第24卷 第12期2017年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
EIC Vol.24
2017 No.12
毛泽强，杨耀权
（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）
摘要：设计了一种采用ARM和Linux架构方案的汽车虚拟仪表系统，仪表通过CAN总线以及硬线接口与车辆接口连接。介绍了CAN数据信息采集显示系统设计，嵌入式系统平台双MCU构建和人机界面设计，系统可以实现汽车虚拟仪表系统所需参数采集、处理、计算以及结果显示、存储功能。实验结果表明该系统能够达到汽车虚拟仪表的功能设计要求。
关键词：汽车虚拟仪表；CAN通信网络；嵌入式系统；Linux；人机界面中图分类号: TP274.1 文献标志码：A
Design of Vehicle Virtual Instrument System Based on CAN Bus
Mao Zeqiang , Yang Yaoquan
(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Hebei, Baoding, 071003, China)Abstract：A vehicle virtual instrument system is designed with ARM and Linux architecture.The instrument send and receive data through CAN bus and hard line.The design of CAN data acquisition and display system is introduced.Embedded system plat-form construction and human-machine interface design,the system can complete the acquisition, process, calculation, display and storage of the parameters of the vehicle virtual instrument system.The experiment results show that the scheme meets the design requirements of virtual instrument.
Key words：vehicle virtual instrument； CAN communication network；embedded system； Linux； human-machine in-terface
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2017.12.06文章编号：1671-1041(2017)12-0019-03
收稿日期：2017-09-26
基金项目：河北省科技厅科学技术项目（15212204D）。
作者简介：毛泽强（1991-)，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：智能测控技术应用。
0 引言
随着汽车电子以及虚拟仪表技术的发展，虚拟仪表技术在汽车上的应用越来越广泛。当前汽车仪表需要更高质量的仪表系统作为测量显示控制中心，以对车辆的运行情况做出实时精确的跟踪监测[1]。目前，车载虚拟仪表的硬件方案通常采用ARM处理器S3C6410为核心的硬件平台[2]，S3C6410处理器芯片需外接CAN控制器，不适合当前虚拟仪表的性能需求。采用Ti的AM3517微处理器[3]只有一路CAN 接口，无法满足当前汽车CAN网络设计需求。
本文从仪表硬件系统设计、软件设计以及实验仿真测试3个方面进行描述。
1 硬件设计方案
本汽车虚拟仪表系统采用全液晶仪表盘显示，不仅能
显示传统机械仪表盘所具有的指示灯、车速、转速等基本信息，还能显示更加复杂的系统信息，如胎压监测信息、主动安全信息等，显示内容更丰富，提升了整车内饰的科技感[4]。系统主要由嵌入式系统平台双MCU、CAN通讯网络和人机界面3部分组成，引入CAN网络通信技术和TFT-LCD 显示技术，结合ARM与Linux系统，辅助MCU负责接收并处理整车CAN网络信号，接收模拟输入信号，通过串口使用ODI协议与主MCU系统通信。
