基于CAN总线的汽车多功能显示器研究分析

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    摘  要  本文以一个PSA（标致雪铁龙）CAN总线上的车载多功能显示器产品为例，简要阐述了基于汽车CAN总线网络的多功能显示系统的技术框架、系统研究技术关键点和相应的解决方案。
    关键词  多功能显示器；CAN总线；记忆电流；OSEK/VDX规范


  1  引言

    随着现代科技的发展，汽车行业正日渐成为电子技术应用最密集的领域之一。在众多的汽车电子产品中，基于总线的车载多功能显示系统更是随着汽车音响、空调和仪表盘等汽车电子产品发展而发展起来的一种新型产品。不同于仪表、音响和空调等部件的显示，汽车多功能显示屏显示的大多是一些经二次特殊运算处理的燃料经济指标（如瞬时油耗、平均油耗、余油行驶里程、总行驶里程等）以及一些诸如车内外温度、行驶方位等环境参数。也可以用来显示时间、日期、外部温度、收音机功能、CD功能、警告信息及驾驶员信息等。
    基于总线的车载多功能显示系统有两个重要的特点，使之成为人们的关注焦点：第一，作为音响和仪表系统的显示的补充，其主要显示的是用户和制造厂家乃至维修部门都关心的燃料经济性等汽车性能指标及环境参数；第二，它对行驶中的安全是十分重要的，如果驾驶员低头看仪表或音响显示，那怕是一小会，也可能会造成飞来横祸。所以在汽车设计中大多将显示屏安置在了中控台的最上端，目的就是可以用眼睛的余光看到显示的信息
2  技术要点

2.1  复杂的CAN通信协议

    CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线是德国BOSCH公司开发出的一种现场总线通信结构。目前已经成为事实上的汽车总线底层技术标准之一。然而CAN的规范仅仅定义了通信模型的最下面两层：数据链路层和物理层。CAN的高层协议，也称之为为应用层协议，是一种在现有的底层协议之上实现的协议，也是产品研发中最为关键的协议。这些协议往往由CAN用户（如整车厂）定义成适合自身研发制造领域的特有方案，一般不会对外公开且互不兼容，这就给研发CAN总线上的汽车零部件设置了很高的技术壁垒。
    基于飞音科技长期以来和神龙汽车公司的良好合作关系，法方已经授权神龙汽车公司向飞音科技开放用于车载显示系统总线通信协议（即CAN的应用层）的关键部分。
2.2  电源管理

    汽车电源是电量受限制的电池。在汽车熄火之后，一方面，车内系统，尤其是信息显示系统不能有过大的耗电量（也就是记忆电流要足够小），必须保证正常电池在几天、甚至几周后仍然能够顺利点火；另一方面，信息系统也要能够在超低能耗的状态之下对特定事件做出有效和及时的响应。如果没有一个多层次的待机状态，系统每次都要完全重启，那么不但每次都有较长的开机时间，增加了耗电量，而且很难满足对许多实时性事件的正确响应。
    本问题解决的方案是根据具体的需求定制多层次的待机状态，使得信息显示系统能够随着时间的推移和电池电量的下降逐步进入各个低能耗待机状态，直至彻底关机。在每个不同的待机状态，系统都可以对特定的事件做出响应从而在足够短的时间内进入工作状态。
2.3  OSEK/VDX规范

    OSEK/VDX规范是由欧洲汽车行业制定、将各种先进汽车电子设备有机集合在一起、网络化嵌入式计算机系统的开发规范，在本产品的开发过程中，程序员按照OSEK规范中规定的标准，定义了应用程序编程接口以及标准的OSEK OIL（OSEK Implementation Language Specification）配置文件，这不但增强了应用程序的可移植，也使整个系统符合OSEK/VDX规范中对汽车的电子控制软件开发平台的定义与规定。
3  系统方案

3.1  总体方案

    该项目总体架构如图1所示。使用一个32位的带有CAN控制器的单片机（NEC ?PD70F3335），通过一个CAN收发器（NXP TJA1055）连接到CAN网络。获取信息并运算后，输出到一个123*35的ASTN点阵显示屏。
3.2  软件架构

    系统的软件架构如图2所示，从上至下分为应用层，服务层和抽象层，分别对应不同的服务类型，Bootloader 用于程序载入，Initialization程序用于系统初始化工作，Diagnosis程序用于对软硬件的故障检测与诊断。

  

图1  项目总体架构

  

图2  系统的软件架构

  各模块主要功能描述

    1）载入引导程序（Bootloader）
    将程序的二进制代码写入MCU的Flash中。
    2）初始化模块（Initialization）
    系统上电或复位后，软件执行初始化程序，控制显示状态。
    3）诊断模块（Diagnosis）
    （1）对系统的硬件进行检测。
    （2）对软件进行检测和诊断。
    （3）为故障诊断仪或其他检测设备提供诊断信息和故障代码。

