CN102806853B - 一种带监测、参数设定、报警功能的车辆用数字仪表系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带监测、参数设定、故障报警功能的车辆用数字仪表系统，它按照CANopen协议与车辆控制系统通讯，包括微控制器、调试接口、SPI Flash存储模块、CAN总线模块、电源模块、液晶显示模块、LED与蜂鸣器和/或按键。采用多种方法实现仪表系统程序友好显示，使本发明的仪表系统要具有系统监测、系统参数设定、故障报警等功能，具体可用做电动车辆等工业车辆的车载仪表系统。

Description

一种带监测、参数设定、报警功能的车辆用数字仪表系统

技术领域

本发明属于工业车辆行业的仪表领域，具体涉及带监测、参数设定、报警功能的车辆用数字仪表系统，该仪表系统特别适用于电动车辆。

背景技术

随着国际原油价格的不断上涨和和新能源概念的不断深化，电动车辆在工业车辆领域的应用也更加的普及。现在国内电动工业车辆制造商选用的电动车辆仪表或为国内产品或为全进口产品，它们都使用标准的RS232或RS485接口进行通讯，且只有英文及数字显示功能,只能简单地显示电量和速度，不具有更高级的故障显示、车辆信息显示、车辆设置及参数修改功能，使得安装这类仪表的电动（工业）车辆不具备定制性和发生故障时的易检修性。另外，仪表与控制系统一一对应，不具有泛用性，客观上降低了该类车辆的市场竞争力。

为了给车辆提供安全、可靠、泛用性高的仪表系统，提高车辆的市场竞争力，发明人开发一款具有高级功能的车辆用仪表系统，本发明的仪表系统能够允许用户对于电动（工业）车辆的各项参数进行简单方便的自主订制；而在车辆发生故障时，用户可以直观的通过仪表显示的故障说明，有针对性的对车辆进行维修，客观上可以延长使用此仪表系统的电动（工业）车辆产品的生命周期，增加了其市场竞争力。

发明内容

本发明的目的是开发出符合CANopen协议的仪表系统，与车辆主控制器通过CANopen协议通讯，实时监测与控制车辆的运行情况。

本发明的目的是这样实现的：一种带监测、参数设定、故障报警功能的车辆用数字仪表系统，其按照CANopen协议与车辆控制系统通讯，包括微控制器、调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、电源模块、液晶显示模块、LED与蜂鸣器和/或按键；其中，

微控制器与调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、液晶显示模块、LED与蜂鸣器和/或按键电连接，用于处理信息和进行计算；

调试接口用于进行边界扫描测试和程序下载，其支持在线调试功能；

SPIFlash存储模块用于存储仪表系统的软件及字库，其通过SPI接口与微控制器相连，微控制器内置SPI控制器，微控制器作为SPI主设备，串行FLASH作为SPI从设备，使用全双工通讯方式；

CAN总线模块用于与车辆控制系统进行通讯，包括CAN控制器和隔离CAN收发器，CAN控制器通过CANRX、CANTX与隔离CAN收发器相连；

电源模块用于将实际车辆电池使用的24V~80V宽幅直流电转换为5V、3.3V直流电，为系统的微控制器、调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、液晶显示模块、LED与蜂鸣器和/或按键供电；

液晶显示模块为标准240*64点液晶屏，为仪表系统提供显示界面，所述显示界面包括：用于显示车辆行驶速度、运行时间、电量等常用信息的正常驾驶界面；用于进行其他车辆参数的显示与设置的菜单界面；或用于显示车辆故障信息的错误界面；

按键用于对仪表系统和车辆进行配置，其通过IO口与微控制器相连，采用行列式设计，行列式键盘的行线和列线的乘机为键位总数，行线和列线的交叉点处为键盘按键，默认状态下交叉点处不相连，当键盘某个键按下后，交叉点的行线和列线连通。

