基于MC9S12XET256的電動汽車UDS診斷儀設(shè)計

摘要：本文結(jié)合當前應(yīng)用廣泛的車載CAN總線UDS協(xié)議，在飛思卡爾的16位車載平臺MC9512XET256上，實現(xiàn)了一款應(yīng)用于新能源電動汽車的UDS遠程故障診斷儀。文章首先對系統(tǒng)使用的關(guān)鍵器件進行了簡單說明，然后對接口電路進行了描述，接著介紹了UDS診斷相關(guān)內(nèi)容，并且介紹了使用的具體場景，最后對設(shè)計進行了總結(jié)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/2747 55.htm

關(guān)鍵詞：MC.9S12X；MG323-B； UDS診斷；TBOXDOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.5.015

隨著傳統(tǒng)能源面臨的環(huán)境問題、成本問題等逐漸突出，國家從長遠戰(zhàn)略發(fā)展角度考慮大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。而作為一個汽車保有量巨大的國家，汽車尾氣污染也是環(huán)境污染的重要因素。所以作為汽車產(chǎn)業(yè)中重要力量的純電動汽車的發(fā)展也得到了國家的大力支持。與傳統(tǒng)汽車的成熟度相比，純電動汽車在汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等都發(fā)生了重大的變化，而動力來源更是來自于充電電池組。因為整車惡劣的工作環(huán)境，電池的安全性問題也是非常突出。為了達到對新能源汽車的整車系統(tǒng)的全面監(jiān)控，同時結(jié)合國家對新能源純電動汽車的使用規(guī)范要求，結(jié)合CAN總線UDS診斷協(xié)議，本文設(shè)計并實現(xiàn)了針對新能源電動汽車遠程診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控整車及電池等關(guān)鍵模塊的運行數(shù)據(jù)，并可以通過手機或者電腦客戶端等監(jiān)控手段遠程查詢整車的運行狀態(tài)，并且可以遠程對車輛進行故障診斷，同時能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)上傳服務(wù)器。為了增加系統(tǒng)的科技感，同時為了提高純電動汽車的客戶體驗度，本文設(shè)計并實現(xiàn)了手機遠程控制電動汽車的充電狀態(tài)，同時可以通過手機遠程控制空調(diào)及車門等部件的開關(guān)，以及遠程查詢各部件的狀態(tài)。

UDS診斷儀主要實現(xiàn)的功能包括以下幾點：

1.實時監(jiān)控車載CAN總線上整車控制模塊、電池模塊、電機模塊等總線數(shù)據(jù)：

2.監(jiān)控整車的極值數(shù)據(jù)，比如最高溫度、最低電池組電壓、最高電池組電壓等數(shù)據(jù)，當超過安全門限時向服務(wù)器上報故障數(shù)據(jù)；

3.根據(jù)UDS診斷協(xié)議，通過手機或者電腦客戶端界面遠程診斷車載CAN總線的其它節(jié)點或者是UDS診斷儀自身，同時根據(jù)診斷配置選項，把診斷結(jié)果上傳到服務(wù)器；

4.通過手機或者是電腑客戶端實現(xiàn)對純電動汽車的遠程控制，控制車門開關(guān)、充電啟動或停止、空調(diào)的啟動或者關(guān)閉。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

1.1 單片機MC9S12XET256

在該方案設(shè)計中使用飛思卡爾16位內(nèi)核的單片機MC9S12XET256，MC9S12XE系列16位單片機主要特性如下：

·飛思卡爾16位內(nèi)核CPU，最高40MHz工作頻率：

·內(nèi)部有最高1MB Flash，64KB的SRAM：

.支持低功耗模式：睡眠、停機和待機模式：

·2個16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換范圍O～SV：

·最多達152個多功能雙向的I/O口，還有2個輸入口；

·最多達10個定時器：

·最多達1 8個通信接口：2個12C、8個USART、3個SPI、5個CAN（2.OA和2.OB）。

1.2 通信模塊

通信模塊目前采用華為GPRS模塊MG323-B模塊，此模塊的主要特性如下：

·支持GSM/GPRS/ED GE4頻：850/900/1800/1900MHz；

·正常工作溫度：-20℃～+70℃，限制工作溫度：-30℃～-20℃和+70℃～+7 5℃，存儲溫度：-40℃～+85℃。支持HSDPA 3.6Mbps； ·最大下行傳輸速率：85.6kbps，最大上行傳輸速率：42.8kbps；

