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硕上论文 基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 摘要 本文分析了国内外汽车诊断的发展和现状，设计了一种基于现阶段应用最为广泛 的第二代在线故障诊断系统( o n b r o a dd i a g n o s t i cs y s t e mi i ，o b d i i ) 的便携式汽车故 障诊断仪。该诊断仪通过专用协议转换芯片t l 7 1 8 连接o b d u 系统，读取存储于汽 车电子控制单元( e c u ) 当中的故障代码等数据信息，送入a r m 2 4 1 0 x 嵌入式处理 器分析、处理得到相应数据，然后显示故障信息并通过g p r s 传送到远端计算机。 论文围绕着汽车故障诊断仪核心模块的设计与实现展开了论述。本文首先分析了 o b d i i 的工作方式，并针对诊断仪的设计需求，提出了汽车故障诊断仪的设计方案， 然后介绍了诊断仪软硬件设计，硬件部分主要包括以t l 7 1 8 为核心的协议转换电路、 以$ 3 c 2 4 1 0 为核心控制处理电路和以m 2 2 为核心的远程传输电路，软件部分介绍了 l i n u x 系统的软件开发环境，包括嵌入式l i n u x 的移植、驱动设计方法，最后对诊断 仪主要模块进行了设计和调试。 本文的研究结果具有较大的工程实际意义，对于汽车故障诊断具有一定的参考价 值。 关键词：a r m ，嵌入式，l i n u x ，o b d i i ，汽车故障诊断 a b s t r c a t 硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g n v e h i c l ed e t e c t i n g ，d e s i g n e db a s e do nt h i ss t a g e ，t h em o s tw i d e l yu s e ds e c o n d - g e n e r a t i o n o n - b r o a dd i a g n o s t i cs y s t e mi i ( o b d - i i ) o ft h ep o r t a b l ef a u l td i a g n o s i sd e v i c ef o rv e h i c l e s t h ed e v i c ev i aad e d i c a t e dp r o t o c o lc o n v e r s i o nc h i pt l 718c o n n e c to b d i is y s t e mt or e a d f a u l tc o d e sa n do t h e rd a t aa m o n gt h ei n f o r m a t i o ns t o r e di nt h ec a r , a n ds e n tt oa r m 2 410 x ， p r o c e s i n ga n da n a l y s i s i n gt h ed a t a , d i s p l a ya n dt r a n s m i tt ot h er e m o t ec o m p u t e rt h r o u g h g p r s p a p e r sm o u n dd e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ec o r em o d u l eo ft h ev e h i c l ef a u l td i a g n o s i s d e v i c es t a r tt h es t u d y f i r s to fa l l ，t h r o u g hu n d e r s t a n d i n go fo b d - 1 1w o r k ，p a p e rd e s i g n e d t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ed e v i c e ，t h e nt h eh a r d w a r es e c t i o nd e s c r i b e sf a u l td i a g n o s i s d e v i c ea r c h i t e c t u r ea n dm a j o re x t e m a lc i r c u i td e s i g n ，s o f t w a r es e c t i o nd e s c r i b e st h es y s t e m s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o nb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，i n c l u d i n gt h e t r a n s p l a n