（计算机应用技术专业论文）汽车故障远程诊断仪的设计与实现.pdf

缡要 本文通过对汽车故障自诊断系统和汽车故障诊断设备现状的分 析，设计r 一种新颖的随车、本地和远程诊断楣结合的嵌入式汽车敝 障诊断仪。本谦题昆在研究基于a r m 平台的操作系统移植及其应用程 序的开发，完成汽车敌障运程诊繇仪的软硬件设计，实瑰汽车故障的 远樱鳃能诊断。 论文蓄先实现了薹予s 3 c 4 4 b o x 的汽车故障诊断仪硬件设计，并 对c a n 总线的几种扩展实现方法进行了比较，给出了基- i ：c p l d 的c a n 总线扩震实褒方法；然后论文阐述了系统较 牛麴实褒过程，包括 u c o s i i 操作系统、基于n a n d f l a s h 的文件系统茅nl c d 图形用户界 蟊的移獯，并遥过移禧妇i p 协议棱实现以太掰帮p p p 协汉豁通信， 加入了c t u r 控割器驱动以实现基于c a n 渗断捺议的测试；鼗后以桑塔 藜系歹车型为铡说骥汽车馥障渗繇豹实现翻翻嗣g p r s 无线逶信实蕊 远程诊断的过程，并对汽车故障诊断专家系统的系统框架进行没计。 渣文设诗与实现豹故障诊麟仪具有美麓豹天瓿器蟊季嚣文件系统， 可以对故障诊断协议为k w p l 2 8 1 的桑塔纳2 0 0 0 、帕萨特等大众车繁 进行故障捡溅。该设秘。采取了薅车、本邋以太霪器无线通信远程诊龋 三种诊断方式结合的思想，可利用故障诊断专家系统实现汽车故障智 麓诊酝。在嵌入式系统与汽车瞧子紧密结合及汽车霆盏营及豹趋势 f ，该汽车故障诊断仪具有一定的应削和研究价僮。 关键词嵌入式系统，a r m ，u c o s i i ，汽车故障诊断仪，专家系统 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec a rt r o u b l es e l f - d i a g n o s t i cs y s t e ma n d t h ea c t u a l i t yo ft h ec a rt r o u b l ed i a g n o s t i ct 0 0 1 a n di ti st od e s i g nt h e c a r y r o u b l ed i a g n o s t i ct o o lt h a ti n t e g r a t e so n - v e h i c l e ，e t h e m e ta n d r e m o t ed i a g n o s t i cm o d e t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st or e s e a r c h m e a s u r e so fo p e r a t i n g s y s t e m t r a n s p l a n t a t i o n a n d a p p l i c a t i o n w h i c h b a s e do na r mp l a t f o r m ，t oa c h i e v et h ed e s i g no fw h i c ht h ec a rt r o u b l e d i a g n o s t i ct o o l ss o f t w a r e & h a r d w a r e a n dt oi m p l e m e n tt h ec a rt r o u b l e r e m o t ei n t e l l i g e n c ed i a g n o s i s f i r s t t h et h e s i sd e s i g n st h ec a rt r o u b l ed i a g n o s t i ct o o lw h i c h b a s e do ns 3 c 4 4 b o xa n dc o m p a r e sw i t hs e v e r a lc a n b u se x t e n s i o n r e a l i z a t i o nm e a n sa n dp r e s e n t st h ee x t e n s i o nt h r o u g hc p l d 。t h e ni t i l l u m i n a t e st h es y s t e ms o f t w a r er e a l i z a t i o np r o c e s st h a ti n c l u d e st h e t r a n s p l a n t a t i o n o fu c o s i i u c 伊sa n du c g u ia n d i m p l e m e n t s c o m m u n i c a t i o n so f t h ee t h e m e ta n dp p p b yt r a n s p l a n t i n gl w i p ia n da d d s t ot h ec a n b u sc o n t r o l l e rd r i v e r ss oa st of u l f i l lt h ec a n 。