指針轉(zhuǎn)過的刻度。 VID6606 是一款專為驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電基于 CAN 總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 機(jī)而設(shè)計(jì)的 CMOS 集成電路。當(dāng)發(fā)光二極管中通過一定值的電流時(shí)發(fā)出一定的光，被光敏晶體管接收，使其導(dǎo)通，而當(dāng)該電流撤去時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，晶體管截止，利用這種特性即可達(dá)到開關(guān)控制的目的。 它與 PCA82C250/251 以及 TJA1050 完全兼容， TJA1040 為汽車設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)簡單的移植途徑。 ARM CortexTMM3 處理器為高性能、低成本的平臺(tái)提供一個(gè)滿足小存儲(chǔ)要求解決方案、簡化管腳數(shù)和低功耗 3 方面要求的內(nèi)核，以及出色的計(jì)算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力。 CAN 報(bào)文對象寄存器接口提供了兩個(gè)寄存器組來與報(bào)文對象通信。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)， CAN 總線越來越受到人們的重視，國際上已經(jīng)有很多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術(shù)。 由于其內(nèi)置有大電流的電源開關(guān)， MC34063 能夠控制的開關(guān)電流達(dá) 到 。輸出電壓為 5V 直流電，輸出電流為。 表 21 LM3S8962芯片管腳說明 編號(hào) 管腳名稱 管腳類型 緩沖類型 管腳描述 1 ADC0 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 0 2 ADC1 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 1 3 ADC2 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 2 4 ADC3 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 3 5 VDDA 電源 模擬電路 (ADC、模擬比較器等 )的正電源 ()。對于明確的對象，選擇功能過少的芯片，無法完成控制任務(wù)，選擇功能過多的芯 片，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使性價(jià)比下降。因此，嵌入式系統(tǒng)在交通指揮系統(tǒng)、高速公路收費(fèi)監(jiān)控 、汽車自導(dǎo)航、 GPS 車載終端、電子警察和汽車檢測中的將會(huì)擁有良好的市場前景。由于迅速發(fā)展的 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 和非常廉 價(jià)的微處理器的出現(xiàn)，不遠(yuǎn)的將來嵌入式設(shè)備將會(huì)全面走入人類的生活，而且還會(huì)在人類的工業(yè)、軍事、自然探索等各方面廣泛應(yīng)用。第 4 代全數(shù)字式汽車儀表從其應(yīng)用的技術(shù)手段上看，還是電子技術(shù)范疇，也屬于電子式儀表，但信號(hào)處理方式己從 模擬變成數(shù)字。 我國目前主流的大多數(shù)汽車儀表都存在著以下的缺陷 [4]： a)精度不高。 基于 CAN總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)采用的是 TI的 LM3S8962芯片為核心處理器，以 CAN 總線通訊協(xié)議為基本協(xié)議，并且使用步進(jìn)電機(jī)作為汽車指針儀表的驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)輔以軟件編程來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。在現(xiàn)代汽車中，采用總線的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出節(jié)省電線的范圍，它已成為車內(nèi)各零部件實(shí)施信息交互的標(biāo)準(zhǔn)接口。 目前汽車儀表正在經(jīng) 歷由第 3 代向第 4 代轉(zhuǎn)型時(shí)期。在全球半導(dǎo)體市場快速復(fù)蘇，消費(fèi)電子、通信以及嵌入式系統(tǒng)各個(gè)應(yīng) 用領(lǐng)域快速發(fā)展，嵌入式微處理 器技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持穩(wěn)步增長 。 第四、自動(dòng)化與 測控儀器儀表：測控儀器儀表種類繁多，而新型的測控儀器儀表無一不是嵌入式系統(tǒng)。 系統(tǒng)根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以及液晶顯示驅(qū)動(dòng)，并通過顯示設(shè)備顯示出來。 最后， LM3S8962微控制器與 Stellaris系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應(yīng)各種精確的需求。而 汽車所攜帶的車載電瓶為 12V的電源，所以需要電壓轉(zhuǎn)換模 塊來實(shí)現(xiàn) 5V和 。 