to fe m b e d d e dl i n u x ，d i s p l a yi n t e r f a c ed e s i g n , a n dd e s i g nt h ed e v i c ek e ym o d u l e o ft h es o f t w a r e ，t h ef i n a ls i m u l a t i o nt od e b u gt h ed e v i c ei na l lt h ek e ym o d u l e s t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ea u t o m o t i v ef a u l t d e t e c t i o na n dac e r t a i nr e f e r e n c ev a l h e k e yw o r d ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x , o b d i i ，v e h i c l ef a u l t d e t e c t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除t j n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：孑基当监一少p 年多月巧白 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：邂夕1 ，年1 7 月移日 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 1 绪论 1 1 课题背景 据汽车工业协会统计，2 0 0 9 年我国汽车的产销量超过了1 3 0 0 万辆，位居世界第 一位。汽车产业繁荣的同时，也带来了新的问题，特别是故障处理和对尾气排放。汽 车作为一种高科技产品，近年来智能化程度越来越高，相应地，当汽车出现故障时维 修也越来越复杂。 现代汽车诊断技术，通常是指在不解体汽车的情况下对车辆的技术状况、维修质 量及工作能力等进行各项技术性能的测试、检查、诊断和鉴定。主要是利用先进的汽 车诊断仪器和设备，结合计算机、自动控制等先进技术来诊断汽车状况，采集汽车的 各种动态信息，并对这些信息进行在线或离线分析和处理，以便发现和确认其异常表 现，预测其发展趋势，查明其发生原因、发生部位和严重程度，并针对性地提出维修 措施和处理方法的技术，是一门结合了传感器、微电子计算机、机械等基础学科的综 合性应用技术【l 】。现阶段应用最为广泛的诊断方法利用汽车自身电子控制单元 ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ) ，配合第二代在线故障诊断系统( o n b r o a dd i a g n o s t i c s y s t e mi i ，o b d i i ) 实现汽车的自动化诊断。 在国外，美国环保局( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，e p a ) 规定1 9 9 6 年以后生 产的轿车和轻型卡车都必须配置o b d i i ，加拿大则于9 9 8 年开始实施o b d i i 。欧 盟规定从2 0 0 0 年开始逐步实施e o b d ，2 0 0 1 年欧盟所有新生产的汽油引擎轿车( 载 重2 5 吨以下) 必须配置e o b d ，柴油引擎轿车则要求在2 0 0 4 年之后强制配置 e o b d 2 。 在我国，经国务院批准2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起，北京将实施机动车排放的国i 标 准( 相当于欧1 1 1 ) ，未达到该标准的新车将停止在北京销售【3 】。同时要求从2 0 0 5 年1 2 月3 0 同起，在北京市销售的新车型必须安装o b d ，在此前已定型上市销售并通过审 核的车型可延迟一年安装o b d ，2 0 0 7 年开始全国范围实施这一新的法规。这意味着 o b d 系统在我国成为汽车的强制标准配备。可见，o b d 将是日后所有汽车的标准 配备，研究意义重大。 1 2 汽车故障诊断国内外发展概况 1 2 1 国外汽车故障诊断发展概况 最初汽车诞生时期，汽车故障检测主要是人工检验，这时候汽车维修者的经验起 到重要作用，采用听和看的方法来查找汽车故障，这种方法的对汽车维修者的经验要 l 1 绪论硕士论文 求相当地高，但准确性却很差。 自从2 0 世纪5 0 年代汽车技术与电子技术开始相结合以来，各种电子器件在汽车 上的应用范围越来多，逐渐形成了汽车车身中集成电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ，以下简称e c u ) ，作为汽车发动机电控系统的核心【4 】。e c u 具有功能强大、可 靠性高、速度快捷、成本低廉等特点，极大地提高了汽车的安全性、动力性、便捷性 和经济性。