史波峰，楊帆（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

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一種基于汽車CAN通信的液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史波峰，楊帆
（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

摘要：隨著汽車電子化高速發(fā)展，其車身上電控產(chǎn)品不斷的豐富，本產(chǎn)品可以通過(guò)CAN通信向用戶提供更為詳細(xì)的車輛工作狀態(tài)消息。對(duì)于汽車用戶，此設(shè)備提供一個(gè)解析并實(shí)時(shí)顯示的終端產(chǎn)品。文章著重在現(xiàn)有產(chǎn)品類型上，設(shè)計(jì)一款可滿足多種具有CAN通信功能，且能夠靈活布局顯示內(nèi)容，便于根據(jù)不同顯示需求能夠具有一定二次開(kāi)發(fā)程度的顯示系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液晶顯示屏；CAN通信；低溫啟動(dòng)；顯示模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-122-03

1、技術(shù)背景

隨著國(guó)外汽車公司涉足中國(guó)市場(chǎng)，先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)商用汽車領(lǐng)域電子化程度在不斷加劇。隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子化程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)布線方式已經(jīng)不能滿足需求。乘用車領(lǐng)域由于對(duì)駕駛舒適度的需求使得電子化發(fā)展迅速，整車CAN通信技術(shù)已經(jīng)較為成熟，各類配套設(shè)備完善。商用汽車領(lǐng)域中雖然還普遍存在傳統(tǒng)純機(jī)械式設(shè)備，但是逐漸向電子化發(fā)展是必然趨勢(shì)。其中電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，以及商用車使用的ABS都是具有CAN通信能力電控設(shè)備。

雖然目前我國(guó)現(xiàn)有交通運(yùn)輸狀況及運(yùn)輸成本等諸多因素限制，商用汽車多數(shù)仍選用MT變速箱，但不可否認(rèn)AMT變速箱，AT變速箱終將替代傳統(tǒng)MT變速箱。另外，隨著道路安全意識(shí)深入人心，各類輔助制動(dòng)，ABS等安全設(shè)備都逐漸走入商用汽車用戶的視野。但是這類產(chǎn)品往往都需要電控單元進(jìn)行系統(tǒng)控制，并通過(guò)CAN通信與整車進(jìn)行協(xié)調(diào)。CAN通信已經(jīng)作為汽車上設(shè)備控制，設(shè)備間協(xié)調(diào)工作，故障反饋，信息通信的重要方式。

目前針對(duì)液力緩速器，AMT變速箱，AT變速箱，用戶在使用此類產(chǎn)品時(shí)，除非新車由OEM進(jìn)行電控匹配工作，否則傳統(tǒng)儀表無(wú)法顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。并且在目前商用車電子化發(fā)展的過(guò)渡時(shí)期，電控匹配工作并未一件容易的工作，往往會(huì)遇到?jīng)]有合適的儀表提供顯示服務(wù)。此類產(chǎn)品可為用戶提供一款可用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)的顯示設(shè)備，能引導(dǎo)用戶正確地了解電控設(shè)備，并且有效的使用。

2、設(shè)計(jì)要求

由于CAN通信應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，該系統(tǒng)只針對(duì)汽車方面的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)商用車多遵照SAE J1939協(xié)議符合CAN 2.0B通信制式。該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就必須使得該顯示系統(tǒng)能夠滿足各類設(shè)備不同CAN通信報(bào)文的顯示需求。此外作為商用車輛，往往會(huì)在殘酷的工作環(huán)境中運(yùn)行，對(duì)于道路車輛的所有電子設(shè)備都有嚴(yán)格的環(huán)境性能要求。該顯示系統(tǒng)需能夠在符合ISO 16750道路車輛環(huán)境要求的工況下正常使用。

2.1顯示方案規(guī)劃

由于該液晶顯示屏幕并非用于取代原有汽車顯示儀表，只是為加裝某公司特殊電控類產(chǎn)品汽車的司機(jī)用戶提供額外信息顯示使用，所以該液晶顯示屏幕在顯示尺寸上須有一定限定，并且利于安裝。