.最大發(fā)射功率為EGSM850Class 4（2W） ，EGSM900 Class 4（2W），SM1800 Class l（1W），GSM1900 Class l（1W）.接收靈敏度<-107dBm。

模塊使用方式簡單，僅需1路4.2V供電電源以及一個電源開關(guān)接口，通過RS232串口接口使用AT指令對模塊進行操作，使用方便。通過AT指令可以實現(xiàn)模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)中心的數(shù)據(jù)鏈接建立、斷開等，也可以實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，也可以通過AT指令實現(xiàn)GSM的語音通話和EMS短信功能。

1.3 CAN單元

CAN單元包含兩路CAN接口，一路作為標準車身CAN通信接口，波特率500bps，另一路預留。CAN收發(fā)器選用NXP公司的收發(fā)器TJA1042/3，工作溫度-40℃～125℃。最大傳輸速度為lMbps。芯片內(nèi)部帶過壓保護，CANH、CANL管腳耐壓值范圍-27V～40V，抗瞬態(tài)脈沖電壓范圍達到-200V～200V。

為了保證CAN電路的電磁兼容特性，在收發(fā)器的CAN總線外圍電路上還加入了共模電感和ESD保護。CAN部分具體電路圖見圖2。

1.4 電源單元

UDS診斷儀終端是應(yīng)用于12V新能源電動汽車，汽車電磁環(huán)境比較惡劣，進入系統(tǒng)的電源必須經(jīng)過嚴格處理，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。同時因為新能源電動車上是電池供電，然后通過電機來驅(qū)動系統(tǒng)，這就比傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)生更多的干擾，電磁環(huán)境會更惡劣。因此本文設(shè)計了比較完整的電源電路系統(tǒng)，對系統(tǒng)的供電電源處理電路采用了包括防反接保護電路模塊、浪涌保護單元、EMI靜噪濾波器、π型濾波和DC-DC處理五1個部分、處理框圖見圖3。各部分說明如下：防反接保護是通過一個普通二極管實現(xiàn)的，當電源反接時二極管就會斷開，達到對系統(tǒng)的保護。浪涌保護包括一個TVS管，可以有效抑制類似于脈沖5的干擾，可以保證系統(tǒng)的良好的電磁兼容特性。EMI靜噪濾波器是一款小尺寸、引線型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了良好的高頻性能。π型濾波電路可以進一步濾除噪聲，凈化進入后端電路的電源。DC-DC處理根據(jù)實際應(yīng)用完成各種類電源轉(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計

UDS診斷儀的軟件采用模塊化分層設(shè)計的思路，UDS診斷儀軟件底層的驅(qū)動模塊都封裝成dll鏈接庫，向中間層或者是應(yīng)用層提供應(yīng)用接口。

CAN協(xié)議棧或者是平臺協(xié)議棧也是調(diào)用底層提供的dll庫接口來實現(xiàn)協(xié)議棧的功能。供應(yīng)商應(yīng)用軟件或者是用戶應(yīng)用軟件調(diào)用底層或者是協(xié)議棧層軟件提供的接口，實現(xiàn)用戶功能。系統(tǒng)軟件的層級結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 UDS診斷

UDS診斷協(xié)議包含的診斷服務(wù)如表1所示。

通常的診斷設(shè)備都是通過筆記本電腦連接車載OBD接口，然后在現(xiàn)場對待診斷的ECU節(jié)點通過UDS診斷協(xié)議進行診斷。而UDS診斷儀可以通過遠程的方式，通過手機界面或者是電腦客戶端界面對ECU節(jié)點進行診斷，達到遠程在線及時診斷整車的目的，提供了客戶體驗度，也大大減少了使用成本，提高了車輛診斷的效率。

