（信号与信息处理专业论文）基于wince的汽车发动机故障诊断仪的设计.pdf

摘要 摘要 本文针对目前国内汽车电喷柴油发动机对故障诊断仪的需求现状，提出并开 发一种新型的发动机故障诊断系统，该系统采用基于a r m 9 2 0 t 内核的c p u 显著提 高了故障码的解码和读取速度，采用w i n c e 操作系统使用户界面友好，操作灵活 方便。在汽车维修行业中具有一定的推广价值。 本文从硬件和软件两方面，对故障诊断仪的设计过程进行了详细的阐述。 硬件方面首先介绍了故障诊断仪的平台结构和微处理器$ 3 c 2 4 1 0 。并通过展 示核心板和扩展板电路的原理图和p c b 图，详细说明硬件平台的搭建过程及方 法。 软件方面介绍了故障诊断仪的软件系统结构，w i n c e 操作系统以及c a n 总线 的通信协议，并深入探讨了c a n 总线的收发原理，利用w i n c e 操作系统的流驱动 程序模型，详细说明了c a n 驱动程序的实现方法。 最后阐述软硬件的调试方法并展示现阶段所取得的成果。 主要成果： 1 、w i n c e 操作系统能在搭建的硬件平台上正常运行。 2 、串口通信成功。 3 、基本上完成了c a n 驱动程序的设计。 关键词：故障诊断仪；w i n c e ；$ 3 c 2 4 1 0 ：c a n 总线；流驱动程序 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e v e l o p san e w t y p eo fm o t o rm a l f u n c t i o nd i a g n o s es y s t e mw i t h a r mt e c h n o l o g y t h es p e e do fd e c o d i n ga n dr e a d i n gf o rm a l f u n c t i o nc o d eh a sb e e n i m p r o v e dd u et ot h es p e c i a lc p uw i t ha r m 9 2 0 tk e r n e l w em a k et h eu if r i e n d l y a n do p e r a t i o nf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tb yu s i n gw i n c eo p e r a t es y s t e m t h e a p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h i ss y s t e mr u n ss t a b l ya n da c c u r a t e l y t h et e c h n o l o g ya n d m e t h o d sa d o p t e di nt h es y s t e ma r ep r a c t i c a la n dw o r t h yo f u s i n ga b r o a d t h i sa r t i c l ee l a b o r a t et h ed e s i g np r o c e s so ft h em a l f u n c t i o ni n s t r u m e n tt h r o u g h b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea s p e c t s o nt h eh a r d w a r ea s p e c t s ，f i r s ti n 仃o d u c e dt h ep l a t f o r ms t r u c t u r eo ft h e m a l f u n c t i o ni n s t r u m e n t ，a n dm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0 s p e c i f yt h ep r o c e s sa n dt h e m e t h o do f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l d i n gt h r o u g hd e m o n s t r a t i n gt h ek e r n e lb o a r da n d t h ee x t e n db o a r de l e c t r i cc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep c bc h a r t s o nt h es o f t w a r ea s p e c t s ，i n t r o d u c e dt h es o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r eo ft h e m a l f u n c t i o ni n s t r u m e n t , t h ew i n c eo p e r a t i n gs y s t e ma sw e l la st h ec a n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s