当然有利也有其弊，现代发动机电控系统越来越复杂，同时也带来了汽车 故障的定位和处理越来越困难的问题。除了以往一些机械故障以外，还出现了更多的 电控系统故障，传统的汽车诊断和维修的方法越来越难以满足需求。为了应对种种问 题，最早在美国诞生了一种新的诊断系统在线故障诊断系统( o n - b r o a dd i a g n o s t i c s y s t e m 。 世界上最早的有关o b d 的正式规范是在1 9 8 5 年美国加州大气资源委员会 ( c a l i f o r n i aa i rr e s o u r c e sb o a r d ，c a r b ) 开始制定的，法规要求各车辆制造厂在加 州销售的车辆，必须安装o b d 系统，而且这些车辆上配备的o b d 系统必须符合下 列规定p j ： ( 1 ) 仪表板必须有“引擎故障警示灯 ，以提醒驾驶注意车辆的引擎系统己发 生故障。 ( 2 ) 系统必须有记录传输相关废气控制系统故障码的功能。 ( 3 ) 废气排放监控元件必须包含含氧感知器、废气再循环系统、油箱蒸发器排 放系统。 加州大气资源委员会制定o b d 法规的主要是为了减少车辆废气排放，以及简化 维修流程，但是由于开始制定的o b d 规则不够严谨，它遗漏了油气蒸发系统的泄漏 侦测，以及触媒转换器的效率监测，等到发觉车辆故障再进厂维修时，事实上已排放 了大量的废气。 早期o b d 除了无法有效地控制废气排放外，它还有另一个非常严重的问题：由 于各大汽车制造厂的电子控制系统并不相同，于是各车辆制造厂各自开发了各自的诊 断系统、检修流程、诊断维修工具等，这也导致各厂家的o b d 系统彼此不相容。不 同品牌的车辆有其专用的o b d 诊断插座及自定义的故障码，每一种车系都有专用的 诊断工具，例如专用的o b d 解码器，这给汽车维修，尤其是非原厂维修带来很大的 不便。 为解决早期o b d 系统互不兼容、诊断不完全及规则不尽详细，美国汽车工程师 协会( s a e ) 对o b d 诊断接口、通讯方式等技术细节进行了一系列标准化工作。为 了与早期的旧系统有所区别，此新制定的系统称为o b d i i ( 第二代车载诊断系统) ， 之前的旧系统称为o b d i ( 第一代车载诊断系统) 。o b d i 与o b d i i 在诊断功能上 的比较如表1 2 1 所示。 2 硕士论文 基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 表1 2 1o b d - i 与o b d i i 在诊断功能比较 诊断项目 o b d 1 中的诊断项目o b d i i 中的诊断项目 催化转化器 劣化 失火单缸多缸失火 氧传感器不活跃、电路诊断劣化、不活跃、电话诊断 e g r e g r 流量下降e g r 流量过高或过低 供油系统过浓或过稀过浓或过稀 二次空气系统功能电路诊断 蒸发控制系统 系统泄漏不良冲洗 排放相关电子部件 电路诊断功能性诊断 与早期的o b d i 相比较，o b d i i 最大的改进之处在于其具有详细统一的标准， 这给全球汽车维修在汽车故障诊断和诊断维修方面带来了极大的便利。除了对排放有 关的污染控制元件完全失效的诊断之外，o b d i i 还可针对由于元件老化、或部分失 效所引起的排放污染进行诊吲6 】。因此，o b d i i 系统可以真正实现对在整个汽车的 使用寿命范围内进行废气排放进行控制，事实上，与先前的车载诊断系统相较，o b d i i 强化了废气排放的诊断精确性，其实质功能就是监测汽车废气排放。当汽车排放的( 碳 氢化合物) h c 、c o 和n o x 或燃油蒸发污染量超过设定的标准，包括引擎及其动力 系统引起的h c 排放量的上升、触媒转换器的工作效率下降到标准值之下、密闭燃油 系统有空气泄漏、或某个感应器或其他废气排放控制装置失效等等情况，故障指示灯 ( m i l ) 就会点亮警示驾驶。 o b d i i 故障诊断标准是开发第二代故障自诊断系统的标准。该标准目前被世界各 大汽车制造厂商广泛支持。支持该标准的汽车的e c u 具有监测发动机控制系统和排 放系统的能力，当汽车的某个系统发生故障，便会产生相应的故障代码。通过一定的 程序可以从e c u 中获取故障码，这样就可以准确的确定故障的性质和部位。此外， 还增加了范围广泛的监测系统，使得对汽车实时工况的监测成为可能。 1 9 9 8 年1 0 月1 3 日，欧共体通过了法令e ud i r e c t i v e9 8 6 9 e c ) ) 【7 1 ，该法令要 求自2 0 0 0 年1 月1 日起，所有在欧盟成员国内销售的新上市的汽油机车必须满足相 关规定，被称为e o b d 。与o b d i i 相比，e o b d 的要求较为宽松，比如不对油箱泄 露进行诊断等等。 总体上，车载故障诊断标准包括北美标准o b d 1 1 和欧洲标准e o b d ，事实上，欧 洲的车载故障诊断标准基本上等效使用北美的车辆工程师协会( s a e ) 相关标准，二 者要完成的功能基本上是相同的，主要区别是所使用的通讯协议不同。故，文中 1 绪论 硕士论文 o b d i i 如无说明，并不是特指北美车载诊断系统，而是泛指第二代车载诊断系统。 