b u sp r o t o c 0 1 l a s t l y , i ti l l u m i n a t e st h ei m p l e m e n to ft h ec a rt r o u b l ed i a g n o s e sp r o t o c o l a n dg p r s sl o n g d i s t a n c ep r o c e s s ，a n dt h e nd e s i g n st h ec a rt r o u b l e d i a g n o s i se x p e r ts y s t e m i nc o n c l u s i o n t h ec a rn 口u b l ed i a g n o s t i ct o o lp o s s e s s e sf i l es y s t e m a n ds p l e n d i di n t e r f a c e i tc a nd i a g n o s ea u t o m o b i l et r o u b l es u c ha ss o m e s a n 弘n a2 0 0 0m a d 熬s s 埘w h i c hi st h ek w p 12 8ld i a g n o s ep r o t o c 0 1 t h ed e s i g na d o p t st h r e ed i a g n o s i sm o d e sw h i c hc o m b i n ew i t ho r i g i n a l o n v e h i c l e ，e t h e r n e ta n dr e m o t ed i a g n o s i s m o r e o v e r , i tu s e s e x p e r t s y s t e ms ot h a tc a l li m p l e m e n ti n t e l l e c t u a ld i a g n o s e s w i t ht h et r e n do ft h e e m b e d d e ds y s t e ma n da u t o m o b i l ee l e c t r o n ，t h ec a rt r o u b l ed i a g n o s t i c t o o lh a sh i g hv a l u ei nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n 。 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u c o s - i i ，c a rt r o u b l ed i a g n o s i s t o o l ，e x p e r ts y s t e m i i 源刨性声暌 本人声嘲，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取褥的研究成果。尽我所知，除r 论文中特别加以标注和致谢的 缝方外，论文中不包含其他入已经发表藏撰写过的研究成果，也不包 含为获褥中南大学或其它单位的学位或证书面使用过的材料。与我共 麓： 乍的同志对本磷究所作的贡献均已在论文中侔了明确的说明。 作者签名：二舭日期：埋生年j 己月盟l i ；：| 关于攀位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保壁、使用学位论文的援定，鼹：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被套阗和借阕；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。 学校可根据鬻家或澜南省有关部门麓定送交学位论文。 作者签名：僦导师签名：鞭，j ：盘一日期：丛年上月卫臼 颀：l 学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着汽车技术的进步，汽车正朝电子化方向发展，尤其是汽车电子技术与计 算机、网络技术的结合为汽车电子化带来了根本的变革。同时汽车电子化也使故 障诊断方法发生了重大变化，传统的眼观、耳听、手摸的检查方法被使用各种电 子诊断设备读取汽车e c u ( e l e c t r o njcc o n t r o lu n i t ) 的各种数据并判断汽车 是否工作正常的方法所取代。美国汽车工程学会s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r s ) 和国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 很早就制订了有关故障诊断的标准，对于与e c u 通信的故障 诊断设备大多参考了i s o 和s a e 的标准设计。自从汽车发动机的电子控制模块 嵌入第一台微控制器以后，2 0 年来在汽车中的嵌入式系统应用迅速增加。嵌入 式系统由于自身特点一旦进入各行业的市场，会具有较长的生命周期，嵌入式系 统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。嵌入式系统目前已广泛应用于通 讯、网络、汽车、航天、航空、消费电子、军事装备、仪器仪表、制造业控制等 领域。本章介绍了汽车故障自诊断系统和汽车故障诊断设备的现状，并介绍了嵌 入式系统的基本概念和特点。 1 1 汽车故障自诊断系统和故障诊断设备介绍 汽车制造技术与电子、计算机技术的结合，一方面使汽车产品的质量、安全 性和排放性都得到了极大的提高，另一方面也出现了汽车故障诊断复杂化等问 题。