1、畢業(yè)設計說明書基于CAN總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設計專業(yè)電氣工程及其自動化學生姓名王江龍班級B自動化074學號0710603420指導教師閆奇瑾完成日期2011年6月8日基于CAN總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設計摘 要：由于汽車排放、節(jié)能、安全和舒適性等使用性能不斷提高，使得汽車電子控制程度也越來越高。汽車電子控制裝置必須迅速、準確地處理各種信息，并通過儀表顯示出來，使駕駛員及時了解并掌握汽車的運行狀態(tài)，妥善處理各種情況。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，并且使用步進電機作為汽車指針儀表的驅(qū)動器，同時輔以軟件編程

2、來實現(xiàn)各項功能。儀表所需的各種信息均由CAN總線來進行傳遞，從而大大降低了系統(tǒng)的設計復雜性以及布線難度。同時，儀器與整個車身CAN網(wǎng)絡相連接，形成了一個完整的汽車一體化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。本課題利用總線技術(shù)設計汽車儀表通訊，使汽車儀表能夠接收傳感器的車速，油量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，開關(guān)量等信號并實時顯示出來，所設計的儀表主要應用于重型運輸車等領(lǐng)域。同時系統(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，是汽車儀表通訊未來的發(fā)展方向，有著相當廣闊的市場空間。關(guān)鍵詞：CAN；汽車儀表；LM3S8962；步進電機；LCD顯示The system Based onthe Automo

3、tive CAN Buscombination of electronic instrumentAbstract：As a result of improvement of vehicle emissions，energy saving，safety andcomfort，automotive electronic control is becoming barer and beaverAutomotiveelectronic control device must quickly and accurately handle a variety of information，and displ

4、ay through the instrument so that the driver has sufficient time to understand and master the operation of motor vehicles，and properly handle the various situationsAutomotive CAN bus based on combination of electronic instrumentation system use TI's chip as the core processor LM3S8962，the CAN bu

5、s communication protocol as the basic agreement，and use the stepper motor as a motor drive pointer instrument， supplemented by software programming to implement various functions. Instrumentation required for a variety of information to be passed by the CAN bus，which greatly reduces system design co

6、mplexity and wiring difficult. Meanwhile，the instruments and the whole body is connected to CAN network to form a complete integrated network of automotive control systems. Technical design of the subject automobile instrument use bus communication， the car dashboard to receive the speed sensor，engi

7、ne speed，switch signals and real-time display，etc；the main instrument design for heavy duty trucks and other fields. At the same time the system can save space，save costs and speed up data transfer，and makes the system more stable，secure，simple，fast，a car the future development of communication inst

8、ruments，has a very broad market space. KeyWords:CAN；car dashboard；LM3S8962；signal transmission；stepper motor；LCD display目 錄1. 概述11.1 課題的來源與意義11.2 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題研究的主要內(nèi)容32. 系統(tǒng)總體設計與主芯片選型52.1 系統(tǒng)總體方案設計52.2主芯片52.2.1 主芯片選擇52.2.2 LM3S8962芯片介紹63. 系統(tǒng)硬件模塊設計與元器件選型93.1 系統(tǒng)晶振模塊設計93.2 電源模塊設計93.2.1 初始電源模塊設計93.2.2 M

9、C34063芯片介紹103.2.3 芯片供電模塊103.3 CAN總線通訊模塊設計113.3.1 CAN總線基本概述113.3.2 CAN總線的特點123.3.3 CAN總線的功能描述123.3.4 CAN2.0B規(guī)范133.3.5 CAN模塊電路具體設計14介紹143.4JTAG通訊模塊設計153.5 信號調(diào)理模塊設計163.5.1 光耦合器功能163.5.2 光耦合器的特點173.6 電機驅(qū)動模塊設計173.6.1 步進電機驅(qū)動儀表的原理173.6.2 VID6606芯片介紹183.6.3 驅(qū)動芯片時序參數(shù)193.6.4 步進電機的選擇203.7 液晶顯示模塊設計203.7.1 液晶顯示器

10、的選擇203.7.2 液晶顯示器簡介213.8 復位電路模塊設計233.9 報警模塊設計234. 軟件設計244.1 軟件主程序流程設計244.2 CAN總線系統(tǒng)流程設計245. 結(jié)束語27參考文獻28致謝29附錄30附錄1：元器件清單31附錄2：主電路圖33基于CAN總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設計1.概 述1.1 課題的來源與意義隨著集成電路和芯片在汽車上的廣泛應用，汽車上的電子控制單元越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動懸架等。如果仍采用常規(guī)布線方式，即電線一端與開關(guān)相接，另一端與用電設備相通，將導致車上電線數(shù)目的急劇增加，同時復雜電路也降低了汽