e o b d 与o b d i i 排放法规区别如表1 2 2 所示。 表1 2 2e o b d 与o b d i i 排放法规区别 e o b d o b d i i 小于等于3 5 吨，小于等于9 座的所有小于等于1 2 座的乘用车及小于等于 有效范围 轻犁车6 3 5 吨的轻型卡车 m i l 灯亮：2 个错误驾驶循环后( 最 2 个错误驾驶循环后 大1 0 个) m i l 灯 m i l 灯灭：3 个无错误驾驶循环后 3 个无错误驾驶循环后 绝对排放限值： 报警限值c oh c n o 。 相对限值：1 5 x 标准限值 3 2 9 k m0 4 9 k m0 3 6 9 k i n 在正扭矩和发动机转速小于在正扭矩和直到发动机最大转速的所有转 失火探测 4 5 0 0 r p m 时工作 速范围内工作 油箱系统泄漏 没有要求 不允许泄漏超过相当于0 5 m m 孔径的泄漏 探测 量 传感器测试线路的连续性 测试信号的合理性 错误存储储存自m i l 灯亮后的行驶距离没有要求 虽然o b d i i 系统在功能上较o b d i 大幅改进，但仍然有很多局限。o b d i i 无法 强制驾驶者接受警告，为了加强对社会法规的支持力度，用于实时监测和管理汽车尾 气排放的o b d i i i 系统开发提上了议事日程。 o b d i i i 系统是以无线传输故障信息为主要特征的新一代o b d 系统。与o b d i i 最大的区别就是o b d i i 能远程读取汽车的有用数据，车辆不必在现场。o b d i i i 系 统会分别进入发动机、变速箱、a b s 等系统e c u 中去读取故障码和其它相关数据， 并利用小型车载无线收发系统，通过无线蜂窝通信、卫星通信将车辆识别码( v i n ) 、 诊断故障码以及所在位置等信息自动通告相关管理部门，管理部门将根据该车辆排放 问题的等级对其发出指令，包括去哪里维修的建议，解决排放问题的时限等，在法律 允许的前提下，还可对超出时限的违规车辆发出禁行指令。下一代o b d i i i 设计图样 已经通过，相信不久它将成为新车的标剧引。 1 2 2 国内汽车故障诊断发展概况 我国汽车诊断技术起步较晚，上世纪6 0 年代才开始汽车诊断技术的研究。到了 8 0 年代，随着国内汽车工业的快速发展，对汽车诊断技术需求也与日俱增。除了传 统汽车的安全性、经济型，汽车尾气污染也越来越引起人们的注意，相继研发了各种 测试仪器。进入8 0 年代中后期9 0 年代，我国开始研究基于计算机和网络的汽车诊断 4 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 技术，并应用于汽车诊断站，实现了汽车的全自动诊断、全自动管理和全自动财务结 算，大大节约了诊断的人力物力花费，诊断精度和诊断时间都得到了提高。但由于起 步较晚和技术上的差距，国内主要集中在专用的诊断和诊断仪器的开发上，而没有提 出车内的在线汽车故障诊断标准。 2 0 0 5 年4 月5 日，国家环保总局发布批准轻型汽车污染物排放限值及测量方法 ( 中国i i i 、阶段) ( g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 ) 等五项标准为国家污染物排放标准。o b d 作为强制性要求首次出现在我国的法规标准中。此项标准是采用欧盟( e u ) 的 9 8 6 9 e c 指令以及随后截止至2 0 0 3 76 e c 的各项修订指令的有关技术内容产生的。 主要的修改内容包括包含m 1 和m 2 类车型的分组、燃料的技术要求等5 个方面，而 o b d 规则部分基本参考的是欧盟的标准，也就是说中国的o b d 系统的要求与e o b d 系统基本是等同的。 o b d i i 和e o b d 系统由欧美国家开发，其核心技术主要掌握在美、。欧等几家跨 国汽车公司手中，对于合资汽车制造企业，装备o b d 不存在技术障碍，毕竟这种技 术在欧美国家已经应用了多年，只要引进技术就可以解决加装o b d 问题。对于大多 自主品牌的汽车企业来说却有极大的影响，除了o b d 的研发也需要大笔资金外，时 间就显得格外宝贵。因为国家有关法规一旦开始实行，国外及合资品牌可以随时启动 o b d 项目，而本土自主品牌可能会因为资金和时间的问题而力不从心。因此，国内 积极开展o b d i i 和e o b d 的研究应该是一个迫在眉睫的问题。在我国，o b d i i 和 e o b d 领域的研究尚处于起步阶段，学术界的讨论与研究还主要集中对o b d i i 和 e o b d 基本工作机理的探索阶段。国内汽车企业的o b d i i 和e o b d 项目的解决方法 也主要依赖于国外汽车配件商的支持上，而自主的研究也属于刚刚起步阶段，对 o b d i i 和e o b d 的相关标准的翻译、消化和整理，对o b d i i 和e o b d 系统的框架 体系，对通讯协议以及通信机制的研究，对各大汽车厂商的故障码规范与故障码信息 进行分析也应该是目前国内在o b d i i 和e o b d 领域研究的重点研究内容。 