d i s c u s s e dt h ec a nr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gp r i n c i p l e s p e c i f yt h er e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ec a n d r i v e rb yu s eo ft h ew i n c ef l o wd r i v e r m o d e l f i n a l l y e l a b o r a t e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n gm e t h o d ，a n d d e m o n s t r a t e dt h ep r e s e n ta c h i e v e m e n t m a i na c h i e v e m e n t s ： 1 、t h ew i n c e o p e r a t i n gs y s t e mc a nr u ns u c c e s s f u l l yo n t h eh a r d w a r ep l a t f o r m 2 、t h es e r i a lp o r tc a nc o m m u n i c a t es u c c e s s f u l l y 3 、c o m p l e t et h ec a n d r i v e rd e s i g nb a s i c a l l y k e y w o r d s ：m a l f u n c t i o nd i a g n o s ei n s t r u m e n t ；w i n c e ；$ 3 c 2 4 1 0 ；c a nb u s ；f l o w d r i v e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1国内外的研究现状 随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来 越广泛。国外专家预测未来3 5 年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成 本的2 5 以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展。当 电子产品成为一辆汽车主要构成成本的时候，也就是汽车工业被颠覆的时候。国 内许多有识之士已经认识到汽车电子在未来汽车工业中的重要性，也在进行相关 关键技术的研究，已经取得了相当大的进步。然而，目前我国的汽车电子设备， 与发动机、变速器、底盘等涉及汽车核心技术的零部件一样，很大一部分已经成 为跨国公司新的垄断项目。比如人们所熟知的发动机燃油喷射控制系统、电子制 动力分配系统、牵引力控制系统、电子稳定装置、防抱死制动系统等，这些新车 上市时一度被拿来炫耀的所谓“高科技设备”，其专利权几乎都被跨国汽车公司 所包揽；其他如定速巡航、雨量传感器、智能空调、汽车导航系统等，也都被几 大零部件厂商和专业电子厂商所垄断。 众所周知，发动机是汽车的心脏，是汽车的动力。当前最常用的汽车发动机 主要有汽油发动机和柴油机两种。虽然柴油发动机以其良好的经济性和动力性越 来越受到各汽车厂商的青睐，但它固有的诸多问题一直被当作工业文明的反面典 型。然而近年来，随着世界范围内能源问题的加剧和环保意识的高涨，欧洲的排 放法规从1 9 9 3 年开始执行的欧i 标准迅速提高到欧i i 和欧i i i 标准，各国法规都 对柴油机的发展形成了越来越大的压力，迫使企业寻求技术解决之道。2 0 世纪 9 0 年代后半期，柴油发动机发生了一次重大的技术变化，被称为柴油发动机心脏的 燃油喷射系统从机械式转向电子控制式，这个变化极大地影响了柴油发动机的技 术性能。柴油机的震动、噪音被大大减小，舒适性大大提高，进而使柴油机经济 性好、动力大等优点充分凸现。然而当外国企业的电控柴油喷射技术已经开始普 及并大举进入中国市场的时候，大部分中国相关企业迄今为止还只能生产机械式 的油泵油嘴，这就严重威胁到中国油泵油嘴工业的生存。因此，我们必须抓紧时 间，加快速度研制拥有自主知识产权的电喷技术，以尽快摆脱国外汽车电子巨头 对我们民族汽车电子工业的控制。目前，国内已经有许多高校和科研所在燃油电 控方面展开研究，如清华大学，天津大学，上海交大，吴锡油泵油嘴研究所等。 电控柴油喷射技术的应用使汽车产品的质量、安全性和排放性得到了提高。 但是大量采用电子元件及计算机控制技术后，一旦汽车出现故障，就会给故障的 诊断和维修带来了极大困难。因此现代汽车的电控系统大多采用车载单片微处理 成都理工大学硕士学位论文 机，汽车电控系统设计人员常常利用其功能多、容量大的特点，为电控系统增设 故障自诊断功能、故障运行功能与故障保险功能。其中，所谓故障自诊断系统， 是指电控系统在实施自动控制的同时也监视着电控系统的工作状态。当电控系统 故障时，电控单元e c u 就将故障以代码的形式存储于电控单元e c u 的存储器 r a m 内；并点亮驾驶室仪表板上的“发动机故障指示灯”，以通知驾驶员“该车存 在故障”；而在汽车维修时，通过故障诊断仪读码，并指示该故障代码的含义给 出维修建议以方便维修人员检修。 