基于汽車故障診斷儀KT600的無線通訊系統(tǒng)研究

陳海軍

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

汽車故障診斷儀KT600以其人性化的操作界面，強(qiáng)大的檢測功能，能檢測較多車型，贏得了眾多用戶的喜愛，在各類職業(yè)院校、汽車維修企業(yè)都有很多用戶，占有較大的市場。但KT600要通過長約1m的測試線與汽車的診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳輸信息，而車上診斷座設(shè)置在駕駛室內(nèi)，嚴(yán)重制約了使用的方便性、靈活性［1］。本文在不改變其結(jié)構(gòu)、功能與使用方法的前提下，研究出一套無線通信系統(tǒng)，使維修技術(shù)人員在車內(nèi)車外均可以實(shí)施檢測，方便維修。

1 無線通信系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

KT600采用有線通訊的連接圖如圖1所示。如果能在不改變檢測儀的結(jié)構(gòu)、功能、使用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套無線通信系統(tǒng)，將大大提高該診斷儀的使用方便與實(shí)用性。

研究的思路是取消測試延長線，開發(fā)一個集CAN收發(fā)器、單片機(jī)處理器、無線收發(fā)模塊于一體的發(fā)射器，一個集無線收發(fā)模塊、單片機(jī)處理器、CAN收發(fā)器于一體的接收器，發(fā)射器采用標(biāo)準(zhǔn)的OBD－II針式插座與專用測試接頭連接，接收器采用標(biāo)準(zhǔn)的OBD－II孔式插座與KT600主機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)OBD－II針式插座連接，改為無線通信后的主機(jī)與診斷座之間沒有連接線，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)汽車故障診斷儀由有線通信升級為無線通信。

圖1 KT600有線通信連接圖

圖2 KT600無線通信圖

發(fā)射器與專用測試接頭連接，專用測試接頭再與車上OBD－II診斷接口連接，其工作原理是：CAN收發(fā)器把汽車OBD－II診斷座接口的CAN數(shù)據(jù)傳送到Stm32單片機(jī)內(nèi)部的CAN控制器，Stm32單片機(jī)負(fù)責(zé)將接收到的不同ID的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成nRF2401射頻驅(qū)動芯片的對應(yīng)數(shù)據(jù)，并控制nRF2401射頻驅(qū)動芯片將數(shù)據(jù)有效地通過無線傳送到與診斷儀主機(jī)接口端聯(lián)接的接收器。與診斷儀主機(jī)接口端聯(lián)接的接收器，在空閑時通過無線模塊一直“監(jiān)聽”由發(fā)射器發(fā)來的匹配有效的數(shù)據(jù)，Stm32通過讀取無線模塊的數(shù)據(jù)并傳送到CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)通過診斷儀主機(jī)對應(yīng)的CAN總線上，完成CAN收據(jù)的無線傳送的過程。

2 無線通信系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)

本系統(tǒng)中的硬件電路的器件選型主要是CAN收發(fā)器芯片、單片機(jī)芯片和無線模塊芯片的選擇。

2.1 CAN收發(fā)器芯片的選型

飛利浦公司是主要生產(chǎn)CAN收發(fā)器的廠家，目前廣泛采用的 CAN收發(fā)器型號有［2］：PHILIPS PCA82C250／251、PHILIPS TJA1050、PHILIPS TJA1040、SILIONI SI9200等，TJA 1050CAN收發(fā)器是Philips公司生產(chǎn)的用以替代PCA 42C250的高速收發(fā)器，該芯片可以直接與物理總線連接，而且可以發(fā)送及接收CAN總線的信息。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）兼容性強(qiáng)；

（2）速率最高達(dá)1Mb／s；

（3）具有短路保護(hù)功能；

（4）在不工作的情況下，發(fā)送器被自動關(guān)閉；

（5）CAN－H信號和CAN－L信號之間的耦合，抗干擾性強(qiáng)；

（6）具有強(qiáng)電磁干擾下寬共模范圍的差動接收能力；

（7）TXD端的檢測能力強(qiáng)；

（8）輸入電平與3.3V間兼容；

（9）未上電的節(jié)點(diǎn)對總線無影響；

（10）總線至少可連接110個節(jié)點(diǎn)。

正是因?yàn)門JA 1050CAN收發(fā)器有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用很廣，本課題中也采用其作為收發(fā)器。

2.2 單片機(jī)芯片的選型

單片機(jī)芯片是單片機(jī)的核心，也是整個系統(tǒng)的核心部件，在選擇芯片時，要充分考慮成本、運(yùn)行速度、功耗、接口、外界連接的元件等，經(jīng)過充分的比較與研究，綜合考慮其性能、電路設(shè)計復(fù)雜性等多方因素，最后決定選擇使用Stm32f103芯片的單片機(jī)，該芯片是一款性能優(yōu)越、價格便宜的32位處理器，其特點(diǎn)有：CPU是32位、工作頻率高、功耗低、接口多、可實(shí)行兩種調(diào)試模式等［3］。

STM32系列芯片是由意法半導(dǎo)體公司采用了優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)和低泄漏電流制造工藝，工作頻率高、64KB存儲器、具有休眠、停止、待機(jī)模式三種工作模式，功耗很低，外接的通信接口多達(dá)13個。

2.3 無線模塊芯片的選型

能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的辦法有很多，這取決于系統(tǒng)的工作環(huán)境及傳輸?shù)木嚯x，目前對于短距離的無線通信，藍(lán)牙技術(shù)與射頻技術(shù)都是比較好的，也能容易實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過對兩者的各性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)射頻模塊各方面的性能更優(yōu)越，所以決定選用射頻模塊。

