摘 要

当前，随着科技的发展，汽车功能的日益增多，汽车仪表系统也变得愈发多元化。传统的机械式指针仪表因为其繁琐的布线方式和点对点的通信方式，已不能满足当前行业的需求。因此，研究一款功能多样，结构简单，安全可靠的仪表系统成为汽车产业技术开发和研究的热点之一[1]。
本次课题基于STM32F407微型控制器以及CAN总线通信技术，设计一款新型全液晶汽车仪表。相比于传统的机械式指针仪表，本设计的汽车仪表具有简单的接线方式，快速的模块之间通讯以及全液晶显示等特点。同时，该课题中采用emWin技术进行LCD液晶显示屏的设计，具有更直观美化的人机交互界面，而且由于采用了CAN总线通信方式，元器件与控制元件（ECU）之间信息传递性将会更好。本次课题，采用CAN分析仪开发测试工具，通过定义好相关模拟变量，模拟实际汽车中的情况输入CAN信号报文并利用Simulink建模进行汽车仪表灯的逻辑处理。同时将FreeRTOS实时操作系统移植到STM32F407上，利用STM32芯片输入输出信号，进而达到点亮汽车仪表的目的。
通过软件与硬件方面的调试，该课题达到了预期研究要求，证明了课题技术上的可行性以及延展性。

关键词：汽车仪表； CAN总线； STM32F407; Simulink建模； FreeRTOS

1 方案设计

1.1 总体方案论证
本课题对于实现汽车仪表系统提出如下两套设计方案。
方案一：
本设计采用通过串口与按键的方式来进行汽车仪表的实现。该方式通过使用串口调试工具，在PC端向STM32芯片发送指令，经过STM32的识别后，输出到显示模块上。按键控制则是通过改变STM32芯片I/O口的高低电平，实现某个特定的仪表指示功能的点亮与熄灭。该方案分为硬件模块以及软件设计两个模块。其中硬件模块包括：主控芯片、按键控制电路、蜂鸣器报警电路、指针电机电路以及LED显示电路。软件方面采用了Keil5编程软件向STM32芯片烧写代码程序。
其中电源电路包括STM32的最小系统以及下载电路；按键电路主要负责系统的启动/关闭，以及相关指示灯的点亮/熄灭；蜂鸣器电路是根据STM32的输出信号，当某些报警条件触发时，蜂鸣器就会工作；电机电路采用伺服电机进行模块的控制，主要负责车速表的指针转动，转速表的指针转动等；LED显示电路则是根据STM32的输出信号，点亮对应的指示灯或熄灭对应的指示灯。
该方案的弊端主要为，机械式的仪表指针过于传统化，人机交互界面不够美观且智能化。同时，由于现代汽车仪表包含多种功能，需要大量的仪表指示灯与驾驶员进行交互。在本方案中采用的LED显示灯所呈现的信息不够生动、具体，而且需要大量的LED去表达对应的仪表指示灯，容易造成资源的浪费，且给项目的布线和通讯带来很大的麻烦。另一方面，由于项目存在大量的仪表模块，单一的点对点导线通讯很难完成高效的通讯实现，会对项目的实现造成干扰。
方案二：
本设计采用STM32芯片与CAN总线结合的方式实现汽车仪表。通过CAN分析仪发送报文，STM32处理输入输出报文信号，根据相应的条件控制显示模块与蜂鸣器模块。为了更直观的显示，在本设计中也增加了按键的硬线控制模块，通过按键控制某些特定的仪表灯。本设计主要分为硬件设计与软件设计。硬件模块包括：电源电路，蜂鸣器电路，按键电路以及LCD显示电路。软件设计主要由Keil5与Matlab来实现。
在本设计中，在LCD显示模块上，会采用软件烧写的方式，实现一款全液晶的仪表显示屏以取代电机模块与LED模块。相比于机械指针的方式，全液晶显示屏具有更美观，更直观的人机交互界面，同时节省了大量的LED以及布线需求。在通信的传递上，采用新兴的CAN总线传递方式，相比于传动的导线通信，CAN总线具有更高效，更稳定且更安全的通信方式。同时，在本次设计中，将会移植FreeRTOS实时操作系统到STM32芯片上。该方法可以实现多进程任务，可以在更好的处理不同情况下的仪表条件。
因此，采用方案二的汽车仪表系统更符合我们的实际需求，更贴切现代发展，该方案操作性高，维护性好，具有良好的安全性与实用性。因此，本设计采用方案二。
1.2 项目总体设计
本项目基于STM32F407设计的汽车仪表系统由：主控芯片，CAN通讯模块，按键模块，LCD显示模块和报警模块组成。STM32主控制芯片负责在接收到CAN通信传来的信号或者按键按下时的系统任务调度，经过主控芯片处理后，会输送到LCD显示模块和报警模块，执行点亮或熄灭相关指示灯，蜂鸣器警报，同步水温表，车速表等操作。系统功能框图如图1.1所示。