E． 腳 3 外接振蕩器所需要的定時(shí)電容電容值的大小決定振蕩器頻率的高低，亦決定開關(guān)管 T1 的通斷時(shí)間。1%以內(nèi)。接著，報(bào)文處理器根據(jù)當(dāng)前的濾波和報(bào)文對象存儲(chǔ)器中的標(biāo)識(shí)符，將該信息載入合適的報(bào)文對象。 CAN 系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，如圖 26 所示。 TJA1040 為總線提供差動(dòng)的發(fā)送功能為 CAN 控制器提供差動(dòng)的接收功能 。 基于 CAN 總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9R1411223344556677889910101111121213131414151516161717181819192020JTAGHEADER 10X2VCC5R13GNDGNDTRSTTDITMSTCKTDORESET 圖 28 JTAG 模塊電路 表 24 JTAG 模塊引腳定義 編號(hào) 引腳名稱 引腳定義 1 TCK 測試時(shí)鐘輸入 2 TMS 測試模式選擇， TMS 用來設(shè)置 JTAG 口處于某種特定的測試模式 3 TDO 測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過 TDO 從 JTAG 口輸出 4 TDI 測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過 TDI 輸入 JTAG 口 5 TRST 測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效 信號(hào)調(diào)理模塊 設(shè)計(jì) 汽車儀表所要顯示的信號(hào)有多種，除了通過 CAN 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之外，還要通過汽車信號(hào)采集系統(tǒng)來采集開關(guān)量， 經(jīng)過采集的開關(guān)量信號(hào)，如汽車啟動(dòng)與否，車燈的開與關(guān)，車門是否關(guān)好 ，安全帶是否綁好 等信號(hào)，通過光耦合器后，輸出數(shù)字量信號(hào)，輸入到主芯片中進(jìn)行處理。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀表的原理 本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀表。系統(tǒng)每隔一定時(shí)間就刷新一次，通過下一次脈沖周期數(shù)與上一次脈沖周期數(shù)的比較，用下一次的周期數(shù)減去上一次的周期數(shù)，如果為正，則方向控制端輸入高電平，轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)就根據(jù)兩次脈沖數(shù)的差數(shù)；如果為負(fù)，則輸入低電平，轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)還是兩次脈沖數(shù)差。 VID29 系列步進(jìn)電機(jī)是一種精密的微型步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)置減速比 180/1 的齒輪系，主要應(yīng)用于車輛的儀表指示盤， 也可以用于其它儀器儀表裝置中，將數(shù)字信號(hào)直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為模擬的顯示輸出。 表 26 VID6606芯片時(shí)序參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 測試條件 最小 典型 最大 單位 信號(hào)脈沖寬度 TW 高或低電平 450 Ns 輸入頻率 F(SCX) 器件輸入 限制 電機(jī)速度限制 MHz KHz ts 高或低電平 100 ns trr 100 ns 信號(hào)脈沖寬度最小不能小與 450ns，如圖 211 所示。在該模式下，給電機(jī)一個(gè)周期的脈沖則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 1/12176。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。 JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有 部件進(jìn)行編程。 電路設(shè)計(jì)如圖 27 所示。 MAC 子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)工具 ； CAN 總線的 功能描述 CAN 模塊支持 /B 協(xié)議。 該芯片有 5 個(gè) 固定 (、 、 、 和 5V)的型號(hào)。因此： VRRU ??????? ???????? ?? B． 腳 5 電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 同時(shí)送 入 內(nèi)部比較器進(jìn)行電壓比較。如果沒有使用 PLL，則支持的晶體頻率在 1 MHz和 MHz之間。 至于那些對功耗有特別要求的應(yīng)用方案， LM3S8962微控制器還具有一個(gè)電池備用的休眠模塊，從而有效的使 LM3S8962芯片在未被激活的時(shí)候進(jìn)入低功耗狀態(tài)。 B． 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) ；