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摘要：由于新能源汽车仪表显示内容的独特性，传统汽车仪表的设计并不能完全适应新能源汽车的要求，本文介绍了一种基于CAN总线的纯液晶汽车仪表的设计。该仪表以CAN总线为基础，通过微处理器进行数据采集、分析和处理，实现了仪表基本功能、动力驱动系统显示、动力能源系统参数显示以及相关系统故障信息报警等功能。仪表界面的快捷设计，为实现仪表界面显示的丰富多彩提供了方便。
关键词：仪表；CAN；微处理器；通讯协议
Abstract： As new energy automotive instrument display content uniquely， traditional car dashboard design can’t fully meet new energy vehicles requirement. The paper introduces a pure liquid crystal automotive instrument design based on CAN bus. This instrument with CAN bus conducts data acquisition， analysis and processing by a microprocessor， aims to achieve basic functions of instrument， power drive systems， power-energy systems and associated parameter display system fault message alarm. Fast designed instrument interface realize colorful instrument display to provide convenient interface.
Key words：Meter；CAN； Microprocessor； Communication protocol
0引言
随着汽车技术的发展，人们对汽车要求也越来越高，特别是对仪表显示的直观和美观要求更高。汽车仪表由各种仪表、指示器，特别是驾驶员用警示灯报警器等组成，是駕驶员与汽车的可视化交互界面。按仪表的工作原理不同，可以为：
（1） 纯机械式[1] 传统的机械仪表是
通过步进电机来实现驱动仪表中指针，其他信息通过仪表指示灯来显示。但只能提供少量的整车信息数据，不能满足目前汽车新技术、高速度传输的要求。
（2） 机械加显示屏式 该仪表形式
仍保持仪表中步进电机驱动指针显示方式，部分信息通过显示屏来显示。但不易于显示界面的重复修改，增加设计开发费用，液晶显示屏显示的信息量过大。
（3） 纯液晶式 利用LCD液晶屏直接
显示图形或文字信息。同时还有智能处理单元，可以与汽车其它控制单元交互信息。是一种网络化、智能化的仪表、其功能更加强大、显示内容更加丰富、可视化舒适界面、线束简单、显示界面修改简单。
在当前现代汽车对仪表显示整车信息内容复杂、传输快、准确性高，成本低、安全性高和轻量化的要求，
CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、汽车技术等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
本文针对于纯电动汽车的特点[2]，设计了一种基于CAN总线技术的纯液晶汽车仪表设计方案，能够很好地解决了当前汽车数据信息大、实时性好、准确度高、显示内容丰富多彩、质量轻、CAN网络传输、线束简单，同时可以根据不同客户的需求设计不同的显示界面，不需要更改硬件，只需根据CAN协议修改软件，从而缩短开发周期，克服了传统仪表的不足。
1液晶显示界面的开发
本仪表采用7寸（分辨率800×480）的可编程智能TFT LCD（简称PS-LCD），是一种集LCD显示屏、LCD控制器、触摸屏、人机界面处理系统和通讯接口于一体的智能显示屏，可通过串口与外部控制单元进行数据的交换，实现人机交互界面。
1.1 界面的设计
Designer 是一个Windows端的可视化界面集成开发环境，用于完成基于GUI操作系统的产品界面开发。通过该软件工具，可设置运行参数、设计界面静态外观、定义动态行为。无需PS-LCD硬件，Designer模拟器可完成界面效果验证。
与传统汽车的常规仪表相比，纯电动汽车的仪表有车速里程表、转速表、水温表、电量表、充电表、电机参数、电池组参数及等，确定仪表界面分成三个界面设计，界面之间的切换可以通过触摸方式完成。
1.2 生成界面文件spf
在完成对相关控件属性和动作脚本程序后，可通过Designer工具完成最终界面输出文件spf，并通过Flex工具spf文件通过USB高速下载到PS-LCD中。
2硬件设计
本设计的纯液晶仪表除显示传统
仪表信息外，还需要从整车CAN线中获取电机、电池组和整车故障报警等信息，并在仪表各界面内显示出来。
本文采用CAN总线技术，通过PIC单片机将CAN线上得到的数据信息处理后，利用PS-LCD驱动模组的UART串口与单片机进行通讯，从而让仪表显示出一系列信息。总体的系统设计方案如图3所示。
2.1微控制器的选型[3]
本设计选用的是一款高性能的RISC CPU 16位PIC18F458单片机，该单片机的时钟输入总线频率可达40MHz，具体增强型可寻址USART模块和CAN功能模块，同时PIC18F458单片机的I/O驱动电流可达25mA，可满足该仪表的设计要求。作为CAN总线网络节点的仪表微控制器，主要完成从CAN总线收集相关数据、处理，并通过USART串口传输到仪表PS-LCD，从而实现仪表的显示。 2.2供电电路的设计