11、車可靠性，增加了維修難度。于是，先進的通信網(wǎng)絡技術(shù)CAN總線被引入到汽車組合儀表設計中，并替代原有的機械式、電氣式傳統(tǒng)的儀表設計。它用低成本的雙絞線電纜代替了車身內(nèi)昂貴的導線，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。 通常狀況下，電子控制裝置通過CAN總線提供穩(wěn)定、可靠的低成本網(wǎng)絡連接。在現(xiàn)代汽車中，采用總線的意義已遠遠超出節(jié)省電線的范圍，它已成為車內(nèi)各零部件實施信息交互的標準接口。整車的總線網(wǎng)絡成為整車的電器平臺，也就是說只要有總線存在，就可以在這個總線平臺上不斷增加汽車的智能化零部件2。總線技術(shù)促進了汽車智能化的發(fā)展3。根據(jù)ISO(國際標準化組織)定義的OSI模型，CAN

12、協(xié)議定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應用層協(xié)議提供了很大的便利。因此汽車總線技術(shù)有著相當廣闊的前景。 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。傳統(tǒng)的汽車儀表在低速區(qū)的基本誤差相當大，在低速區(qū)的線性也是很差，而在轉(zhuǎn)速表、油量表和水溫表等都有類似的問題。b)分度不均勻。由于傳統(tǒng)汽車儀表的指針位置是由合成磁場確定的，其線性差的問題難以解決，故常采用低速區(qū)和高速區(qū)不均勻分度方法加以糾正，但這樣會導致高速區(qū)和低速區(qū)指示精度降低和分辨率下降。c)可靠性差。由于傳統(tǒng)的汽車儀表是由針軸、游絲、線包、磁屏蔽罩和機械零件構(gòu)成，其故障率很高。目前國內(nèi)汽車儀表

13、行業(yè)在整體上仍滯后于整車的發(fā)展，與國外相比有很大的差距，如產(chǎn)品技術(shù)水平低，造型單調(diào)，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和耐久性差，數(shù)字化程度低等57。適應CAN總線技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和液晶顯示技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，汽車儀表必須與汽車上其它裝置交換數(shù)據(jù)，即接入到汽車的網(wǎng)絡總線上，并能夠相互通信，這就必然推動了汽車儀表的升級換代。因此，如果能夠研制出智能化的汽車儀表對我國的汽車行業(yè)具有重大的現(xiàn)實意義。1.2 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。汽車儀表發(fā)展，按其工作原理上取得的重大技術(shù)創(chuàng)新來分，已經(jīng)經(jīng)過了4代：第1代汽車儀表是基于機械作用力而工作的機械式儀表，即機

14、械機心表：第2代汽車儀表的工作原理基于電測原理，即通過各類傳感器將被測的非電量變換成電信號加以測量，稱之為電氣式儀表；第3代為模擬電路電子式；第4代為步進電動機式全數(shù)字汽車儀表8。目前汽車儀表正在經(jīng)歷由第3代向第4代轉(zhuǎn)型時期。第3代汽車車用儀表工作原理與電氣式儀表基本相同，只是用電子器件取代原來的電氣器件。隨著集成電路技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，這種儀表現(xiàn)在均采用汽車儀表專用集成電路，是國內(nèi)汽車儀表目前的主流產(chǎn)品，經(jīng)過多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了動圈式機心和動磁式機心階段9。電子器件經(jīng)歷了分立器件和專用集成電路階段。發(fā)展到今天以塑料件為主：圍繞提高指示精度和指針平穩(wěn)性，由動圈式發(fā)展成動磁式等1012。

15、第4代全數(shù)字式汽車儀表從其應用的技術(shù)手段上看，還是電子技術(shù)范疇，也屬于電子式儀表，但信號處理方式己從模擬變成數(shù)字。其最顯著的特征是工作原理與第3代汽車儀表完全不同。目前國內(nèi)部分中、高檔轎車采用的是步進電動機式汽車儀表。其它一些轎車也正在配套該類型的儀表，步進電動式汽車儀表將是未來一段時間內(nèi)汽車儀表的主導產(chǎn)品。我國的汽車儀表與國外發(fā)達國家相比，技術(shù)水平有相當大的差距。如當今國外發(fā)達國家普遍使用全數(shù)字式汽車儀表，而且絕大部分是步進電動機式汽車儀表，并準備向更高方向發(fā)展。雖然國內(nèi)汽車儀表界一致看好全數(shù)字式汽車儀表，特別是步進電動機式汽車儀表，但其開發(fā)還不具備技術(shù)條件。全數(shù)字式汽車儀表，特別是步進電動

16、機式汽車儀表，是當今和未來一段時間汽車儀表的主導技術(shù)，有著十分廣闊的市場前景。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車上的電子裝置越來越多，從發(fā)動機控制到傳動控制，從行駛、制動、轉(zhuǎn)向控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng)，使汽車電氣系統(tǒng)形成了一個復雜的大系統(tǒng)，并且都集中在駕駛室控制。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途徑。嵌入式系統(tǒng)作為一個熱門領(lǐng)域，涵蓋了微電子技術(shù)、電子信息技術(shù)、計算機軟件和硬件等多項技術(shù)領(lǐng)域的應用。在全球半導體市場快速復蘇，消費電子、通信以及嵌入式系統(tǒng)各個應用領(lǐng)域快速發(fā)展，嵌入式微處理器技術(shù)不斷進步的情況下，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持穩(wěn)

