基于CAN总线的车载故障诊断仪的设计与实现

本文提出了一种基于车载CAN总线故障诊断仪设计方案。本方案成本低廉，携带方便，具有很强的灵活性与适应性。

1 方案设计

系统总体设计框图如图l所示。系统分为发射端和接收端两部分。

由于采用射频技术，使汽车CAN总线数据采集部分和CAN总线数据诊断部分得以分离，无需连线，不受空间场地限制，安装携带方便。按照ISO有关标准， CAN总线传输速率最高可达1 Mbps；但由于汽车内部特殊环境，车载CAN总线速率一般在250 kbps。本系统中射频速率最高可达l Mbps，可以很好地满足数据传输要求。

发射端采用USB作为接收模块和PC接口。USB与RS232或PCI接口相比，具有用户使用方便，设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态接入和动态配置等优点；其传输速率可达几十Mbps，并且支持同步和异步传输方式，保证带宽，传输失真小。

PC端应用层软件整合KWP2000的应用层协议。KWP2000是由瑞典制定的一种车载故障诊断协议，已在微机控制的自动变速器、防抱死制动系统、安全气囊、巡航系统中得到广泛应用。它基于OSI七层协议，符合IS07498标准。其中第1~6层实现通信服务的功能，第7层实现诊断服务的功能。其应用层提出了一套完整和标准化的诊断代码，本系统利用KWP2000的应用层协议，对采集到的CAN总线数据进行分析，以实现故障诊断的功能。

2 硬件实现

2．1 系统所用芯片简介

2.1.1 nRF2401芯片

nRF240l 是单片射频收发芯片，工作在2．4～2．5GHz ISM频段；内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和标准SPI等功能模块；输出功率和通信频道可通过软件进行配置，共有125个频道可使用，而且最高速率可达l Mbps。芯片具有1．9～3．6 V宽工作电压，工作能耗非常低。当以一5 dBm的功率发射时，工作电流只有10．5 mA；接收时，工作电流只有18 mA。

nRF240l有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。其工作模式由PWR_UP、CE、CS三个引脚和配置字节最低位TX_EN来决定。

收发模式分为DirectMode和ShockBurst。前者在片内对信号不加任何处理，与其他射频收发器相同。后者使用片内FIFO堆栈，数据从 MCU低速送入，但高速发射，而且与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行。例如，nRF240l在ShockBurst收发模式下自动处理字头和 CRC校验码，在接收时自动把包头和CRC校验码移去；在发送数据时自动加上字头和CRC校验码。

2.1.2 TMU3100芯片

TMU3100是台湾Tenx公司2005年推出的RISC内核的单片机。它嵌入了完全兼容USBl．1协议的USB控制器，并且提供了低速USB接口和3个端点，其中1个控制输入／输出端点和2个中断输入端点。

TMU3100可以配置为标准的HID类，可以使用Windows操作系统自带的HID类驱动程序。这样可以省去开发设备驱动程序的工作，缩短开发周期。TMU3100芯片结构框罔如图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，主要资源有：内置标准CAN模组、80KB闪存程序存储器、1 KB数据E2PROM、3．3 KBRAM存储器、8通道ADC、1个8位和3个16位T1MER、1个SPI和I2C串行通信端口和可编程欠压复位功能及低电压检测电路。

PIC18F2682内置增强型的CAN总线模块，该模块包含CAN协议引擎、信息缓冲和信息控制。CAN协议引擎自动处理CAN总线上所有接收和发送的消息，它可以在接收或发送信息时对数据帧进行解析。只需要首先设置适当的寄存器就可以发送信息，通过相关的寄存器即可得到信息传输的状态。

2．2 硬件电路

2．2．1 发射端电路原理

图3是系统发射端电路原理。CAN总线接口使用Microchip公司内置CAN模块的PIC18F2682单片机，并由光耦6N137进行总线隔离；CAN总线收发器采用MCP2551。

PIC18F2682与射频芯片nRF2401之间通过标准SPI接口SCK、SDI、SDO来完成 ，这样可以大大提高发送速率。对nRF2401配置控制使能CS和接收、发送使能CE分别由RB4和RB5进行控制。当nRF240l接收到数据包时，DRl将被置高电平，因此PICl8F2682通过查询 INT0的状态可以判断是否接收到数据。

2.2.2 接收端电路原理

图4是系统接收端电路原理。由于TMU3100由PC供电，而PC机USB接口所提供的电压VDD干扰较大，故对VDD进行了π滤波。

由于TMU3100没有SPI模块，故可以通过PB[1]、PB[0]按照SPI协议与nRF2401的SPI口来进行通信。对nRF2401配置控制使能CS和接收、发送使能CE分别由KSO[3]和KSO[13]控制。nRF2401接收到数据包后，DRl将被置高电平，因此TMU3100可以通过查询KSl6的状态判断足否接收到数据。

3 软件设计

系统的软件设计包括发射端软件设计、接收端软件设计和PC端软件设计。

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