面向嵌入式系統(tǒng)的汽車故障診斷儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉杰

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛運(yùn)用工程系，煙臺(tái) 265500)

0 引言

目前汽車技術(shù)行業(yè)發(fā)展速度越來越快，針對(duì)客觀因素和主觀因素的影響，其可靠性、安全性也隨駕駛里程的增加而急速下降，汽車故障的維修問題難度也越來越大。目前,對(duì)汽車故障診斷的方法較為繁多，例如萬用表診斷、人工檢查、示波器診斷等[1]。隨著汽車電子診斷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電控系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,ECU被廣泛采用，所以本文在此基礎(chǔ)上面向嵌入式系統(tǒng)對(duì)汽車故障進(jìn)行診斷。

1 嵌入式系統(tǒng)的主要特征

嵌入式系統(tǒng)一般在特定的應(yīng)用中進(jìn)行使用，功耗低、集成度高、體積小，能夠把所需完成的任務(wù)直接集成到芯片中。嵌入式系統(tǒng)主要把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等結(jié)合在一起，不斷創(chuàng)新知識(shí)集成系統(tǒng)。一定要精心設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件系統(tǒng)，盡量在最小的面積上實(shí)現(xiàn)更多的性能，軟件一般會(huì)固化在存儲(chǔ)器芯片或者單片機(jī)本身中。嵌入式系統(tǒng)自身并不具備自主開發(fā)的能力，一定要與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接才能進(jìn)行開發(fā)與更改。

2 診斷儀的設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的診斷儀主要目的是為了節(jié)約診斷的成本和人力資源，從而提高診斷效率，所以應(yīng)該滿足以下幾種特性：1)通用性；2)便攜性；3)易用性；4)擴(kuò)展性。為了充分體現(xiàn)出診斷儀的所有特性，本次設(shè)計(jì)核心處理器選擇ARM嵌入式微處理器，該處理器具有低電壓、低功耗與低集成度的優(yōu)點(diǎn)，通過OBD-Ⅱ系統(tǒng)對(duì)診斷儀硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，Linux作為軟件設(shè)計(jì)提供了穩(wěn)定性較高的工作環(huán)境。綜上所述，將該診斷儀系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，協(xié)議轉(zhuǎn)換接口電路作為前端，無線傳輸電路作為后端來發(fā)送故障信息到遠(yuǎn)端。由S3C2410X作為CPU核心芯片主控CPU完成接受到的數(shù)據(jù)的處理、擴(kuò)展按鍵、顯示、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而給出如下所示的總體框圖如圖1所示。

圖1 故障診斷儀總體框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換接口電路

在對(duì)電路接口進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要完成以下數(shù)據(jù)鏈路層操作：網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換 、報(bào)文的拆解幀 以及對(duì)差錯(cuò)的控制。

所以選擇TL718芯片作為協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行接口單元設(shè)計(jì)，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的各種工作。TL718芯片是一款專用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，能夠支持多種通信協(xié)議并且可以對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行自動(dòng)匹配，與此同時(shí)，需要添加外圍電路，TL718芯片的使用對(duì)環(huán)境沒有具體要求，工作命令包括內(nèi)部命令與OBD命令。當(dāng)發(fā)送以16進(jìn)制數(shù)開頭的ASCII碼的指令時(shí)，TL718會(huì)認(rèn)為是OBD命令，會(huì)將成對(duì)的ASCII碼16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成單個(gè)字節(jié)向汽車電腦數(shù)據(jù)總線發(fā)送。在命令發(fā)送之后，如果能夠接收到信息而且地質(zhì)吻合，那么 TL718會(huì)通過RS232把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端。反之忽略該信息。在等待時(shí)間結(jié)束之前沒有收到匹配地址數(shù)據(jù)，TL71 8將發(fā)送“NO DATA”指令，反之則復(fù)位時(shí)間，繼續(xù)等待到等待時(shí)間溢出為止[2]。TL718的接口電路圖如圖2所示。