17、步增長。嵌入式計算技術(shù)的進步，正在以前所未有的程度影響和改變著我們的生活。迄今為止，只要我們目之能及，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)“無處不在”、“無所不能”。其中“無所不能”是指嵌入式系統(tǒng)將人工智能技術(shù)和超級計算技術(shù)有機結(jié)合，而“無所不在”則是指嵌入式系統(tǒng)存在著廣闊的應用天地，如人們平常用的手機、攝像機、醫(yī)療儀器、汽車、以至工業(yè)控制、航天、航空等設備都嵌有嵌入式系統(tǒng)。事實上，這些都只是嵌入式應用的冰山一角。由于迅速發(fā)展的網(wǎng)絡技術(shù)和非常廉價的微處理器的出現(xiàn)，不遠的將來嵌入式設備將會全面走入人類的生活，而且還會在人類的工業(yè)、軍事、自然探索等各方面廣泛應用。而我國信息化與全面小康社會建設更是對嵌入式系統(tǒng)市場提出巨

18、大需求，信息家電產(chǎn)品年需求量已達到幾億臺，每一類數(shù)字化家電產(chǎn)品都有幾千萬臺市場需求量，工業(yè)控制用嵌入式系統(tǒng)有百十萬臺的需求量，商用嵌入式系統(tǒng)需求量突破幾百萬臺。以下為最值得關(guān)注的5個主要嵌入式產(chǎn)品市場13：嵌入式系統(tǒng)的應用覆蓋航天、航空、交通、網(wǎng)絡、電子、通訊、金融、智能電器、智能建筑、儀器儀表、工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、掌上型電腦、智能IC卡、第二代身份證驗證、公共交通收費系統(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：家用電器已經(jīng)開始向數(shù)字化和網(wǎng)絡化發(fā)展，電視機、微波爐、數(shù)字電話等都將嵌入微處理機并通過家庭網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡連接，構(gòu)成家庭信息網(wǎng)

19、絡。但不論是高度集成的智能數(shù)字終端，還是各類數(shù)字融合產(chǎn)品，都離不開嵌入式系統(tǒng)的支持，可以說，嵌入式系統(tǒng)是家庭信息網(wǎng)絡、IT融合的重要技術(shù)基礎(chǔ)。具有豐富功能，高度集成的智能數(shù)字終端將是未來的發(fā)展方向。第二、移動計算設備：移動計算設備包括手機、PDA、掌上電腦等各種移動設備。中國擁有最大規(guī)模的手機用戶，而掌上電腦或PDA由于易于使用、攜帶方便、價格便宜，未來幾年將在我國得到快速發(fā)展。PDA與手機也已呈現(xiàn)融合趨勢。使用掌上電腦或PDA上網(wǎng)，人們可以隨時隨地獲取信息。第三、網(wǎng)絡設備：隨著下一代網(wǎng)絡技術(shù)的研發(fā)成功和投入使用，必然要有更多更強的嵌入式網(wǎng)絡設備和產(chǎn)品面世，這意味著巨大的嵌入式網(wǎng)絡設備和產(chǎn)品市

20、場需求13。嵌入式系統(tǒng)也在向無線網(wǎng)絡WLAN發(fā)展，它有望部署到住宅及商用建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測以及其他無線傳感和控制應用中。第四、自動化與測控儀器儀表：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)。此外，在工控和仿真領(lǐng)域，嵌入式設備也早已得到廣泛應用。中國的工業(yè)生產(chǎn)需要完成智能化、數(shù)字化改造，而智能控制設備、智能儀表、自動控制等，這些都為嵌入式系統(tǒng)提供了巨大的市場14。第五、交通電子設備：汽車智能駕駛設備、汽車模擬駕駛器、汽車噴油泵調(diào)試臺、輪船智能駕駛設備等都面臨更新?lián)Q代，而這類新型設備都離不開嵌入式系統(tǒng)15。中國汽車業(yè)的發(fā)展必然為汽車電子的嵌入式系統(tǒng)應用帶來良好商機。因此，

21、嵌入式系統(tǒng)在交通指揮系統(tǒng)、高速公路收費監(jiān)控、汽車自導航、GPS車載終端、電子警察和汽車檢測中的將會擁有良好的市場前景。CAN總線以及嵌入式系統(tǒng)的引入，不僅可以大大簡化布線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高可靠性，而且為汽車的智能化提供了無可比擬的拓展空間，是汽車發(fā)展史上劃時代的革命。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本課題利用總線技術(shù)設計汽車儀表通訊系統(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。是汽車儀表通訊未來的發(fā)展方向，有著相當廣闊的市場空間。課題采用了TI的LM3S8962芯片為核心處理器，以CAN總線為通訊協(xié)議，并且利用步進電機作為儀表指針驅(qū)動器，液晶顯

