2．4G射頻的CAN總線(xiàn)汽車(chē)故障診斷儀

控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN(Controller Area Network)為汽車(chē)內部各種復雜的電子設備、控制器、測量?jì)x器等提供了統一數據交換渠道，已得到廣泛的應用。目前，太多數汽車(chē)部件都提供了CAN總線(xiàn)通信接口。
在當今的中高檔汽車(chē)中，都采用了CAN總線(xiàn)技術(shù)。針對車(chē)載CAN總線(xiàn)會(huì )出現的故障．結合射頻和USB的優(yōu)點(diǎn)，依靠KWP2000應用層規定的故障代碼，本文提出了一種基于車(chē)載CAN總線(xiàn)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
系統總體設計框圖如圖l所示。系統分為發(fā)射端和接收端兩部分。

由于采用射頻技術(shù)，使汽車(chē)CAN總線(xiàn)數據采集部分和CAN總線(xiàn)數據診斷部分得以分離，無(wú)需連線(xiàn)，不受空間場(chǎng)地限制，安裝攜帶方便。按照ISO有關(guān)標準，CAN總線(xiàn)傳輸速率最高可達1 Mbps；但由于汽車(chē)內部特殊環(huán)境，車(chē)載CAN總線(xiàn)速率一般在250 kbps。本系統中射頻速率最高可達l Mbps，可以很好地滿(mǎn)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(hù)使用方便，設備自動(dòng)識別，自動(dòng)安裝驅動(dòng)程序和配置，支持動(dòng)態(tài)接入和動(dòng)態(tài)配置等優(yōu)點(diǎn)；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(chē)載故障診斷協(xié)議，已在微機控制的自動(dòng)變速器、防抱死制動(dòng)系統、安全氣囊、巡航系統中得到廣泛應用。它基于OSI七層協(xié)議，符合IS07498標準。其中第1~6層實(shí)現通信服務(wù)的功能，第7層實(shí)現診斷服務(wù)的功能。其應用層提出了一套完整和標準化的診斷代碼，本系統利用KWP2000的應用層協(xié)議，對采集到的CAN總線(xiàn)數據進(jìn)行分析，以實(shí)現故障診斷的功能。

2 硬件實(shí)現
2．1 系統所用芯片簡(jiǎn)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(guò)軟件進(jìn)行配置，共有125個(gè)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(shí)，工作電流只有10．5 mA；接收時(shí)，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(gè)引腳和配置字節最低位TX_EN來(lái)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(guān)的所有高速信號處理都在片內進(jìn)行。例如，nRF240l在ShockBurst收發(fā)模式下自動(dòng)處理字頭和CRC校驗碼，在接收時(shí)自動(dòng)把包頭和CRC校驗碼移去；在發(fā)送數據時(shí)自動(dòng)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(gè)端點(diǎn)，其中1個(gè)控制輸入／輸出端點(diǎn)和2個(gè)中斷輸入端點(diǎn)。
TMU3100可以配置為標準的HID類(lèi)，可以使用Windows操作系統自帶的HID類(lèi)驅動(dòng)程序。這樣可以省去開(kāi)發(fā)設備驅動(dòng)程序的工作，縮短開(kāi)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(gè)8位和3個(gè)16位T1MER、1個(gè)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(xiàn)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(dòng)處理CAN總線(xiàn)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(shí)對數據幀進(jìn)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(guò)相關(guān)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是系統發(fā)射端電路原理。CAN總線(xiàn)接口使用Microchip公司內置CAN模塊的PIC18F2682單片機，并由光耦6N137進(jìn)行總線(xiàn)隔離；CAN總線(xiàn)收發(fā)器采用MCP2551。

PIC18F2682與射頻芯片nRF2401之間通過(guò)標準SPI接口SCK、SDI、SDO來(lái)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nRF240l接收到數據包時(shí)，DRl將被置高電平，因此PICl8F2682通過(guò)查詢(xún)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(jìn)行了π濾波。

由于TMU3100沒(méi)有SPI模塊，故可以通過(guò)PB[1]、PB[0]按照SPI協(xié)議與nRF2401的SPI口來(lái)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接收到數據包后，DRl將被置高電平，因此TMU3100可以通過(guò)查詢(xún)KSl6的狀態(tài)判斷足否接收到數據。

3 軟件設計
系統的軟件設計包括發(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(shí)現兩項功能：第一是實(shí)現CAN總線(xiàn)上數據的采集；第二是實(shí)現將采集后的數據通過(guò)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。當發(fā)送完CAN數據后沒(méi)有收到ACK信號時(shí)，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(dòng)跳頻的空中協(xié)議，即無(wú)論是否接收到ACK信號都進(jìn)行跳頻，因此可以防止某個(gè)頻段的強干擾，進(jìn)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(shí)現兩項功能：第一是實(shí)現枚舉；第二是實(shí)現將接收到的數據通過(guò)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(jìn)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(guò)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(gè)數據包是重傳的數據包。
TMU3100被配置為標準HID類(lèi)，這樣就不用為設備開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，而是使用Windows提供的標準HID類(lèi)驅動(dòng)程序。
3.3 PC端軟件設計
PC端軟件由應用程序和設備驅動(dòng)程序組成。Windows為標準USB沒(méi)備提供了完善的內置驅動(dòng)，本系統采用Windows自帶的HID類(lèi)驅動(dòng)，只要將TMU3100配置為HID類(lèi)，即可完成與PC機的通信。這省去了開(kāi)發(fā)設備的驅動(dòng)程序，極大地簡(jiǎn)化了上位機軟件的開(kāi)發(fā)。
上位機的應用程序首要實(shí)現的功能是，要實(shí)現對TMU3100端點(diǎn)的讀寫(xiě)，用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)，可以把USB設備當成文件來(lái)操作。用CreateFiile()函數獲得USB句柄，為讀訪(fǎng)問(wèn)或寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)打開(kāi)指定端點(diǎn)。用DeviceControl()來(lái)進(jìn)行控制操作，用ReadFile()從指定端點(diǎn)讀取數據，用WriteFile()向端點(diǎn)寫(xiě)入數據。
當CAN總線(xiàn)上的數據被采集到PC后，就可以進(jìn)行故障診斷了。故障診斷代碼是依照KWP2000應用層規定的故障代碼設計的，是目前國際上通用的，現將其應用于CAN的應用層，將來(lái)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(chē)輛制造商或系統供應者定義的服務(wù)標志符數值的不同范圍，如表1所列。

此表中以十六進(jìn)制數表示的服務(wù)標志符，同數據鏈路層中數據字節內的SID服務(wù)識別字節對應。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用層標準，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 結論
本文設計的2．4G無(wú)線(xiàn)車(chē)載CAN總線(xiàn)故障診斷儀，由于采用了自動(dòng)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(jìn)行可靠的工作。系統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(wú)需專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)硬件平臺，可大大降低開(kāi)發(fā)成本并且易于實(shí)現設備的升級和維護；使用USB接口和2．4G無(wú)線(xiàn)通信，具有即插即用、不受空間限制、數據傳輸實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)。