圖2 TL718接口電路圖

3.2 CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換接口電路

TL718的芯片內(nèi)部會(huì)集成CAN控制器, 需要在外部搭配一個(gè)CAN收發(fā)器來完成對(duì)CAN報(bào)文的收發(fā)。CAN總線是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的CAN節(jié)點(diǎn)并聯(lián)在一起的通信網(wǎng)絡(luò)，具有抗電磁干擾性強(qiáng)、高位速率通信距離遠(yuǎn)、檢測(cè)通信錯(cuò)誤的特點(diǎn)[4]。在汽車電子、自動(dòng)控制中有很強(qiáng)的應(yīng)用。本文選用MCP2551芯片作為CAN收發(fā)器，該芯片具有高速差分收發(fā)、可設(shè)置三種工作模式、熱關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，但存在靜態(tài)電流大的不足[3]。CAN收發(fā)器引腳功能說明如表1所示。

表1 MCP2551引腳說明

3.3 控制處理硬件電路

3.3.1 存儲(chǔ)器

嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器大致可以分為SDRAM與FLASH兩種：1)SDRAM存儲(chǔ)器,在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常用作內(nèi)存，其優(yōu)點(diǎn)是單位空間存儲(chǔ)容量大且價(jià)格低廉；2)FLASH存儲(chǔ)器，是一種可電擦寫存儲(chǔ)器，在掉電時(shí)信息不會(huì)丟失，通過內(nèi)部嵌入算法對(duì)芯片進(jìn)行操作，其優(yōu)點(diǎn)在于低功耗、容量大、擦寫速度快。

3.3.2 按鍵模塊

該診斷儀設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵功能：k1表示讀取故障代碼 、k2表示查詢汽車基本信息 、k3表示清除OBD-II故障代碼、k4表示發(fā)送診斷儀中信息到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。按鍵驅(qū)動(dòng)的流程圖如圖3所示。

圖3 按鍵驅(qū)動(dòng)的流程圖

首先初始化，再等待按鍵，然后進(jìn)入中斷處理，等待延時(shí)，判斷是否處于按下狀態(tài)，最后確認(rèn)按鍵事件發(fā)生。鍵盤鍵值功能如表2：

表2 鍵盤鍵值功能表

3.3.3串行接口

UART(通用異步收發(fā)器)被廣泛應(yīng)用到串行數(shù)據(jù)傳輸中。串行通信一般采用異步通信來完成串行通信功能。串口只需要RXD、TXD和GND即可。本文使用MAX3232進(jìn)行RS232C信號(hào)和S3C410X系統(tǒng)的TTL電路信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。串口電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3.4 無線傳輸模塊

本文采用GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸, GPRS具有高效、成本低的優(yōu)點(diǎn)，而且覆蓋范圍廣，即在有手機(jī)信號(hào)的地方都可以使用GPRS，在小數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸中有很廣泛的應(yīng)用[5]。

4 嵌入式系統(tǒng)

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 具有靈活性強(qiáng)、可靠性高、成本低、體積小、易移植性、低功耗等特點(diǎn)。嵌入式Linux系統(tǒng)軟件被劃分為四層：引導(dǎo)加載程序、內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)主要對(duì)智能芯片進(jìn)行操作并且可以對(duì)各種部件的裝置進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。嵌入式軟件的開發(fā)，通常選用宿主機(jī)(PC機(jī))和目標(biāo)機(jī)將開發(fā)環(huán)境和目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境分離。本文在宿主機(jī)上運(yùn)行的交叉開發(fā)軟件是基于ARM920T的S3C2410X的ARM交叉編譯器[6]。

