設(shè)計一款基于 2.4G 射頻的車載 CAN 總線故障診斷儀,，詳細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 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 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 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(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,。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,，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(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 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(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(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(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(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軟件的開發(fā),。

上位機的應(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,；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)傳輸實時性強的特點。