研究嵌入式系统的CAN总线汽车仪表

摘 要：时代的发展推动了汽车行业的创新变革，汽车如今在人们的生活中越来越普遍被使用，汽车的性能等也有了新的要求。在电子信息的快速发展下，汽车对此进行了融合，使得汽车的发展更加的现代化、科技化[1]。目前，嵌入式系统在汽车领域中已经开始使用，利用嵌入式系统能够使CAN总线汽车仪表得到新的创新发展，并提高汽车行业的经济科技效率。CAN总线技术就是新型的信息高效传输技术，利用此可将汽车之间的传感器进行信号传递，使得汽车更加的智能化。

关键词：CAN总线技术 嵌入式系统 汽车仪表

Abstract：The development of the times has promoted the innovation and change of the automotive industry， and automobiles are now more and more commonly used in people's lives， and the performance of automobiles also has new requirements. Under the rapid development of electronic information， automobiles have integrated this， making the development of automobiles more modern and technological. At present， embedded systems have begun to be used in the automotive field， and the use of embedded systems can make new innovative developments in CAN bus automotive instruments and improve the economic and technological efficiency of the automotive industry. CAN bus technology is a new type of efficient information transmission technology， which can be used to transmit signals between sensors between cars， making cars more intelligent.

Key words：CAN bus technology， embedded systems， automotive instrumentation

1 引言

隨着汽车的不断发展，汽车之间的传感器和信号传输线越来越多，使得汽车的美观性受到了影响。如今人们对于汽车的要求越来越高，为了进一步提高汽车的使用性能，利用嵌入式系统对其进行整改创新，从而使得汽车的信号传递更加快速。CAN总线技术在汽车仪表中已经得到了广泛应用，利用此技术能够对汽车的不同电控单元和传感器进行控制，使得信号传递得到更大的发挥。随着嵌入式系统的CAN总线技术在汽车仪表中的广泛使用，此技术已经成为了汽车信号传递的主要总线系统。

2 汽车仪表嵌入系统的CAN总线应用原理与作用

汽车的CAN总线技术是通过两条线实现车辆电控模块内部的信息传输，使整个总线系统的信息均可以在两条线上实现传递，从一定意义上大大减少了传递信息的使用时间，并进一步提高了数据传输的效率。汽车仪表嵌入系统的CAN总线在汽车的电控模块内还增加了相应接收器、信号处理器和信息转发器，通常通过两条数据连接线和不同的电控模块联系在一起，并利用此将数据信号进行传送。在传输中一般使用三个网络系统，一是动力系统网络，二是车身系统网络，三是娱乐系统网络，其中娱乐系统网络的技术要求较为严苛，因此对数据的传输速度要求特别高，其传输速率通常为每秒1MB。其中，动力系统网络的传输速度通常为每秒500KB，而车身系统网络的传输速度则为每秒100KB。由于不同层次的网络传输速率不同，因此在使用期间要用网关对此进行协调运用。在CAN总线实行期间，传感器、执行器和控制单元要相互结合形成节点，并通过数据线将每个节点连接起来，从而组成一个现场总线系统。通过现场总线系统的整合能够形成一个汽车整体的信号传输网络，进而实现对整车控制信号的快速传输[2]。

CAN总线技术目前已经在汽车仪表方面得到了广泛应用，由于其自身优势出众，整个技术已经成为了目前汽车行业技术发展的新方向。CAN总线的应用使得汽车的仪表线路得到简化，让整个布线方式精简化，不仅节约了汽车的制造成本，还让汽车的自身重量得到降低。通过网关的协调作用使得CAN总线系统的数据传输速率得到提升，并且当CAN总线系统的某一项电控单元受到损坏时，其他电控单元由于并联的方式并不会受到影响，依然可以顺利运行。此外，当CAN总线系统中的一根数据线受到损坏时，整个系统还可以进行单线运行，这就造成了CAN总线系统具有超高的稳定性。

