李宁 李刚 刘赛

摘 要：针对大学生电动方程式赛车开发过程中的仪表显示功能需求，进行了赛车仪表控制单元设计。该仪表控制单元不单单实现了赛车状态的显示功能，还实现了无线传送功能，完善了赛车的人机交互功能。选取CAN总线和SCI模块，采用MK60DN512芯片作为主处理器，设计仪表控制单元收发电路、数据采集模块和远程、串口接口电路等，并制作出实物，为后续赛车仪表单元数据显示、采集和应用奠定了良好基础。

关键词：赛车;仪表控制单元;CAN通信;UART通信

中图分类号：U463.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-32-03

Design of Electric Formula Racing Instrument Control Unit^*

Li Ning， Li Gang， Liu Sai

（ Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121001 ）

Abstract： According to the functional requirements of the instrument display in the development process of the electric formula racing for college students， the design of the instrument control unit is carried out. The instrument control unit not only realizes the display function of the racing status， but also realizes the wireless transmission function， improves the human-computer interaction function of the racing. Can Bus and SCI module are selected， MK60DN512 Chip is adopted as the main processor， and the transceiver circuit， data acquisition module and remote and serial interface circuit are designed. It lays a good foundation for the display， collection and application of the instrument unit data of the follow-up racing.

Keywords： Racing; Instrument control unit; CAN communication; UART communication

CLC NO.： U463.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-32-03

前言

中國大学生电动方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车工程或相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛，将学习与实践相结合，综合提高学生的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升学生的综合素质的同时，为人才培养开辟了新道路^[1-2]。大赛核心是电动赛车设计，而仪表控制单元是电动赛车的重要组成部分，它能够实时显示赛车电机转速、电流、车速等信息，起到为驾驶员提供辅助作用。论文设计的仪表控制单元除了显示信息外，还实现无线传输功能，通过远程信息采集，便于实时监测赛车运动状态，用于赛车调校。基于电动方程式大赛规则相关设计要求^[3]，论文进行了赛车仪表控制单元通信模块、开关量模块、AD采集模块和各种电路设计。

1 CAN总线模块

CAN是英文Controller Area Network的简写，意思为控制局域网络，其通信具有结构简单，节省电线，成本低，且性能可靠的优点，常常应用于汽车、船舶以及航空领域，是目前应用最为广泛的现场总线之一^[4-5]。CAN总线系统最高的传输速率能达到1Mbit/sec，具有错误检测与处理机制，且能够实现数据校验，帧内应答，广播发送等。

仪表的CAN总线收发器将挂入赛车的CAN网络当中，接收电池管理系统发出的电池信息，包括电量、电压、电流等，以及电机控制器返回的电机转速、转矩、温度等信息，以及一些整车控制器发出的告警信号。由于赛车仪表控制单元的工作环境电磁干扰比较强，所以对CAN模块做了必要的隔离设计。主要的元器件有NXP 82C250、高速光耦6N137、以及滤波电路的共模线圈、瞬态稳压二极管等。具体的电路图如图1所示，CAN总线模块会接收BMS、电机控制器及整车控制器的报文，进行处理。

2 UART模块

UART其英文是Universal Asynchronous Receiver/ Trans -mitter，通用异步收发传输器。UART作为异步串口通信协议SCI的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，它具有通信成本低、通信设备相对简单、对硬件资源的占用率较低等优点^[6]。本设计中UART模块主要采用较为稳定的SP3232EEN芯片，串口模块将从CAN总线接收到的信息再次发送给赛车仪表和以无线方式发送给无线数据采集上位机，通信拓扑如图2所示，电路如图3所示。

3 开关量输入/出模块

此模块主要是实现仪表控制单元的开关量控制，为赛车仪表再次开发提供硬件支持，同时为了防止外部干扰采用了光耦进行隔离。具体的设计电路如图4、图5所示。

4 AD采集模块

ADC功能是单片机比较常用的功能，此模块主要实现仪表控制单元的模数转换的功能，为再次开发仪表控制单元时模拟量采集提供了硬件支持。具体的滤波电路如图6所示。

5 其它模块

其他电路为主处理器MK60DN512芯片的配置电路，主要是电源部分、复位电路、JTAG等。电源模块如图7所示，提供了12V、5V及3.3V輸出。

复位电路、JTAG电路如图8所示。

6 仪表控制单元实物制作

为了提高PCB电路板的抗干扰能力，将其设计为四层PCB，顶层与底层为信号层，中间两层为电源层和地层（TopLayer/GND/VCC/BottomLayer）。利用Altium Designer软件设置布线规则，地线>电源线>信号线，将信号线线宽设置为0.2～0.3mm，电源线设置为1.2～2.5mm，在空间允许的条件下将线宽尽可能调宽。赛车仪表控制单元PCB如图9所示。焊接电子元件是开发仪表控制单元的一个重要环节。合理的电路板布局，良好的焊接工艺都为后期的顺利调试奠定了基础。赛车仪表控制单元实物如图10所示。

7 结论

本文主要针对仪表控制单元进行了硬件设计。仪表控制单元采用MK60DN512芯片作为主处理器，主要搭载了CAN总线和SCI功能。该部分设计具有简单方便，实用性强、通信可靠、实时性好、成本低、操作简单、易于编写程序等优点。将赛车的仪表单独集成，也便于后期的安装与维护。

参考文献

[1]中国大学生方程式汽车大赛官方网站：http：//www.formulastudent. com.cn/.

[2] 林继铭，张勇，杨建红，张锋，黄身桂.基于大学生方程式汽车大赛的车辆专业教学模式改革[J].教育教学论坛，2019（12）：34-36.

[3] 李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则[Z].中国汽车工程学会， 2018.

[4] 高文倩.基于CAN总线技术对内燃叉车仪表进行通用性优化设计[J].工程机械与维修2019，（04）：86-88.

[5] 张莉.基于CAN总线的通信系统设计研究[J].自动化与仪器仪表， 2018（4）：91-94.

[6] 颜世威，冯冲，施展.基于FPGA的多串口传输电路设计及验证[J]. 电子测试，2019，（19）：16-18.