1 3 论文主要内容及章节安排 述。 针对汽车故障诊断的技术进行分析，本文将着重研究以下内容： ( 1 ) 汽车故障诊断仪方案的选择； ( 2 ) 汽车故障诊断仪硬件设计； ( 3 ) a r m l i n u x 嵌入式软件开发环境的建立； ( 4 ) 基于a r m 的汽车故障诊断仪应用程序设计； 全文的内容安排如下： 第1 章介绍课题的背景知识，并对国内外汽车故障诊断的发展和现状做一定论 5 1 绪论 硕士论文 第2 章分析o b d i i 系统的工作原理，并提出诊断仪设计方案。 第3 章介绍了汽车故障诊断仪的硬件设计，主要包括协议转换接口电路、a r m 外围电路和远程传输接口电路。 第4 章研究嵌入式软件的开发环境，包括交叉编译、嵌入式l i n u x 的移植和l i n u x 驱动的开发方法。 第5 章对诊断仪主要软件模块的设计方法进行了分析，软件模块有串口驱动、 按键驱动、l c d 驱动、故障诊断程序和远程发送程序。 第6 章对诊断仪的调试情况进行了说明。 第7 章对本文的工作进行了总结，并提出对今后工作的展望。 6 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 2 诊断仪的实现方案 2 1o b d i i 系统介绍 2 1 1o b d h 工作原理 所谓故障诊断就是指在一定的工作环境下，查明某种功能失调并判断发生故障的 部位，强弱。一般来讲，有3 个步骤【9 】：第一步诊断设备状态的电子信号；第二步是 从诊断到得数据信号中提取关键信息；第三步是根据提取到的信息和标准状态相比较 识别设备的工作情况；故障诊断的一般流程如图2 1 1 所示。 图2 1 1 故障诊断流程 o b d 装黄监测着汽车多个系统和部件，包括发动机、催化转化器、颗粒捕集器、 氧传感器、排放控制系统、燃油系统等。当汽车出现故障时，故障灯点亮，汽车电控 单元( e c u ) 分析故障部位，可能的原因，预测故障趋势，并存储下故障代码，通过 标准数据接口传送给相应处理设备。 2 1 2o b d i i 数据通信 为了解决对外的通讯协议和通讯接口的统一问题，美国汽车工程师协会( s a e ) 于 1 9 9 3 年制订了随车诊断系统o b d i i 标准，其主要的优越性体现在【l 叫： ( 1 ) 统一了汽车控制系统内部网络的通讯协议； ( 2 ) 统一通讯接口( 故障诊断插座) ； ( 3 ) 统一了故障代码的设置规则； ( 4 ) 扩充了随车诊断系统的诊断项目。 7 2 诊断仪的实现方案硕士论文 s a e 在j 1 9 6 2 协议中详细地规定了o b d i i 在线诊断系统的诊断座为1 6 针的诊断 座，及每一针的功用。s a e 规定o b d i i 阵脚如图2 1 2 所示。 图2 1 2o b d 1 1 诊断座 s a e 诊断座每一针功能的规定，如表2 1 1 所示。 表2 1 1o b d 。i i 针脚说明 针号功能 针号功能 p 烈1 为制造商预留 p i n 2s a e - j18 5 0b u s + 线 p n q 3为制造商预留 p r n 4 车身接地 p n q 5信号接地p i n 6 c a n h i g h p n q 7i s 0 9 1 4 1 ( k 甲2 0 0 0 ) kl i n ep 1 n 8为制造商预留 p 肘9 为制造商预留 p i n l os a ej 1 8 5 0b u s 线 p 烈1 1 为制造商预留 p 烈1 2 为制造商预留 p i n l 3为制造商预留p i n l 4 c a nl o w p 1 5i s 0 9 1 4 1 ( k 个2 0 0 0 ) ll i n ep 烈1 6汽车蓄电池正极 o b d i i 在线诊断系统的一个最大的特点就是统_ 了数据传输协议和诊断模式，但 o b d i i 标准中并不止规定了一种通信协议，而是统一了应用最广泛的几种协议，分 别为：i s 0 1 5 7 6 5 ( c a n b u s ) 、i s 0 9 1 4 1 、i s 0 1 4 2 3 0 ( k w p 2 0 0 0 ) 、s a ej 1 8 5 0 ( p w m ) 、 s a ej 18 5 0 ( v p w ) j i l l 。 带有o b d i i 随车诊断系统的汽车，其电控系统是建立在b 类数据通讯网络协议 基础上是：所有的节点通过单一路径发送和接收数据。所有的节点在同一时刻接收到 相同的数据帧，且每条总线上的通讯是各自独立的。如下图2 1 3 所示是国际标准化 组织( i s o ) 规定的b 类网络协议的参考模型。b 类数据网络协议是由应用层、数据 链路层和物理层三部分组成1 1 2 j ： ( 1 ) 应用层：是将网络中的数据从一个节点传送到另一个节点。包括操作信息 和诊断信息。 ( 2 ) 数据链路层：数据链路层的主要功能是将位或标志转化为有效的、无差错 的帧或数据，将并行数据转化为串行数据，或者是提供同步。数据链路层的另一主要 功能是进行出错检查，当有错误发生时，数据链路层或者是对其纠错，或者是通知上 一层。