藍(lán)牙模塊與射頻模塊的性能特點(diǎn)對照如表1所示：

表1 藍(lán)牙模塊與射頻nRF模塊的特性對比表

從表1可以看出，不管是在硬件設(shè)計、接口方式，還是在軟件的編程上、通訊速率或是通訊距離上，射頻模塊都比藍(lán)牙模塊好，在硬件的接口上以及在軟件的編程上，射頻模塊都是很簡單就可以實(shí)現(xiàn)，明顯比藍(lán)牙模塊好，通過對比，在保證完成本系統(tǒng)設(shè)計功能要求的前提下，決定選用射頻模塊，而不用藍(lán)牙模塊。

經(jīng)過對比，從兼容性、速率、抗干擾性、外接元件、性價比等多方面進(jìn)行比較，最后確定CAN收發(fā)器采用飛利浦公司的TJA 1050CAN收發(fā)器［2］；單片機(jī)芯片采用Stm32f103芯片，無線模塊芯片采用nRF 2401，nRF2401芯片的工作頻率段為2.4～2.5GHz，是世界通用的ISM頻段，可通過SPE端口就可以設(shè)置協(xié)議、選擇頻道及輸出功率［4］。

在軟件方面，設(shè)計了基于STM32的CAN總線通信程序，包括CAN模塊的結(jié)構(gòu)體定義，CAN模塊的初始化及主程序，nRF2401無線模塊的初始化及主程序，并通過運(yùn)用開發(fā)軟件對所有程序進(jìn)行調(diào)試與修改，最終順利完成測試，證明開發(fā)的軟件滿足汽車故障診斷儀KT600由有線通信升級為無線通信的需要，達(dá)到預(yù)期目的。

3 無線通信系統(tǒng)的工作原理

本通信系統(tǒng)主要分為兩大部分組成：（1）集CAN收發(fā)器、Stm32單片機(jī)處理器、NRF2401無線收發(fā)模塊于一體的發(fā)射器，工作時與車上診斷座連接；（2）集CAN收發(fā)器、Stm32處理器、NRF2401無線收發(fā)模塊于一體的接收器，工作時與KT600主機(jī)連接，構(gòu)成一個完整的無線通信系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其工作原理是：發(fā)射器里的CAN收發(fā)器把汽車OBD－II接口的CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送到單片機(jī)內(nèi)部的CAN控制器，STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)將接收到的不同ID的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成nRF2401射頻驅(qū)動芯片的對應(yīng)數(shù)據(jù)，并控制nRF2401射頻驅(qū)動芯片將數(shù)據(jù)有效地發(fā)送出去［5］，接收器里的接口端電路在空閑時通過無線模塊一直監(jiān)聽發(fā)射器發(fā)來的匹配的有效數(shù)據(jù)，STM32通過讀取無線模塊的數(shù)據(jù)并傳送到CAN收發(fā)器，最后CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳送KT600的CAN總線上，完成CAN數(shù)據(jù)的無線傳送的過程。

圖3 基于汽車故障診斷儀KT600的無線通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

4 無線通信系統(tǒng)的試驗(yàn)

4.1 無線通信系統(tǒng)的實(shí)物

經(jīng)過對硬件的組裝、軟件的調(diào)試，最后開發(fā)出了發(fā)射器和接收器，發(fā)射器與汽車上的診斷座連接，接收器與汽車故障診斷儀KT600主機(jī)連接。

4.2 無線通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)研究成果出來后，選擇了廣本飛度、標(biāo)致206、東風(fēng)日產(chǎn)軒逸三種車型來做試驗(yàn)，通過對比有線通信與無線通信的數(shù)據(jù)來分析系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確度，對同一車型在相同工況下分別進(jìn)行有線通信和無線通信兩種測試。

通過對同一車型在相同工況下分別進(jìn)行有線傳輸和無線傳輸?shù)臏y試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無線通信的結(jié)果準(zhǔn)確率高達(dá)98%以上，實(shí)現(xiàn)了KT600由有線傳輸通信升級無線通信。

5 結(jié)語

在整個系統(tǒng)的研究過程中，采用了文獻(xiàn)調(diào)查法、比較研究法等選定系統(tǒng)的硬件，通過調(diào)試法測試軟件，最后采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比的方法檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對同一車型在相同工況下分別進(jìn)行有線傳輸和無線傳輸?shù)臏y試，并選擇了三種車型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無線通信的結(jié)果準(zhǔn)確率高，實(shí)現(xiàn)了KT600由有線傳輸通信升級無線通信，解決了原汽車故障診斷儀因有線的限制而使用不便的問題，使汽車故障的診斷更加靈活、方便，系統(tǒng)穩(wěn)定，易于控制，通信可靠。

下一步，力爭把本研究的成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，投向市場，因?yàn)槟壳霸谄嚭笫袌鲆约案髀殬I(yè)院校擁有大量汽車故障診儀KT600的用戶，而這些KT600都是采用有線通信的，如果能把本研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，將會有良好的市場前景。

［1］博世汽車檢測設(shè)備（深圳）有限公司.KT600汽車診斷系統(tǒng)用戶手冊［Z］.深圳，2011.

［2］王宏莎.CAN總線收發(fā)器電路的設(shè)計與研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［3］滕守明，魯 奕，李 響.基于STM32芯片及CAN總線在汽車上的應(yīng)用［J］.無線互聯(lián)科技，2013（3）：224－226.

［4］王曉紅.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.太原師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（3）：64－66.

［5］劉志平.基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］.應(yīng)用科技，2008，35（3）：56－58.