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),。針對車載CAN總線會出現(xiàn)的故障．結(jié)合射頻和USB的優(yōu)點，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

　　系統(tǒng)總體設(shè)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(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；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層實現(xiàn)通信服務(wù)的功能,，第7層實現(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(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校驗碼，在接收時自動把包頭和CRC校驗碼移去,；在發(fā)送數(shù)據(jù)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(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,，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(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

　　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(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

　　圖4是系統(tǒng)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)計主要實現(xiàn)兩項功能：第一是實現(xiàn)CAN總線上數(shù)據(jù)的采集,；第二是實現(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(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(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,。用DeviceControl()來進(jìn)行控制操作，用ReadFile()從指定端點讀取數(shù)據(jù),，用WriteFile()向端點寫入數(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(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)傳輸實時性強(qiáng)的特點。