基于車載CAN總線故障診斷儀設計方案

本文提出了一種基于車載CAN總線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。系統分為發射端和接收端兩部分。



由于采用射頻技術，使汽車CAN總線數據采集部分和CAN總線數據診斷部分得以分離，無需連線，不受空間場地限制，安裝攜帶方便。按照ISO有關標準， CAN總線傳輸速率最高可達1 Mbps；但由于汽車內部特殊環境，車載CAN總線速率一般在250 kbps。本系統中射頻速率最高可達l Mbps，可以很好地滿足數據傳輸要求。

發射端采用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，設備自動識別，自動安裝驅動程序和配置，支持動態接入和動態配置等優點；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端應用層軟件整合KWP2000的應用層協議。KWP2000是由瑞典制定的一種車載故障診斷協議，已在微機控制的自動變速器、防抱死制動系統、安全氣囊、巡航系統中得到廣泛應用。它基于OSI七層協議，符合IS07498標準。其中第1~6層實現通信服務的功能，第7層實現診斷服務的功能。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的應用層協議，對采集到的CAN總線數據進行分析，以實現故障診斷的功能。

2 硬件實現

2．1 系統所用芯片簡介

2.1.1 nRF2401芯片

nRF240l 是單片射頻收發芯片，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。當以一5 dBm的功率發射時，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：收發模式、配置模式、空閑模式、關機模式。其工作模式由PWR_UP、CE、CS三個引腳和配置字節最低位TX_EN來決定。

收發模式分為DirectMode和ShockBurst。前者在片內對信號不加任何處理，與其他射頻收發器相同。后者使用片內FIFO堆棧，數據從 MCU低速送入，但高速發射，而且與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行。例如，nRF240l在ShockBurst收發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；在發送數據時自動加上字頭和CRC校驗碼。

2.1.2 TMU3100芯片

TMU3100是臺灣Tenx公司2005年推出的RISC內核的單片機。它嵌入了完全兼容USBl．1協議的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可以配置為標準的HID類，可以使用Windows操作系統自帶的HID類驅動程序。這樣可以省去開發設備驅動程序的工作，縮短開發周期。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位功能及低電壓檢測電路。

PIC18F2682內置增強型的CAN總線模塊，該模塊包含CAN協議引擎、信息緩沖和信息控制。CAN協議引擎自動處理CAN總線上所有接收和發送的消息，它可以在接收或發送信息時對數據幀進行解析。只需要首先設置適當的寄存器就可以發送信息，通過相關的寄存器即可得到信息傳輸的狀態。

2．2 硬件電路

2．2．1 發射端電路原理

圖3是系統發射端電路原理。CAN總線接口使用Microchip公司內置CAN模塊的PIC18F2682單片機，并由光耦6N137進行總線隔離；CAN總線收發器采用MCP2551。



PIC18F2682與射頻芯片nRF2401之間通過標準SPI接口SCK、SDI、SDO來完成 ，這樣可以大大提高發送速率。對nRF2401配置控制使能CS和接收、發送使能CE分別由RB4和RB5進行控制。當nRF240l接收到數據包時，DRl將被置高電平，因此PICl8F2682通過查詢 INT0的狀態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協議與nRF2401的SPI口來進行通信。對nRF2401配置控制使能CS和接收、發送使能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可以通過查詢KSl6的狀態判斷足否接收到數據。

3 軟件設計

系統的軟件設計包括發射端軟件設計、接收端軟件設計和PC端軟件設計。