针对这种情况，汽车设计人员在进行汽车电子控制系统设计时增加了故障自 诊断功能模块。 1 11 汽车自诊断的基本原理及组成 故障自诊断模块监测的对象是电控汽车上的各种传感器( 如：水温传感器) 、 电子控制系统本身以及各种执行元件( 如继电器等) ，故障判断正是针对上述三 种对象进行的。故障自诊断模块共用汽车电子控制系统的信号输入电路，在汽车 运行过程中监测上述三种对象的输入信息，当某一信号超出了预设的范围值，并 且这一现象在一定的时间内没有消失，故障自诊断模块便判断为这一信号对应的 电路或元件出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪 表盘上的故障指示灯。 颂上学位论文 第一章绪论 针对三种监控对象产生的故障，故障自渗断模块采取不同的应急措施。 1 当某一传感器或电路产生了故障后，其信号就不能再作为汽车的控制参 数，为了维护汽车的运行，故障自诊断模块便从其程序存储器中调出预先设定的 经验值，作为该电路的应急输入参数，保证汽车可以继续工作； 2 当电子控制系统自身产生故障时，故障自诊断模块便触发备用控制回路对 汽车进行应急的简单控制，使汽车可以丌到修理厂进行维修，这种应急功能就叫 故障运行，又称“跛行”功能： 3 当某个执行元件出现可能导致其它元件损坏或严重后果的故障时，为了安 全起见，故障自诊断模块采取一定的安全措施，自动停止某些功能的执行，这种 功能称为故障保险。 如图卜1 所示汽车故障自诊断系统包括：监测输入、逻辑运算及控制、程序 及数据存储器、备用控制回路、信息和数据驱动输出等模块。汽车自诊断系统在 车辆出现故障时点亮故障灯，有些车辆还可通过汽车控制台上的l c d 显示屏显示 出故障，但是所提供的信息有限。所以汽车故障诊断一般通过汽车故障诊断仪来 读取更多的诊断信息。 图卜1 汽车自诊断系统原理图 1 12 汽车故障自诊断系统的发展和故障诊断设备的现状 汽车故障自诊断系统经历了如下几个阶段： 1 专用汽车故障检测仪 2 0 世纪7 0 年代后期，为了提高现代汽车使用和维修的方便性，出现了专用 汽车故障检测仪用来检测汽车电控系统的工作状况。例如美国福特公司研制的 e e c i 和e e c i i 检测仪，它可用于监控电控汽油发动机的信号，并找出故障部 位。由于这种专用检测仪对操作人员的技术要求较高，一直未能普及开来。 2 随车诊断系统 顶：l 学位论文 第一章绪论 进入8 0 年代一种新型诊断系统即随车诊断系统问世，它是利用微处理控制 单元对电控系统各部件进行检测和诊断，自行找出故障，故也被称为故障自珍断 系统。由于它可以对汽车电控系统参数实行连续监控，并能记录该系统的间歇故 障，因此查找故障及时方便，所以使用较为广泛。但是由于微处理器内存有限， 故其渗断项目受到一定的限制，而且不能诊断较为复杂的故障，因此人们又在研 制和开发更新更好的自诊断系统。 3 多功能车外诊断系统 为了扩充随车自诊断系统的诊断容量和诊断功能，8 0 年代末福特的车外诊 断仪o a s i s 、丰阳的d i a q m o n i t o r 诊断系统、日产公司的c o n s u l t 等相继诞生， 这些系统功能较为齐全，但是价格较为昂贵，专业技术要求高，且诊断标准不统 一，因而其使用和维护也受到一定的限制。进入9 0 年代以后一些符合国际标准、 易操作且价格较为合理的多功能诊断系统研制成功。 早期不同生产厂家的汽车自诊断系统自成体系，不具有通用性，给汽车的售 后服务和维修造成了很大的困难。针对上述情况从1 9 9 6 年开始各国统一使用代 号为o b d i i 的故障码，大大便利了汽车的诊断和维修。o b d i i 规范是由美国汽 车：亡程师协会s a e 和美国加洲环保组织提出，统一了汽车故障自诊断的各项技术 指标。该规范有三种形式：1 s a ej - 1 8 5 0p w m ；2 s a ej 一1 8 5 0v p w ；3 i s o9 1 4 卜2 。 只要遵守这种规范的自诊断协议和接口，用一台符合该标准的诊断设备就可对各 种车辆进行诊断和检测，大大推进了汽车自诊断系统的发展。目前，o b d i i 故 障自诊断规范己被世界上大多数国家接受。 汽车故障诊断仪是通过某种通信协议与汽车白诊断系统进行通信交流的检 测仪器，操作者可利用故障诊断仪检测汽车的各种工作状况。故障诊断仪设备可 以向操作者提供如下内容”1 ： 1 获得故障代码的一种方便而可靠的方法； 2 获得汽车诊断数据流； 3 行车时监测现场诊断数据： 4 路试诊断数据流记录； 5 自诊断功能和可编程控制模块程序的一些特殊功能。 汽车故障诊断仪给汽车故障的检测提供了方便，但也存在着一些的缺点。“： 故障诊断仪自己不能思考或进行故障诊断，因此用户还需要了解所维修系统的工 作和测试程序，以正确理解故障诊断仪所提供的信息。还要注意在某些条件下， 解码器可能会显示错误的信息。 随着汽车自诊断系统的发展，汽车的故障诊断仪也从最初简单的闪光码检测 到现在的各种高速诊断协议检测，渗断的内容与项目也相应快速增加，汽车的故 硕：f 学位论文第一章绪论 障检测设备的功能也越来越强。从万用表、发光二极管、8 位单片机加数码管显 示故障代码，到8 位单片机加单色l c d 显示屏显示直到现在各种3 2 位单片机加 大屏幕l c d 显示屏，甚至直接利用电脑测试。诊断仪的这种发展适应了各种高速 诊断协议和屏幕显示更多诊断信息的趋势。如国内汽车故障诊断仪的代表x 4 3 1 超级电眼睛，选用了3 2 位处理器和l i n u x 操作平台，并配备了2 4 0 3 2 0 扶度 l c d 触摸屏。