電控設(shè)備往往存在多種工作狀態(tài)，也會(huì)根據(jù)各種工作狀態(tài)反饋不同的信息，這也使CAN總線上只有一個(gè)設(shè)備也可能包含較為繁雜通信信息。例如自動(dòng)變速箱在使用中可能會(huì)因不同故障向CAN總線發(fā)送大量故障碼。受限于屏幕尺寸，無(wú)法在屏幕上同時(shí)顯示全部信息。如果全部顯示，則顯示內(nèi)容字體大小將會(huì)讓用戶難以辨識(shí)，更加在行車中產(chǎn)生危險(xiǎn)。屏幕尺寸與顯示內(nèi)容這兩種因素相互之間矛盾，既要求尺寸有所限制，又需能夠顯示足夠的信息量，合理利用顯示區(qū)域尤為重要。

最終設(shè)計(jì)方案選用LCD12232F點(diǎn)陣顯示屏，該屏幕自帶中英文字符庫(kù)能夠支持字符模式及繪圖模式兩種顯示狀態(tài)，并能自由切換以滿足不同狀態(tài)下先得的需要。

2.2背光顏色切換

SAE J1939通信協(xié)議中對(duì)設(shè)備在CAN總線中故障碼的制式提出了明確要求。故障碼在總線中傳遞時(shí)必須包含故障等級(jí)說(shuō)明，一般常分為三級(jí)，正常，一般故障，嚴(yán)重故障。顯示系統(tǒng)在能夠處理這類特殊報(bào)文的同時(shí)必須能給司機(jī)提供醒目的提示，尤其是在警告狀態(tài)下。如果出現(xiàn)警告狀態(tài)，然而司機(jī)并未留意屏幕上顯示內(nèi)容繼續(xù)操作車輛，往往會(huì)造成嚴(yán)重后果，不但車輛設(shè)備受損損失財(cái)產(chǎn)，更甚至威脅生命。

顯示屏幕上在處理該類報(bào)文后顯示特殊文字或圖表提醒司機(jī)正確處置故障。在車輛上往往采用不同顏色進(jìn)行警示提醒，所以在現(xiàn)有顯示屏幕上必須根據(jù)故障代碼更新顯示內(nèi)容的同時(shí)也應(yīng)根據(jù)故障等級(jí)切換背光顏色。方案設(shè)計(jì)中根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)劃分為三個(gè)等級(jí)，正常模式綠色背光，一般故障琥珀色背光，嚴(yán)重故障紅色背光。

在實(shí)際測(cè)試方案時(shí)發(fā)現(xiàn)由于不同背光會(huì)影響液晶屏幕顯示灰階度，MCU需能夠在每一種背光下合理調(diào)節(jié)灰階度，使得顯示效果達(dá)到理想狀態(tài)。

2.3低溫環(huán)境快速啟動(dòng)

由于選用液晶屏幕作為顯示載體，受其自身材料本身特性影響，在低溫環(huán)境下流動(dòng)性降低制約了其顯示能力。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，在低溫-10℃時(shí)，屏幕顯示會(huì)存在顯示更新延時(shí)；溫度低于-20℃時(shí)，基本無(wú)法正常使用；尤其是在-40℃極限環(huán)境下，啟動(dòng)后屏幕不顯示任何內(nèi)容。

這些特殊工況是商用汽車都會(huì)面對(duì)的情況，并且這也不符合ISO 16750道路車輛電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電子設(shè)備的最低要求。為能夠在極限工況下該屏幕系統(tǒng)仍能夠?yàn)橛脩艏皶r(shí)準(zhǔn)確地提供顯示服務(wù)。通過(guò)測(cè)試證明，在液晶屏幕下方安置一片與屏幕尺寸相同的加熱絲，可以有效改善低溫時(shí)工作環(huán)境。在低溫環(huán)境下，啟動(dòng)加熱絲，并且加熱絲加熱功率能夠緊隨環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié)，及時(shí)將屏幕溫度上升到可工作范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)屏幕快速啟動(dòng)。

