基于STM32的汽车仪表显示系统：集成CAN、UART与I2C总线设计流程

一、项目概述

项目目标与用途

本项目旨在设计和实现一个基于STM32微控制器的汽车仪表显示系统。该系统能够实时显示汽车的速度、转速、油量等关键信息，并通过CAN总线与其他汽车控制单元进行通信。这种仪表显示系统不仅提高了驾驶的安全性和便捷性，还能为汽车提供更智能的用户体验。

技术栈关键词

• 微控制器：STM32

• 显示技术：TFT LCD / OLED

• 传感器：速度传感器、温度传感器、油量传感器

• 通信协议：CAN总线、UART、I2C

• 开发环境：STM32CubeIDE、Keil uVision

• 图形库：STemWin、LittlevGL

• 调试工具：ST-Link

二、系统架构

系统架构设计

本项目的系统架构包括微控制器、传感器、显示模块和通信模块。微控制器负责数据采集和处理，传感器用于获取实时数据，显示模块用于向用户展示信息，通信模块用于与其他汽车控制单元进行数据交换。

选择的单片机与通信协议

单片机：STM32F407，具备较强的处理能力和丰富的外设接口，适合用于实时数据处理。

通信协议：

• CAN总线：用于与其他汽车控制单元进行通信，确保数据的可靠传输。

• UART和I2C：用于与传感器和显示模块进行通信。

系统架构图

以下是系统架构图，展示了各个组件之间的交互关系。

采集

采集

采集

显示

通信

发送数据

STM32微控制器

速度传感器

温度传感器

油量传感器

TFT LCD

CAN总线

其他ECU

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

1. 安装STM32CubeIDE：下载并安装STM32CubeIDE，配置好相关工具链。这是一个集成开发环境，包含编译器、调试器和代码编辑器，适合STM32微控制器的开发。

2. 安装STM32CubeMX：使用STM32CubeMX配置微控制器的外设和引脚分配，简化初始化代码的生成过程。

3. 选择图形库：根据需求选择合适的图形库（如STemWin或LittlevGL），并准备相关的库文件。这些库通常提供了丰富的图形界面组件，便于开发用户交互界面。

注意事项

• 硬件兼容性：确保使用的传感器与微控制器的电压和接口兼容。例如，选择电压为3.3V或5V的传感器，以免损坏微控制器。

• 电源管理：在设计电路时，确保电源的稳定性和信号干扰的控制。使用滤波器和稳压器来保证供电质量。

• 调试工具：使用ST-Link调试器进行代码调试时，确保连接正确，并使用调试功能监控变量和中断。

四、代码实现过程

功能模块实现

根据系统架构，我们将功能模块分为传感器驱动、显示控制和通信模块。

1. 传感器驱动模块

传感器选择与初始化

• 速度传感器：使用霍尔传感器来检测车速。

• 温度传感器：使用NTC热敏电阻来监测发动机温度。

• 油量传感器：使用电阻式油量传感器来获取油量信息。

代码示例

1.1 速度传感器驱动

#include "stm32f4xx_hal.h"

volatile float speed = 0.0;  // 速度变量

// 定义外部中断处理函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {  // 假设速度传感器连接到PA0
        speed++;  // 每次中断增加速度计数
    }
}
void SpeedSensor_Init(void) {
    // 初始化GPIO和外部中断
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOA时钟

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;  // 速度传感器连接到PA0
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;  // 上升沿触发
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 不使用上拉电阻
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化GPIO

    // 启用外部中断
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);  // 使能外部中断
}

float Read_Speed(void) {
    // 每秒计算速度（假设每个中断代表1单位速度）
    return speed;  // 返回当前速度值
}

说明：

• HAL_GPIO_EXTI_Callback：此函数是外部中断的回调函数，每当速度传感器触发中断时，速度变量将递增。

• SpeedSensor_Init：初始化速度传感器的GPIO引脚，并配置为上升沿触发的外部中断。

• Read_Speed：返回当前的速度值。

1.2 温度传感器驱动

#include "stm32f4xx_hal.h"

float temperature = 0.0;  // 温度变量

void TempSensor_Init(void) {
    // 初始化ADC
    ADC_HandleTypeDef hadc;
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();  // 使能ADC1时钟

    hadc.Instance = ADC1;
    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    HAL_ADC_Init(&hadc);  // 初始化ADC
}

float Read_Temperature(void) {
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(&hadc);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc);  // 获取ADC值

    // 将ADC值转换为温度 (假设线性转换)
    temperature = (float)adcValue * (3.3 / 4096.0) * 100.0;  // 12位ADC，3.3V对应100℃
    return temperature;  // 返回温度值
}

说明：

• TempSensor_Init：初始化ADC以读取温度传感器的数据。

• Read_Temperature：读取ADC值并将其转换为温度值。

1.3 油量传感器驱动

#include "stm32f4xx_hal.h"

float fuelLevel = 0.0;  // 油量变量

void FuelSensor_Init(void) {
    // 初始化ADC，类似温度传感器
    ADC_HandleTypeDef hadc;
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();  // 使能ADC1时钟

    hadc.Instance = ADC1;
    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    HAL_ADC_Init(&hadc);  // 初始化ADC
}

float Read_FuelLevel(void) {
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(&hadc);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc);  // 获取ADC值
     // 将ADC值转换为油量 (假设线性转换)
     fuelLevel = (float)adcValue * (3.3 / 4096.0) * 100.0;  // 假设油量传感器输出0-3.3V对应0-100%油量
    return fuelLevel;  // 返回油量值
}

