设计一款基于 2.4G 射频的车载 CAN 总线故障诊断仪,详细介绍其工作原理及系统硬件电路,最后分别阐述接收端、发射端和 PC 端的软件模块。

 

该方案采用自动跳频的 2.4G 空中协议,经测试统计误码率保持在有效范围之内,在 14m 内仍能正常工作。采用 USB 作为接收端和 PC 接口,保证了系统的即插即用及数据的高速传输。


控制器局域网络 CAN(Controller Area Network)为汽车内部各种复杂的电子设备、控制器、测量仪器等提供了统一数据交换渠道,已得到广泛的应用。目前,太多数汽车部件都提供了 CAN 总线通信接口。

 

在当今的中高档汽车中,都采用了 CAN 总线技术。针对车载 CAN 总线会出现的故障.结合射频和 USB 的优点,依靠 KWP2000 应用层规定的故障代码,本文提出了一种基于车载 CAN 总线故障诊断仪设计方案。本方案成本低廉,携带方便,具有很强的灵活性与适应性。

 

1 、方案设计

由于采用射频技术,使汽车 CAN 总线数据采集部分和 CAN 总线数据诊断部分得以分离,无需连线,不受空间场地限制,安装携带方便。按照 ISO 有关标准,CAN 总线传输速率最高可达 1 Mbps;但由于汽车内部特殊环境,车载 CAN 总线速率一般在 250 kbps。本系统中射频速率最高可达 l Mbps,可以很好地满足数据传输要求。

 

 

发射端采用 USB 作为接收模块和 PC 接口。USB 与 RS232 或 PCI 接口相比,具有用户使用方便,设备自动识别,自动安装驱动程序和配置,支持动态接入和动态配置等优点;其传输速率可达几十 Mbps,并且支持同步和异步传输方式,保证带宽,传输失真小。

 

PC 端应用层软件整合 KWP2000 的应用层协议。KWP2000 是由瑞典制定的一种车载故障诊断协议,已在微机控制的自动变速器、防抱死制动系统、安全气囊、巡航系统中得到广泛应用。它基于 OSI 七层协议,符合 IS07498 标准。其中第 1~6 层实现通信服务的功能,第 7 层实现诊断服务的功能。其应用层提出了一套完整和标准化的诊断代码,本系统利用 KWP2000 的应用层协议,对采集到的 CAN 总线数据进行分析,以实现故障诊断的功能。

 

2、 硬件实现

2.1 系统所用芯片简介

2.1.1 nRF2401 芯片

nRF240l 是单片射频收发芯片,工作在 2.4~2.5GHz ISM 频段;内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和标准 SPI 等功能模块;输出功率和通信频道可通过软件进行配置,共有 125 个频道可使用,而且最高速率可达 l Mbps。芯片具有 1.9~3.6 V 宽工作电压,工作能耗非常低。当以一 5 dBm 的功率发射时,工作电流只有 10.5 mA;接收时,工作电流只有 18 mA。

 

 

nRF240l 有 4 种工作模式:收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。其工作模式由 PWR_UP、CE、CS 三个引脚和配置字节最低位 TX_EN 来决定。

 

收发模式分为 DirectMode 和 ShockBurst。前者在片内对信号不加任何处理,与其他射频收发器相同。后者使用片内 FIFO 堆栈,数据从 MCU 低速送入,但高速发射,而且与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行。例如,nRF240l 在 ShockBurst 收发模式下自动处理字头和 CRC 校验码,在接收时自动把包头和 CRC 校验码移去;在发送数据时自动加上字头和 CRC 校验码。

 

2.1.2 TMU3100 芯片

TMU3100 是台湾 Tenx 公司 2005 年推出的 RISC 内核的单片机。它嵌入了完全兼容 USBl.1 协议的 USB 控制器,并且提供了低速 USB 接口和 3 个端点,其中 1 个控制输入/输出端点和 2 个中断输入端点。

 

TMU3100 可以配置为标准的 HID 类,可以使用 Windows 操作系统自带的 HID 类驱动程序。这样可以省去开发设备驱动程序的工作,缩短开发周期。TMU3100 芯片结构框罔如图 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,主要资源有:内置标准 CAN 模组、80KB 闪存程序存储器、1 KB 数据 E2PROM、3.3 KBRAM 存储器、8 通道 ADC、1 个 8 位和 3 个 16 位 T1MER、1 个 SPI 和 I2C 串行通信端口和可编程欠压复位功能及低电压检测电路。

 

 

PIC18F2682 内置增强型的 CAN 总线模块,该模块包含 CAN 协议引擎、信息缓冲和信息控制。CAN 协议引擎自动处理 CAN 总线上所有接收和发送的消息,它可以在接收或发送信息时对数据帧进行解析。只需要首先设置适当的寄存器就可以发送信息,通过相关的寄存器即可得到信息传输的状态。

 

