基于CAN总线的纯电动汽车数字组合仪表开发

裴春松，韩洪兴

（1.河南少林汽车股份有限公司，河南 荥阳 450100；2.南京赛格微电子科技有限公司，江苏 南京 210028）

面对日益严峻的能源、环境与气候变化三大挑战，大力发展新能源汽车，实现交通能源转型，成为实现汽车行业可持续发展的重要途径。新能源汽车技术经历了百花齐放的探索期后，主流技术已逐步清晰，实现汽车动力电气化，发展电动汽车是其总体趋势和战略重点，这在国际上已形成共识。

近年来，国内电动汽车取得了重大的发展。初期研发的电动汽车，大都是在传统车的基础上改制而成的，电动汽车的显示仪表仍然借用传统车的仪表，电动汽车运行时的电机信息、电池信息等一般通过另外加装的显示屏来显示，既不美观，也影响行驶安全。

SGW206型仪表是河南少林汽车股份有限公司和南京赛格微电子科技有限公司联合设计开发的一款纯电动汽车用仪表，适用于纯电动中巴车。该型仪表简单大方、功能齐全，可以通过CAN接口和整车控制器、电池管理系统实现CAN通信，通过仪表中间的TFT液晶屏幕实时显示驱动系统、电池系统的各项数据。该仪表经过装车验证，性能良好，具有很高的可靠性，装配此型仪表的电动汽车总运行里程已达11万公里，仪表系统没有出现过故障。

1 仪表总体功能设计

本仪表的整体设计方案如图1所示。该型组合仪表是一块带有CAN总线接口的数字仪表，可以与整车控制器、电机控制器和电池管理系统实现CAN通信。该组合仪表主要包括6个独立指针表、24个广视角报警灯和TFT-LCD液晶显示屏。组合仪表界面如图2所示。

车速表、电机转速表为240°旋转角度的独立仪表，气压表、电机温度表、电压表为90°旋转角度的独立指针表。独立指针表采用步进电机来驱动，采用微步驱动控制，分辨率高达十二分之一度，工作稳定精准。

5.6寸数字TFT液晶显示屏的屏幕顶部显示报警信号指示，包括充电指示、电池故障指示、CAN通信指示、READY/STOP指示、空档指示、倒档指示以及前进档指示。屏幕中部分页显示储能系统、车身系统、充电系统、驱动系统的各种信息和状态。液晶屏下部显示里程信息和故障报警信息。TFT显示界面如图3所示。

信号及报警指示灯用来指示车辆运行中的一些关键状态，告知驾驶员有关电气系统和动力电池系统的状况。报警指示灯采用高亮度的LED灯，具有高寿命、高稳定性等特点。报警指示装置见表1。

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2 仪表硬件电路设计

系统硬件设计中，采用了模块化的设计方法。本仪表系统的硬件由单片机系统、电源模块、CAN通信模块、输入信号处理模块、状态指示灯模块和TFT液晶屏模块等组成，如图4所示。

2.1 PIC30F5011单片机系统

仪表的MCU采用MICROCHIP公司的16位微处理器PIC30F5011，该芯片采用16位数据改良的哈佛架构，包含对DSP指令的支持，具有快速中断处理、丰富的数字和模拟外设，电源管理和灵活的时钟模式，主要有上电复位、欠压保护、WDT定时器、代码加密等功能。内部具有66K ROM、4K RAM、1K EEROM、5个16位定时器、10位AD转换器，工作温度-40～+125℃，能够完全满足汽车使用环境的要求，并支持运行、休眠、空闲等多种工作模式。它的内部结构如5图所示。

2.2 电源模块

MCU和外围器件的供电采用Infineon公司汽车专用电源芯片TLE7469，带有外部看门狗电路，输入电压范围宽 （7～45 V），输出电压精度高，并有短路、过温和电池反接保护等功能。电源模块的内部结构如图6所示。

2.3 CAN通信模块

PIC30F5011内置有CAN通信控制器，可以很方便地实现物理层和数据链路层的功能。CANH和CANL是CAN总线的两条差分接收/发送复用线路，它们的端点各接一个120 Ω的总线匹配电阻。当有节点占有CAN总线时，该节点的发送端 （电平为3.5V）接CANH， 接收端 （电平为1.5V）接CANL； 当无节点占有CAN总线时，CANH和CANL上的电平均为2.5V。

在PIC30F5011和总线收发器PCA82C250之间采用高速光电隔离器6N137，可有效防止干扰信号通过PCA82C250传入主控制器；同时对整个系统还进行了金属屏蔽，传输线采用屏蔽双绞线，以减少电磁干扰。PCA82C250是CAN控制器和物理层之间的接口，可以提供对总线数据的差分接收和发送能力，具有在汽车环境下抗瞬间干扰、保护总线的能力。CAN通信模块电路如图7所示。

本仪表系统通信速率可根据需要设定，本文设定值为250kb/s。CAN总线网络报文结构如表2所示，采用扩展帧格式，即29位标识符。其中，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为0；DP现固定为0；8位的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址。

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2.4 TFT显示屏模块

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是 “真彩” （TFT）。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶。TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、色彩鲜艳，一表多用，具有高精度和高可靠性。

电路采用ALTERA公司的大规模可编程集成电路 （CPLD）EPM3128编程实现，性能稳定可靠。缓存采用大容量SRAM，对于800×RGB×480点阵彩色LCD可储存4页显示内容，对当前页或任一页读写不影响当前页的显示，无雪花现象，页之间的内容可方便地实现交替显示。

TFT-LCD原理框图如8所示，与MCU连接的电路原理图见图9。

2.5 状态指示灯模块

状态指示灯用来指示车辆运行中的状态，如手制动状态、乘客门状态、灯光状态、电源状态、系统状态等。状态灯电路原理如图10所示。

3 系统软件设计

软件是系统功能实现的关键，本系统软件主要由CAN通信协议程序和数据处理程序组成。

CAN通信协议程序主要负责对实时性要求较高的控制单元动作的采集、处理和传送，一旦系统检测到有效动作信号，将调用相关的子程序，由ECU处理该数据。

数据处理程序主要负责仪表TFT-LCD、步进电机和报警指示灯的显示。由信号采集或者CAN总线采集的数据，通过ECU的运算，分别驱动仪表指针转动到相应的位置、TFT显示相应的画面和报警指示灯的亮灭。

CAN通信程序流程如图11所示，数据处理程序流程如图12所示。

4 结束语

本文开发的用于纯电动汽车的数字总线仪表以MICROCHIP公司的PIC30F5011单片机为控制核心，主要通过TFT-LCD液晶显示屏动态显示电动汽车的各种运行信息。目前该款仪表已经完成了小批量装车，在实际测试中得到了验证，能够满足电动汽车的需要。