因此，针对电控发动机，必须要开发一种性能好、使用方便、功能强大的故 障诊断仪。该仪器需要能够及时发现发动机可能出现的各类故障，及时给驾驶员 提示发动机故障信息，对发动机进行实时保护，并帮助维修人员快速、准确找到 故障。成都威特电喷有限公司依托清华大学汽车系的合作，在国内率先研制成功 车用柴油发动机电控喷射系统，本文所介绍的就是针对该公司所研制的电控单体 泵和电控组合泵燃油喷射系统，采用微软公司的w i n c e 嵌入式操作系统，开发 与该燃油喷射系统配套的柴油发动机故障诊断仪。 本故障诊断仪可以读取电控系统的故障代码，根据故障代码和故障名称及故 障处理对照表可以获取发动机的故障信息。当发现故障指示灯( 黄灯或红灯) 点 亮时，表明发动机出现故障，可用故障诊断仪来读取存储在e c u 里的故障信息。 读取故障信息时需给e c u 供电。 1 2 故障诊断原理概述 柴油发动机的故障诊断主要包括传感器诊断、喷射通道( 电磁阀) 的诊断、 失火和缸平衡的诊断。对每项都规定有不同的诊断策略。下面依次进行介绍。 ( 1 ) 传感器诊断策略： 电路开路或短路的诊断，如果传感器采样值连续5 0 次固定在某个特定值 ( 变化幅值很小o 3 v 以内) ，则认为传感器开路或短路。同时，针对发动机状态， 设置一个固定值替代或启动发动机保护程序( c o o l a n tt e m p e r a t u r e 为例，若发动 机启动状态，以油温为缺省温度，若调速状态，设定9 0 c ) 。然后，m i l ( 故障 指示灯立即点亮) ，记录故障代码。如果连续1 0 次采样值正常，则认为此故障消 除，m i l 恢复，故障码继续存储。 电路范围问题的诊断。如果连续5 个传感器采样电压超出o 一5 v 认为此故 障发生，同时针对发动机状态，设置一个固定值替代或启动发动机保护程序m i l ( 故障指示灯立即点亮) 记录故障代码。如果连续l o 次采样值正常，认为此故 障消除，m i l 恢复，故障码继续存储。 电路低输入的诊断、电路高输入的诊断和电路间隔的诊断与电路范围问题 2 第一章绪论 的诊断类似。不再重复。 ( 2 ) 喷射通道的诊断策略： 如果驱动电流找不到反馈始点，或者驱动电流上升过快过慢则认为此故障发 生。第一次检测到故障，就点亮故障灯并存故障码。如果只有一个缸有问题，则 喷油量限制在8 0 m m 3 s t r 以内，如果有二个缸及以上都出现问题，则关闭喷射。 ( 3 ) 失火和缸平衡的诊断策略： 失火和缸平衡会带来诸多不利后果，比如怠速粗暴，高排放，驾驶不舒适， 降低发动机寿命( 增加维修维护成本) ，其原因主要在于制造设计的不完整( 各 缸差异) ，发动机燃油系统组件失效，喷油器开启压力，喷孔堵塞，缸密封，缸 口差异等。 诊断失火和缸平衡，需要将他们进行区分： 缸平衡无需记录，也不点故障指示灯，失火必须记录并点灯； 缸平衡的检测和补偿是持续进行的，而失火检查是燃烧一次检查一次； 程度很轻的缸平衡无需动作，中等程度需要通过油量裁剪等措施来补偿， 程度较重的缸不平衡即失火； 缸平衡意味着需要控制补偿，而非发动机燃油系统故障； 失火意味着发动机燃油系统故障，发动机需要维修，失火属于故障诊断； 在识别出发动机故障后，立即将故障编码记录在e e p r o m 里，并将当前的 发动机主要运行参数记录下来，比如油门，转速，脉宽，定时，燃油温度，冷却 水温，增压压力，大气温度，机油压力机油温度，电池电压，充电电压，大气压 力，中冷温度，大气压力等。在维修时可以帮助维修人员识别发动机当时的状态， 参数记录在e e p r o m 里，信息掉电后不丢失，通过故障诊断仪或监控程序可以 读取存储的发动机状态信息。 成都理工大学硕士学位论文 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 2 1 系统硬件结构 故障诊断仪的硬件电路设计包括核心模块的设计和扩展电路设计。其构成框 图如图2 1 所示： 2 2 $ 3 0 2 4 1 0 a 芯片介绍 图2 1硬件基本结构 三星$ 3 c 2 4 1 0 a 是3 2 位r i s ca r m 微处理器，最高可以运行至2 6 6 兆赫， s 3 c 2 4 1 0 x 内嵌a r m 9 2 0 t 核，具有高性能、低功耗、低成本，小体积等优点， 适用于手持设备等移动计算领域。芯片拥有1 6 k b 的指令和数据缓存器，带有全 性能的m m u 、l c d 控制器、3 个串口、4 路d m a 、4 个时钟定时器、8 路1 0 位 的a d 转换；支持i i c 、i i s 、s p i 、主从u s b 等接口以及s d m m c 卡。 2 3 核心板电路设计 核心板电路包括芯片$ 3 c 2 4 1 0 a ，并提供6 4 mf l a s h ，由于$ 3 c 4 5 1 0 芯片 支持从n a n df l a s h 直接启动，故我们只采用一片三星公司的n a n df l a s h 以降低系统成本，同时，考虑到w i n c e 运行所需要的资源较多，我们采用两片 三星公司3 2 m 的k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成6 4 ms d r a m ，另外，考虑到今后我们的故障 诊断仪将扩展远程故障诊断功能和多媒体辅助汽车故障维修等更高级别的需要， 我们为系统扩展了网络功能和声音解码芯片，我们采用了c i r r u s 的c s 8 9 0 0 a 以太网卡芯片为系统提供1 0 m 带宽的网络连接，采用p h i l i p 公司的u d a l 3 4 1 4 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 芯片为系统提供声音解码支持。