該方案需要對(duì)加熱絲進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，利用占空比可調(diào)的PWM 波，調(diào)節(jié)加熱絲上施加的等效電流大小從而調(diào)節(jié)加熱絲加熱功率。為能夠根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)PWM波占空比需有溫度反饋量，所以方案設(shè)計(jì)中在屏幕下方電路板中內(nèi)置溫度傳感芯片，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫度量，及時(shí)調(diào)整加熱絲功率。并且通過(guò)該溫度傳感芯片獲得溫度信息，自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉加熱絲工作，進(jìn)而降低能耗。

3、實(shí)現(xiàn)方案

3.1系統(tǒng)流程圖

圖2　系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)通過(guò)利用MCU處理單元對(duì)整車CAN網(wǎng)絡(luò)中需要解析的CAN報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，利用多級(jí)外部中斷與時(shí)間中斷機(jī)制，形成針對(duì)不同情況下的事件響應(yīng)機(jī)制，以滿足對(duì)復(fù)雜通訊信息的解析工作。通過(guò)設(shè)立事件響應(yīng)機(jī)制，觸發(fā)不同事件下對(duì)屏幕顯示模式的更改需求，同時(shí)進(jìn)行顯示內(nèi)容的刷新工作，從而實(shí)現(xiàn)屏幕復(fù)用功能，即顯示狀態(tài)切換功能。該機(jī)制的設(shè)立能夠很好地解決小尺寸屏幕顯示大量信息的問(wèn)題，并因?yàn)槠渚哂幸欢ㄐ畔⒆R(shí)別判斷能力，無(wú)需單獨(dú)設(shè)立顯示切換按鍵，從而方便使用。

系統(tǒng)在上電后首先完成對(duì)MCU及外圍設(shè)備的初始化工作，測(cè)得此時(shí)環(huán)境溫度，決定是否需要啟動(dòng)加熱絲。之后監(jiān)聽(tīng)CAN總線通信報(bào)文。圖2以顯示系統(tǒng)流程圖。其中在監(jiān)聽(tīng)CAN總線消息時(shí)分別利用了不同響應(yīng)方式，使得能都同時(shí)處理大量CAN報(bào)文，并且根據(jù)這些消息的優(yōu)先級(jí)決策出顯示模式，進(jìn)而更新顯示內(nèi)容。

3.2硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3　硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

液晶屏幕顯示系統(tǒng)整體對(duì)外具有四路引腳，其中兩路作為供電使用，另外兩路是CAN通信中的CAN_H和CAN_L。由于液晶顯示設(shè)備并非整車CAN總網(wǎng)終端設(shè)備，內(nèi)部未添加120Ω終端電阻，以配合整車使用。

考慮到供電系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題，在電源處理上使用電壓范圍較寬的DC-DC電路進(jìn)行處理，能夠完全適應(yīng)12V及24V系統(tǒng)使用。并且耐受電壓能力較好，可承受一定范圍的瞬時(shí)電壓沖擊。

為使加熱絲升溫迅速，以使設(shè)備能夠在零下甚至-40℃環(huán)境中快速啟動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。電路設(shè)計(jì)上采取利用車輛外部供電驅(qū)動(dòng)加熱絲，然后通過(guò)MCU進(jìn)行PWM控制，以調(diào)解加熱絲實(shí)際工作功率。該方案能夠有效地提升系統(tǒng)在極端環(huán)境下的響應(yīng)時(shí)間，經(jīng)實(shí)際測(cè)試在-40℃工況下，3分鐘即可達(dá)到正常使用狀態(tài)，滿足使用需求。

3.3顯示界面布局

由于顯示方式存在兩種模式的切換，尤其是在繪圖模式狀態(tài)下，顯示的布局尤為重要。顯示布局可任意設(shè)計(jì)規(guī)劃，利于二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)在保證顯示能容足夠清楚的同時(shí)，盡可能提供豐富的顯示內(nèi)容。