3 嵌入式系统的应用特点

（1）实时性。嵌入式操作系统通常用在特殊的多用户计算机用户系统中，所以整个操作系统具有体积较小、流通功耗较低、系统集成度较高和成本低廉的优点。通过嵌入式系统能够把板卡上所进行的任务同时整合到芯片的内部中，进而让整个嵌入式系统更加具备专业性和小型化。通过这样的方式提高了整个系统的移动能力，从而让网络和系统能够紧密结合，进一步推动了嵌入式系统的电子信息化。在电子信息的快速发展期间，嵌入式操作系统涵盖了半导体技术、网络通信技术等，对不同技术进行分析融合，使得嵌入式系统得到更综合性的发展[3]。同时由于各项技术的加持，嵌入式系统能够不断创新、研发出更具有继承性的系统，使得整个系统具有严格的实时性。

（2）周期性。嵌入式系统与汽车仪表程序结合在一起能够对其进行升级换代，使得汽车仪表得到更好的创新发展。所以，嵌入式系统在汽车仪表中使用具有较长的周期性。

（3）设计性。嵌入性系统中的硬件和软件在设计期间要求有较高的效率，并在安全稳定的状况下追求性能的先进性和创新性，利用成本的降低投入不断提升嵌入式系统在产品中的市场。

（4）软件存储。为了进一步提高整个嵌入式操作系统的传输执行速率和稳定性，系统将相关软件固化在存储芯片中或者内部的处理存储器中。由于嵌入式系统的特性，所以整个软件存储不会出现在外盘或者移动硬盘中，整体具有严格的划分。

（5）无开发功能。嵌入式系统虽然整体较为先进，但还不具有自主开发功能。在整体系统设计完毕后，用户无法对相关程序和系统进行整改，只有拥有全套的交叉开发工具和特定的环境中才能进行相关开发，所以整个嵌入式系统的保密性非常高。

4 嵌入式系统的CAN总线在汽车仪表中的硬件设计

汽车仪表可以利用处理器对它进行相关操作，处理器一般可以使用S3C6410處理器，它具有低功耗、高性价比的特点，因此在应用期间对于图形加速、编码、显示处理等有很大的功能优势。处理器在硬件设施方面有很多的外设，比如拥有真彩色的控制器，定时器和卡接口等。由于这些硬件设施的存在使得整个处理器有很大的扩展空间，所以在汽车仪表的后续研究创新中有很大的优势和潜力。为进一步提高嵌入式系统的CAN总线在汽车仪表中的硬件设计，可从系统的设计原则、功能需求分析等方面进行展开，对硬件设计做出相应的对策分析。

4.1 嵌入式系统CAN总线在汽车仪表中的硬件设计原则

随着目前对于汽车仪表的要求越来越高，开发者能够从系统本身出发，利用嵌入式系统CAN总线技术进行相关设计，进一步提高汽车仪表的硬件设计。目前汽车仪表对显示信息等要求越来越清晰直观，且整个仪表的响应速度不断提升，这就要求汽车仪表要结合系统进行创新设计，且遵循以下几项设计原则。首先，嵌入式系统CAN总线在汽车仪表硬件设计期间要尽可能地使信息交流页面清晰整洁，从而确保驾驶员能够在不分心的状态下了解信息，不仅保证了驾驶员的安全性，也进一步提升了汽车仪表的使用满意率。其次，利用嵌入式CAN总线技术对汽车仪表进行创新发展，使得汽车仪表既有基本的技术，也有相应的创新技术[4]。利用CAN总线技术能够确保汽车在行驶期间遇到极端天气能够使信息详细化，并且具有真实性，保障系统在环境变化时也拥有良好的安全稳定性。此外，随着电子信息技术的不断发展，汽车仪表要利用嵌入式系统的CAN总线技术对其硬件后续发展空间做出预留，保障系统在功能设计时对整个程序产生较大的影响。最后，整个汽车仪表在硬件设计时要考虑经济实用性，将市场需求作为整个系统开发融合的前提，利用嵌入式系统的CAN总线技术对汽车仪表的市场进行前景分析，从而保证整个创新设计具有较好的开发性。且在设计期间要考虑驾驶的舒适性，进一步提高汽车仪表在车中的美化性质。

