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2.4GHz射頻的CAN總線汽車故障診斷儀

作者: 時間:2012-01-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
  設(shè)計一款基于2.4G射頻的車載故障診斷儀,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。
  
  該方案采用自動跳頻的2.4G空中協(xié)議,經(jīng)測試統(tǒng)計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、測量儀器等提供了統(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)汽車部件都提供了通信接口。

  在當(dāng)今的中高檔汽車中,都采用了技術(shù)。針對車載CAN總線會出現(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

  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,無需連線,不受空間場地限制,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)備自動識別,自動安裝驅(qū)動程序和配置,支持動態(tài)接入和動態(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)控制的自動變速器、防抱死制動系統(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軟件進(jìn)行配置,共有125個頻道可使用,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,工作電流只有10.5 mA;接收時,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三個引腳和配置字節(jié)最低位TX_EN來決定。

  收發(fā)模式分為DirectMode和ShockBurst。前者在片內(nèi)對信號不加任何處理,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)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行。例如,nRF240l在ShockBurst收發(fā)模式下自動處理字頭和 CRC校驗(yàn)碼,在接收時自動把包頭和CRC校驗(yàn)碼移去;在發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。

  2.1.2 TMU3100芯片

  TMU3100是臺灣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個端點(diǎn),其中1個控制輸入/輸出端點(diǎn)和2個中斷輸入端點(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)動程序。這樣可以省去開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序的工作,縮短開發(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閃存程序存儲器、1 KB數(shù)據(jù)E2PROM、3.3 KBRAM存儲器、8通道ADC、1個8位和3個16位T1MER、1個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)送信息時對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析。只需要首先設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢园l(fā)送信息,通過相關(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之間通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口SCK、SDI、SDO來完成,這樣可以大大提高發(fā)送速率。對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,DRl將被置高電平,因此PICl8F2682通過查詢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VDD進(jìn)行了π濾波。

  由于TMU3100沒有SPI模塊,故可以通過PB[1]、PB[0]按照SPI協(xié)議與nRF2401的SPI口來進(jìn)行通信。對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可以通過查詢KSl6的狀態(tài)判斷足否接收到數(shù)據(jù)。

  3 軟件設(shè)計

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

  3.1 發(fā)射端軟件設(shè)計

  發(fā)射端流程如圖5所示。軟件設(shè)計主要實(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)通過射頻進(jìn)行發(fā)射。

  上電后,首先對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)后沒有收到ACK信號時,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。

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

  3.2 接收端軟件設(shè)計

  接收端軟件流程如圖6所示。軟件設(shè)計主要實(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USB上傳到PC。上電后,首先完成對 TMU3100的配置,并與PC機(jī)枚舉;枚舉成功后就對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信號并跳頻,然后將接收到的數(shù)據(jù)通過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)備開發(fā)驅(qū)動程序,而是使用Windows提供的標(biāo)準(zhǔn)HID類驅(qū)動程序。

  3.3 PC端軟件設(shè)計

  PC端軟件由應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序組成。Windows為標(biāo)準(zhǔn)USB沒備提供了完善的內(nèi)置驅(qū)動,本系統(tǒng)采用Windows自帶的HID類驅(qū)動,只要將 TMU3100配置為HID類,即可完成與PC機(jī)的通信。這省去了開發(fā)設(shè)備的驅(qū)動程序,極大地簡化了上位機(jī)軟件的開發(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TMU3100端點(diǎn)的讀寫,用VC++語言編寫,可以把USB設(shè)備當(dāng)成文件來操作。用CreateFiile()函數(shù)獲得USB句柄,為讀訪問或?qū)懺L問打開指定端點(diǎn)。用DeviceControl()來進(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)計的,是目前國際上通用的,現(xiàn)將其應(yīng)用于CAN的應(yīng)用層,將來可以用全新的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)識別字節(jié)對應(yīng)。不同的SID值代表不同的服務(wù)請求,故障診斷程序必須符合此應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn),才能識別不同的十六進(jìn)制代碼所代表的不同的故障信息。

4 結(jié)論

  本文設(shè)計的2.4G無線車載CAN總線故障診斷儀,由于采用了自動跳頻的空中協(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,無需專門開發(fā)硬件平臺,可大大降低開發(fā)成本并且易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升級和維護(hù);使用USB接口和2.4G無線通信,具有即插即用、不受空間限制、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)。



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