2.4G射頻的CAN總線汽車故障診斷儀

摘要 設計一款基於2．4G射頻的車栽CAN總線故障診斷儀，詳細介紹其工作原理及系統硬體電路，最後分別闡述接收端、發射端和PC端的軟體模塊。該方案採用自動跳頻的2．4G空中協議，經測試統計誤碼率保持在有效範圍之內，在14m內仍能正常工作。採用USB作為接收端和PC接口，保證了系統的即插即用及數據的高速傳輸。
關鍵詞 2．4G射頻 CAN USB KWP2000 汽車故障診斷

控制器區域網路CAN(Controller Area Network)為汽車內部各種複雜的電子設備、控制器、測量儀器等提供了統一數據交換渠道，已得到廣泛的應用。目前，太多數汽車部件都提供了CAN總線通信接口。
在當今的中高檔汽車中，都採用了CAN總線技術。針對車載CAN總線會出現的故障．結合射頻和USB的優點，依靠KWP2000應用層規定的故障代碼，本文提出了一種基於車載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。

由於採用射頻技術，使汽車CAN總線數據採集部分和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；但由於汽車內部特殊環境，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。
發射端採用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，並且支持同步和異步傳輸方式，保證帶寬，傳輸失真小。
PC端應用層軟體整合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。它基於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，對採集到的CAN總線數據進行分析，以實現故障診斷的功能。

2 硬體實現
2．1 系統所用晶片簡介
2.1.1 nRF2401晶片
nRF240l是單片射頻收發晶片，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、調製器和標準SPI等功能模塊；輸出功率和通信頻道可通過軟體進行配置，共有125個頻道可使用，而且最高速率可達l Mbps。晶片具有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、空閒模式、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。後者使用片內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晶片
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，並且提供了低速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作業系統自帶的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晶片結構框罔如圖2所示。

2.1.3 PICl8F2682晶片
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快閃記憶體程序存儲器、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串行通信埠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、信息緩衝和信息控制。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 硬體電路
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，並由光耦6N137進行總線隔離；CAN總線收發器採用MCP2551。

PIC18F2682與射頻晶片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。由於TMU3100由PC供電，而PC機USB接口所提供的電壓VDD幹擾較大，故對VDD進行了π濾波。

由於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接收到數據包後，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 軟體設計
系統的軟體設計包括發射端軟體設計、接收端軟體設計和PC端軟體設計。
3.1 發射端軟體設計
發射端流程如圖5所示。軟體設計主要實現兩項功能：第一是實現CAN總線上數據的採集；第二是實現將採集後的數據通過射頻進行發射。

上電後，首先對CAN模塊進行初始化。然後初始化nRF2101，並與接收端建立連接。當發送完CAN數據後沒有收到ACK信號時，就跳頻；然後通知發送端準備接收重發的CAN數據，直到接收到ACK信號。
為了防止空中幹擾，採用了自動跳頻的空中協議，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幹擾，進而降低誤碼率。
3.2 接收端軟體設計
接收端軟體流程如圖6所示。軟體設計主要實現兩項功能：第一是實現枚舉；第二是實現將接收到的數據通過USB上傳到PC。上電後，首先完成對TMU3100的配置，並與PC機枚舉；枚舉成功後就對nRF2401進行配置，並與發射端建立連接。當接收到數據包後，首先判斷是CAN數據還是重傳數據命令。如果是CAN數據包，則向發射端返回ACK信號並跳頻，然後將接收到的數據通過USB傳至PC；如果是重傳命令，則先跳頻，然後置重傳標誌，表示下個數據包是重傳的數據包。
TMU3100被配置為標準HID類，這樣就不用為設備開發驅動程序，而是使用Windows提供的標準HID類驅動程序。
3.3 PC端軟體設計
PC端軟體由應用程式和設備驅動程序組成。Windows為標準USB沒備提供了完善的內置驅動，本系統採用Windows自帶的HID類驅動，只要將TMU3100配置為HID類，即可完成與PC機的通信。這省去了開發設備的驅動程序，極大地簡化了上位機軟體的開發。
上位機的應用程式首要實現的功能是，要實現對TMU3100端點的讀寫，用VC++語言編寫，可以把USB設備當成文件來操作。用CreateFiile()函數獲得USB句柄，為讀訪問或寫訪問打開指定端點。用DeviceControl()來進行控制操作，用ReadFile()從指定端點讀取數據，用WriteFile()向端點寫入數據。
當CAN總線上的數據被採集到PC後，就可以進行故障診斷了。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，現將其應用於CAN的應用層，將來可以用全新的CAN上層協議取代。故障診斷代碼定義在SSF14230中。SAE J1979中，由車輛製造商或系統供應者定義的服務標誌符數值的不同範圍，如表1所列。

此表中以十六進位數表示的服務標誌符，同數據鏈路層中數據字節內的SID服務識別字節對應。不同的SID值代表不同的服務請求，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位代碼所代表的不同的故障信息。

4 結論
本文設計的2．4G無線車載CAN總線故障診斷儀，由於採用了自動跳頻的空中協議，所以誤碼率幾乎接近零，在14 m內仍能進行可靠的工作。系統使用國際上通用的診斷代碼，使程序具有通用性和實用性；以PC作為硬體平臺，無需專門開發硬體平臺，可大大降低開發成本並且易於實現設備的升級和維護；使用USB接口和2．4G無線通信，具有即插即用、不受空間限制、數據傳輸實時性強的特點。