2.2 硬件电路

2.2.1 发射端电路原理

是系统发射端电路原理。CAN 总线接口使用 Microchip 公司内置 CAN 模块的 PIC18F2682 单片机,并由光耦 6N137 进行总线隔离;CAN 总线收发器采用 MCP2551。

 

PIC18F2682 与射频芯片 nRF2401 之间通过标准 SPI 接口 SCK、SDI、SDO 来完成,这样可以大大提高发送速率。对 nRF2401 配置控制使能 CS 和接收、发送使能 CE 分别由 RB4 和 RB5 进行控制。当 nRF240l 接收到数据包时,DRl 将被置高电平,因此 PICl8F2682 通过查询 INT0 的状态可以判断是否接收到数据。

 

2.2.2 接收端电路原理

由于 TMU3100 由 PC 供电,而 PC 机 USB 接口所提供的电压 VDD 干扰较大,故对 VDD 进行了π滤波。

 

由于 TMU3100 没有 SPI 模块,故可以通过 PB[1]、PB[0]按照 SPI 协议与 nRF2401 的 SPI 口来进行通信。对 nRF2401 配置控制使能 CS 和接收、发送使能 CE 分别由 KSO[3]和 KSO[13]控制。nRF2401 接收到数据包后,DRl 将被置高电平,因此 TMU3100 可以通过查询 KSl6 的状态判断足否接收到数据。

 

3、 软件设计

系统的软件设计包括发射端软件设计、接收端软件设计和 PC 端软件设计。

 

 

3.1 发射端软件设计

发射端流程如图 5 所示。软件设计主要实现两项功能:第一是实现 CAN 总线上数据的采集;第二是实现将采集后的数据通过射频进行发射。

 

上电后,首先对 CAN 模块进行初始化。然后初始化 nRF2101,并与接收端建立连接。当发送完 CAN 数据后没有收到 ACK 信号时,就跳频;然后通知发送端准备接收重发的 CAN 数据,直到接收到 ACK 信号。

 

为了防止空中干扰,采用了自动跳频的空中协议,即无论是否接收到 ACK 信号都进行跳频,因此可以防止某个频段的强干扰,进而降低误码率。

 

3.2 接收端软件设计

接收端软件流程如图 6 所示。软件设计主要实现两项功能:第一是实现枚举;第二是实现将接收到的数据通过 USB 上传到 PC。上电后,首先完成对 TMU3100 的配置,并与 PC 机枚举;枚举成功后就对 nRF2401 进行配置,并与发射端建立连接。当接收到数据包后,首先判断是 CAN 数据还是重传数据命令。如果是 CAN 数据包,则向发射端返回 ACK 信号并跳频,然后将接收到的数据通过 USB 传至 PC;如果是重传命令,则先跳频,然后置重传标志,表示下个数据包是重传的数据包。

 

 

TMU3100 被配置为标准 HID 类,这样就不用为设备开发驱动程序,而是使用 Windows 提供的标准 HID 类驱动程序。

 

3.3 PC 端软件设计

PC 端软件由应用程序和设备驱动程序组成。Windows 为标准 USB 没备提供了完善的内置驱动,本系统采用 Windows 自带的 HID 类驱动,只要将 TMU3100 配置为 HID 类,即可完成与 PC 机的通信。这省去了开发设备的驱动程序,极大地简化了上位机软件的开发。

 

上位机的应用程序首要实现的功能是,要实现对 TMU3100 端点的读写,用 VC++语言编写,可以把 USB 设备当成文件来操作。用 CreateFiile()函数获得 USB 句柄,为读访问或写访问打开指定端点。用 DeviceControl()来进行控制操作,用 ReadFile()从指定端点读取数据,用 WriteFile()向端点写入数据。

 

当 CAN 总线上的数据被采集到 PC 后,就可以进行故障诊断了。故障诊断代码是依照 KWP2000 应用层规定的故障代码设计的,是目前国际上通用的,现将其应用于 CAN 的应用层,将来可以用全新的 CAN 上层协议取代。故障诊断代码定义在 SSF14230 中。SAE J1979 中,由车辆制造商或系统供应者定义的服务标志符数值的不同范围,如表 1 所列。

 

 

此表中以十六进制数表示的服务标志符,同数据链路层中数据字节内的 SID 服务识别字节对应。不同的 SID 值代表不同的服务请求,故障诊断程序必须符合此应用层标准,才能识别不同的十六进制代码所代表的不同的故障信息。

 

4、 结论

本文设计的 2.4G 无线车载 CAN 总线故障诊断仪,由于采用了自动跳频的空中协议,所以误码率几乎接近零,在 14 m 内仍能进行可靠的工作。系统使用国际上通用的诊断代码,使程序具有通用性和实用性;以 PC 作为硬件平台,无需专门开发硬件平台,可大大降低开发成本并且易于实现设备的升级和维护;使用 USB 接口和 2.4G 无线通信,具有即插即用、不受空间限制、数据传输实时性强的特点。