繪圖顯示狀態(tài)，圖4為一種顯示狀態(tài)。

圖4　繪圖顯示布局

在繪圖顯示狀態(tài)下，整版屏幕用于顯示其工作狀態(tài)。

該模式狀態(tài)下總計(jì)將屏幕劃分為三個(gè)區(qū)域并在程序上做以優(yōu)化，只有當(dāng)該三者信息發(fā)生更改時(shí)，屏幕信息隨即發(fā)生更改。該做法能夠有效降低屏幕跟新速率，由于使用繪圖模式，屏幕是直接進(jìn)行點(diǎn)陣操作，過(guò)快的更新速率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，使系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際使用情況合理的降低更新速率，但是又不能出現(xiàn)顯示延時(shí)狀態(tài)。

字符顯示狀態(tài)，圖5為一款變速箱出現(xiàn)故障碼為001時(shí)的顯示狀態(tài)。

圖5　字符顯示布局

繪圖顯示狀態(tài)尤其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如布局自由，顯示內(nèi)容不受限制等特點(diǎn)，但是在高信息量的情況下就不太適合使用，尤其對(duì)于復(fù)雜的組合狀態(tài)顯示。

圖5利用LCD12232F屏幕自帶字符庫(kù)對(duì)大量信息進(jìn)行編排在一個(gè)版面上進(jìn)行顯示。該顯示狀態(tài)只有在出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)才會(huì)自動(dòng)切換進(jìn)去，并且會(huì)根據(jù)故障等級(jí)更換背光顏色。該模式下只有當(dāng)故障消失后會(huì)自動(dòng)消失返回到之前的繪圖模式，如圖4所示。該模式下“C”表示當(dāng)前意思，結(jié)合后方緊跟數(shù)字表示當(dāng)前檔位數(shù)；“S”表示目標(biāo)意思，結(jié)合后方緊跟數(shù)字標(biāo)示目標(biāo)檔位數(shù)；第一行后方“警告”是對(duì)故障等級(jí)的反饋，并切換背光為紅色，另外一個(gè)較低等級(jí)為“注意”，對(duì)應(yīng)背光為琥珀色；下方數(shù)字為顯示系統(tǒng)解析故障報(bào)文后自行解析出的故障報(bào)碼，方便用戶查詢手冊(cè)解釋了解故障信息，解決問(wèn)題。

4、總結(jié)

該液晶顯示系統(tǒng)具有良好的二次開(kāi)發(fā)功能，屏幕顯示代碼進(jìn)行了封裝，方便根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)劃不同顯示布局方案，已經(jīng)可以為本公司多款電控產(chǎn)品提供顯示服務(wù)，甚至能夠?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)等設(shè)備提供顯示服務(wù)。顯示內(nèi)容布局靈活，兩種不同的顯示方案可以單獨(dú)或結(jié)合使用，以滿足多種使用需求。多級(jí)背光的引入可以額外的提供不同等級(jí)信息，以提醒用戶觀察設(shè)備運(yùn)行狀況。低溫快速啟動(dòng)的溫度補(bǔ)償方案能夠顯示系統(tǒng)在極端低溫環(huán)境下快速恢復(fù)到正常工作范圍，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素?zé)o法為用戶提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息。經(jīng)試驗(yàn)證明，該液晶顯示系統(tǒng)能夠在-40℃環(huán)境下3分鐘內(nèi)快速恢復(fù)正常顯示，并能夠在該環(huán)境下正常工作，完全符合ISO 16750中對(duì)汽車電子的低溫環(huán)境運(yùn)行存儲(chǔ)要求。

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A LCD(liquid crystal display) system design based on vehicle CAN communication

Shi Bofeng, Yang Fan
（Shaanxi FAST Gear Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710119）

Abstract:With the high-speed development of automobile electronic, electronic control products which are on vehicle are more and more growing, this product can provide customers with a more detailed vehicle operation status message by the CAN communication. For the car driver, this equipment could provide information resolution and real-time display as a terminal. In this paper, base on the existing product, designed a display system which can meet a variety of CAN communication function and flexible layout display content, and it can also make the secondary development which has different requirements easier.

Keywords:liquid crystal display; CAN communication; Low temperature start; display mode

中圖分類號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-122-03

作者簡(jiǎn)介：史波峰，就職于陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司。