如何设计一款基于2.4G射频的车栽CAN总线故障诊断仪？

　　设计一款基于2．4G射频的车栽CAN总线故障诊断仪，详细介绍其工作原理及系统硬件威廉希尔官方网站 ，最后分别阐述接收端、发射端和PC端的软件模块。该方案采用自动跳频的2．4G空中协议，经测试统计误码率保持在有效范围之内，在14m内仍能正常工作。采用USB作为接收端和PC接口，保证了系统的即插即用及数据的高速传输。
　　控制器局域网络CAN（Controller Area Network）为汽车内部各种复杂的电子设备、控制器、测量仪器等提供了统一数据交换渠道，已得到广泛的应用。目前，太多数汽车部件都提供了CAN总线通信接口。
　　在当今的中高档汽车中，都采用了CAN总线技术。针对车载CAN总线会出现的故障．结合射频和USB的优点，依靠KWP2000应用层规定的故障代码，本文提出了一种基于车载CAN总线故障诊断仪设计方案。本方案成本低廉，携带方便，具有很强的灵活性与适应性。
　　1 方案设计
　　系统总体设计框图如图l所示。系统分为发射端和接收端两部分。
　　
　　由于采用射频技术，使汽车CAN总线数据采集部分和CAN总线数据诊断部分得以分离，无需连线，不受空间场地限制，安装携带方便。按照ISO有关标准，CAN总线传输速率最高可达1 Mbps；但由于汽车内部特殊环境，车载CAN总线速率一般在250 kbps。本系统中射频速率最高可达l Mbps，可以很好地满足数据传输要求。
　　发射端采用USB作为接收模块和PC接口。USB与RS232或PCI接口相比，具有用户使用方便，设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态接入和动态配置等优点；其传输速率可达几十Mbps，并且支持同步和异步传输方式，保证带宽，传输失真小。
　　PC端应用层软件整合KWP2000的应用层协议。KWP2000是由瑞典制定的一种车载故障诊断协议，已在微机控制的自动变速器、防抱死制动系统、安全气囊、巡航系统中得到广泛应用。它基于OSI七层协议，符合IS07498标准。其中第1“6层实现通信服务的功能，第7层实现诊断服务的功能。其应用层提出了一套完整和标准化的诊断代码，本系统利用KWP2000的应用层协议，对采集到的CAN总线数据进行分析，以实现故障诊断的功能。
　　2 硬件实现
　　2．1 系统所用芯片简介
　　2.1.1 nRF2401芯片
　　nRF240l是单片射频收发芯片，工作在2．4～2．5GHz ISM频段；内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和标准SPI等功能模块；输出功率和通信频道可通过软件进行配置，共有125个频道可使用，而且最高速率可达l Mbps。芯片具有1．9～3．6 V宽工作电压，工作能耗非常低。当以一5 dBm的功率发射时，工作电流只有10．5 mA；接收时，工作电流只有18 mA。
　　nRF240l有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。其工作模式由PWR_UP、CE、CS三个引脚和配置字节最低位TX_EN来决定。
　　收发模式分为DirectMode和ShockBurst。前者在片内对信号不加任何处理，与其他射频收发器相同。后者使用片内FIFO堆栈，数据从MCU低速送入，但高速发射，而且与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行。例如，nRF240l在ShockBurst收发模式下自动处理字头和CRC校验码，在接收时自动把包头和CRC校验码移去；在发送数据时自动加上字头和CRC校验码。
　　2.1.2 TMU3100芯片
　　TMU3100是***Tenx公司2005年推出的RISC内核的单片机。它嵌入了完全兼容USBl．1协议的USB控制器，并且提供了低速USB接口和3个端点，其中1个控制输入／输出端点和2个中断输入端点。
　　TMU3100可以配置为标准的HID类，可以使用Windows操作系统自带的HID类驱动程序。这样可以省去开发设备驱动程序的工作，缩短开发周期。TMU3100芯片结构框罔如图2所示。
　　2.1.3 PICl8F2682芯片
　　PICl8F2682是Microchip公司新推出的8位低功耗CAN微控制器，主要资源有：内置标准CAN模组、80KB闪存程序存储器、1 KB数据E2PROM、3．3 KBRAM存储器、8通道ADC、1个8位和3个16位T1MER、1个SPI和I2C串行通信端口和可编程欠压复位功能及低电压检测威廉希尔官方网站 。