国外诊断设备如p a l m 公司推出的p d a 通过外接o b d i i 协议转换模 块就可以实现基于o b d - i i 诊断协议的汽车故障诊断，b o s c h 公司推出的k t s 6 5 0 一 多媒体诊断仪，集成局域网网卡、可插无线局域网网卡( w l a n ) ，集成计算机辅 助维修功能，可以通过局域网把k t s6 5 0 和其它诊断设备连接在一起。奔驰公司 推出的s t a r 2 0 0 0 由车问维修资料系统、运行管理系统、自诊断系统三大系统组 成，渗断功能则通过外接一个嵌入式的诊断协议转换模块，再通过并口或串口把 数据传送到计算机平台进行处理和显示。汽车诊断系统的现状如图卜2 所示，汽 车诊断系统，维修信息系统以及诊断专家系统三者仍处在相互独立的状态之中， 还未形成有机地结合并协同工作的统一整体。因此这样的系统不可能扩大应用范 围和充分发挥专家系统的作用。此外车辆在偏远地方无维修站时或出现疑难的电 控系统故障需求助远程专家时，如何快速、准确的进行远程汽车故障诊断也是一 个热点和难点。 ；。簿豢斛回一诊断专永系统 维修人员 i 4 磊焉缔 璺 本文设计的汽车故障远程诊断仪支持随车、本地以太网和无线通信远程诊断 三种检测模式，其中后两种模式将汽车诊断系统，维修信息系统以及诊断专家系 统通过网络协调、统一起来。 1 2 嵌入式系统和嵌入式操作系统介绍 嵌入式系统在汽车中可以说无处不在，除了各种各样的汽车控制e c u ，还包 括车载多媒体系统和车载导航系统等。嵌入式系统有多种定义方法。这些定义方 法有的是从嵌入式系统的应用定义的，有的是从嵌入式系统的组成定义的，有的 是从其它方面定义的”1 。 硕：l 学位论文第一章绪论 第一种定义方法：嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件 可裁减，适用应用系统，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计 算机系统。 第二种定义方法：把基于处理器( 通用处理器和嵌入式处理器) 的设备称为 计算机，计算机分为通用处理器和嵌入式处理器，嵌入式处理器也称为嵌入式计 算机。因此嵌入式系统被定义为非通用计算机系统。这个定义是从计算机的分类 方面进行的。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以f4 个特 点： 1 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度； 2 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之问出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断： 3 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处 理器： 4 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至uw 级。 一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。嵌入式操作系统是相 对于一般操作系统而言的，它具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同 步机制、中断处理、文件功能等，但嵌入式系统仅具有这些功能是不够的，为了 适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作系统还需要具有以下特点”1 ： 1 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性，支持尽量多的硬件平台； 2 占有更少的硬件资源： 3 高可靠性； 4 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议和其它协议，协议栈可裁减； 5 友好高效的图形用户接口； 6 实时性能( 有些应用要求) ； 7 可裁减性，例如设汁成微内核结构和模块化结构。 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，这些嵌入 式操作系统大部分是为专有系统开发，从而形成了多种形式的嵌入式操作系统 “1 ，常用的嵌入式操作系统有嵌入式l i n u x 、m i c r o s o f tw i n d o w sc e 、v x w o r k s 以及u c o s i i 等。 1 嵌入式l i n u x 顾f ：学位论文 第一章绪论 随着l i n u x 的迅速发展，嵌入式l i n u x 现在已经有很多的版本，包括强实时 的嵌入式l i n u x ( 如新墨西哥工学院的r t l i n u x 和堪萨斯大学的k u r t l i n u x ) 和一般的嵌入式l i n u x 版本( 如u c l i n u x 和p o c k e tl i n u x 等) 。其中r t l i n u x 通过把通常的l i n u x 任务优先级设为最低，而所有的实时任务的优先级都高于 它，以达到既兼容通常的l i f l u x 任务又保证强实时性能的目的。而u c i i n u x 是针 对没有m m u 的处理器而发汁的。