进一步，所述微控制器为仪表系统的核心控制器，采用STM32型微控制器，特别是STM32F103微控制器。

进一步，所述微控制器中包括中文字库，可中文、英文、数字或图标显示仪表信息。

进一步，所述调试接口支持JTAG接口和SWD接口。

进一步，所述调试接口采用两线的SWD接口。

进一步，所述电源模块将实际车辆电池使用的24V~80V宽幅直流电转换为5V直流电，为液晶显示模块和CAN总线模块供电；转换为3.3V直流电，为微控制器、JTAG接口、SPIFlash存储模块、LED与蜂鸣器和/或按键供电。

进一步，所述CAN总线模块，其隔离CAN收发器为CTM8251通讯模块，其CAN控制器为兼容+3.3V、+5V的CAN控制器。

进一步，所述液晶屏包括16~22个IO口，其中有电源、片选端、背光开关、对比度调节、数据信号、字体选择功能。

本发明对电气设计、硬件和软件均进行了更新或改进，例如采用了稳定、可靠、通用性高的CANopen协议，采用了具有cortex-M3内核的高性能MCU，重新设计制造了PCB，并采用多种方法实现仪表系统程序友好显示。使本发明的仪表系统要具有系统监测、系统参数设定、故障报警等功能。这种数字仪表系统按照CANopen协议通讯，仪表系统的显示界面根据外部指令切换，显示界面包括但不限于：用于显示车辆行驶速度、运行时间、电量等常用信息的正常驾驶界面；用于进行其他车辆参数的显示与设置的菜单界面；或用于显示车辆故障信息的错误界面。所述仪表系统具体可用做电动车辆等工业车辆的车载仪表系统。

附图说明

图1为本发明的仪表系统硬件构成示意图,

图2为本发明的CAN总线模块结构图，

图3为本发明的仪表系统程序总体结构图,

图4为本发明的主程序流程图,

图5为本发明的全局任务处理函数示意图,

图6为本发明的程序流程图。

具体实施例

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。整个仪表系统的设计目的是开发出符合CANopen协议的显示控制仪表系统，与车辆主控制器通过CANopen协议通讯，实时监测与控制车辆的运行情况，此仪表系统具有系统监测和系统参数设定，故障报警等功能。并且作为符合CANopen协议的标准设备，要求仪表系统能够根据不同场合需要，通过上位机配置模块对其进行现场配置。整个仪表系统的设计工作分为两部分：电气设计，软件设计。

A.电气设计

根据监控仪表系统的功能需求分析，选用基于前后台系统的单片机系统方案可以完全满足功能要求，整个仪表系统的硬件构成如附图1所示

如附图1中所示,所述仪表系统及其制造方法具有以下关键特征，系统的硬件包括：微控制器、JTAG接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、电源模块、液晶显示模块、LED与蜂鸣器和/或按键。

所述微控制器为仪表系统的核心控制器，采用STM32型微控制器，特别是STM32F103微控制器，它用于处理信息和进行计算。为所述仪表系统芯片中增加了中文字库，可中文、英文、数字或图标显示仪表信息。SPIFlash存储模块用于存储仪表系统的软件及字库。

采用JTAG接口作为调试接口，进行边界扫描测试和程序下载；调试接口还支持SWD接口，或可采用两线的SWD接口。

液晶显示模块LCM24064即标准240*64点液晶屏；LED与蜂鸣器用于报警和模式显示；所述液晶屏包括通过双排22针插座与主通讯板相连，其有电源、片选端、背光开关、对比度调节、数据信号、字体选择等功能。液晶显示模块外部FLASH通过SPI接口与CPU相连。

如图2所示，CAN总线模块包括CAN控制器和隔离CAN收发器，用于与车辆控制系统进行通讯。其隔离CAN收发器为CTM8251通讯模块，其CAN控制器为兼容+3.3V、+5V的CAN控制器，CTM8251通讯模块通过CANRX、CANTX与CAN控制器相连。