22、示器作為顯示屏幕的汽車組合儀表系統(tǒng)；設計要求步進電機細分后步距<0.5°，并設計好步距細分驅(qū)動電路模塊；同時以LM3S8962為控制核心，并設計出控制核心的外圍電路；另外還要求設計CAN總線的模塊電路。通過對課題的了解以及對相關(guān)資料的收集與整理，本課題對汽車儀表進行了相關(guān)設計，主要設計內(nèi)容如下：A 汽車儀表的整體方案設計；對汽車儀表的內(nèi)容，結(jié)構(gòu)，原理進行了全面論述，通過分析給出了系統(tǒng)的整體原理圖。B系統(tǒng)軟硬件平臺設計；其中硬件包括主控制器的選擇，電源電路、時鐘電路、驅(qū)動電路等模塊的設計，以及液晶驅(qū)動電路、CAN接口電路等外圍電路的設計；軟件包括系統(tǒng)整體運行流程的設計。2. 系統(tǒng)

23、總體設計與主芯片選型2.1 系統(tǒng)總體方案設計系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，處理以及顯示3個模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負責接收車輛的數(shù)據(jù)，采集到的開關(guān)量通過調(diào)理模塊的調(diào)理，輸入到主芯片進行處理。而其他一些汽車的參數(shù)，如汽車車速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，油箱油量，冷卻液溫度等，都由汽車上本身帶有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集調(diào)理后通過CAN總線輸入到主芯片進行處理，汽車錯誤代碼也由汽車自帶檢測設備輸入到主芯片。系統(tǒng)根據(jù)采集的信號進行處理計算，從而驅(qū)動步進電機，以及液晶顯示驅(qū)動，并通過顯示設備顯示出來。要是信號超出范圍或者出現(xiàn)異常則啟動報警模塊，發(fā)出報警信號。總體設計結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體流程2.2主芯片2.2.1主芯片

24、選擇主芯片的選擇比較重要，它決定了系統(tǒng)運行的效率，優(yōu)劣性等等。如何選擇一種適合設計需要的芯片十分重要。對于明確的對象，選擇功能過少的芯片，無法完成控制任務，選擇功能過多的芯片，則會造成資源浪費，使性價比下降。因此，實際應用中可根據(jù)一些原則來選擇芯片，需要了解芯片對控制系統(tǒng)的適用性。了解芯片的可購買性，了解芯片的可開發(fā)性等一些因素。根據(jù)對芯片選擇的原則，可選擇出最適用于控制系統(tǒng)的芯片，從而保證控制系統(tǒng)高可靠性、最優(yōu)的性價比、最長的使用壽命和最好的升級換代性。本課題采用TI的LM3S8962為核心處理器。LM3S8962微處理器的管腳圖如圖2-2所示。圖2-2LM3S8962芯片管腳圖 LM3S8

25、962芯片介紹LM3S8962 微控制器是針對工業(yè)應用方案而設計的，包括遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設備、網(wǎng)絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。至于那些對功耗有特別要求的應用方案，LM3S8962微控制器還具有一個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候進入低功耗狀態(tài)。 一個上電/掉電序列發(fā)生器、連續(xù)的時間計數(shù)器(RTC)、一對匹配寄存器、一個到系統(tǒng)總線的APB接口以及專用的非易失性存儲器、休眠模塊等功能組件LM3S8962微控制器極其適合用在電池的應用中。除此之外，該LM3S8962微控制器的優(yōu)勢還在于能

26、夠方便的運用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)(SoC)的底層IP應用方案，以及廣大的用戶群體。 另外，該微控制器使用了兼容ARM的指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。 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，能夠適應各種精確的需求。為了能夠幫助用戶產(chǎn)品快速的上市，Luminary Micro公司提供了一整套的解決方案，包括評估和開發(fā)用的板卡、白皮書和應用筆記、方便使用的外設驅(qū)動程序庫、以及強勁的支持、銷售和分銷網(wǎng)絡。LM3S8962微控制器包括下列的產(chǎn)品特性：A32位RISC性能；a. 采用為小封裝應用方案而優(yōu)化的32

27、位ARMCortex-M3 v7M架構(gòu)；b. 提供系統(tǒng)時鐘、包括一個簡單的24位寫清零、遞減、自裝載計數(shù)器，同時具有靈活的控制機制；c. 僅采用與Thumb兼容的Thumb-2指令集以獲取更高的代碼密度；d. 工作頻率為50-MHz；e. 硬件除法和單周期乘法；f. 集成嵌套向量中斷控制器(NVIC)，使中斷的處理更為簡捷；g. 36中斷具有8個優(yōu)先等級；h. 帶存儲器保護單元(MPU)，提供特權(quán)模式來保護操作系統(tǒng)的功能；i. 非對齊式數(shù)據(jù)訪問，使數(shù)據(jù)能夠更為有效的安置到存儲器中；j. 精確的位操作，不僅最大限度的利用了存儲器空間而且還改良了對外設的控制；BCAN；a. 支持CAN協(xié)議版本2.