4.2 嵌入式系统CAN总线在汽车仪表中的硬件设计技术方案

在汽车仪表设计期间首先要将仪表作为CAN网络中的一个节点，让其接收来自CAN网络中的各种传输信息，与此同时让它在完成数据参数的收集工作，内容涉及发动机的工作速度、电压表、轮胎气压的模拟信息等，利用此进一步分析相关数据的信息状况。此外，还通过单片机对汽车仪表的按键控制和仪表板照明控制的模块进行了设计，使部分状态指示灯的相关信息和传感器的信息可以在仪表内利用外部控制开关等设备实现控制，使单片机直接与此设备联系。在设计期间利用嵌入式系统CAN总线对汽车仪表的硬件系统进行功能划分，从而使整个汽车仪表的各项功能更加具体。在设置电源调节模块时，汽车仪表系统结合CAN总线技术，对电源进行控制，使用24V电系电源，且让电源有自身的波动空间，一般控制在12-32V之间。利用对电源电压的调控进一步保证各个器件的稳定性，使得汽车仪表的安全性进一步得到提升。而在设计CAN通信接口板块时，为了进一步实现CAN控制器的各项功能，利用通信协议和通信速率等对不同的标识符进行接收，并通过嵌入式系统使得汽车在电磁干扰的状态下能够依然进行工作，让通过编程测试的CAN模块可以正常得到使用。当设立信息显示模块时，利用嵌入式系统CAN总线技术对信息显示进行划分，分为步进电机驱动仪表信息和液晶屏显示信息。通过液晶屏的显示功能可以完成对步进电机仪表指针显示结构的实际操作，利用此操作可以使仪表的整体结构更加完善紧凑，并且指针模拟的指示结构更加明确直观。目前步进电机的仪表显示在社会上已经得到了广泛推广，在汽车、卡车等有了大量的使用。而液晶屏的仪表显示功能更加强大，利用嵌入式系统CAN总线技术对此进行操作研究，使得整个技术更加繁杂。如今液晶屏仪表显示功能则更广泛存在于高档轿车中，利用此功能进一步提升了汽车的人性化发展，使得汽车更加的美观舒适。

5 嵌入式系统的CAN总线在汽车仪表中的软件设计

5.1 CAN总线通信设计

嵌入式系统CAN总线技术是汽车行业中广泛应用的一种技术，目的是想解决现代汽车中电控单元过多存在问题，利用此技术进行通信协议开发，使得车辆之间可以利用电子控制单元进行信息交换，从而在此基础上形成一定的网络系统。嵌入式系统CAN总线技术利用标准模型制定相应的应用层协议，并通过这些协议明确规定了数据发送的地址、数据发送的优先级和信息扩展的格式等。利用CAN总线技术对网络进行连接装置，使得数据信息在高速中也能被快速传输。一般CAN在通信设计期间能够将整个系统分为不同的、独立的程序模块，利用不同的程序进行管理控制，使得整个汽车仪表在此基础上更好的进行发展。嵌入式系统CAN总线在进行工作期间，首先对处理器进行初始化操作，将寄存器逐一对应起来，并且在执行期间让整个程序严格遵循SPI指令。一般SPI指令包含复位、读、写、发送等不同的请求，并且初始化必须要在配置模式下才能够顺利进行。