按键通过8个IO与CPU相连，采用行列式设计，用于对仪表系统和车辆进行配置。行列式键盘的行线和列线的乘机为键位总数，行线和列线的交叉点处为键盘按键，默认状态下交叉点处不相连，当键盘某个键按下后，交叉点的行线和列线连通。

整个电路中有5V和3.3V两种电压，电源模块用于将实际车辆电池使用的24V~80V宽幅直流电转换为5V和3.3V直流电；液晶屏和CAN模块为5V供电，其他器件为3.3V供电。

所述仪表系统的印制电路板为抗干扰、坚固、可靠的并进行了电路图登记的双层电路板。特别是，所述仪表系统的防护等级为IP65，以适应各种复杂环境。

B.软件设计

仪表系统选用的微控制器型号为STM32F103，作为ARM新一代的cortex-M3内核的MCU，芯片生产商提供了丰富的资料，驱动库和开发文档，比起传统的51,avr单片机更加易于开发。

首先，为了更加方便国内用户，本发明在仪表系统芯片STM32F103中写入了中文字库，使仪表系统能够进行中英文双语显示。

在程序设计上，本发明使用官方固件库来建立工程，仪表系统程序的总体结构如附图3所示。本发明的基本功能是与车辆主控制器通过CANopen通讯，获得车辆的运行数据以及对车辆运行参数进行设置。典型的前后台系统嵌入式开发方案即可满足监控功能要求。监控程序按照功能划分主要包括三部分代码：底层驱动代码，CANopen协议层和应用功能部分代码。功能部分的主体是围绕菜单显示来实现的，并通过一个全局的任务处理函数完成包括CANopen协议在内的其他功能任务的处理。

如图4，为仪表上电后的主流程，仪表系统主程序运行遵循如图4的流程。首先是芯片及其各种外设必要的初始化；其次是仪表系统的配置过程，这一过程包含了菜单结构体的配置、字库和配置文件的读入、程序更新等操作；然后是欢迎界面，将显示公司图标及中英文名称；最后进入到正常显示界面。

本发明在程序中引入了全局任务处理函数，具体的函数逻辑关系如附图5。由于程序采用前后台系统，需要不断地调用全局任务处理函数以检测有无任务置位，一旦发现有任务置位，则调用相关任务处理函数。

仪表系统的主要程序是围绕显示界面构建的，显示界面共分为三种：

1.正常驾驶界面：用于显示车辆行驶速度，运行时间，电量等常用信息；

2.菜单界面：用于进行其他车辆参数的显示与设置；

3.错误界面：用于显示车辆的故障信息。

各界面之间的相互关系，即仪表系统主要程序的逻辑关系如附图6所示。仪表启动如果检测到系统出现错误则进入错误界面进行故障信息显示，如果没有检测到错误则进入正常驾驶界面，在正常驾驶界面中任何时间系统出现错误则会再次进入错误界面进行故障显示，在故障消除后重新进入正常显示界面；同时，操作人员在正常驾驶界面中按下菜单键则会进入密码输入界面，密码正确后则会进入菜单界面，根据所输入密码等级的不同分别进入初级的诊断菜单或高级的诊断和设置菜单。

有益效果

本发明对样表进行了实际装车功能测试和硬件强度测试，功能测试首先经过了实验室环境下的测试，目前已完成了在实际车辆上的运行测试。硬件测试由第三方权威检测机构进行，目前已测试完成。

1.功能测试

仪表的软件功能主要包含两大部分内容，一是车辆运行信息显示与参数设置的车辆显控接口功能，另一个是仪表自身的可配置功能。第一部分功能的测试可由仪表在实际车辆上的使用于进行。

经测试，仪表能够根据CANopen协议与主控制器通讯，完成车辆的状态参数显示，报警，故障信息显示以及设置车辆的运行参数等功能，满足设计要求。仪表在正常运行界面下进行电量，行走速度等参数的显示，输入密码后进入菜单操作，进行车辆其他参数的显示与设置。