它不能使用处理器的虚拟内存管理技术，它对内 存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。它专为嵌入式 系统做了很多小型化的工作”1 。l i n u x 现已成为嵌入式操作系统的理想选择。 2 m i c r o s o f tw i n d o w sc e w i n d o w sc e 是个开放的、可升级的、所有源代码全部由微软自行开发的 3 2 位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。它是精简的 w i n d o w s9 5 ，实现模块化及可伸缩性，实时性能好，通信能力强大，支持多种 c p u 。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设备包括了工业控制器、通信集 线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、电话和家用娱乐器材之类的 消费产品。它的图形用户界面相当出色，其操作界面虽来源于w i n d o w s9 5 9 8 ， 并且在w i n d o w sc e 平台上可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具( 如v i s u a l b a s i c 、v i s u mc + + 等) 、使用同样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多数的 应用软件只需简单的修改和移植就可以在w i n d o w sc e 平台上继续使用。1 。 3 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 风河公司设计开发的一种嵌入式实时操 作系统，是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内 核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其 良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖 技术及实时性要求极高的领域中。v x w o r k s 是一个具有可伸缩、可裁剪和高可靠 性，同时适用于所有流行目标c p u 平台的实时操作系统。所谓可伸缩性指v x w o r k s 提供了超过1 8 0 0 个应用编程接口( a p i ) 供用户自行选择使用；可裁剪性是指用 户可以根据自己的应用需求对v x w o r k s 进行配置，产生具有各种不同功能集的操 作系统映像；可靠性是指能够胜任一些诸如飞行控制这样的关键性任务。v x w o r k s 包括一个微内核、强大的网络支持、文件系统和c + + 支持的各种模块“。 4 u c o s i i u c o s i i 是专门为计算机嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用c 语言编 写的。c p u 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约2 0 0 行的汇编语言部分被 压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的c p u 上。许多移植的范例可 硕二l 学位论文 第一章绪论 以从网站上得到。用户只要有标准的a n s i 的c 交叉编译器，有汇编器、连接器 等软件工具，就可以将u c o s 嵌入到开发的产品中“。 u c o s i i 是个完全抢占式的内核，它总是运行最高优先级的就绪任务， 但不支持轮转任务调度算法。每个任务被赋予了唯一的优先级，使用自己独立的 堆栈。它提供了许多系统服务，如邮箱机制，队列机制，信号量机制，固定大小 的内存分区以及时间相关的函数等等。u c o s 具有执行效率高、占用空问小、实 时性能优良和可扩展性能好等特点，最小内核可编译至2 k b 。u c o s i i 已经移植 到了几乎所有知名的c p u 上。 1 3 研究内容与论文安排 131 研究内容与创新点 本课题的任务是设汁与实现一个汽车故障远程诊断仪，课题研究内容与创新 点包括以下三个方面的问题： ( 1 ) 基于s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台的设计 根据汽车故障诊断仪的性能和成本的综合考虑，选择了s 3 c 4 4 b o x 作为微处 理器，并在此基础上完成了诊断仪的硬件设计。为了使汽车诊断仪与汽车诊断接 口之间的电路尽量简单，巧妙地使用了c p l d 实现了部分诊断协议的逻辑转换和 c a n 总线控制器的扩展。 ( 2 ) 软件平台框架的实现 诊断仪选用u c o s i i 操作系统，针对硬件和操作系统移植了u c f s 文件系 统、u c s u i 图形用户界面；通过移植l w i p 协议栈来满足以太网t c p i p 协议和 g p r s 模块p p p 协议的通信，满足多种通信方式的需求；加入c a n 控制器驱动程 序以测试基于c a n 协议的诊断协议。 ( ：j ) 汽车远程故障诊断的实现 通过研究了多种汽车故障诊断协议，以k w p l 2 8 1 诊断协议为例阐述大众车系 诊断功能的实现；说明通过g p r s 无线通信方式实现汽车故障远程诊断的过程； 介绍汽车故障诊断专家系统的设计实现方法。