2.4G射頻的CAN總線汽車故障診斷儀

　　控制器局域網絡CAN(Controller Area Network)為汽車內部各種復雜的電子設備、控制器、測量儀器等提供了統(tǒng)一數據交換渠道，已得到廣泛的應用。目前，太多數汽車部件都提供了CAN總線通信接口。

　　在當今的中高檔汽車中，都采用了CAN總線技術。針對車載CAN總線會出現(xiàn)的故障.結合射頻和USB的優(yōu)點，依靠KWP2000應用層規(guī)定的故障代碼，本文提出了一種基于車載CAN總線故障診斷儀設計方案。本方案成本低廉，攜帶方便，具有很強的靈活性與適應性。

　　1 方案設計

　　系統(tǒng)總體設計框圖如圖l所示。系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收端兩部分。

　　由于采用射頻技術，使汽車CAN總線數據采集部分和CAN總線數據診斷部分得以分離，無需連線，不受空間場地限制，安裝攜帶方便。按照ISO有關標準， CAN總線傳輸速率最高可達1 Mbps;但由于汽車內部特殊環(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l Mbps，可以很好地滿足數據傳輸要求。

　　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，設備自動識別，自動安裝驅動程序和配置，支持動態(tài)接入和動態(tài)配置等優(yōu)點;其傳輸速率可達幾十Mbps，并且支持同步和異步傳輸方式，保證帶寬，傳輸失真小。

　　PC端應用層軟件整合KWP2000的應用層協(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)中得到廣泛應用。它基于OSI七層協(xié)議，符合IS07498標準。其中第1~6層實現(xiàn)通信服務的功能，第7層實現(xiàn)診斷服務的功能。其應用層提出了一套完整和標準化的診斷代碼，本系統(tǒng)利用KWP2000的應用層協(xié)議，對采集到的CAN總線數據進行分析，以實現(xiàn)故障診斷的功能。

　　2 硬件實現(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;內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和標準SPI等功能模塊;輸出功率和通信頻道可通過軟件進行配置，共有125個頻道可使用，而且最高速率可達l Mbps。芯片具有1.9～3.6 V寬工作電壓，工作能耗非常低。當以一5 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、關機模式。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FIFO堆棧，數據從 MCU低速送入，但高速發(fā)射，而且與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內進行。例如，nRF240l在ShockBurst收發(fā)模式下自動處理字頭和 CRC校驗碼，在接收時自動把包頭和CRC校驗碼移去;在發(fā)送數據時自動加上字頭和CRC校驗碼。

　　2.1.2 TMU3100芯片

　　TMU3100是臺灣Tenx公司2005年推出的RISC內核的單片機。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，其中1個控制輸入/輸出端點和2個中斷輸入端點。

　　TMU3100可以配置為標準的HID類，可以使用Windows操作系統(tǒng)自帶的HID類驅動程序。這樣可以省去開發(fā)設備驅動程序的工作，縮短開發(fā)周期。TMU3100芯片結構框罔如圖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：內置標準CAN模組、80KB閃存程序存儲器、1 KB數據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位功能及低電壓檢測電路。

　　PIC18F2682內置增強型的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)送信息時對數據幀進行解析。只需要首先設置適當的寄存器就可以發(fā)送信息，通過相關的寄存器即可得到信息傳輸的狀態(tài)。

　　2.2 硬件電路

　　2.2.1 發(fā)射端電路原理

　　圖3是系統(tǒng)發(fā)射端電路原理。CAN總線接口使用Microchip公司內置CAN模塊的PIC18F2682單片機，并由光耦6N137進行總線隔離;CAN總線收發(fā)器采用MCP2551。

　　PIC18F2682與射頻芯片nRF2401之間通過標準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進行控制。當nRF240l接收到數據包時，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據。

　　2.2.2 接收端電路原理

　　圖4是系統(tǒng)接收端電路原理。由于TMU3100由PC供電，而PC機USB接口所提供的電壓VDD干擾較大，故對VDD進行了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接收到數據包后，DRl將被置高電平，因此TMU3100可以通過查詢KSl6的狀態(tài)判斷足否接收到數據。

　　3 軟件設計

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

　　3.1 發(fā)射端軟件設計

　　發(fā)射端流程如圖5所示。軟件設計主要實現(xiàn)兩項功能：第一是實現(xiàn)CAN總線上數據的采集;第二是實現(xiàn)將采集后的數據通過射頻進行發(fā)射。

　　上電后，首先對CAN模塊進行初始化。然后初始化nRF2101，并與接收端建立連接。當發(fā)送完CAN數據后沒有收到ACK信號時，就跳頻;然后通知發(fā)送端準備接收重發(fā)的CAN數據，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信號都進行跳頻，因此可以防止某個頻段的強干擾，進而降低誤碼率。

　　3.2 接收端軟件設計

　　接收端軟件流程如圖6所示。軟件設計主要實現(xiàn)兩項功能：第一是實現(xiàn)枚舉;第二是實現(xiàn)將接收到的數據通過USB上傳到PC。上電后，首先完成對TMU3100 的配置，并與PC機枚舉;枚舉成功后就對nRF2401進行配置，并與發(fā)射端建立連接。當接收到數據包后，首先判斷是CAN數據還是重傳數據命令。如果是 CAN數據包，則向發(fā)射端返回ACK信號并跳頻，然后將接收到的數據通過USB傳至PC;如果是重傳命令，則先跳頻，然后置重傳標志，表示下個數據包是重傳的數據包。

　　TMU3100被配置為標準HID類，這樣就不用為設備開發(fā)驅動程序，而是使用Windows提供的標準HID類驅動程序。

　　3.3 PC端軟件設計

　　PC端軟件由應用程序和設備驅動程序組成。Windows為標準USB沒備提供了完善的內置驅動，本系統(tǒng)采用Windows自帶的HID類驅動，只要將 TMU3100配置為HID類，即可完成與PC機的通信。這省去了開發(fā)設備的驅動程序，極大地簡化了上位機軟件的開發(fā)。

　　上位機的應用程序首要實現(xiàn)的功能是，要實現(xiàn)對TMU3100端點的讀寫，用VC++語言編寫，可以把USB設備當成文件來操作。用CreateFiile ()函數獲得USB句柄，為讀訪問或寫訪問打開指定端點。用DeviceControl()來進行控制操作，用ReadFile()從指定端點讀取數據，用WriteFile()向端點寫入數據。

　　當CAN總線上的數據被采集到PC后，就可以進行故障診斷了。故障診斷代碼是依照KWP2000應用層規(guī)定的故障代碼設計的，是目前國際上通用的，現(xiàn)將其應用于CAN的應用層，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)供應者定義的服務標志符數值的不同范圍，如表1所列。

　　此表中以十六進制數表示的服務標志符，同數據鏈路層中數據字節(jié)內的SID服務識別字節(jié)對應。不同的SID值代表不同的服務請求，故障診斷程序必須符合此應用層標準，才能識別不同的十六進制代碼所代表的不同的故障信息。

　　4 結論

　　本文設計的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內仍能進行可靠的工作。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)成本并且易于實現(xiàn)設備的升級和維護;使用USB接口和2.4G無線通信，具有即插即用、不受空間限制、數據傳輸實時性強的特點。