1.1 仪表硬件平台总体设计
仪表接收到整车CAN信号和硬线电路信号，进行处理后以人机界面的方式显示[5]。硬件系统采用主MCU系统与辅助MCU系统相结合的方案。主MCU采用i.mx51芯片，i.mx51主频达到1GHz，接口丰富，用以运行操作系统。辅MCU采用RH850/F1L芯片，用来接收、处理得到整车数据信息，
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仪器仪表用户INSTRUMENTATION 并将其中的部分或全部反馈至主MCU系统，以及驱动液晶背光板工作。
仪表硬件平台还包括液晶模块、电源管理模块、扬声器模块、存储模块、CAN收发模块等，系统框图如图1所示。
1.2 LCD接口电路
LCD控制器和液晶模块的接线电路如图2所示，液晶模块采用12.3英寸液晶屏，分辨率为1280×480，51pinLVDS 接口。i.m x 51内置L C D 控制器包括：数据总线D i s p _DAT[23:0]以及控制信号CLK\HSYNC\VSYNC等。带有DMA 控制器，可以独立工作、显示接口灵活、支持来自主要制造商的各种设备。可支持RGB和YUV像素数据格式，最高支持4096×2048分辨率。
1.3 CAN接口电路
CAN通信协议是由博世公司开发，广泛应用于整车行业的标准串行通信协议，具有高速、易实现、多主通信、高容错性、通信距离长等优点[6]。CAN总线是为了能接收来自汽车CAN网络中传来的各种信号。本文中由于汽车虚拟仪表是驾驶员与车交互的主要设备，安全标准更高，CAN 数据传输时需要进行干扰屏蔽设计。采用TJA1042T/3高速CAN收发器连接辅助MCU RH850内部CAN控制器接口，CAN收发器接线电路图如图3所示。设计过压保护电
图1 ARM 嵌入式平台系统框图
Fig.1 ARM embedded platform system block diagram
路，CAN_H和CAN_L引脚连接共模线圈滤波器，抑制线路中对称以及不对称耦合干扰，降低高频、电磁干扰。连接瞬态电压抑制器MMBZ27VCL，通过双ESD保护二极管抑制因ESD引起的瞬态电压过载问题。
2 软件设计
2.1 软件整体架构
汽车行业，由于处理器不断升级导致不同的CPU间的软件移植滞后，不同实时操作系统的应用程序接口(API)不同，导致应用程序的移植性差[7]。为了改变这种状况，1993年德国汽车工业界提出了OSEK体系，即汽车电子开放式系统及其接口。汽车仪表涉及多项功能，如图形界面显示和刷新、CAN通讯、声音报警等，设计中使用OSEK操作系统与Linux系统结合，结合图形界面显示方案。辅MCU系统OSEK OS具有实时性、可移植性、可扩展性等特点，用于接收处理得到整车数据信息后，发送至主MCU Linux系统，进而通过图形界面显示。采用图形界面设计软件Qt对仪表HMI进行设计。软件整体架构如图4所示。
图2 TFT接口原理图
Fig.2 TFT interface schematic
图3 CAN通讯模块电路
Fig.3 CAN communication module circuit
图4 软件整体架构
Fig.4 Overall software architecture
毛泽强·基于CAN总线的汽车虚拟仪表系统设计
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2.2 CAN应用架构
车辆信息通过高速CAN双绞线传送到辅助MCU，速度为500kbps，通过CAN总线接收的各种信息在CAN层进行处理并传递到应用层。API由CAN层提供给每个信号。如图5所示，为汽车虚拟仪表所有的CAN应用架构。CAN处理程序由两个服务模块组成，工作定时器模块和消息调度处理模块。
图5 CAN应用架构
Fig. 5 CAN application architecture
2.3 仪表显示界面
汽车虚拟仪表显示内容除了显示传统仪表信息，如车速、转速、指示灯等，还需要显示更多功能信息，如主动安全信息、行车电脑信息、半自动泊车信息、菜单信息等。如图6所示，参考ISO标准规定的指示灯标志形状，在液晶不同位置显示指示灯、报警灯、提示信息、图片、指针指示、档位信息等。在用户使用时，可以通过菜单选择不同主题界面、单位。
图6 仪表显示界面
Fig.6 Instrument display interface
3 实验测试