5.2 人机交互页面设计

嵌入式系统CAN总线技术能够实现汽车仪表的人机交互页面，通过计算机语言能为汽车仪表提供一套丰富的、高动态的用户页面框架和开发工具。由于计算机语言具有描述用户页面外观和行为的特性，因此可用其对用户页面进行树形结构设计。利用嵌入式系统的CAN总线技术可将计算机语言应用在汽车仪表系统中，用计算机语言定义不同的用户页面元素，将元素进行整合调整，进而创新出新的应用程序。计算机语言对汽车仪表的数据创建模型非常重要，利用此方式能够使CAN总线技术发挥的更加全面，对资源的利用率和数据传输等都具有强烈的影响。此外，还可以利用嵌入式系统CAN总线将计算机语言和C++模块进行整合，让其能够实现不同语言和网络数据的交互，从而使得汽车仪表的系统环境被加载调用，使人机交互页面得到更多的数据信息。在人机交互页面设计期间整个内容设计页面布局、通信机制的应用、通信状态的转换等，将嵌入式系统CAN总线与人机交互页面进行整合，可以让通信方式更加便捷的传输到汽车仪表中，且汽车仪表可以快速接收数据信息。在人机交互的页面中，还可以利用程序对仪表盘的图片进行缩放，让其成为适合的屏幕，然后利用程序进行仪表盘指针旋转，将图片的中心作为转轴。通过嵌入式系统CAN总线对此进行整合分析，可以使汽车仪表实现人机交互页面的设计，进一步推动汽车仪表的智能化发展。

5.3 CAN控制器协议驱动板块

嵌入式系统CAN控制器协议转化板块程序主要利用寄存器进行控制，要将汽车仪表的系统接入以太网中，就要对程序进行编码，对以太网的数据进行收发。由于以太网控制整个驱动程序的工作状态，所以数据的缓冲和数据地址的读写工作就要利用以太网来进行发送。在以太网工作期间，首先要对程序进行复位，让其成为跳线模式。再对程序进行工作数据设定，让其能够顺利展开工作。其次对读写程序进行相应的数据分发和接收，让以太网的控制器在工作中利用不同的函数对程序进行初始化状态分布。当初始状态完成之后，再用单片机对数据进行分析处理，将不同情况一一对应。当数据传输的端口正确时，就認为数据报正确，对数据进行解包，然后将数据传输到缓冲区里，最后把部分数据通过接口进行输出。若是单片机从接口接收到数据时，就通过数据协议的方式进行打包，将其送到数据缓冲区中，最后由程序输送到局域网中。由于在嵌入式系统CAN总线中使用的通信传输利用的是短帧形式，所以在使用传输协议期间，要分清不同传输协议的数据规格，对于不同的数据规格进行相应的连接，从而确保数据传输的有效性。在连接传输基础上利用CAN总线技术进行创新发展，进一步推出无连接接触，从而使得汽车仪表中的网络数据传输效率加快，进而推动了汽车仪表的相关发展。

6 结语

如今嵌入式系统CAN总线技术已经在汽车行业有了相应的使用，在汽车仪表方面也有了普遍的推广，利用此技术能够加快汽车仪表的信息网络数据传输，使得汽车行业进一步得到发展。随着社会发展的越来越智能化，汽车也在向着更加智能化、电子化的时代发展，并且CAN总线技术拥有更加广阔的发展空间，利用此技术与汽车行业相结合，能够为汽车打造更加高端的科技系统[5]。此外，将嵌入式系统CAN总线技术应用于汽车仪表中在一定程度上可以降低汽车电控单元的使用成本，让汽车仪表在其他性能方面得到更好的提升延伸。同时，CAN总线技术拥有抗干扰、传输效率高等特点，所以在使用期间可以保证整个信息的安全稳定，简化整个汽车仪表的设计。

参考文献：

[1]基于CAN总线的汽车仪表盘电控单元设计[J]. 欧阳琰，王贵槐，陈先桥，初秀民.武汉理工大学学报（信息与管理工程版）. 2019（01）.

[2]新能源汽车仪表盘的CAN总线通讯研究[J].王悦，张昕.内燃机与配件.2021（21）.

[3]基于CAN分析仪和汽车仪表测试的教学实训平台设计[J].李敏，周先飞，陈万顺，汤恒，张振.江汉大学学报（自然科学版）.2020（02）.

[4]声音警告及报警灯输出在汽车仪表产品中的技术实现[J].杨细莲，黄美红，李旭东.广西农业机械化.2019（05）.

[5]汽车仪表检测设备在线故障处理解决方案探索[J].屈青青.时代汽车.2022（21）.

作者简介

杜川川：（1985.05—），男，汉族，河南人，本科，电子信息工程中级职称，研发工程师。研究方向：汽车智能座舱域。