基于CAN總線結(jié)合射頻和USB實(shí)現(xiàn)車載故障診斷儀的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一款基于2.4G射頻的車載CAN總線故障診斷儀，詳細(xì)介紹其工作原理及系統(tǒng)硬件電路，最后分別闡述接收端、發(fā)射端和PC端的軟件模塊。

該方案采用自動(dòng)跳頻的2.4G空中協(xié)議，經(jīng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)誤碼率保持在有效范圍之內(nèi)，在14m內(nèi)仍能正常工作。采用USB作為接收端和PC接口，保證了系統(tǒng)的即插即用及數(shù)據(jù)的高速傳輸。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）為汽車內(nèi)部各種復(fù)雜的電子設(shè)備、控制器、測(cè)量?jī)x器等提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換渠道，已得到廣泛的應(yīng)用。目前，太多數(shù)汽車部件都提供了CAN總線通信接口。

在當(dāng)今的中高檔汽車中，都采用了CAN總線技術(shù)。針對(duì)車載CAN總線會(huì)出現(xiàn)的故障．結(jié)合射頻和USB的優(yōu)點(diǎn)，依靠KWP2000應(yīng)用層規(guī)定的故障代碼，本文提出了一種基于車載CAN總線故障診斷儀設(shè)計(jì)方案。本方案成本低廉，攜帶方便，具有很強(qiáng)的靈活性與適應(yīng)性。

1 、方案設(shè)計(jì)

由于采用射頻技術(shù)，使汽車CAN總線數(shù)據(jù)采集部分和CAN總線數(shù)據(jù)診斷部分得以分離，無(wú)需連線，不受空間場(chǎng)地限制，安裝攜帶方便。按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN總線傳輸速率最高可達(dá)1 Mbps；但由于汽車內(nèi)部特殊環(huán)境，車載CAN總線速率一般在250 kbps。本系統(tǒng)中射頻速率最高可達(dá)l Mbps，可以很好地滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

發(fā)射端采用USB作為接收模塊和PC接口。USB與RS232或PCI接口相比，具有用戶使用方便，設(shè)備自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)程序和配置，支持動(dòng)態(tài)接入和動(dòng)態(tài)配置等優(yōu)點(diǎn)；其傳輸速率可達(dá)幾十Mbps，并且支持同步和異步傳輸方式，保證帶寬，傳輸失真小。

PC端應(yīng)用層軟件整合KWP2000的應(yīng)用層協(xié)議。KWP2000是由瑞典制定的一種車載故障診斷協(xié)議，已在微機(jī)控制的自動(dòng)變速器、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊、巡航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它基于OSI七層協(xié)議，符合IS07498標(biāo)準(zhǔn)。其中第1~6層實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)的功能，第7層實(shí)現(xiàn)診斷服務(wù)的功能。其應(yīng)用層提出了一套完整和標(biāo)準(zhǔn)化的診斷代碼，本系統(tǒng)利用KWP2000的應(yīng)用層協(xié)議，對(duì)采集到的CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)故障診斷的功能。

2、 硬件實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)所用芯片簡(jiǎn)介

2.1.1 nRF2401芯片

nRF240l是單片射頻收發(fā)芯片，工作在2．4～2．5GHz ISM頻段；內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和標(biāo)準(zhǔn)SPI等功能模塊；輸出功率和通信頻道可通過(guò)軟件進(jìn)行配置，共有125個(gè)頻道可使用，而且最高速率可達(dá)l Mbps。芯片具有1．9～3．6 V寬工作電壓，工作能耗非常低。當(dāng)以一5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10．5 mA；接收時(shí)，工作電流只有18 mA。

nRF240l有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式。其工作模式由PWR_UP、CE、CS三個(gè)引腳和配置字節(jié)最低位TX_EN來(lái)決定。

收發(fā)模式分為DirectMode和ShockBurst。前者在片內(nèi)對(duì)信號(hào)不加任何處理，與其他射頻收發(fā)器相同。后者使用片內(nèi)FIFO堆棧，數(shù)據(jù)從 MCU低速送入，但高速發(fā)射，而且與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行。例如，nRF240l在ShockBurst收發(fā)模式下自動(dòng)處理字頭和 CRC校驗(yàn)碼，在接收時(shí)自動(dòng)把包頭和CRC校驗(yàn)碼移去；在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。