本核心板构成的是一个最小系统，调试成功后基 本不用作改变，如果要实现不同的功能，只需更换底板并完善相应的软件即可。 核心板的结构图如下： 如图2 所示，核心板需要引出的信号引脚( 做扩展之用) 通过总线连出，为 了使信号连接稳定可靠，我们没有采用金手指( d i m m 2 0 0 ) ，而是用2 个间距 1 2 7 m m 的2 * 5 0 的双排插座加以连接。下面给出部分模块的电路原理图： ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 a 引脚连接原理图。 由于该m c u 引脚多达2 7 3 个，所以必须在原理图设计时将其画成由三个 部分组成的器件。 图2 3 $ 3 0 2 4 1 0 原理圈1 成都理工大学硕士学位论文 s 3 c 2 4 1 0 原理图的第一部分主要包含了地址和数据信号引脚，通过核心板 的内部地址和数据总线与s d r a m 和f l a s h 相连。另外包含了时钟信号引脚、片 选信号引脚和部分v o 口。 图2 4s 3 0 2 4 1 0 原理图2 s 3 c 2 4 1 0 的第二部分包含了一些控制器的信号输出引脚，比如s p i ，i i c ， l c d ，u s b 等等，另外还有些外部中断引脚和u o 口。 图2 5s 3 0 2 4 1 0 原理图3 6 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 s 3 c 2 4 1 0 的第三部分包含了供器件工作的电源和地以及一些外部中断。电 源采用1 8 v 的参考电压和3 - 3 v 的工作电压。 ( 2 ) s d r a m 和膦h 的电路原理图 图2 ，6k 4 s 5 6 1 6 3 2 原理图 s d r a m 的信号连接图如图所示，需要注意的是由于k 4 s 5 6 1 6 3 2 是1 6 位 s d r a h ，而$ 3 c 2 4 1 0 是3 2 位处理器，地址指针每跳一次便经过4 个字节，也 就是说寻址时至少为2 的2 次方，即从a 2 开始，m c u 的地址指针才会递增，所 以为了使m c u 的地址信号量与s d r a m 的地址信号量相吻合，s d r a m 的低地址 a 0 必须从m c u 的a 2 开始连接。这是在设计s d r a m 的电路时需要注意的。 # 糟 h v d l ￥ c 慷 m h f w e m 刚i j l _j l _ lg 留。掰毋j l 生_ 露嘹 嚼一够， r m 母 睨飞l 篱 卜。r 甩t s 。 r 毋 4 2 u ， 窭黑一= 盎 a e e 懈钟 蠹 v d v 妾 渊。强撼 簪m v r 召m1 r芒j 2 w c 露 嘲罩 | | c v $ $ “1 5罐黉 赶 喵泌 銎 誉5 嘴 每卜， 群m 群“ 越 甏一署* 絮0 b 丑 磐铲惚 茎耋* 图2 7k 9 f 1 2 0 8 原理图 7 成都理工大学硕士学位论文 f l a s h 的电路图如图所示。s d r a m 和f l s a h 的工作电压都为3 3 v ( 3 ) 网卡芯片电路连接原理图 ( 4 ) 声音解码芯片电路原理图 图2 8c s 8 9 0 0 a 电路原理图 图2 9u d a l 3 4 1 t s 电路原理图 8 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 2 4 扩展电路设计 扩展电路包括串口、c a n 总线接口、电源、l c d 驱动电路以及l c d 接口以 下是各部分的详细设计方法 2 4 1 电源电路设计 电源采用2 节充电电池供电，也可以直接车身取电，通过0 b d i i 电源信号取 电( 1 2 v ) ，芯片采用l m l l l 7 ( 3 v 电源模块) 和s t 公司的降压电源模块l 5 9 7 2 d 。 l m l l l 7 是低损耗的电压调节器，输出电压可在1 2 5 v 和1 3 8 v 之间调节，也可 以输出三种固定电压：2 8 5 v 、3 3 v 、5 v 。l 5 9 7 2 d 的开关电流最小为2 a ，输入 电压为4 4 v 到3 6 v ，输出电压可以在1 2 3 5 v 到3 5 v 之间调节。 o b d 是英文o n - b o a r dd i a g n o s t i c s 的缩写，中文翻译为“车载自动诊断系统”。 这个系统将从发动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，一旦超标，会马上 发出警示。1 9 9 4 年美国汽车工程师学会( s a e ) 在第一代车载故障诊断系统的 基础上，制定了第二代车载故障诊断系统0 b d _ j 1 。第二代车载故障诊断系统相 对于第一代系统而言，主要是为了解决车内通讯协议与车外故障诊断设备的通讯 协议及通讯接口的统一性问题，其主要优越体现在： a 统一了汽车控制系统内部网络的通讯协议。 b 统一了通讯接口。 c 统一了故障代码的设置规则和动力系统及网络部分故障代码。 