独创性地利用无线通信方式将随 车、本地和远程三种渗断模式完美结合起来。 1 32 论文结构与安排 论文的具体章节安排如下： 第一章概括性论述了汽车故障自诊断系统的原理及组成、汽车故障诊断设备 的现状。介绍了嵌入式系统的定义、特点及各种嵌入式操作系统等。 硕f ：学位论文第一章绪论 第二章就汽车故障诊断仪嵌入式应用的硬件核心一a r m 7 内核的三星公司处 理器s 3 c 4 4 b o x 进行了简单的介绍，并给出了基于s 3 c 4 4 b o x 的汽车故障诊断仪硬 件设计，详细阐述了c a n 现场总线控制器的c p l d 扩展实现。 第三章介绍了系统软件平台的实现。重点介绍了u c o s i i 操作系统的移植、 u c f s 文件系统、u c g u i 图形用户界面的移植，通过移植l w i p 协议栈来实现以 太网和p p p 协议通信，最后介绍了c a n 总线的驱动实现。 第四章首先简单介绍了各种汽车故障诊断协议，以桑塔纳系列车型为例况明 汽车故障诊断功能的实现，然后详细阐述了远程诊断的实现过程；最后简单介绍 了专家系统的实现方法。 第五章是本文的结束语，对课题的工作进行了总结，并说明了下一步研究方 向。 顾：l 学位论文第二帝汽车故障诊断仪的硬件设计 第二章汽车故障诊断仪的硬件设计 论文设计的汽车故障诊断仪使用模式如图2 一l 所示，故障诊断仪支持三 种诊断模式：随车、本地以太网和无线通信远程诊断模式。故障诊断仪为了 满足测试多种故障诊断协议的诊断需求，扩展了多种故障诊断接口，如c a n 总线接口等；而且配备了以太网网卡和g p r s 无线通信模块以提供网络通信 功能。基于成本和性能的综合考虑选用基于a r m 7 内核的三星微处理器 s 3 c 4 4 b o x 芯片作为主控制芯片。本章首先介绍了a r m 的体系结构，分析了微 处理器s 3 c 4 4 b o x 特点，在此基础上完成了汽车故障诊断仪的硬件框图，并 详细给出了c a n 现场总线扩展实现过程。 图2 - 1 汽车故障诊断仪使用模式 21s 3 0 4 4 b o x 微处理器的简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，先进精简指令处理器) 公司既不生产芯片也 不销售芯片，它只出售芯片技术授权。采用a r m 技术i p 核的微处理器遍及汽车、 消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等产品市场。目前， 基于a r m 技术的处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额“。a r m 拥有 广泛的全球技术合作伙伴，这其中包括领先的半导体系统厂商、实时操作系统开 发商、电子设计自动化和工具供应商、应用软件公司、芯片制造商和设计中心。 a r m 技术具有很高的性能和功效，因而容易被厂商接受，同时可以获得很多的第 三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成本降低，使产品进入市场的时间加 快，从而具有更大的竞争优势。 预i ：学位论文 第二章汽车故障诊断仪的碰件砹计 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、功耗低、成本低、性能高； 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定。 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g _ 三星公司为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性 能的微控制器。s 3 c 4 4 b o x 的结构图如图2 - 2 所示。s 3 c 4 4 b o x 采用a r m v t m d i 内核， 最高可工作在6 6 m t i z ，采用0 2 5 u m c m o s e l 2 艺制造。s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通 用的片上外设，大大减少了系统中除处理器以外的元器件配置，从而使系统的成 本大为降低。 b u sa r b i t e r c p u u n i 【 。燃r d r 州耀0 r 附 一 w n l eb u f f e r 墨竺是牌嚣韶一a。r叭m7td。mi。c l ! 珍吣l c d 。l 晰c d 一 _ o i l ：r o l l g t 。 c a c h e e k 4 ) n e 舯 。令m ”t r u e , c o n t 一 p o l , , e r 、，1 3 珍z d m a2 - c h t - g ： 一， jm a n a g e m e n t 二 ；。“k 吼g e 。n ) e ”“f - - 一 。未。熹。i l 封 藩 p u 0 ， 哂刮i 藩 _ h = c k 糯。鬣。