    4）应用层（Application）
    （1）系统管理与控制。
    （2）将任务分配给相应模块。
    （3）控制数据流传输。
    5）抽象层（Abstraction Layer）
    （1）针对应用层的各种指令，对驱动硬件进行工作。
    （2）接受来自硬件的信息，并将信息上传至服务层。
4  系统技术指标

    经过测试，本系统可以达到表1所述技术指标（关于功能状态B类定义，请参考ISO 7637附页A中关于失效模式分类的描述）。


  

表1 电气性能指标

序号	试验项目	测试标准 （PSA，法国标致雪铁龙技术标准号，第8项除外）	技 术 指 标	测试结果
1	功耗	No.96 466 289 99-5.3.4.1	1）   低功耗模式下记忆电流不超过1mA。 2）   时钟运行情况下消耗电流不超过150mA    .	满足技术指标
2	正常供电时运行的极限温度	B21 7130-6.1.3.CL03	极限温度（最高：+85℃/最低：-30℃）的环境下施加最小电压8V及最大电压16V，各持续24小时	试验中及试验后功能正常
3	异常供电电压	B21 7130-6.1.5.CL05	35°C条件下，供电电压为18V	系统正常工作3小时以上
4	热循环的耐久性	B21 7130-6.1.8.CL08	温度在最高+85℃/最低-30℃之间循环	700 次循环能正常工作
5	激活强度	B21 7130-6.1.9.CL09	（1）在 -30°C时激活6750次； （2）在+35°C时激活20250次； （3）在 +85°C时激活27000次；	达到功能状态B类
6	正弦复合振动	B21 7120-4.4.4.1	进行扫频振动与极限工作温度的复合温度振动试验，振动条件：10Hz~2000Hz，定加速度1g，扫频周期6.6分钟；每个方向16小时	系统能正常工作
7	电压较低和供电电压缓慢上升时的性能	B21 7110-6.1.2.EQ/TE02	电压从14.0V以0.5V/min速度降到0V；2.电压从0V以0.5V/min速度升到14.0V	系统数据不丢失，电压在8-16V之间时，系统能工作
8	ISO7637 脉冲1，2a，3a，3b，4，5b性能	ISO7637-2：2004	参见ISO7637-2：2004规定	达到功能状态B类
9	BCI抗干扰测试	B21 7110-6.2.2.EQ/IC08	电流钳位置：距插头0.9m处，CW/AM调制，分别测试60/100/200/300mA电流限值工作状态	达到功能状态B类
10	低频电磁场干扰	B21 7110-6.3.2.EQ/IR02	频率范围：20Hz~150KHz	达到功能状态B类
11	辐射电磁波抗干扰	B21 7110-6.3.1.EQ/IR01	测试条件：            CW（H/V）： 400MHz~3.2GHz/200M~3.2GHz； AM（H/V）：400MHz~1000MHz/200M~1000MHz； PM1 （H/V Frequency 217Hz，Tone  577uS）： 800MHz~2.5G；     PM2 （H/V frequency 300 Hz，100uS）：1.2G~3.5GHz；分别测试60/100/150，200V/m 场强的工作状态	达到功能状态B类
12	工作状态ESD	B21 7110-6.4.2.EQ/IR04	±4kV/±8kV接触放电；± 8kV/± 15kV空气放电于面板等手能接触的部位，其中± 25kV空气放电于传导部位，间隔从1s到10s的10次放电	达到功能状态B类
13	车载发射器抗干扰测试	B21 7110- 6.3.3.EQ/IR05	按CISPR25测试方法测试，频带：890MHz~2.480GHz，测试程序依据6.3.3.5	达到功能状态B类
14	低频电磁场测量	B21 7110-6.6.1EQ/MR 02	频率为5Hz~150KHz	达到功能状态B类

  5  项目应用实效

    目前，该项目正按PSA的车型定向研发。神龙汽车公司已经按NDA（NON-DISCLOSURE AGREEMENT）要求提供了PSA车型相关技术平台的CAN总线通信协议。产品设计、生产完成后，将会安装在PSA的C-平台车型上（如世嘉、标致307等），将实现可观的销售收入，此项目填补了该类产品国内汽车电子研发的空白。其产品化将有力推动民族汽车电子产业的发展，获得良好的社会和经济效益。
6  结束语

    由于汽车电子技术的迅猛发展，车载多功能显示器的下一代产品——“抬头显示”系统也已经出现，它是利用光学折射的原理，将重要的驾驶信息投射在前挡风玻璃上，较目前的多功能显示系统有更好的效果和更高的研发难度，这必将成为我们在汽车电子领域新的研究方向。
参考文献

    [1] （美）Joseph Lemieux，译者：罗克露 等. OSEK/VDX汽车电子嵌入式软件编程技术.北京航空航天大学出版社，2004
    [2] 邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计. 北京航空航天大学出版社，1996

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李小路

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