d 对车外故障诊断仪提出具体的技术要求。 e 扩充了车载故障诊断系统的检测项目。 o b d i i 诊断连接器采用统一的1 6 端子诊断连接器，o b d i i 诊断连接器接口 定义如表2 1 所示： 9 成都理工大学硕士学位论文 表2 1o b d l i 接口信号 端子用途定义端子用途定义 号 l # 提供给制造厂应用 9 # 提供给制造商应用 2 # s a e j 1 8 5 0 通讯标准资料传输端子 1 0 # s a e _ j 1 8 5 0 通讯标准资料传输端子 3 # 提供给制造商应用 1 1 # 提供给制造商应用 4 # 车身搭铁端子 1 2 # 提供给制造商应用 5 # 信号回路搭铁端子 1 3 # 提供给制造商应用 6 # 提供给制造商应用 1 4 # 提供给制造商应用 7 # i s 0 - 9 1 4 1 通讯标准资料传输端子1 5 #i s 0 - 9 1 4 1 通讯标准资料传输端子 8 # 提供给制造商应用 1 6 # 电源1 2 v 图2 1 0 为系统供电电路图，其中j 4 为电池开关，j 3 为可充电锂电池接口， 充电电池与外部电源首先经一个充放电保护电路( 我们将它固定在电池盒中) 后 与l 5 9 7 2 d 相连，降压至5 v 后给核心板供电( 调节电路中的变阻器即可将输出 电压稳定在5 v 左右) 同时，外部电源能够直接对电池进行充电。其电路图如下： 村 图2 1 0l 5 9 7 2 d 降压模块电路 5 v 的电压再通过l m l l l 7 3 3 v 模块降至3 3 v ，对l c d 等外围电路供电。 其电路图如下： 1 0 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 图2 ”l m l l l 7 模块电路 2 4 2c a n 简介及其接口电路设计 c a n 全称为c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ，即控制器局域网，由德国b o s c h 公 司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 是一种多主方式的串 行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检 测出总线的任何错误。当信号传输距离达1 0 k m 时c a n 仍可提供高达5 0 k b i 如 的数据传输速率。c a n 具有十分优越的特点： a 、较低的成本与极高的总线利用率； b 、数据传输距离可长达1 0 k m ，传输速率可高达1m b i f f s ： c 、可靠的错误处理和检错机制，发送的信息遭到破坏后可自动重发； d 、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； e 、报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功能信息和优先级信 息； 同时，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其 良好的性能及独特的设计，使它在汽车领域上的应用非常广泛，世界上一些著名 的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、 r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用了c a n 总线来实现汽 车内部控制系统与各检测和执行机构问的数据通信。c a n 已经形成国际标准， 并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 由于人为、自然、其它外界环境的影响和人们对安全可靠性、真实、实时 性的追求，使得我们对通信方式，通信设备有了更高的要求，基于c a n 总线的 网络则成为我们最佳的选择。 在设计c a n 总线的收发控制电路时，为了简化接口电路的设计，我们决定采 用m c p 2 5 1 0c a n 控制芯片，该芯片是款控制器局域网络( c a n ) 控制器，完全 支持c a n 总线v 2 o a b 技术规范。并支持c a n l 2 ，c a n 2 0 a 、主动和被动c a n 2 0 b 等版本的协议，能够发送和接收标准和扩展报文它还同时具备验收过滤和报文 管理功能。该器件包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，减少了m c u 的管理负 成都理工大学硕士学位论文 担。m c u 的通信是通过行业标准串行外设接口s p i 来实现的。m c p 2 5 1 0 的1 8 引脚 封装形式如图所示： 图2 1 2m c p 2 5 1 0 1 8 引脚封装 下面的表格是m c p 2 5 1 0 的引脚说明： 表2 2i q c p 2 5 1 0 引脚说明 t 。s $ q 。p | 艇u o p ； - 稍 f专”卅。篱k c m 墟”鼢一t x c j a 斟c h r 的# 镰 - ；l * q 埘孵自靠# 嚣弱“辨铺m 辑 躺嚣黼 i i i 嚣i t x ：。：意嚣4 “8 8 8 4 “”。”o 羔耄警雾雯? 毒蠹警碟礴媾懈“7 赣。襻”m o m i ：i ；：瑟t 冬琶：4 4 8 4 “4 ”2 9 。“+ ”。 