1 1 5 = s f - 卜二：= i = = _ 之，多鬟 图结构图 顾：i ：学位论文 第二章汽车故障诊断仪的硬件设计 s 3 c 4 4 b o x 集成的各种片上功能如下”“： 1 a r m 7 t m d i 内核，带有8 k b 的c a c h e ，可选内部s r a m ； 2 l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ，l c d 具有专用的d m a ： 3 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 一b y t ef i i ? o ) ； 4 1 通道s i o ； 5 2 个通用d m a ： 6 2 个外设用d m a ，具有外部请求引脚： 7 外部存储控制器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ； 8 看门狗定时器； 9 7 1 个通用i o 口； 1 0 8 个外部中断源； 1 1 具有日历功能的r t c ； 1 2 8 通道1 0 位a d c ： 1 3 1 个多主i i c 总线控制器； 1 4 1 通道i i s 总线控制器； 1 5 片上p l l 时钟产生器； 1 6 j t a g 逻辑测试部件，支持软硬件开发。 a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理 器核“。 t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ： m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 2 2 汽车故障诊断仪的硬件框图 故障诊断仪的硬件配置如图2 - 3 所示，包括有1 6 m bs d r a m ，4 m bn o r f l a s h ， 3 2 m bn a n d f l a s h ，2 4 0 * 3 2 0 的2 5 6 色液晶，r s 一2 3 2 串口，以太网接口，g p r s 模 块，c p l d 扩展c a n 总线控制器和汽车诊断接口。 硕十学位论文第二章汽车故障诊断仪的硬件设计 图2 - 3 诊断仪硬件设计框图 1 n o rf l a s h 和1 6 ms d r a m s 3 c 4 4 b o x 片内没有r o m ，必须外接存储器。n o r f l a s h 用来存储b o o t 、操作 系统以及用户应用程序等。n o r f l a s h 扩展在s 3 c 4 4 b o x 的b n a k o 口，数据宽度 为1 6 位。s d r a m 扩展在s 3 c 4 4 b o x 的b n a k 6 口，数据宽度也为1 6 位，s d r a m 的起 始地址为o x o c 0 0 0 0 0 0 。s d r a m 的主要作用是将n o r f l a s h 中系统和应用程序加载 到s d r a m 中运行提高运行速度，并用来存储运行过程中的临时数据。系统采用了 u c o s i i 实时操作系统，移植了文件系统、图形开发界面、t c p i p 协议栈还有 测试应用程序等，代码相对较大，所以选择了存储容量较大的n o r f l a s h 和1 6 m 的s d r a m 。s 3 c 4 4 b o x 和n o r f l a s h 、s d r a m 电路图如2 - 4 所示。 3 口! ”9 口! ! 一 s c k e 一s c l k s c l k 叫e l k 、s v ( “n 3 1 1 6 z o n w e i n w e n , s c , s o n s c n c a s 3 n s r a s 一_ n s r a s n c a s 2 ：n s c a s 一n s c a s n w b e l d v d o m i 0 r l d q m 】邮u d q m 图2 - 4s 3 c 4 4 8 0 x 和n o r f 1a s h 、s d r a m 连接示意图 2 n a n d f l a s h n a n d f l a s h 用来存储记录、测试数据等。n a n df l a s h 的读和写以页为单位 进行操作，擦除基于块进行操作。在n a n d f l a s h 的读写过程中，地址、数据和 颁：l 学位论文 第二章汽车故障诊断仪的硬件设计 指令通过8 位端口传送，通过控制c l e 和a l e 信号实现指令和地址的复用，通过 控制n w e 、n r e 和n e e 等信号实现指令、地址和数掘从8 位端e l 读写。s 3 c 4 4 b o x 和n a n d f l a s h 的电路图2 - 5 所示。 7 j “ 一t j 。 i 土一，。一： 一、 卜一己1 ”5 7 4 h c 3 2 。5 l 。一_ c l e l 一j e _ 一一1 1 ” jn l 一 图2 - 5s 3 c 4 4 b o x 和 _ l a n d f l a s h 的连接示意图 3 3 2 0 * 2 4 0 的2 5 6 色彩色液晶 s 3 c 4 4 b o x 内部集成一个i 。c d 驱动控制器，能自动产生l ，c d 驱动控制所需要 的控制信号。l c d 驱动控制器支持最高为2 5 6 色的i 。c d 。s 3 c 4 4 b o x 和2 5 6 色彩色 液晶的电路示意图2 - 6 所示，l c d 驱动控制器和l c d 模块的信号线一一对应连 接，并加入背光等其它信号线。选择的l c d 型号为s h a r p 公司的l m 0 5 7 q c l t 0 l “” 型号l c d ，屏幕尺寸为2 4 0 * 3 2 0 。 