28、0 part A/B；b. 傳輸位速率可達1Mb/s；c. 32個消息對象，每個都帶有獨立的標識符屏蔽；d. 可屏蔽的中斷；e. 可禁止TTCAN的自動重發(fā)模式；f. 可編程設定的自循環(huán)自檢操作；C功率；a. 片內(nèi)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，具有可編程的輸出電壓，用戶可調(diào)節(jié)的范圍為2.25V到2.75V；b. 休眠模塊處理3.3V通電/斷電序列，并控制內(nèi)核的數(shù)字邏輯和模擬電路；c. 控制器的低功耗模式：睡眠模式和深度睡眠模式；d. 外設的低功耗模式：軟件控制單個外設的關(guān)斷；e. LDO帶有檢測不可調(diào)整電壓和自動復位的功能，可由用戶控制使能；f. 3.3V電源掉電檢測，可通過中斷或復位來報告；D其他

29、特性；a.6個復位源；b.可編程的時鐘源控制；c.可對單個外設的時鐘進行選通以節(jié)省功耗；d.遵循IEEE 1149.1-1990標準的測試訪問端口(TAP)控制器；e.通過JTAG和串行線接口進行調(diào)試訪問；f. 完整的JTAG邊界掃描；根據(jù)汽車瞬時油耗系統(tǒng)要實現(xiàn)的檢測功能的要求、單片機的匹配原則以及LM3S8962微控制器的一些特性滿足設計的需求，故此選擇此單片機。本設計采用芯片LM3S8962芯片的一些功能，芯片本身可提供模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，所以只要調(diào)理好的信號輸入芯片就可以了，不需要再另行設計信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路；芯片還自帶內(nèi)部CAN總線協(xié)議，所以只要外部連接一個CAN總線收發(fā)器，就可以很好地

30、實現(xiàn)CAN總線通訊了。本設計需要用到芯片的一些功能，需要的管腳說明如表2-1所示。表2-1 LM3S8962芯片管腳說明編號管腳名稱管腳類型緩沖類型管腳描述1ADC0I模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入02ADC1I模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入13ADC2I模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入24ADC3I模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入35VDDA-電源模擬電路(ADC、模擬比較器等)的正電源(3.3V)。這些電源與VDD獨立，以最大限度地減少VDD上的電氣噪聲，使其不影響模擬功能。6VDD-電源I/O和某些邏輯的電源正極7GND-電源邏輯和I/O管腳的地參考8CAN0RxITTLCAN模塊0接收9CAN0TxOTTLCAN模塊0發(fā)送10VDD25-電源大

31、多數(shù)邏輯功能(包括處理器內(nèi)核和大部份外設)的電源正極。11XTALPPHYOTTL以太網(wǎng)PHY的XTALP12XTALNPHYITTL以太網(wǎng)PHY的XTALN13PA03I/OTTLGPIO端口A位0314PB03I/OTTLGPIO端口A位0315PF03I/OTTLGPIO端口F位0316OSC0I模擬主振蕩器晶體輸入17OSC1O模擬主振蕩器晶體輸出18RSTITTL系統(tǒng)復位輸入19TRSTITTLJTAG TRSTn20TDIITTLJTAG TDI21TMSI/OTTLJTAG TMS22TCKITTLJTAG TCK23TDOOTTLJTAG TDO3. 系統(tǒng)硬件模塊設計與元器件選

32、型3.1 系統(tǒng)晶振模塊設計晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時鐘頻率，這個頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。主振蕩器：主振蕩器用下面的其中一種方法來提供一個頻率精確的時鐘源：OSC0輸入管腳連接一個外部單端時鐘源或在OSC0輸入和OSC1輸出管腳之間連接一個外部晶體。允許的晶體值取決于主振蕩器是否用作PLL的時鐘參考源。如果主振蕩器用作PLL的時鐘參考源，那么支持的晶體頻率范圍為3.579545 MHz8.192 MHz。如果沒有使用PLL，則支持的晶體頻率在1 MHz和8.192 MHz之間。本設計沒有使用PLL，采用8MHz的晶體頻率，具體電路設計如圖

33、2-3所示。這樣可以提高系統(tǒng)的工作效率，同時便于計算。圖2-3 主芯片晶振電路3.2 電源模塊設計本設計系統(tǒng)需要的電壓為5V，以及3.3V穩(wěn)壓電源。而汽車所攜帶的車載電瓶為12V的電源，所以需要電壓轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)5V和3.3V的電壓供給。3.2.1初始電源模塊設計開關(guān)電源模塊所需輸入電壓為車載電瓶電壓12V。所采用的功能芯片MC34063。如圖2-4所示。圖2-4初始電源模塊該模塊輸入為車載電瓶12V直流電壓。輸出電壓為5V直流電，輸出電流為1.5A。其中D1是為了防止電源反接同時杜絕外部接地過來的干擾。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R2、R3監(jiān)視輸出電壓 。其