氟海# # g 错# l u o 错# t # # 冲# 艄c 辨t p # - ； 鞋缱i # 7 储m 摊 鞠掰1 2 l 0 箍拽镕挣蒋f 谨舯辫十精嘲瓣髓蠲堋镕? 镶m i 锋 葡彳 e i s 撬； 精 ”瞬 戢k f 日* # 女# 蝻 噼鞋 r # 自i 摊鲍d * 1 6 一 如 c a n 总线收发器采用p c a 8 2 c 2 5 0 ，p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器( m c p 2 5 1 0 ) 和物理总线之间的接口，它主要是为汽车中高速通讯( 高达i m b p s ) 应用而设计。 此器件对总线提供差动发送能力，对c a n 控制器提供差动接收能力，完全符合 “i s o l l 8 9 8 ”标准。p c a 8 2 c 2 5 0 具有如下特性： ( 1 ) 具有抗汽车环境中的瞬间干扰，保护总线能力 1 2 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 ( 2 ) 斜率控制，降低射频干扰( r f i ) ( 3 ) 差分接收器，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰( e m i ) ( 4 ) 热保护 ( 5 ) 防止电池和地之间的发生短路 ( 6 ) 低电流待机模式 ( 7 ) 未上电的节点对总线无影响 ( 8 ) 可连接1 l o 个节点 p c a 8 2 c 2 5 0 的封装与引脚说明如下图所示： 符号警舅萌熊瓣述 t 功l 笈送数摄辕入 g 啦 2缝 v o c3电灏电腻 r 如4接收毂搬辕 | l 5参考电j 1 虢国 c a 瓢6驻电擎c a l l 啦“稼入，镌积 c a 照岛电甲 c a 葑电报缝入，餮国 8貉警i 毡戳竣入 t x d o n d v c c r ) d 图2 1 3p c a 8 2 c 2 5 0 的封装与引脚说明 下面是c a n 总线的接口原理图： # 8 二2 ；嚣篇 r cj l h c a n l 图2 1 4c a n 总线接口原理图 l 工p 成都理工大学硕士学位论文 从以上电路图可以看出，对m c p 2 5 1 0 而言，s i 端口是数据输入端，s 0 是数 据输出端，i n t 为中断引脚，我们没有采用t x n r t s 和r x n b f 作为中断，这在以 后的软件设计中是要考虑到的。 2 4 3l c d 驱动电路 l c d 我们选用的是台湾元太的5 寸t f t 液晶屏，其分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，并配 有一个触摸屏，使用户能够很方便的进行操作。考虑到开发周期不能太长，l c d 的驱动板我们将直接购入进行联机调试，到今后产品的成型阶段，我们会将驱动 板的电路纳入到母板的设计中。l c d 连接示意图如下： 图2 1 5l 连接示意图 其中电源一部分经过升压电路升压至1 2 v 左右用做液晶板的背光，另一部分 直接用做驱动板的工作电源。触摸屏的驱动电路集成在驱动板上，另外一端通过 4 根信号线连接到液晶板。 2 5 核心板和扩展板的p c b 设计 原理图设计完成后，便进入p c b 设计阶段。扩展板采用2 层板布线；核心板 采用6 层板布线，一层电源层，其余5 层为信号层，地线分布于每层。如果用s 表示信号层，p 表示电源层，则层数分布为s s s p s s 。扩展板布线相对来说要简单 许多，因此下面主要讲述核心板布线中的一些问题。主要有两个问题，第一个是 按照$ 3 c 2 4 1 0 资料中的要求，s d r a m 和f l a s h 的信号线要布置为尽量等长，否者 会出现严重的延时误差，这将会给信号的读取造成严重的错误。第二个问题是， 模拟地和电源地要分开布线，否者会互相干扰，最后两地需要连接于一点。下面 是设计完成的扩展板和核心板的p c b 电路图。 ( 1 ) 扩展板p c b 1 4 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 t o pl a y e r ： b o t t o ml a y e r ( 2 ) 核心板p c b 图2 1 6扩展板顶层p c b 图 图2 1 7扩展板底层r c b 图 1 5 成都理工大学硕士学位论文 t o pl a y e r ： m i dl a y e r l ： m i dl a y e r 2 ： 图2 1 8 核心板顶屡p c b 固 图2 1 9核心板第二层p c b 图 1 6 第二章故障诊断仪硬件系统的设计 m i dl a y e r 3 图2 2 0核心板第三层p c b 图 图2 2 1 核心板第四层p c b 图 1 7 成都理工大学硕士学位论文 m i dl a y e r 4 ： b o t t o ml a y e r ： 图2 2 2 核心板第五层p c b 图 图2 2 3 核心板底层p c b 图 1 8 第三章故障诊断仪软件系统的设计 第三章故障诊断仪软件系统的设计 3 1 系统软件结构 本系统软件开发工作主要包括操作系统内核的定制，c a n 总线驱动程序设 计，串口驱动程序设计，启动界面设计，读写故障码程序，显示界面程序，网卡 驱动程序设计等。本文的软件研究工作重点是c a n 驱动程序的实现和内核的定 制。 