图1.1 系统功能框图

该项目分为两种控制方式：CAN总线通信以及按键硬线通信。通过使用CAN收发器实时发送CAN报文给STM32芯片，STM32芯片会判断是否满足相关条件，执行点亮/闪烁/熄灭相关仪表灯或报警。由于在STM32中移植FreeRTOS实时操作系统，会在一个循环周期内不停检测是否接收到CAN报文，执行多个任务调度，实现多个仪表灯的控制。按键控制则是通过定义好的I/O口与仪表灯，当按键按下或取消时，仪表灯和报警会有对应的显示。至此为该项目的流程与功能。
2.1.2 STM32F407ZGT6芯片
为了满足汽车仪表的功能，本设计的主控芯片需要具有强大的数据处理功能的CPU，足够大的内存来存储图形界面图像以及较高的内部时钟来进行中断，定时器等功能，同时该芯片支持移植FreeRTOS操作系统。
因此本设计采用STM32F407ZGT6单片机作为主控芯片。它不单具有ARM Cortex-M4内核并且延展了其他的外围设备。该主控芯片所拥有的168MHZ时钟、定时器功能、FLASH大小以及SRAM符合了本设计所需求的图像储存空间以及中断功能。同时，该芯片还拥有丰富的通信接口，包含了在本次设计中需求的串口通信以及CAN接口通信。它还支持FreeRTOS操作系统，满足了本次设计的需求。STM32F407具有144个引脚供用户使用，引脚描述如图2.1所示：

图2.1 STM32F407引脚图

3 软件设计

3.1 主程序设计
本课题设计的主程序流程如图3.1所示，开机后会初始化液晶显示屏，内部时钟以及I/O口。在FreeRTOS里建立两个任务，分别为主程序任务以及显示任务（主程序任务优先级大于显示任务）。主程序任务会根据内部时钟，不停地循环。当STM32收到信息或按键按下，会判断是否有效。如若无效，不执行任何操作，继续循环。如若有效，会切换到显示任务中，根据逻辑，输出对应的信号，更新LCD液晶显示屏上的信息或蜂鸣器鸣响。

图3.1 程序主流程图

3.2 FreeRTOS移植
FreeRTOS是一款免费的可裁剪的小型RTOS系统，同时也是一款可移植性极高的实时操作系统，由于汽车仪表系统需要判断多种任务状态，因此采用了操作系统。它提供了实时操作系统所需的基本功能包括：任务调度，任务管理，时间管理，消息队列，信号量，内存管理等[14]。同时，该系统也被称为抢占式的实时多任务系统，它将一个大任务分解为若干个小任务，由于小任务会很快执行完成，所以看起来像是同时执行了多个任务。同时，在小任务中会分配优先级的顺序，该系统的任务调度如图3.2所示：

图3.2 任务调度流程图
移植FreeRTOS需要去官网下载相关源码，适配到Keiil5的项目工程里。在适配中需要将sys.h文件中的宏SYSTEM_SUPPORT_OS修改为1，该宏决定了是否使用操作系统。还需要修改usart.c中的文件，在代码中添加FreeRTOS.h的头文件，将FreeRTOS引入进来，同时应用#if，#endif，防止头文件重定义。最后，封装好FreeRTOS操作系统所需要的延时函数，部分源码如图3.3所示：

图3.3 延时函数源码

4.1 重点问题及解决

在实物的调试过程中，主要包含以下几个重点问题：
（1）CAN通信不成功；
（2）图形界面冲突，会出现一个图形被另一个覆盖的情况；
（3）仪表指针异常，无法指向CAN报文发来的数据位置；
（4）编译不通过，STM32没有足够的空间存储图片信息；
经过多次调试排查，第一种情况需要先检查CAN总线的波特率是否保持一致，可以应用EmbededConfig（分析仪配置软件），配置波特率保持一致，检查CAN_H和CAN_L信号是否接反。同时在上位机界面中，需要将报文配置为标准帧，标准帧的ID长度不同于扩展帧，容易造成信息不匹配。针对图形界面冲突的问题，原因是由于在实现一个图像的时候，需要先将该图像所在的坐标“清除”出来，以便显示图像。解决办法是在代码中将突出的图像放在一个循环中，以免出现覆盖的现象。仪表指针异常，经过使用Keil5调试诊断，发现是由于CAN报文发送的是16进制的数据，而在指针算法中采用的是十进制的算法，数据不匹配造成的。可以采用位操作的技巧，取出正确的数值。最后一个问题，是由于STM32的存储空间有限，较大的图像信息过多的占用内存，可以应用Photoshop软件改变图片的像素大小，优化内存占用，可以解决上述问题。最后实物图像如图4.3所示：

图4.3 项目实物图

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