設(shè)計(jì)一款基于 2.4G 射頻的車載 CAN 總線故障診斷儀，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(jì)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(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(jì)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(jì)

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(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)、接收端軟件設(shè)計(jì)和 PC 端軟件設(shè)計(jì),。

3.1 發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射端流程如圖 5 所示,。軟件設(shè)計(jì)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(jì)

接收端軟件流程如圖 6 所示,。軟件設(shè)計(jì)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(jì)

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(jì)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(jì)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)。