因此数据链路层的内容包括地址策略、网络存取和数据同步、帧元素和结构、 差错检查和应答等。 2 硕士论文 基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 ( 3 ) 物理层：物理层及其线路形成了数据链路层之间传递信息的路径。它规定 ；臣舅鞋量妻一三 i i：臣萄 i ： i 雪i 一- 一i i 磊丽薪i l j 图2 1 3b 类数据网络协议分层 2 1 3o b d i i 工作模式 诊断仪与汽车o b d i i 系统之间的通讯通常采用请求和应答方式来进行的，当诊 断仪发出一个请求信息时，该信号经通讯接口被传送给汽车o b d 系统的e c u ，e c u 通过分析请求信号的要求，做出相应应答，然后将应答信号发回给诊仪。从而完成信 号的请求与应答。在设计诊断仪的信号请求方式时，应按s a e 规定的九种诊断模式 来进行。 在s a ej 1 9 7 9 协议中，详细规定了九种不同的诊断模式，它们分别为【1 3 】： 模式一：动态数据的获取； 模式二：获取与发动机相关的冻结帧数据； 模式三：获取与排放相关的诊断代码； 模式四：清除或者重置与排放相关的诊断码； 模式五：获取氧传感器相关的测试结果数据； 9 2 诊断仪的实现方案 硕士论文 模式六：获取特殊监测对象的在线监测结果数据； 模式七：请求连续监测系统o b d 测试结果； 模式) k - 对o b d 系统、测试或者元件的控制请求； 模式九：获取车辆和标定识别号； 通过这九种模式，诊断设备可以向汽车电控单元获得各类诊断数据。这些模式对 各种不同的数据通讯网络都是通用的。每个模式( m o d ) 后面紧跟一个两位的参数 标识( p i d ) ，代表该模式下具体执行的功能。其中最常用的是模式0 1 动态数据获取 和模式0 3 读取故障代码。 2 2 诊断仪设计目标 1 基本功能 能够对o b d i i 系统的故障代码进行读取分析和复位。 2 通用性 鉴于汽车型号的多样和各自使用o b d i i 通信协议的不同，要尽可能设计一个适 用于尽可能多汽车的通用故障诊断仪。 3 便携性 设计的最终仪器在满足功能的前提下要尽可能的小。 4 易用性 对于普通汽车拥有者，诊断仪一定要使用方法简单，几个按键就可以使用诊断仪 的所有功能且直观易懂。 5 扩展性 对于要求较高的用户，汽车故障诊断仪要预留硬件添加和软件升级的空间。 2 3 诊断仪设计方案 用作诊断仪的微处理器可以选择单片机、d s p ( 数字信号处理器) 和a r m 嵌入式 微处理器。单片机应用很广泛，它的硬件电路和软件都比较简单，开发速度很快，但 是缺点是能够实现的功能少，开发成型后扩展能力也不足。d s p 处理速度非常快，可 达4 0 m i p s ，但是d s p 侧重于处理大量的数据计算，控制功能不足。a r m 嵌入式处 理器是一种应用广泛的微处理器，它计算速度快，资源多，芯片内部集成了控制芯片， 只需简单的外围电路，就能够实现各种复杂的功能，软件的支持也较为丰富，便于升 级扩展。基于上述原因和设计目标的考虑，在核心处理器上的选择，本设计选用的是 a r m 处理器。 a r m 作为嵌入式系统的处理器，具有低电压、低功耗和低集成度等优点，已经 成为事实上的嵌入式系统的首选处理器。目前，a r m 处理器有5 个产品系列：a r m 7 、 1 0 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 系列，其中a r m 9 系列性价比较高。$ 3 c 2 4 1 0 x 是三星公司生产的基于删9 2 0 t 内核的芯片，处理速度达到2 0 3 m h z ，芯片内部集 成了串口控制器、l c d 控制器、d m a 控制器、i o 口、以太网控制器等，方便连接 外设，并且该处理器支持l i n u x 操作系统，双剑合璧，最终本系统选择三星公司生产 的s 3 c 2 4 1 0 x 作为系统的微处理器。 另一个关键硬件的设计就是o b d i i 系统和a r m 系统之间接口电路。考虑o b d i i 通信协议的多种多样多达十多种，需要设计一个能够自动识别和适应各种通信协议 的接口电路，工程量比较大，经过反复比较参数，价格各方面因素，最终选择了专用 接口芯片t l 7 1 8 。 至于软件开发平台，易于开发、扩展和维护和价格是首要因素，嵌入式系统 v x w o r k s 与w i n d o w s c e 授权费用较高，基本不在考虑的行列，免费开源的l i n u x 成 了首要选择。l i n u x 遵循g p l 规范，功能强大，并且经过黑客的各种测试，改进后内 核稳定性尤为突出，非常适合嵌入式这种对稳定性要求较高的环境。 最终根据诊断仪的要求，本文将诊断仪的设计分为3 个部分，诊断仪前端使用协 议转换接口电路，将o b d i i 数据转换成统一的数据格式，后端使用无线传输电路发 送故障信息到远端计算机，$ 3 c 2 4 1 0 x 作为主控c p u 负责控制协议转换和无线传输。 系统的总体框图如图2 3 1 所示。 