4.2 嵌入式Linux移植

嵌入式Linux的移植主要分為Bootloader、Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)的移植三種。1)Bootloader具備初始化處理器、初始化必要硬件、設(shè)置處理器的寄存器以及內(nèi)存、從特定位置把操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)調(diào)入內(nèi)存的功能。在啟動(dòng)模式的第一個(gè)階段完成硬件設(shè)備初始化；第二階段會(huì)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化并且對(duì)內(nèi)存進(jìn)行診斷，將文件系統(tǒng)從FLASH讀到RAM中、為內(nèi)核進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、調(diào)用內(nèi)核文件運(yùn)行五項(xiàng)任務(wù)。2)Linux內(nèi)核移植具有成本低、開發(fā)前景好、容易獲得開發(fā)工具的優(yōu)點(diǎn)，其移植過程分為四步：Linux源代碼的獲取、Linux內(nèi)核源代碼的修改、內(nèi)核生成內(nèi)核映像文件的交叉編譯、內(nèi)核映像到目標(biāo)平臺(tái)的燒寫。3)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上文件組織的方法 ，在構(gòu)建時(shí)一定要注意文件系統(tǒng)類型和內(nèi)容的選擇。

4.3 嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

通過驅(qū)動(dòng)軟件來對(duì)設(shè)備的行為進(jìn)行控制，設(shè)備驅(qū)動(dòng)是硬件與內(nèi)核之間的橋梁，所以需要對(duì)程序設(shè)計(jì)工作進(jìn)行簡(jiǎn)化。Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備分為塊設(shè)備、字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口三種類型。程序的驅(qū)動(dòng)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化與釋放，將數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并且傳送到相應(yīng)硬件，對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行診斷并且處理。Linux驅(qū)動(dòng)程序主要被換分為自動(dòng)配置和初始化子程序、對(duì)I/O請(qǐng)求的子程序進(jìn)行服務(wù)以及中斷服務(wù)子程三部分[7]。一般Linux驅(qū)動(dòng)程序主要用來中斷處理以及系統(tǒng)調(diào)用。

5 診斷儀軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于汽車故障診斷儀軟件的設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)應(yīng)用程序以及硬件驅(qū)動(dòng)。當(dāng)診斷儀通電之后，進(jìn)行裝置初始化，判斷用戶的等待按鍵，當(dāng)接收到用戶按鍵之后，執(zhí)行相應(yīng)的命令。診斷儀開機(jī)之后會(huì)連接OBD-Ⅱ，通過while(1)等待按鍵, 一旦檢測(cè)到按鍵, 程序會(huì)向總線發(fā)起初始化命令，通過中斷號(hào)來確定用戶所按下的鍵,最后輸入相應(yīng)代碼執(zhí)行。診斷儀工作流程圖如圖5所示：

圖5 診斷儀工作流程圖

6 總結(jié)

本文對(duì)國內(nèi)外汽車故障診斷的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行分析,在汽車故障診斷儀設(shè)計(jì)過程中引進(jìn)當(dāng)前比較熱門的嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux汽車故障診斷儀。在未來的社會(huì)發(fā)展過程中，嵌入式系統(tǒng)會(huì)被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，小到掌上數(shù)字產(chǎn)品，大到汽車、航天飛機(jī)。

本文完成了如下幾項(xiàng)工作：

(1)根據(jù)課題背景,提出了故障診斷儀的設(shè)計(jì)方案；

(2)結(jié)合設(shè)計(jì)方案,對(duì)核心處理器進(jìn)行選擇并對(duì)外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展,完成了故障診斷儀的硬件電路設(shè)計(jì)。

(3)對(duì)故障診斷儀的軟硬件進(jìn)行了仿真調(diào)試。

在汽車制造領(lǐng)域中汽車故障診斷是一個(gè)熱門課題，本文從協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制處理、遠(yuǎn)程傳輸三個(gè)模塊對(duì)故障診斷儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并綜合遠(yuǎn)程通訊技術(shù)嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了便攜式故障診斷儀，對(duì)于提升汽車故障診斷與維修領(lǐng)域具有促進(jìn)作用。