基于C8051F020單片機的汽車(chē)故障診斷儀的研究

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，裝有計算機控制系統的新型汽車(chē)已越來(lái)越多的應用于人們的日常生活中，這使得汽車(chē)的動(dòng)力性，經(jīng)濟性，安全性，可靠性等有了極大的提高。但同時(shí)也使得汽車(chē)的結構復雜多了，也使一般汽車(chē)維修診斷與排除汽車(chē)故障困難多了，而利用汽車(chē)電腦存儲的信息，診斷與排除汽車(chē)故障的方法也應運而生。儀器診斷是在經(jīng)驗的基礎上發(fā)展起來(lái)的現代檢驗方法。它是與車(chē)載故障自診斷系統配套使用的，從本質(zhì)上看，它相當于自診斷系統的終端設備，起到人機交互的作用。該方法可在汽車(chē)不解體的情況下，用儀器或設備測試汽車(chē)性能和故障參數，曲線(xiàn)或波形，甚至能自動(dòng)分析和判斷汽車(chē)的技術(shù)狀況。隨著(zhù)電噴發(fā)動(dòng)機汽車(chē)的普及，汽車(chē)故障診斷儀已作為一種必備的維修工具被大多數行業(yè)人士所接受。

　　本文設計的汽車(chē)故障診斷儀采用的是CYGNAL公司的低功耗單片機C8051F020作為核心，具有數據存儲，通訊以及LCD顯示等各種功能。該儀器具有低功耗，高精度，攜帶方便適用于多種場(chǎng)合等特點(diǎn)。

　　1、診斷儀原理與功能

　　1.1 硬件原理及作用

　?。?）診斷電子控制系統的傳感器、執行器狀態(tài)以及ECU的工作是否正常。通過(guò)判斷ECU的輸入、輸出電壓是否在規定的范圍內變化時(shí)，可以判斷電子控制系統工作是否正常。

　?。?） 當電子控制系統中的某一電路出現超出規定的信號時(shí)，該電路及相關(guān)的傳感器反映的故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內部的存儲器中，維修人員可利用該診斷儀來(lái)讀取故障碼，使其顯示出來(lái)。

　　1.2 硬件支持的主要功能

　?。?） 通過(guò)CAN、LIN通信模塊可以實(shí)現與車(chē)載內各電子控制裝置ECU之間的對話(huà)，傳送故障代碼以及發(fā)動(dòng)機的狀態(tài)信息。

　?。?） 通過(guò)單片機的同步/異步收發(fā)器可以與PC機進(jìn)行串行通信從而完成數據交換，下載程序，以及診斷儀升級等功能。

　?。?） 通過(guò)液晶顯示器來(lái)顯示汽車(chē)運行的狀態(tài)數據及故障信息。

　?。?） 通過(guò)鍵盤(pán)電路來(lái)執行不同的診斷功能。

　?。?） 通過(guò)一種具有串行接口的大容量FLASH存儲器來(lái)保存大量的故障代碼及其測量數據。

　　2、硬件電路及接口電路的設計

　　2.1 硬件電路的總體框架

　　該診斷儀硬件系統主要包括以下模塊：C8051F020處理器及其外圍擴展電路模塊，鍵盤(pán)、液晶顯示模塊，外擴存儲器模塊，CAN、LIN,通信模塊；與PC機的串行通信模塊；另外還有電源電路以及系統復位電路?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 系統電路圖

　　2.2 C8051F020單片機電路

　　設計中CPU選擇的是Cygnal公司的C8051F020單片機，它采用具有與MCS-51指令集完全兼容的Cygnal公司的專(zhuān)利CIP-51微處理器內核,峰值速度可達25MIPS。并且在一個(gè)芯片內集成了單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計數器/定時(shí)器陣列、內部振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器及電源監視器等)。CIP-51對指令運行實(shí)行流水作業(yè)，從而大大提高了指令運行速度。另外C8051F020單片機最獨特的改進(jìn)是引入了數字交叉開(kāi)關(guān)。允許將內部數字系統資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳，同時(shí)C8051F020還在內部增加了復位源,從而大大提高了系統的可靠性，完全可以滿(mǎn)足診斷儀的功能要求。

　　2.3 CAN、LIN總線(xiàn)接口電路的設計

　　2.3.1 CAN總線(xiàn)接口電路

　　CAN總線(xiàn)接口電路包括CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線(xiàn)收發(fā)器與物理總線(xiàn)之間的接口電路的設計。C8051F020與CAN驅動(dòng)芯片SJA1000T的接口電路如圖（2）所示本設計選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線(xiàn)收發(fā)器。SJA1000 在電路中是一個(gè)總線(xiàn)接口芯片，通過(guò)它實(shí)現ECU與微處理器之間的數據通信。該電路的主要功能是完成CAN總線(xiàn)與單片機之間的通信。PCA82C250為CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，它可以提供向總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力，TXD和RXD引腳分別發(fā)送經(jīng)過(guò)驅動(dòng)后的發(fā)送和接收信號。具體連接如圖2所示。

圖 2 CAN總線(xiàn)與單片機接口電路

　　2.3.2 LIN通信模塊的設計

　　LIN總線(xiàn)收發(fā)器選用PHILIPS公司的TJA1020，它直接與單片機的串口相連，電路連接圖如圖3， TJA1020 收發(fā)器是一個(gè)物理媒體連接,適合用于最高 20kBaud的LIN 傳輸速率,它的引腳TXD和NSLP 減小了輸入閥值, 輸出引腳 RXD和TXD 為漏極開(kāi)路. 因此它可以和使用3.3V 或5V 電源的微控制器兼容, 而且收發(fā)器本身不需要額外的VCC電源. 為使引腳RXD和TXD達到高電平,當微控制器的端口引腳沒(méi)有集成上拉電阻時(shí),要加外部上拉電阻. 微控制器由 TX0向 TJA1020 的 TXD 引腳發(fā)送數據,TJA1020的 RXD引腳向微控制器的 RX0 發(fā)送數據。LIN 收發(fā)器的睡眠控制輸入NSLP 可以通過(guò)微控制器的端口引腳來(lái)控制。

2.4 串行總線(xiàn)接口電路的設計

　　RS232串行通訊采用全雙工的模式，系統中配置一條數據發(fā)送線(xiàn)。在同一時(shí)刻系統既可以發(fā)送數據也可以接收數據。圖（4）給出了串行通信電路連接圖。通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)把C8051F020單片機的P0.0,P0.1設置為T(mén)X0,RX0.RS232邏輯電平對地是對稱(chēng)的，與TTL,CMOS邏輯電平完全不同。邏輯“1”電平為－5～－15，邏輯“0”電平為＋5～＋15之間，其與單片機的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行電平轉換，圖4采用SP3223轉換器實(shí)現TTL電平與RS-232電平互相轉換。