早挈 协议 o b d i i l卜 转换一 卜 s 3 c 2 4 1 0 一无线传l 刮到远端广 接口 厂 输电路r _ 电路 凶 图2 3 1 故障诊断仪总体框图 图2 3 1 中，协议转换接口电路主要完成从o b d i i 通信协议到a r m 处理器之间 数据通信协议的相互转换。在读取故障信息时把o b d i i 的数据转换成为a r m 能够 识别处理的数据。主控c p us 3 c 2 4 1 0 x 完成接受到的数据的处理，扩展按键、显示， 实现人机交互，最后将得到的故障信息以无线网络发送到远端或者相应的管理部门， 实现o b d i i i 的基本功能。 3 诊断仪硬件设计硕士论文 3 诊断仪硬件设计 诊断仪主要分为3 个部分，协议转换接口电路，控制处理电路和无线传输电路， 下面就每一个部分的硬件做一个简单的介绍。 3 1 协议转换接口电路 在设计接口电路时，首先考虑了以控制芯片为核心设计网络接口单元，由于需要 实现网络中信号格式的转换、报文的拆解帧、差错控制等数据链路层操作，程序比较 复杂，由于时间关系，本文采用了国产专用的协议转换芯片t l 7 1 8 ，它完成了大部分 数据链路层的工作，使接口的设计变得更加简单，并以其为核心进行接口单元的设计。 3 1 1t l 7 1 8 芯片介绍 t l 7 1 8 芯片在功能上仿照国外应用最为成熟的专用协议转换芯片t l 7 1 8 制造， 并具有完全的自主知识产权。大部分指令和引脚完全兼容t l 7 1 8 ，能够使用很多国外 免费软件，便于诊断仪的开发。同时t l 7 1 8 能够自动匹配超过1 5 种o b d i i 通信协 议，几乎囊括了市面上所有汽车的o b d i i 通信类型，较好的满足了系统的通用性要 求。 t l 7 1 8 作为一款专用协议转换芯片，有如下几个优点1 4 1 ： ( 1 ) 支持多达1 5 种通信协议，其中包括了所有5 种o b d i i 标准的通信协议； ( 2 ) 能够自动匹配通信协议； ( 3 ) 开发简单，只需要添加一些简单的外围电路即可工作； ( 4 ) 利用a t 命令进行参数配置，便于在不同环境使用； ( 5 ) 支持串口通信； t l 7 1 8 原理框图如图3 1 1 所示： 皇矗口 1 2 图3 1 1t l 7 1 8 原理框图 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 i l 7 1 8 的引脚分布图如图3 1 2 所示。 0 8 d t x u m o b l 3 黜呦 a l d l h a l d l o u t 洲r x c a nh l s ol l s ok v d d v 嚣 r s 2 3 2o a t r s ：硌2 1 l x b u s y r t s 图3 1 2t l 7 1 8 引脚分布图 t l 7 1 8 的工作命令分为两种，一是内部命令( a t 命令) ，负责更改芯片的各种设 置；二是o b d 命令负责与汽车通信。 首先简要介绍本文需要用到的一些a t 命令，其他a t 命令本文使用默认设置。 a t r 重新启动t l 7 1 8 ； a t s 返回芯片编号； a t i 返回芯片版本信息； a t d p 返回芯片使用中通信协议编号： s t s p ( x ) ( x _ 1 ，2 ，3 ，) 设置通信协议； a t s t( t 水4 )设置串口等待消息时间 如果向t l 7 1 8 发送的指令以1 6 进制数的a s c i i 开头，则t l 7 1 8 认为是o b d 命 令，t l 7 1 8 接收后，把成对( 必须) 的a s c i i 码1 6 进制数转换成单个字节的1 6 进制 数据发送到车辆电脑数据总线。 当发送完o b d 命令后，t l 7 1 8 等待接收o b d 消息，如果接收到消息并且地址 匹配，则t l 7 1 8 就把数据从r s 2 3 2 发送给远端，如果t l 7 1 8 接收到的消息但发送 的地址不匹配，则忽略该消息。如果直到等待时间( p 2 m a x a t s t 命令的设置值， 默认值2 0 5 m s ) 结束，没有接收到匹配地址的数据，则t l 7 1 8 返回“n od a t a ，如 果接收到数据并且地址匹配则复位时间，继续等待，直到等待时间溢出。 下面是t l 7 1 8 工作命令的一些要点： ( 1 ) 发送必须是以回车符( 0 x o d ) 结束的a s c i i 码字符，回车符后面的字符被 t l 7 1 8 丢弃。 3 诊断仪硬件设计硕士论文 ( 2 ) o b d 命令只能包含1 6 进制的a s c i i 码( 0 9 ，a - f ，a f ) ，空格被忽略。 ( 3 ) t l 7 1 8 内部命令以“a t 开头，后面跟可见字符。不可见字附及空格被忽视。 ( 4 ) 大小写字符都能被t l 7 1 8 接收，空格被忽略。比如命令 a t z 、“a t z 、“a t z 都是一样的。 ( 5 ) 当t l 7 1 8 处理o b d 命令时，t l 7 1 8 连续监视r t s 引脚及r s 2 3 2 输入，其 中任何一个情况发生，t l 7 1 8 将中断当前的o b d 命令，使它快速返回提示符“ ”，等 待接收新的命令。 