说明：

• FuelSensor_Init：功能与温度传感器的初始化相同，这里也配置了ADC用于读取油量传感器的数据。

• Read_FuelLevel：读取ADC值并将其转换为油量百分比，假设油量传感器输出0-3.3V对应0-100%的油量。

2. 显示控制模块

该模块负责将传感器读取到的数据实时显示在LCD屏幕上。

代码示例

使用STemWin库进行显示控制：

#include "GUI.h"

void Display_Init(void) {
    // 初始化显示模块
    GUI_Init();  // 初始化图形库
    GUI_SetFont(&GUI_Font24B_ASCII);  // 设置字体
}

void Update_Display(float speed, float temperature, float fuelLevel) {
    GUI_Clear();  // 清除屏幕
    
    // 显示速度
    GUI_SetColor(GUI_BLACK);
    GUI_DispStringAt("Speed: ", 10, 10);
    GUI_DispFloatAt(speed, 80, 10, 1);  // 保留一位小数
    
    // 显示温度
    GUI_DispStringAt("Temperature: ", 10, 50);
    GUI_DispFloatAt(temperature, 80, 50, 1);  // 保留一位小数
    
    // 显示油量
    GUI_DispStringAt("Fuel Level: ", 10, 90);
    GUI_DispFloatAt(fuelLevel, 80, 90, 1);  // 保留一位小数
}

说明：

• Display_Init：初始化显示模块和字体设置。

• Update_Display：实时更新显示内容，包括速度、温度和油量。使用GUI_DispFloatAt可以将浮点数格式化为字符串并显示。

3. 通信模块

该模块负责通过CAN总线与其他ECU进行通信。

代码示例

#include "can.h"

CAN_HandleTypeDef hcan;  // CAN句柄

void CAN_Init(void) {
    // 初始化CAN
    __HAL_RCC_CAN1_CLK_ENABLE();  // 使能CAN1时钟

    hcan.Instance = CAN1;
    hcan.Init.Prescaler = 16;  // 波特率设置
    hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
    hcan.Init.SJW = CAN_SJW_1TQ;
    hcan.Init.BS1 = CAN_BS1_8TQ;
    hcan.Init.BS2 = CAN_BS2_1TQ;
    hcan.Init.TTCM = DISABLE;
    hcan.Init.ABOM = DISABLE;
    hcan.Init.AWUM = DISABLE;
    hcan.Init.NART = DISABLE;
    hcan.Init.RFLM = DISABLE;
    hcan.Init.TXFP = DISABLE;
    HAL_CAN_Init(&hcan);  // 初始化CAN
}

void CAN_SendData(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len) {
    CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
    TxHeader.StdId = id;  // 设置标准标识符
    TxHeader.ExtId = 0;  // 扩展标识符
    TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;  // 数据帧
    TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;  // 标准帧
    TxHeader.DLC = len;  // 数据长度

    uint32_t TxMailbox;  // 发送邮箱
    HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &TxHeader, data, &TxMailbox);  // 发送数据
}

说明：

• HAL_Init()：初始化STM32 HAL库。

• SystemClock_Config()：配置系统时钟，确保微控制器以正确的频率工作（具体实现根据硬件配置）。

• MX_GPIO_Init()、MX_ADC_Init()：初始化GPIO和ADC模块，具体的引脚配置和ADC参数根据实际设计进行设置。

• while (1)：主循环中读取传感器数据、更新显示、发送CAN数据，并控制更新频率。

5. 时序图表示

STM32微控制器 速度传感器 温度传感器 油量传感器 显示模块 CAN总线 读取速度 返回速度数据 读取温度 返回温度数据 读取油量 返回油量数据 更新显示 显示成功 发送数据 数据发送成功 STM32微控制器 速度传感器 温度传感器 油量传感器 显示模块 CAN总线

五、项目总结

通过本项目，我们成功设计并实现了一个基于STM32微控制器的汽车仪表显示系统。该系统能够实时显示汽车的速度、温度和油量，并通过CAN总线与其他控制单元进行通信。整个系统的设计和实现过程包括以下几个关键步骤：

1. 硬件设计：选择合适的传感器和显示模块，设计电路原理图和PCB布局。确保各个组件之间的兼容性和连接可靠性。通过使用STM32F407微控制器，利用其丰富的外设接口和强大的处理能力，确保系统能够高效运行。

2. 软件开发：使用STM32CubeIDE进行代码编写和调试，结合STM32CubeMX配置外设。实现了传感器驱动、显示控制和通信模块的功能，使得系统能够实时读取传感器数据并显示在LCD上，同时通过CAN总线与其他控制单元进行数据交换。

3. 功能实现：

   • 传感器驱动：成功实现了速度、温度和油量传感器的驱动，确保数据的准确性和实时性。

   • 显示控制：使用STemWin库实现了用户界面的设计，显示内容清晰且易于理解。

   • 通信模块：通过CAN总线实现了与其他汽车控制单元的数据通信，增强了系统的集成性和扩展性。

4. 系统测试：对系统进行了全面测试，验证了各个模块的功能和性能。通过调试工具（如ST-Link）监控程序运行状态，确保系统稳定运行，并在不同条件下进行验证。