本系統设计的电源主要是5V，其中PS-LCD的驱动电流要求0.6mA，同时为微处理器及CAN模块硬件电路供电。
LM2676系列稳压器是单片集成电路，提供所有的积极作用，降压（降压）开关稳压器，可驱动高达3A的负载出色的线路和负载调节特性。LM2676系列还具有内置热关机、电流限制、控制输入的ON / OFF以及宽输入电压（8～40V）。电压的转换效率高达94%，±2%最大输出容差，且外围结构电路简单、易于设计。详细电源外围电路如图4所示。
2.3 CAN模块硬件电路的设计
由于该整车控制器采用两路CAN，位速率都是250kbit/s。为了防止外界对单片机的干扰，在收到器和单片机之间放置光耦，采用了电流隔离方式。
PCA82C250/251 收发器是典型协议控制器，通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到收发器收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线，从而实现数据的传输。
6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。
3软件设计
CAN 是Controller Area Network 的缩写[4]（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。同时该CAN协议遵守J1939协议。
PS-LCD作为先进的智能人机界面产品，能通过通讯接口完成与外部液晶微处理器实现数据交互。该PS-LCD支持两种通讯协议：CTP协议和用户自定义协议。
该设计采用的是用户自定义通讯协议，以便让PS-LCD能够灵活地与各种外部控制单元实现协议的无缝连接。任何外部微控制器都能与PS-LCD实现连接通讯，完成人机界面交互。如图6所示。
在设置好通讯协议类型后，在系统控件“串口0”的动作脚本内调用sysCom0.read（）函数读取有效串口数据。PS-LCD根据设置好的阀值、帧头和帧尾等属性，自动接收串口数据放入缓冲区并按指定条件和编写的接收处理程序触发动作脚本执行完成数据读取。
4结论
本文开发的纯液晶仪表适用于纯电动汽车仪表系统，成功实现了仪表基本功能、动力驱动系统显示、动力能源系统参数显示以及相关系统故障信息报警等功能。同时以CAN总线技术为基础，通过微处理器进行数据分析和处理，在液晶仪表上显示相关信息。通用性强、液晶软件修改简单，内容丰富等特点，是液晶仪表未来的发展更有优越性。
参考文献
[1] 陈新，张桂香，肖奇云.电动汽车液晶数字仪表的设计[J].汽车工程，2013，35（3）：272.
[2] 曹成昆，何彬，唐航波.混合动力汽车真彩液晶数字仪表软件设计[J].上海交通大学，2008，42（7）：1081.
[3] 刘和平，等.PIC18Fxxx单片机原理及接口程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[4] 曹晓琳，王登峰，车晓雷.汽车CAN总线数字组合仪表设计[J].汽车工程，2010，32（29）：87-88.
关键词：仪表；CAN；微处理器；通讯协议
Abstract： As new energy automotive instrument display content uniquely， traditional car dashboard design can’t fully meet new energy vehicles requirement. The paper introduces a pure liquid crystal automotive instrument design based on CAN bus. This instrument with CAN bus conducts data acquisition， analysis and processing by a microprocessor， aims to achieve basic functions of instrument， power drive systems， power-energy systems and associated parameter display system fault message alarm. Fast designed instrument interface realize colorful instrument display to provide convenient interface.
Key words：Meter；CAN； Microprocessor； Communication protocol
0引言
随着汽车技术的发展，人们对汽车要求也越来越高，特别是对仪表显示的直观和美观要求更高。汽车仪表由各种仪表、指示器，特别是驾驶员用警示灯报警器等组成，是駕驶员与汽车的可视化交互界面。按仪表的工作原理不同，可以为：
（1） 纯机械式[1] 传统的机械仪表是
通过步进电机来实现驱动仪表中指针，其他信息通过仪表指示灯来显示。但只能提供少量的整车信息数据，不能满足目前汽车新技术、高速度传输的要求。
（2） 机械加显示屏式 该仪表形式
仍保持仪表中步进电机驱动指针显示方式，部分信息通过显示屏来显示。但不易于显示界面的重复修改，增加设计开发费用，液晶显示屏显示的信息量过大。
（3） 纯液晶式 利用LCD液晶屏直接
显示图形或文字信息。同时还有智能处理单元，可以与汽车其它控制单元交互信息。是一种网络化、智能化的仪表、其功能更加强大、显示内容更加丰富、可视化舒适界面、线束简单、显示界面修改简单。
在当前现代汽车对仪表显示整车信息内容复杂、传输快、准确性高，成本低、安全性高和轻量化的要求，
CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、汽车技术等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
本文针对于纯电动汽车的特点[2]，设计了一种基于CAN总线技术的纯液晶汽车仪表设计方案，能够很好地解决了当前汽车数据信息大、实时性好、准确度高、显示内容丰富多彩、质量轻、CAN网络传输、线束简单，同时可以根据不同客户的需求设计不同的显示界面，不需要更改硬件，只需根据CAN协议修改软件，从而缩短开发周期，克服了传统仪表的不足。
1液晶显示界面的开发
本仪表采用7寸（分辨率800×480）的可编程智能TFT LCD（简称PS-LCD），是一种集LCD显示屏、LCD控制器、触摸屏、人机界面处理系统和通讯接口于一体的智能显示屏，可通过串口与外部控制单元进行数据的交换，实现人机交互界面。
1.1 界面的设计
Designer 是一个Windows端的可视化界面集成开发环境，用于完成基于GUI操作系统的产品界面开发。通过该软件工具，可设置运行参数、设计界面静态外观、定义动态行为。无需PS-LCD硬件，Designer模拟器可完成界面效果验证。
与传统汽车的常规仪表相比，纯电动汽车的仪表有车速里程表、转速表、水温表、电量表、充电表、电机参数、电池组参数及等，确定仪表界面分成三个界面设计，界面之间的切换可以通过触摸方式完成。
1.2 生成界面文件spf
在完成对相关控件属性和动作脚本程序后，可通过Designer工具完成最终界面输出文件spf，并通过Flex工具spf文件通过USB高速下载到PS-LCD中。
2硬件设计
本设计的纯液晶仪表除显示传统
仪表信息外，还需要从整车CAN线中获取电机、电池组和整车故障报警等信息，并在仪表各界面内显示出来。
本文采用CAN总线技术，通过PIC单片机将CAN线上得到的数据信息处理后，利用PS-LCD驱动模组的UART串口与单片机进行通讯，从而让仪表显示出一系列信息。总体的系统设计方案如图3所示。
2.1微控制器的选型[3]
本设计选用的是一款高性能的RISC CPU 16位PIC18F458单片机，该单片机的时钟输入总线频率可达40MHz，具体增强型可寻址USART模块和CAN功能模块，同时PIC18F458单片机的I/O驱动电流可达25mA，可满足该仪表的设计要求。作为CAN总线网络节点的仪表微控制器，主要完成从CAN总线收集相关数据、处理，并通过USART串口传输到仪表PS-LCD，从而实现仪表的显示。 2.2供电电路的设计
本系統设计的电源主要是5V，其中PS-LCD的驱动电流要求0.6mA，同时为微处理器及CAN模块硬件电路供电。
LM2676系列稳压器是单片集成电路，提供所有的积极作用，降压（降压）开关稳压器，可驱动高达3A的负载出色的线路和负载调节特性。LM2676系列还具有内置热关机、电流限制、控制输入的ON / OFF以及宽输入电压（8～40V）。电压的转换效率高达94%，±2%最大输出容差，且外围结构电路简单、易于设计。详细电源外围电路如图4所示。
2.3 CAN模块硬件电路的设计
由于该整车控制器采用两路CAN，位速率都是250kbit/s。为了防止外界对单片机的干扰，在收到器和单片机之间放置光耦，采用了电流隔离方式。
PCA82C250/251 收发器是典型协议控制器，通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到收发器收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线，从而实现数据的传输。
6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。
3软件设计
CAN 是Controller Area Network 的缩写[4]（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。同时该CAN协议遵守J1939协议。
PS-LCD作为先进的智能人机界面产品，能通过通讯接口完成与外部液晶微处理器实现数据交互。该PS-LCD支持两种通讯协议：CTP协议和用户自定义协议。
该设计采用的是用户自定义通讯协议，以便让PS-LCD能够灵活地与各种外部控制单元实现协议的无缝连接。任何外部微控制器都能与PS-LCD实现连接通讯，完成人机界面交互。如图6所示。
在设置好通讯协议类型后，在系统控件“串口0”的动作脚本内调用sysCom0.read（）函数读取有效串口数据。PS-LCD根据设置好的阀值、帧头和帧尾等属性，自动接收串口数据放入缓冲区并按指定条件和编写的接收处理程序触发动作脚本执行完成数据读取。
4结论
本文开发的纯液晶仪表适用于纯电动汽车仪表系统，成功实现了仪表基本功能、动力驱动系统显示、动力能源系统参数显示以及相关系统故障信息报警等功能。同时以CAN总线技术为基础，通过微处理器进行数据分析和处理，在液晶仪表上显示相关信息。通用性强、液晶软件修改简单，内容丰富等特点，是液晶仪表未来的发展更有优越性。
参考文献
[1] 陈新，张桂香，肖奇云.电动汽车液晶数字仪表的设计[J].汽车工程，2013，35（3）：272.
[2] 曹成昆，何彬，唐航波.混合动力汽车真彩液晶数字仪表软件设计[J].上海交通大学，2008，42（7）：1081.
[3] 刘和平，等.PIC18Fxxx单片机原理及接口程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[4] 曹晓琳，王登峰，车晓雷.汽车CAN总线数字组合仪表设计[J].汽车工程，2010，32（29）：87-88.