v d o _ v d 7 v 1 3 0 - v d 7 v f r a m e y d v c l kx c k vl j n el p d i s pd i s p s 3 c 4 4 8 0 x 厂【一 l c d 、弛双几一g n d v d d v d d 图2 - 6 $ 3 c 4 4 b o x 和l c d 连接示意图 4 以太网接口 以太网控制芯片选用了与n e 2 0 0 0 兼容的r t l 8 0 1 9 a s ，s 3 c 4 4 b o x 和r t i 8 0 t 9 a s 的电路图2 7 所示，r 3 、l 8 0 1 9 a s 工作在跳线模式，扩展在b a n k 3 口，采用1 6 位 数据宽度。 硕上学位论文 第二章汽车故障诊断仪的硬件设计 s d 0 - s d l 5 t p i n 十 i 蛀电半转 s a l s a 4 t p o u t + j 换后接董 2 - s 3 c 4 4 b o x r t l 8 0 1 9 a s 一广r n n n n n 【j 3 3 0 【j 3 3 0l l o r b l o s 2 q 野】b ! 一 。l e di j e d 卜 r s t d r v l e dr x y 图2 7s 3 c 4 4 8 0 x 和r t l 8 0 19 a s 的硬件连接图 5 按键 按键分为o 一9 的数字键、背光选择键、确认键、退出键、保存键等，可以方 便选择内容和输入数字等信息。按键直接使用s 3 c 4 4 b o x 芯片的端v if 实现矩阵 式键盘。 6 e p m 7 0 6 4 s e p m 7 0 6 4 s 是a l t e r a 公司销量最大的c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 产品，主要用做c a n 控制器s j a l 0 0 0 的扩展和某些 诊断协议的逻辑转换功能。 7 实时f i 历时钟r t c 实时f 1 历时钟( r t c ) 单元作为s 3 c 4 4 b o x 内部一个独立的功能单元，能够像 钟表和同历一样保存并自动计算时问。r t c 逻辑模块通过一个备用电池供电。这 样通过实时r 历时钟( r t c ) 单元自动计算时间并开机时显示实时时间。 2 3 基于c a n 诊断协议的接口电路设计 早期故障代码是通过仪表板上的指示灯闪烁次数和点亮时间长短来表示故 障码；有些可通过1 e d 发光二极管短接或万用表测试汽车e c u 的某些管脚读出故 障；现代高级汽车则通过车上的数字式仪表或者车载l c d 显示屏显示故障代码等 信息。而现在大部分车型必须通过不同的通信协议和汽车e c u 进行通信爿可读出 故障码，汽车故障诊断仪通过这种方法可以实现更复杂的功能，如数据流、执行 元件动作等“。 德国b o s c h 公司最初为了汽车监控和控制系统设计t c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ，控制器局域网) 总线，现在世界上许多著名的汽车制造厂商都已经开 始采用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间的数据通信。它 4 硕l 学位论文 始二章汽车故障诊断仪的碰件l 世计 是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达 i m b p s 。1 9 9 1 年首次在奔驰s 系列汽车中实现。同年，b o s c h 公司正式颁布t c a n 技术规范( 版本2 o ) “，该技术规范包括a 和b 两部分。1 9 9 3 年1 1 月i s o f 式颁布 了国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为c a n 的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的 北美和f i 本汽车公司也开始采用c a n 网络。8 3 c 4 4 b o x 内部不g 皆c a n 控制器，为了测 试基于c a n 总线的协议，可以通过扩展c a n 总线控制器实现。 2 3 1 c a n 总线控制器的扩展设计 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特设计，与一 般的通信总线相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的性能、可靠性、实时性和灵 活性“。其特点可以概括如下： 1 通信方式灵活。c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主 动向网络上其它节点发送信息，而且不分主从，无需站地址等节点信息： 2 c a n 网络上的节点信息分为不同的优先级，可以满足不同的实时要求： 3 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动的退出发送，而高优先级的节点可以不受影响继续传输数 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况； 4 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一对多点及全局广播等几种方式 传送数据，无需专