　　PIC18F2682内置增强型的CAN总线模块，该模块包含CAN协议引擎、信息缓冲和信息控制。CAN协议引擎自动处理CAN总线上所有接收和发送的消息，它可以在接收或发送信息时对数据帧进行解析。只需要首先设置适当的寄存器就可以发送信息，通过相关的寄存器即可得到信息传输的状态。
　　2．2 硬件威廉希尔官方网站
　　2．2．1 发射端威廉希尔官方网站 原理
　　图3是系统发射端威廉希尔官方网站 原理。CAN总线接口使用Microchip公司内置CAN模块的PIC18F2682单片机，并由光耦6N137进行总线隔离；CAN总线收发器采用MCP2551。
　　
　　PIC18F2682与射频芯片nRF2401之间通过标准SPI接口SCK、SDI、SDO来完成，这样可以大大提高发送速率。对nRF2401配置控制使能CS和接收、发送使能CE分别由RB4和RB5进行控制。当nRF240l接收到数据包时，DRl将被置高电平，因此PICl8F2682通过查询INT0的状态可以判断是否接收到数据。
　　2.2.2 接收端威廉希尔官方网站 原理
　　图4是系统接收端威廉希尔官方网站 原理。由于TMU3100由PC供电，而PC机USB接口所提供的电压VDD干扰较大，故对VDD进行了π滤波。
　　
　　由于TMU3100没有SPI模块，故可以通过PB、PB［0］按照SPI协议与nRF2401的SPI口来进行通信。对nRF2401配置控制使能CS和接收、发送使能CE分别由KSO和KSO［13］控制。nRF2401接收到数据包后，DRl将被置高电平，因此TMU3100可以通过查询KSl6的状态判断足否接收到数据。
　　3 软件设计
　　系统的软件设计包括发射端软件设计、接收端软件设计和PC端软件设计。
　　3.1 发射端软件设计
　　发射端流程如图5所示。软件设计主要实现两项功能：第一是实现CAN总线上数据的采集；第二是实现将采集后的数据通过射频进行发射。
　　
　　上电后，首先对CAN模块进行初始化。然后初始化nRF2101，并与接收端建立连接。当发送完CAN数据后没有收到ACK信号时，就跳频；然后通知发送端准备接收重发的CAN数据，直到接收到ACK信号。
　　为了防止空中干扰，采用了自动跳频的空中协议，即无论是否接收到ACK信号都进行跳频，因此可以防止某个频段的强干扰，进而降低误码率。
　　3.2 接收端软件设计
　　接收端软件流程如图6所示。软件设计主要实现两项功能：第一是实现枚举；第二是实现将接收到的数据通过USB上传到PC。上电后，首先完成对TMU3100的配置，并与PC机枚举；枚举成功后就对nRF2401进行配置，并与发射端建立连接。当接收到数据包后，首先判断是CAN数据还是重传数据命令。如果是CAN数据包，则向发射端返回ACK信号并跳频，然后将接收到的数据通过USB传至PC；如果是重传命令，则先跳频，然后置重传标志，表示下个数据包是重传的数据包。
　　TMU3100被配置为标准HID类，这样就不用为设备开发驱动程序，而是使用Windows提供的标准HID类驱动程序。
　　3.3 PC端软件设计
　　PC端软件由应用程序和设备驱动程序组成。Windows为标准USB没备提供了完善的内置驱动，本系统采用Windows自带的HID类驱动，只要将TMU3100配置为HID类，即可完成与PC机的通信。这省去了开发设备的驱动程序，极大地简化了上位机软件的开发。
　　上位机的应用程序首要实现的功能是，要实现对TMU3100端点的读写，用VC++语言编写，可以把USB设备当成文件来操作。用CreateFiile（）函数获得USB句柄，为读访问或写访问打开指定端点。用DeviceControl（）来进行控制操作，用ReadFile（）从指定端点读取数据，用WriteFile（）向端点写入数据。
　　当CAN总线上的数据被采集到PC后，就可以进行故障诊断了。故障诊断代码是依照KWP2000应用层规定的故障代码设计的，是目前国际上通用的，现将其应用于CAN的应用层，将来可以用全新的CAN上层协议取代。故障诊断代码定义在SSF14230中。SAE J1979中，由车辆制造商或系统供应者定义的服务标志符数值的不同范围，如表1所列。
　　
　　此表中以十六进制数表示的服务标志符，同数据链路层中数据字节内的SID服务识别字节对应。不同的SID值代表不同的服务请求，故障诊断程序必须符合此应用层标准，才能识别不同的十六进制代码所代表的不同的故障信息。
　　4 结论
　　本文设计的2．4G无线车载CAN总线故障诊断仪，由于采用了自动跳频的空中协议，所以误码率几乎接近零，在14 m内仍能进行可靠的工作。系统使用国际上通用的诊断代码，使程序具有通用性和实用性；以PC作为硬件平台，无需专门开发硬件平台，可大大降低开发成本并且易于实现设备的升级和维护；使用USB接口和2．4G无线通信，具有即插即用、不受空间限制、数据传输实时性强的特点。