2.硬件测试

仪表的硬件测试由第三方权威检测机构进行，检测机构为北京市计量检测科学研究院。测试项目及检测结果如下所示。测试结果证明仪表的硬件设计稳定可靠，达到了设计要求。检测报告如下表：

本发明的仪表具有中英文及数字、图标显示功能，方便国内客户直观的检测车辆状态，修改车辆配置。

另外，现有的电动电动（工业）车辆仪表大多只具有电量显示功能，且皆为普通的标准RS-232或RS-485通讯方式，一款仪表只能对应一种电控系统，不具有泛用性。

而本发明的仪表由于通讯基于现在车辆系统中普遍采用的CAN总线，CANopen协议进行开发，具有极强的泛用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带监测、参数设定、故障报警功能的车辆用数字仪表系统，其特征在于，其按照CANopen协议与车辆控制系统通讯，包括微控制器、调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、电源模块、液晶显示模块、LED、蜂鸣器和按键；其中，

车辆主控制器通过CANopen协议，获得车辆的运行数据以及对车辆运行参数进行设置，监控程序按照功能划分主要包括三部分代码：底层驱动代码，CANopen协议层和应用功能部分代码，功能部分的主体是围绕菜单显示来实现的，并通过一个全局的任务处理函数完成包括CANopen协议在内的功能任务的处理；

微控制器与调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、液晶显示模块、LED、蜂鸣器和按键电连接，用于处理信息和进行计算；

调试接口用于进行边界扫描测试和程序下载，其支持在线调试功能；

SPIFlash存储模块用于存储仪表系统的软件及字库，其通过SPI接口与微控制器相连，微控制器内置SPI控制器，微控制器作为SPI主设备，串行FLASH作为SPI从设备，使用全双工通讯方式；

CAN总线模块用于与车辆控制系统进行通讯，包括CAN控制器和隔离CAN收发器，CAN控制器通过CANRX、CANTX与隔离CAN收发器相连；

电源模块用于将实际车辆电池使用的24V～80V宽幅直流电转换为5V或3.3V直流电，为微控制器、调试接口、SPIFlash存储模块、CAN总线模块、液晶显示模块、LED、蜂鸣器和按键供电；

液晶显示模块为标准240*64点液晶屏，为仪表系统提供显示界面，所述显示界面包括：用于显示车辆行驶速度、运行时间、电量的正常驾驶界面；用于显示车辆故障信息的错误界面；

按键用于对仪表系统和车辆进行配置，其通过IO口与微控制器相连，采用行列式设计，行列式键盘的行线和列线的乘积为键位总数，行线和列线的交叉点处为键盘按键，默认状态下交叉点处不相连，当键盘某个键按下后，交叉点的行线和列线连通。

2.根据权利要求1的仪表系统，其特征在于，所述微控制器为仪表系统的核心控制器，采用STM32型微控制器。

3.根据权利要求1或2的仪表系统，其特征在于，所述微控制器中包括中文字库，可中文、英文、数字或图标显示仪表信息。

4.根据权利要求1的仪表系统，其特征在于，所述调试接口支持JTAG接口和SWD接口。

5.根据权利要求1的仪表系统，其特征在于，所述调试接口采用两线的SWD接口。

6.根据权利要求4的仪表系统，其特征在于，所述电源模块将实际车辆电池使用的24V～80V宽幅直流电转换为5V直流电，为液晶显示模块、CAN总线模块供电；转换为3.3V直流电，为微控制器、JTAG接口、SPIFlash存储模块、LED、蜂鸣器和按键供电。

7.根据权利要求1的仪表系统，其特征在于，所述CAN总线模块，其隔离CAN收发器为CTM8251通讯模块，其CAN控制器为兼容+3.3V或+5V的CAN控制器。

8.根据权利要求1的仪表系统，其特征在于，所述液晶屏包括16～22个IO口，其中有电源、片选端、背光开关、对比度调节、数据信号、字体选择的功能。