34、中，輸出電壓如公式(2-1)所表示。 (2-1)由公式可知輸出電壓 。僅與R2、R3數(shù)值有關(guān)，因1.25V為基準電壓，恒定不變。若R2、R3阻值穩(wěn)定，U0亦穩(wěn)定。因此：B腳5電壓與內(nèi)部基準電壓1.25V同時送入內(nèi)部比較器進行電壓比較。當腳5的電壓值低于內(nèi)部基準電壓(1.25V)時，比較器輸出為跳變電壓，開啟R-S觸發(fā)器的S腳控制門，R-S觸發(fā)器在內(nèi)部振蕩器的驅(qū)動下，Q端為“1”狀態(tài)(高電平)，驅(qū)動管T2導通，開關(guān)管T1亦導通，使輸入電壓Ui向輸出濾波器電容充電以提高U0，達到自動控制U0穩(wěn)定的作用。C當腳5的電壓值高于內(nèi)部基準電壓(1.25V)時，R-S觸發(fā)器的S腳控制門被封鎖，Q端為“0”狀

35、態(tài)(低電平)，T2截止，T1亦截止。 D振蕩器的IPK 輸入(腳7)用于監(jiān)視開關(guān)管T1的峰值電流，以控制振蕩器的脈沖輸出到R-S觸發(fā)器的Q端。 E腳3外接振蕩器所需要的定時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的通斷時間。3.2.2 MC34063芯片介紹MC34063本身包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC/DC變換器僅用少量的外部元器件。主要應用于以微處理器(MPU)或芯片

36、(MCU)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)里。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)電流達到1.5V。內(nèi)部線路包含有參考電壓源，振蕩器，轉(zhuǎn)換器，邏輯控制線路和開關(guān)晶體管。參考電壓源是溫度補償?shù)膸痘鶞试矗袷幤鞯恼袷庮l率由3腳的外接定時電容決定，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脈沖置成低電平。芯片所用管腳如表2-2所示。3.2.3 芯片供電模塊芯片供電模塊的功能是采用LM1117穩(wěn)壓器來實現(xiàn)的，該模塊輸入5V直流電，輸出為3.3V直流電，輸出電流為800mA；LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流

37、為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。該芯片有5個固定(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型號。在本設計中LM1117根據(jù)芯片需要提供的是3.3V的穩(wěn)壓電源，如圖2-5所示。 圖2-5 芯片供電模塊LM1117提供電流限制和熱保護。電路包含1個可調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。LM1117系列具有 LLP、TO-263、SOT-223、TO-220 和 TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。表2-2 MC34063的引腳功能 管腳編號管腳名稱描述1SWC開

38、關(guān)管T1集電極引出端2SWE開關(guān)管T1發(fā)射極引出端3CT定時電容ct接線端；調(diào)節(jié)ct可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化4GND電源地5CMPR電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端；使用時應外接兩個精度不低于1的精密電阻6VCC電源端7IPK負載峰值電流(Ipk)取樣端；6，7腳之間電壓超過300mV時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護功能8DRVC驅(qū)動管T2集電極引出端3.3 CAN總線通訊模塊設計3.3.1 CAN總線基本概述控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network 簡稱CAN)主要用于各種過程(設備)監(jiān)測及控制。CAN最初是由德國的Bosch公司為汽車的監(jiān)測與控

39、制設計的，但由于CAN總線本身的突出特點，其應用領(lǐng)域目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，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)。CAN已經(jīng)形成國際標準(ISO11898)，并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。3.3.2 CAN總線的特點由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設計，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、實時性和靈活性16，17。其特點可概括如下：a.CAN總線是到目前為止唯一有國際標準的現(xiàn)場總線；b.CAN為多方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均

40、可在任一時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從；c. 在報文標識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時需要，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸；d.CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息發(fā)生沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓的情況(以太網(wǎng)則有可能)；e.CAN節(jié)點只需要通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；f.CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下)；

41、通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)；g.CAN上的節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個。在標準幀報文標識符有l(wèi) 1位，而在擴展幀的報文標識符(29位)的個數(shù)幾乎不受限制；h. 報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；i.CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果；j.CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；k.CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響；l.CAN總線具有較高的性能價格比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個節(jié)點的價格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有