2.1.2 TMU3100芯片

TMU3100是臺(tái)灣Tenx公司2005年推出的RISC內(nèi)核的單片機(jī)。它嵌入了完全兼容USBl．1協(xié)議的USB控制器，并且提供了低速USB接口和3個(gè)端點(diǎn)，其中1個(gè)控制輸入／輸出端點(diǎn)和2個(gè)中斷輸入端點(diǎn)。

TMU3100可以配置為標(biāo)準(zhǔn)的HID類，可以使用Windows操作系統(tǒng)自帶的HID類驅(qū)動(dòng)程序。這樣可以省去開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作，縮短開(kāi)發(fā)周期。TMU3100芯片結(jié)構(gòu)框罔如圖2所示。

2.1.3 PICl8F2682芯片

PICl8F2682是Microchip公司新推出的8 位低功耗CAN微控制器，主要資源有：內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)CAN模組、80KB閃存程序存儲(chǔ)器、1 KB數(shù)據(jù)E2PROM、3．3 KBRAM存儲(chǔ)器、8通道ADC、1個(gè)8位和3個(gè)16位T1MER、1個(gè)SPI和I2C串行通信端口和可編程欠壓復(fù)位功能及低電壓檢測(cè)電路。

PIC18F2682內(nèi)置增強(qiáng)型的CAN總線模塊，該模塊包含CAN協(xié)議引擎、信息緩沖和信息控制。CAN協(xié)議引擎自動(dòng)處理CAN總線上所有接收和發(fā)送的消息，它可以在接收或發(fā)送信息時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析。只需要首先設(shè)置適當(dāng)?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器就可以發(fā)送信息，通過(guò)相關(guān)的寄存器即可得到信息傳輸?shù)臓顟B(tài)。

2．2 硬件電路

2．2．1 發(fā)射端電路原理

是系統(tǒng)發(fā)射端電路原理。CAN總線接口使用Microchip公司內(nèi)置CAN模塊的PIC18F2682單片機(jī)，并由光耦6N137進(jìn)行總線隔離；CAN總線收發(fā)器采用MCP2551。

PIC18F2682與射頻芯片nRF2401之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口SCK、SDI、SDO來(lái)完成，這樣可以大大提高發(fā)送速率。對(duì)nRF2401配置控制使能CS和接收、發(fā)送使能CE分別由RB4和RB5進(jìn)行控制。當(dāng)nRF240l接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，DRl將被置高電平，因此PICl8F2682通過(guò)查詢INT0的狀態(tài)可以判斷是否接收到數(shù)據(jù)。

2.2.2 接收端電路原理

由于TMU3100由PC供電，而PC機(jī)USB接口所提供的電壓VDD干擾較大，故對(duì)VDD進(jìn)行了π濾波。

由于TMU3100沒(méi)有SPI模塊，故可以通過(guò)PB［1］、PB［0］按照SPI協(xié)議與nRF2401的SPI口來(lái)進(jìn)行通信。對(duì)nRF2401配置控制使能CS和接收、發(fā)送使能CE分別由KSO［3］和KSO［13］控制。nRF2401接收到數(shù)據(jù)包后，DRl將被置高電平，因此TMU3100可以通過(guò)查詢KSl6的狀態(tài)判斷足否接收到數(shù)據(jù)。

3、 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)、接收端軟件設(shè)計(jì)和PC端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射端流程如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：第一是實(shí)現(xiàn)CAN總線上數(shù)據(jù)的采集；第二是實(shí)現(xiàn)將采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)射頻進(jìn)行發(fā)射。

上電后，首先對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化。然后初始化nRF2101，并與接收端建立連接。當(dāng)發(fā)送完CAN數(shù)據(jù)后沒(méi)有收到ACK信號(hào)時(shí)，就跳頻；然后通知發(fā)送端準(zhǔn)備接收重發(fā)的CAN數(shù)據(jù)，直到接收到ACK信號(hào)。