为了让诊断仪的界面友好，符合大多数人的操作习惯! 并且应用程序开发简 单，使有w i n d o w s 开发经验的人只需要简单培训就可以进行复杂的嵌入式编 程。我们决定采用微软公司针对嵌入式领域开发的操作系统w i n c e 。开发平台 采用工具软件集w i n c ep l a t f o r mb u i l d e r 4 2 和e m b e d d e dv i s u a lc + + 。故障诊断仪的 软件体系结构如图3 1 所示 图3 1故障诊断仪软件体系结构 3 2w i n o e 操作系统概述 w i n d o w sc e n e t 是一个紧凑、高效和可扩展的3 2 位嵌入式操作系统，适用 于各种嵌入式系统和产品。它拥有多线程、多任务、确定性的实时、完全抢先式 优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资源的硬件系统。同时，它的模块化 设计方式使得系统开发人员和应用开发人员能够为多种多样的产品来定制它，例 如客户电子设备、专用工业控制器以及嵌入式通信设备等。 w i n d o w sc e n e t 是w i n d o w sc e3 0 的后继产品。w i n d o w sc e n e t 为嵌入式 1 9 成都理工大学硕士学位论文 市场重新设计，为快速建立下一代智能移动和小内存占用的设备提供了一个健壮 的实时操作系统。w i n d o w sc e n e t 具备完整的操作系统特性集包和端对端开发 环境，它包括了创建一个基于w i n d o w sc e 的定制设备所需的一切，例如：强大 的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和w e b 浏览功 能。 c e 操作系统是一个适合下一代互连工业自动化设备的理想小体积嵌入平 台。由于使用了m s m q ( m i c r o s o f tm e s s a g eq u e u i n g ) 这样的先进应用服务， w i n d o w sc e 使实现与工厂生产现场现有i t 设施的全面集成成为可能。它还具有 极大增强了的实时支持以提供时间关键的嵌入应用程序所需要的边界限制、确定 性的响应时间和控制。因为w i n d o w sc e 能从闪存磁盘中启动，也就避免了暴露 在灰尘、高温、和震动环境下，从而使它可以适应甚至是最恶劣的生产环境。 3 。3c a n 总线协议介绍 3 3 1 c a n 协议引擎 在编写驱动之前，首先得熟悉c a n 总线协议和控制器m c p 2 5 1 0 的运行机制， 熟悉m c p 2 5 1 0 和m c u 的通信原理，下面是m c p 2 5 1 0 的结构框图： 图3 2m c p 2 5 1 0 的结构框图 由图可见，该器件主要由3 个部分组成： 1 c a n 协议引擎 2 用来为器件及其运行进行配置的控制逻辑和g r a m 寄存器 第三章故障诊断仪软件系统的设计 3 s p i 协议模块 其中c a n 协议引擎的功能是处理所有总线上的报文发送和接收。报文发送 时首先将报文装载到正确的报文缓冲器和控制寄存器中。利用控制寄存器位，利 用s p i 接口或使用发送使能引脚均可启动发送操作，通过读取相应的寄存器可以 检查通信状态和错误任何在c a n 总线上检测到的报文都会进行错误检测，然后与 用户定义的滤波器进行匹配，以确定是否将其转移到两个接受缓冲器之一中。 m c u 通过s p i 接口与器件进行通信，通过使用标准s p i 读写命令对所有的寄 存器进行操作。 所提供的中断引脚提高了系统的灵活性，器件上有一个多用途中断引脚，可 用于指示有效报文是否被接收和载入各接收缓冲器 3 3 2c a n 报文帧 m c p 2 5 1 0 支持c a n 2 0 b 技术规范所定义的标准数据帧、扩展数据帧以及 远程帧( 扩展和标准) 。由于本文的驱动程序中不采用扩展数据帧，因此这里只 介绍标准数据帧。 c a n 标准数据帧如图所示，帧以起始位( s o f ) 开始。s o f 为显性状态，允 许所有节点进行硬同步。 g f _ ， 辞健，瑶斡f 投鹭氍“段 c 7 氍 赫赫氟 粥】 贮：= 口 _ o !；l!l 菇 曩 e eez ，pi l lii| li，| 1，”，| 1 | q - 一k m # - ”鬻 h 4 m 瓤簿藏 弁铭l 露戆，耘毂壤冲m 图3 3c a n 标准数据帧 在s o f 之后是仲裁字段，由1 2 个位组成，分别为1 1 个识别位和一个远程 发送请求( r t r ) 位。r t r 位用于区别报文是数据帧( r t r 位为显性) 还是远 程帧( r t r 位为隐性状态) 。 在仲裁字段之后是控制字段，由6 个位组成。控制字段的第一位为识别扩展 ( i d e ) 位，该位为显性状态，说明这是标准帧。识别扩展位的下一位为零保留 位( r b o ) ，这一保留位将由c a n 协议定义为显性位。控制字段的其余4 位为数 2 l 成都理工大学硕士学位论文 据长度码( d l c ) ，说明了报文中包含的数据字节数。 控制字段之后为数据字段，包含正在发送的数据字节。数据字段长度由数据 长度码d l c 定义。数据字段后为循环冗余校验字段( c r c ) ，用来检测报文传输 错误。c r c 字段包含一个1 5 位的c r c 序列，之后是隐性c e c 定界位。 