42、的單片機開發(fā)工具；3.3.3CAN總線的功能描述CAN 模塊支持 CAN2.0A /B協(xié)議。支持包括具有11位標識符(標準幀)或29位標識符(擴展幀)的數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀以及超載幀的報文傳輸。傳輸速率可以編程為1 Mbps。CAN 模塊主要由3個部件組成：a.CAN協(xié)議控制器和報文處理器；b.報文存儲器；c.CAN寄存器接口；協(xié)議控制器從CAN總線傳輸和接收串行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞到報文處理器。接著，報文處理器根據(jù)當前的濾波和報文對象存儲器中的標識符，將該信息載入合適的報文對象。報文處理器還負責根據(jù)CAN總線上的事件來產(chǎn)生中斷。報文對象存儲器由32個相同的存儲塊組成，這些存儲塊保存了每個報文

43、對象當前的配置信息、狀態(tài)和實際數(shù)據(jù)。我們可以通過CAN報文對象寄存器接口來訪問它們。由于不能通過存儲器映射直接訪問報文存儲器，CAN控制器會提供一個接口來與報文存儲器通信。CAN報文對象寄存器接口提供了兩個寄存器組來與報文對象通信。由于不能直接訪問報文對象存儲器，所以必須使用這兩個接口來讀寫各個報文對象。當多個對象包含需要處理的新信息時，這兩個報文對象接口允許并行訪問CAN控制器報文對象。3.3.4CAN2.0B規(guī)范CAN2.0B規(guī)范定義了數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述了與CAN相關(guān)的外層。物理層定義了信號的發(fā)送方式，因而涉及位定時、位編碼和同步的描述。在這部分規(guī)范中，未

44、定義物理層中驅(qū)動器/接收器的特性，以便允許根據(jù)具體應用，對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它描述由LLC子層接收到的報文和對LLC子層發(fā)送的認可報文。MAC子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。MAC子層由稱為故障界定的一個管理實體監(jiān)控，它具有識別永久故障或短暫擾動的自檢機制。LLC子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復管理。CAN總線傳輸介質(zhì)通常采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線，它是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率最高可達1Mb/s。CAN系統(tǒng)內(nèi)兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，如圖2-6所示。從圖中很容易看出，CAN的傳輸速率達1Mb/s時，最大傳輸

45、距離為40m，完全能夠符合應用在車身CAN總線系統(tǒng)的要求。CAN2.0B的消息幀格式具有29位標識符，前11位與CAN2.0A消息幀的標識符相同，后18位專用于標記CAN2.0B的消息幀。CAN2.0B的消息幀根據(jù)用途分為4種不同類型：數(shù)據(jù)幀用于傳送數(shù)據(jù)；遠程幀用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)；錯誤幀用于標識探測到的錯誤；超載幀用于延遲下一個信息幀的發(fā)送。圖2-6 CAN總線傳輸速率與距離的關(guān)系3.3.5CAN模塊電路具體設計Luminary LM3S8962微控制器是一款基于ARM CortexTM-M3處理器內(nèi)核的高性能微控制器。ARM CortexTM-M3處理器為高性能、低成本的平臺提供一個滿足小存儲

46、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，以及出色的計算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應能力。LM3S8962具有高性能的32位運算能力，即擁有32位RISC性能，但價位和傳統(tǒng)的8位和16位相當，節(jié)約了數(shù)字儀表的開發(fā)成本。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。由于LM3S8962微控制器的高集成性，使本設計中CAN總線通信電路省去了通常使用的獨立的SJAl000CAN控制器，只須將CAN收發(fā)器TJA1040連接在MCU和CAN總線之間，完成CAN總線信號的

47、接收和發(fā)送功能。TJA1040是一款汽車級單路隔離高速CAN收發(fā)器。它內(nèi)部集成了所有必需的電氣元件，除了隔離電路、CAN收發(fā)器，還有總線保護和電源電路。它省去了傳統(tǒng)的CAN收發(fā)電路中復雜的外圍電路設計，提高了設計效率。電路設計如圖2-7所示。圖2-7CAN總線通訊電路3.3.6TJA1040介紹TJA1040是控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它主要應用在客車的高速應用上。速度可達1Mb。TJA1040為總線提供差動的發(fā)送功能為 CAN控制器提供差動的接收功能。TJA1040收發(fā)器具備TJA1050的所有功能，同時還具有極低功耗的待機模式，以及通過總線喚醒能力。芯片管腳功能如表

48、2-3所示。當TJA1040斷電時，總線反向電流為零，這樣，沒有接通電源的節(jié)點不會對網(wǎng)絡其他部分造成影響，實際上它們此刻是不可見的。這種特性使得TJA1040非常適用于局部網(wǎng)絡中的供電與點火開關(guān)相連的節(jié)點。它與PCA82C250/251以及TJA1050完全兼容，TJA1040為汽車設計者提供了一個簡單的移植途徑。表2-3 TJA1040的管腳說明管腳編號管腳名稱描述1TXD發(fā)送數(shù)據(jù)輸入2GND接地3VCC電源電壓4RXD接收數(shù)據(jù)輸出；總線讀出數(shù)據(jù)5SPLIT共模穩(wěn)壓輸出6CANL低電平 CAN 總線7CANH高電平 CAN 總線8STB待機模式控制輸入TJA1040特性：a. 完全符合ISO