電動車監(jiān)控系統(tǒng)包含的各個子模塊分別是服務(wù)器模塊（數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、短信服務(wù)器、協(xié)議處理服務(wù)器），客戶端模塊（電腦監(jiān)控客戶端和手機客戶端），數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和裝配在各車輛的UDS診斷儀模塊。UDS診斷儀為了實現(xiàn)UDS診斷功能，首先在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)記錄了電動車各個ECU節(jié)點的DTC故障代碼，比如充電器模塊、電機模塊、電池管理模塊、整車控制器模塊等：還有各個DTC故障代碼對應(yīng)的實際故障描述信息。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還記錄了各個車主的電話號碼信息，當用戶使用手機APP軟件或者是在電腦客戶端第一次登陸系統(tǒng)的時候，都需要提供常用的手機號碼信息，這樣系統(tǒng)就記錄下了用戶的聯(lián)系方式。

當車輛在使用的過程中產(chǎn)生了某些潛在故障信息的時候，通過UDS診斷儀和服務(wù)器之間的通訊協(xié)議，會向服務(wù)器端上傳相關(guān)的故障信息，如果服務(wù)器端可以解析出具體的故障代碼，則可以直接通過短信服務(wù)器向用戶發(fā)送發(fā)生的故障代碼對應(yīng)的短信，告之客戶故障的具體信息，如果需要檢修或者后續(xù)處理的措施，用戶可以直接選擇。如果服務(wù)器端不能解析具體的故障代碼，但是根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)分析確實也有潛在的風險，就可以建議客戶主動對車輛進行遠程診斷。

手機遠程診斷的主界面如圖5所示。客戶在登陸手機客戶端后，選擇“Diagnose”菜單后，就進入診斷的界面，在手機的診斷系統(tǒng)中，為了簡化客戶的操作，而且也根據(jù)電動車系統(tǒng)的實際故障情況，目前僅對充電器系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和整車控制器系統(tǒng)進行診斷。客戶選擇某個待診斷模塊后，點擊“OK”按鈕，系統(tǒng)就開始了診斷過程。遠程在線診斷的流程圖如圖6所示。

UDS診斷的診斷流程如圖6中描述，UDS診斷儀判斷診斷請求合法有效后，UDS診斷儀就開始診斷過程。遠程診斷的數(shù)據(jù)流如圖7所示。

2.2 遠程控制

為了增加客戶體驗度，UDS診斷儀也設(shè)計了遠程控制的功能。遠程控制功能包含對電動車空調(diào)的控制，

充電的控制，還有車門等設(shè)備的控制等。遠程控制的流程圖如圖8所示。為了保證功能的有效性，此處遠程控制的功能實現(xiàn)采用短信通道，因為短信通道只要有GSM網(wǎng)絡(luò)就可以使用。當用戶使用手機登陸服務(wù)器時，通過短信操作接口發(fā)送遠程操作的數(shù)據(jù)給UDS診斷儀上安裝的SIM卡對應(yīng)的手機號，當MG323模塊收到短信后，就把診斷儀從休眠模式下喚醒，并且解析短信數(shù)據(jù)。當解析短信數(shù)據(jù)有效后，就打開整車控制器的控制電源，讓整車控制器開始工作。同時通過CAN總線把遠程控制的命令請求發(fā)送給整車控制器，整車控制器執(zhí)行后把執(zhí)行結(jié)果通過CAN總線發(fā)送給UDS診斷儀模塊。當診斷儀模塊收到診斷結(jié)果后，再通過與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互發(fā)送到服務(wù)器。這樣完整的遠程控制流程就完成了。

遠程控制空調(diào)可以保證在炎熱的夏天或者是寒冷的冬天，當用戶打開車門的瞬間就可以有比較舒適的溫度。遠程控制充電的功能可以讓客戶在電費比較便宜的夜晚開始充電操作，節(jié)省客戶的使用成本。

3 總結(jié)

本文實現(xiàn)了一種支持通用診斷協(xié)議UDS標準的，符合國家和各地方標準的，能夠應(yīng)用于純電動汽車遠程監(jiān)控的故障診斷儀設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)控整車及電池等運行數(shù)據(jù)，并通過無線、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，遠程查詢整車的運行狀態(tài)，可以對車輛進行主動遠程故障診斷，并及時獲取故障及狀態(tài)數(shù)據(jù)，為新能源汽車的遠程實時監(jiān)控提供技術(shù)保障。同時實現(xiàn)了對車輛的遠程控制功能，增加了客戶體驗度。