实验采用基于labview开发的PC端汽车CAN信号仿真软件，通过台架接口连接本文汽车虚拟仪表，如图7所示。硬件台架用来模拟整车硬线信号，如油箱燃油阻值、方向盘按键控制、PEPS开关等。仿真软件模拟整车CAN网络向仪表发送CAN信号，如速度、转速、指示灯等，实现汽车模拟运行功能，如图8所示，图中显示的有车速表、发动机转速表、指示灯、档位信号等。通过仿真测试，仪表能够实时读取汽车参数并将其显示在液晶仪表盘上，显示数据准确、指针无跳变现象、图像加载无卡顿。CAN总线数据统计由汽车仿真软件CANoe实时监测，如图9所示。CAN总线数据传输稳定，总线负载率、错误帧数均处于合理范围内。
图7 仪表测试平台
Fig.7 Instrument test platform
图8 整车CAN信号仿真软件
Fig.8 Vehicle CAN signal simulation software
图9 总线数据统计
Fig.9 Bus data statistics
4 结束语
本文对汽车虚拟仪表进行硬件系统设计和软件设计，增加辅助MCU使仪表数据处理与图形处理任务分工更明确，设计过压保护电路及连接共模线圈滤波器，使CAN
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来减小缝隙的长度，螺钉间距应小于l／20波长。
汽车行车电脑3）提高缝隙处结构件接触面的平整度，减小结构件之间的缝隙，在接缝不平整的地方及可移动的面板等处，可以使用环氧导电胶等导电化合物进行处理。
4）对于需要经常活动的板卡插件之间，最好使用铍铜指形，且要选择弹性较好的指形。
5）应对缝隙处的结构件进行清洁处理，并在处理完后对接触面喷涂导电涂层，保证缝隙处良好的电搭接。
2.3.4 穿透和开口
在辐射抗扰度试验中，干扰电磁场主要通过外部电缆以及机柜上的开口进入设备，进而干扰设备的正常工作。在处理设备的线缆穿透和机柜散热开口时，可运用以下方法应对相关问题。
1）在所有进入机柜的电源线上安装电源滤波器，滤波器的金属外壳应与机柜外壳可靠地搭接。滤波器的输入、输出线缆应在空间上分布在滤波器的两端，滤波前、后的电源线缆不应有交叉。
2）信号线缆进入机柜时，最好用导电性好的金属铜网将进线口堵塞起来，防止辐射干扰通过信号线缆的进口进入机柜。
3）提高信号线缆的屏蔽效能，屏蔽线缆进入金属机柜时，应在屏蔽层硬件机柜结构件入口处360°环接。
4）机柜的通风口应使用截止波导通风板，且开口尺寸应小于最高考验频率对应的1/20波长。
2.3.5 搭接
金属之间实现低阻抗连接的方法叫做搭接。在实际的工程应用中，金属搭接对于控制设备的电磁兼容具有十分重要的意义，很多电磁兼容措施都与金属搭接有着密切的关系。在搭接的过程中需要充分考虑金属的种类、表面涂层、接触面积及接触的紧密程度等因素。另外，还需要评估搭接的可靠性，对暴露在含盐雾和工业污染物等腐蚀性环境中的搭接必须考虑保护措施，防止搭接的阻抗变大[3]。
2.4 生产工艺设计
因辐射抗扰度试验的考验对象是整个设备（包括所有的外部线缆），对生产工艺的要求同样也应重点关注，在生产工艺设计上可从以下几方面进行考虑：
1）将低频进线和回线绞合在一起，形成双绞线，以减小骚扰。
2）对机柜内部不同信号类型的线缆进行分组捆扎，减少辐射干扰的耦合途径。
3）机柜内部的裸露走线应尽量靠近金属外壳。
4）对抗干扰能力较差的弱信号线缆尽量采用屏蔽电缆，且电缆的屏蔽层在接地时尽量做到360°端接。
5）在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆，还可在电缆上串联共模扼流圈，以增加共模电流回路的阻抗。
3 结束语
辐射抗扰度是评估产品辐射抗干扰能力的重要指标，在欧盟CE认证中是必须验证的项目，在国内也已纳入推荐性国标，即GB/T 17626.3。民用核电厂仪控设备也需要完成相关验证性试验，本文基于核电厂安全级DCS平台在前期研发设计过程中，为了提升辐射抗扰度能力进行了一系列电磁兼容设计。实践证明，这些设计方法极大地提升了核安全级仪控设备辐射抗扰度的能力，有效地帮助仪控设备顺利通过试验。可供大家参考。
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网络传输更稳定。软件部分采用OSEK OS实时操作系统及Linux系统组合方案，并结合Qt图形界面，保证了实时性和显示效果。实验结果表明该汽车虚拟仪表能够满足实际应用和车辆信息显示需求。
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