最后一个字段是确认字段，由两个位组成。在确认间隙( a c ks l o t ) 位执行 期间，发送节点发出一个接收位。任何收到无错误帧的节点会发回一个显性位( 无 论该节点是否配置为接收该报文与否) ，确认帧收到无误。确认字段以隐性确认 定界符结束，该字符可能不允许被改写为显性位。 3 3 3c a n 报文发送 m c p 2 5 1 0 采用三个发送缓冲器，每个发送缓冲器占据1 4 个字节的s r a m ， 并映射到存储器中。相关寄存器如图所示： 第一字节是t x b n c t r l ( 发送缓冲器n 控制寄存器) 该寄存器中的信息决定 了报文在何种条件下被发送，并在报文发送时指示其状态 城， 埘o a b t f ：报文发送中止标志 m l o a ：报文仲裁失败 t x e r r ：检测到的发送错误 t x r e q ：报文发送请求 t x p ：发送缓冲器优先级 下面三个字节用来装载标准标识符以及其他报文仲裁信息。 r d ( b n s i d h 发送缓冲器n 标准标识符高位 t x b n s i d l 发送缓冲器n 标准标识符低位 b l7摊o t x b n d l c 发送缓冲器n 数据长度码 b i70 r t r ：远程发送请求位 d l c ：数据长度码 最后8 个字节用来装载等待发送报文的8 个可能字节。 第三章故障诊断仪软件系统的设计 t x b n d m 发送缓冲器n 数据段字节m l ：! ：| 二鲨：l 二：5 1 竺二：4 1 竺二：3 1 ：l ! 1 2 1 ：| 二! ：l 二! ! ：l i 7 i 6 lli t 1 0 i b i t7 城o 首先，m c u 必须清除t x b n c t r l t x r e q 位，表明发送缓冲器无等待发 送的报文。至少须将t x b n s i d h ，t x b n s i d l 和t x b n d l c 寄存器装载数据。 如果报文包含数据字节，还需对t x b n d m 寄存器进行装载。在报文发送之前， 单片机应对c a n i n t e t x i n e 位进行初始化，以便在报文发送时使能或禁止中 断的产生。m c u 还应对t x b n c t r l t x p 优先级控制位进行初始化 然后，通过设定控制寄存器中t x b n c t r l t x r e q 发送控制位启动相应发 送缓冲器的报文发送。通过s p i 接口写寄存器，同时设定t x r e q 位和t x p 优 先级控制位。当t x b n c t r l t x r e q 置位后，t x b n c t r l a b t f ， t x b n c t r l m l o a 和t x b n c t r l t x e r r 位都将被清除。将 t x b n c t r l t x r e q 位置位并不能启动报文发送，仅将发送缓冲器标记为准备 发送。当器件检测到总线空闲时，才会启动报文发送。优先级最高的报文将首 先发送。报文发送成功后，t x b n c t r l t x r e q 位将被清除，c a n i n t f 1 q i f 位将被置位，置位后将产生中断。 如果报文发送失败，t x b n c t r l t x r e q 将保持置位，表明该报文仍在等 待发送。此时以下条件标志之一将被置位。如果报文发送已开始但发生错误， t x b n c t r l t x e r r 和c a n i n t f i m e l u 心位将被置位，此时在 c a n i n t e m e r r e 位置位后，器件将会在i n t 引脚产生中断。若发送报文总 线仲裁失败，t x b n c t r l m l o a 位将被置位。 3 3 4c a n 报文接收 3 3 4 1 报文接收缓冲器 m c p 2 5 1 0 具有两个全文接收缓冲器。每个接收缓冲器配备有多个验收滤波 器。除上述专用接收缓冲器外，m c p 2 5 1 0 还具有单独的报文集成缓冲器 ( m a b ) ，可作为第三个接收缓冲器。 在三个接收缓冲器中，m a b 总能够接收来自总线的下一条报文。其余两个 接收缓冲器r x b 0 和r x b l 则从协议引擎接收完整的报文。当其中一个缓冲器 处于接收等待或保存着上一条接收到的报文时，m c u 可对另一缓冲器进行访 问。m a b 对接收到的报文进行组合，并将满足验收滤波器条件的报文传送到至 r x b n 缓冲器。当报文传送至某一接收缓冲器，与该接收缓冲器对应的 c a n i n t f r x n i f 位将置l 。一旦缓冲器中的报文处理完毕，m c u 就必须将该 成都理工大学硕士学位论文 位清除以接收下一条报文。该控制位提供的锁定功能确保在m c u 尚未处理完 上一条报文前，m c p 2 5 1 0 不会将新的报文载入接收缓冲器。如果 c a n i n t e r x n i e 位被置1 ，器件会在i n t 引脚产生一个中断，显示接收到有 效报文。 下面是与接收缓冲器相关的寄存器： r x b o c t r l 接收缓冲器0 控制寄存器 m7 嘣0 i m ：接收缓冲器工作模式 r x r t r ：是否接收到远程传送请求 b u k t ：滚存使能 b u k t l ：只读位，b u k t 位备份( 只在m c p 2 5 1 0 器件内部使用) f i l h i t ：滤波器指示指明使能报