49、 11898標準；b.速度高達1Mbps；c.電磁輻射(EME)非常低；d.至少可以連接110個節(jié)點；e.發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)顯性超時功能；f.輸入級符合3.3V和5V的器件；g.過熱保護功能；h.SPLIT引腳對DC的穩(wěn)壓很有效；i.處于不上電狀態(tài)的收發(fā)器會從總線脫離(零負載)；j.在汽車的瞬態(tài)環(huán)境下對總線引腳進行保護；k.差動接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾(EMI)；l.如果使用分裂終端，電壓源可以穩(wěn)定隱性總線電平(進一步改善EME)；3.4JTAG通訊模塊設計JTAG(Joint Test Action Group聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149.1兼容

50、)，主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG最初是用來對芯片進行測試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個TAP通過專用的JTAG測試工具對進行內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試。 JTAG編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預編程實現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度。JTAG接口可對PSD芯片內(nèi)

51、部的所有部件進行編程。JTAG接口一般的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口。本設計采用20針接口，管腳的定義如表格2-4所示。根據(jù)JTAG接口的連接標準，設計JTAG接口如圖2-8所示。圖2-8 JTAG模塊電路表2-4 JTAG模塊引腳定義編號引腳名稱引腳定義1TCK測試時鐘輸入2TMS測試模式選擇，TMS用來設置JTAG口處于某種特定的測試模式3TDO測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出4TDI測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口5TRST測試復位，輸入引腳，低電平有效3.5 信號調(diào)理模塊設計汽車儀表所要顯示的信號有多種，除了通過CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之外，還要通過汽車信

52、號采集系統(tǒng)來采集開關(guān)量，經(jīng)過采集的開關(guān)量信號，如汽車啟動與否，車燈的開與關(guān)，車門是否關(guān)好，安全帶是否綁好等信號，通過光耦合器后，輸出數(shù)字量信號，輸入到主芯片中進行處理。開關(guān)量信號的調(diào)理電路如圖2-9所示。3.5.1光耦合器功能調(diào)理電路采用光耦合器。光耦合器，又稱光隔離器，是控制系統(tǒng)中常用的器件，它能實現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離。光耦合器的輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏晶體管。當發(fā)光二極管中通過一定值的電流時發(fā)出一定的光，被光敏晶體管接收，使其導通，而當該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，晶體管截止，利用這種特性即可達到開關(guān)控制的目的。光耦合器的輸入端和輸出端不能共用電源，否則沒有效果。圖2-9 開關(guān)量

53、信號調(diào)理電路光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。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。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。3.5.2光耦合器的特點光耦合器的優(yōu)點是能

54、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1001K之間，而干擾源的內(nèi)阻很大，通常為105108，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現(xiàn)輸入回路與輸出回路的光耦合，不會受到外界光的干擾；d.輸入回路與輸出回路之間分布電容很小，一般僅為0.52pF，而且絕緣電阻很大，通常為10111012，因此回路一邊的干擾很難通過光耦合器饋送到

55、另一邊去；光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。3.6 電機驅(qū)動模塊設計3.6.1 步進電機驅(qū)動儀表的原理本設計采用步進電機驅(qū)動儀表。根據(jù)步進電機所轉(zhuǎn)動的角度來計算儀表所顯示的數(shù)值。汽車儀表是用來顯示車輛的各種運行參數(shù)、故障等信息，它的發(fā)展經(jīng)歷了從機械式、電氣式、模擬電路式到目前廣泛應用的全數(shù)字式。指針式儀表因具有顯示的直觀性等優(yōu)點一直占據(jù)著主導地位而指針的控制大多采用步進電機來驅(qū)動。設計采用VID6606驅(qū)動器驅(qū)動步進電機。VID6606是一款專為驅(qū)動微型步進電機而設計的CMOS集成電路。每片VID6606可同時驅(qū)動4路步進電

56、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(zhuǎn)動。芯片為了過濾快速電壓瞬變，建議連結(jié)二個100nF陶瓷電容到電源輸入腳(1、15)，每邊一個，并盡可能的靠近芯片。圖2-10所示為VID6606驅(qū)動儀表電路。工作時，處理器根據(jù)前面采集到的車況信號，計算出儀表應該顯示的刻度，從而計算出儀表指針應該轉(zhuǎn)過的角度。本設計采用的是VID29式的步進電機，并且采用該電機的微步模式。在該模式下，給電機一個周期的脈沖則電機轉(zhuǎn)動1/12°。這樣，就可以通過對芯片的編程來控制輸出的脈沖周期數(shù)，從而控制電機轉(zhuǎn)過的角度大小，也就是儀表指針轉(zhuǎn)過的角度，從而知道儀表所顯示的數(shù)值。同時信號還可以控制驅(qū)動模塊的方向端口。當