t l 7 18 的最大优点莫过于支持5 种标准o b d i i 通信协议，下面就这些协议的外 围电路做一个简单介绍，t l 7 1 8 的接口电路图如图3 1 3 所示。 图3 1 3t l 7 1 8 接口电路图 m c l r 为复位端，这里采用软复位，所以接高定平；v m e a s u r e 为保护电路接口， 测试输入电压低于v d d ；b a u d r a t e 接高电平波特率为3 8 4 0 0 接地为9 6 0 0 ，可通过软 件设置更改；b u s y 与r t s 分别表示芯片空闲与否和中断当前任务，本设计都通过 软件来控制，所以b u s y 悬空，r t s 接高电平。o b dl e d 与r s 2 3 2l e d 为芯片工 作和串口通信指示灯。其他接口为芯片通信协议接口，在下面章节介绍。 3 1 2c a n 协议转换接口电路 由于t l 7 1 8 的芯片内部集成了c a n 控制器，因此只需要在外部搭配一个c a n 收发器，便可以正常进行c a n 报文的收发。在本设计中采用的c a n 收发器是 1 4 硕士论文 基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 m c p 2 5 5 1 。c a n 通信接口电路图如图3 1 4 所示。 戳 图3 1 a c a n 通信接口电路图 c a n 收发器引脚功能说明如表3 1 1 所示。 表3 1 1m c p 2 5 5 1 引脚说明 引脚编号引脚名称引脚功能 1t x d 发送器数据输入 2 v s s接地 3 v o d 提供电压 4r x d 接收器数据输出 5 v r e v参考输出电压 6c a n l c a n 低电压l o 7c a n h c a n 高电压i o 8r s 斜率控制输入 3 1 3j 1 8 5 0 ( v p w ) 、j 1 8 5 0 ( p w m ) 协议转换接口电路 由于j 1 8 5 0 的两种不同协议需要两种不同的电压( v p w 需要8 v ，p w m 需要5 v ) ， 因此，采用一种输出可调的电压调整芯片l m 3 1 7 ”】。l m 3 1 7 的输出电压由t l 7 1 8 的 引脚j 1 8 5 0v o l t s 控制。当引脚j 1 8 5 0v o l t s 输出高电平时，在l m 3 1 7 的输出引脚上便 可以得到8 v 的电压，当引脚j 1 8 5 0v o l t s 输出低电平时，在l m 3 1 7 的输出端得到5 v 的电压。在使用j 1 8 5 0v p w 协议的情况下，输入时，传输线j 1 8 5 0 + 上的电压信号通 过电阻r 1 8 和r 2 1 分压后送入到芯片t l 7 1 8 中。输出通过t l 7 1 8 的引脚( j 1 8 5 0 b u s + ) 来完成。当引脚4 输出高电平时，晶体管q 3 导通，q 2 也导通，传输线j 1 8 5 0 + 上的 电压便被拉升到约8 v ，总线便处于显性位。反之，引脚4 输出低电平时，总线处于 隐性位。在使用j 18 5 0p m w 协议的情况下，输入时，若传输线j 18 5 0 + 处于显性( 高 电平) ，j 1 8 5 0 也处于显性( 低电平) ，此时，q 2 导通，q 7 导通，输入低电平到芯片 t l 7 1 8 的引脚p w mi n 中。反之，当j 1 8 5 0 + 和1 8 5 0 都处于隐性的时候，输入高电平 1 5 3 诊断仪硬件设计 硕士论文 到t l 7 1 8 的引脚p w mi n 中。输出通过t l 7 1 8 的引脚4 ( j 1 8 5 0b u s + ) 和引脚1 4 ( j 1 8 5 0 b u s ) 来实现。j 1 8 5 0 ( v p w ) 、j 1 8 5 0 ( p w m ) 通信协议接口电路图如图3 1 5 所示。 图3 1 5j 1 8 5 0 ( v p w ) 、j 1 8 5 0 ( p w m ) 接口电路图 3 1 4i s 0 9 1 4 1 、i s 0 1 4 2 3 0 协议转换接口电路 对于i s 0 9 1 4 1 、i s 0 1 4 2 3 0 协议接口电路完成芯片输出电压到总线电路的电压匹 配，其电路图如图3 1 6 所示。 图3 1 6i s 0 9 1 4 1 、i s 0 1 4 2 3 0 通信接口电路图 3 1 5t l 7 1 8 与s 3 c 2 4 1 0 x 接口 t l 7 1 8 芯片串口引脚电压为5 v 与主控c p u 串口引脚电压不同需要转换到同一的 串口电压。 1 6 硕士论文基于嵌入式的汽车故障诊断仪设计 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r , 通用异步收发器) 是广泛 使用的串行数据传输方式。串行通信分为同步和异步两种方式，通常采用的是异步通 信，而异步串行通信传输接口中最常用的是美国电子工业协会推荐的标准r s 一2 3 2 c 。 本设计采用的串口就是9 针r s 2 3 2 c 接口。r s 2 3 2 的9