為了防止空中干擾，采用了自動(dòng)跳頻的空中協(xié)議，即無(wú)論是否接收到ACK信號(hào)都進(jìn)行跳頻，因此可以防止某個(gè)頻段的強(qiáng)干擾，進(jìn)而降低誤碼率。

3.2 接收端軟件設(shè)計(jì)

接收端軟件流程如圖6所示。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：第一是實(shí)現(xiàn)枚舉；第二是實(shí)現(xiàn)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB上傳到PC。上電后，首先完成對(duì) TMU3100的配置，并與PC機(jī)枚舉；枚舉成功后就對(duì)nRF2401進(jìn)行配置，并與發(fā)射端建立連接。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，首先判斷是CAN數(shù)據(jù)還是重傳數(shù)據(jù)命令。如果是CAN數(shù)據(jù)包，則向發(fā)射端返回ACK信號(hào)并跳頻，然后將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB傳至PC；如果是重傳命令，則先跳頻，然后置重傳標(biāo)志，表示下個(gè)數(shù)據(jù)包是重傳的數(shù)據(jù)包。

TMU3100被配置為標(biāo)準(zhǔn)HID類，這樣就不用為設(shè)備開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，而是使用Windows提供的標(biāo)準(zhǔn)HID類驅(qū)動(dòng)程序。

3.3 PC端軟件設(shè)計(jì)

PC端軟件由應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成。Windows為標(biāo)準(zhǔn)USB沒(méi)備提供了完善的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)采用Windows自帶的HID類驅(qū)動(dòng)，只要將 TMU3100配置為HID類，即可完成與PC機(jī)的通信。這省去了開(kāi)發(fā)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，極大地簡(jiǎn)化了上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)。

上位機(jī)的應(yīng)用程序首要實(shí)現(xiàn)的功能是，要實(shí)現(xiàn)對(duì)TMU3100端點(diǎn)的讀寫，用VC++語(yǔ)言編寫，可以把USB設(shè)備當(dāng)成文件來(lái)操作。用CreateFiile（）函數(shù)獲得USB句柄，為讀訪問(wèn)或?qū)懺L問(wèn)打開(kāi)指定端點(diǎn)。用DeviceControl（）來(lái)進(jìn)行控制操作，用ReadFile（）從指定端點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，用 WriteFile（）向端點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)。

當(dāng)CAN總線上的數(shù)據(jù)被采集到PC后，就可以進(jìn)行故障診斷了。故障診斷代碼是依照 KWP2000應(yīng)用層規(guī)定的故障代碼設(shè)計(jì)的，是目前國(guó)際上通用的，現(xiàn)將其應(yīng)用于CAN的應(yīng)用層，將來(lái)可以用全新的CAN上層協(xié)議取代。故障診斷代碼定義在 SSF14230中。SAE J1979中，由車輛制造商或系統(tǒng)供應(yīng)者定義的服務(wù)標(biāo)志符數(shù)值的不同范圍，如表1所列。

此表中以十六進(jìn)制數(shù)表示的服務(wù)標(biāo)志符，同數(shù)據(jù)鏈路層中數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)的SID服務(wù)識(shí)別字節(jié)對(duì)應(yīng)。不同的SID值代表不同的服務(wù)請(qǐng)求，故障診斷程序必須符合此應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，才能識(shí)別不同的十六進(jìn)制代碼所代表的不同的故障信息。

4、 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的2．4G無(wú)線車載CAN總線故障診斷儀，由于采用了自動(dòng)跳頻的空中協(xié)議，所以誤碼率幾乎接近零，在14 m內(nèi)仍能進(jìn)行可靠的工作。系統(tǒng)使用國(guó)際上通用的診斷代碼，使程序具有通用性和實(shí)用性；以PC作為硬件平臺(tái)，無(wú)需專門開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)，可大大降低開(kāi)發(fā)成本并且易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升級(jí)和維護(hù)；使用USB接口和2．4G無(wú)線通信，具有即插即用、不受空間限制、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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