基于R8C的汽車OBD通用故障診斷儀設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 車載診斷系統(tǒng)(On-Board Diagnostics，OBD)具有識(shí)別可能存在故障的區(qū)域的功能，并以故障代碼的方式將該信息儲(chǔ)存在ECU(電子控制單元)的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過(guò)OBD的故障診斷儀可以將存儲(chǔ)于車內(nèi)ECU的故障代碼及相關(guān)信息讀取出來(lái)，以方便車輛管理和維修使用。OBD系統(tǒng)最初是為了控制日益嚴(yán)重的汽車污染問(wèn)題而提出的，起源于1982年CARB制定的排放法規(guī)，隨后在1996年實(shí)施新的OBD Ⅱ要求。歐共體在2001年也要求歐洲各國(guó)汽車制造商生產(chǎn)的轎車都相應(yīng)配置歐洲電控汽車微機(jī)故障診斷系統(tǒng)(European On-board Diagnosis System，EOBD)。在我國(guó)，2005年4月國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合頒布了GB18352．3-2005((輕型車輛污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》，簡(jiǎn)稱“國(guó)Ⅲ、Ⅳ”。根據(jù)國(guó)Ⅲ要求，2008年7月1日起第一類汽油車(座位總數(shù)不超過(guò)6座，且最大總質(zhì)量不超過(guò)2 500 kg的M1類車輛)要求裝有OBD系統(tǒng)，在用車符合性檢查同步執(zhí)行。
??? 本文根據(jù)GB18352．3對(duì)OBD系統(tǒng)及故障診斷裝置的要求，在充分研究ISO和SAE有關(guān)的OBD標(biāo)準(zhǔn)及通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于瑞薩公司的R8C微控制器——R5F21237的汽車OBD通用故障診斷儀。該診斷儀可兼容所有GB18352．3規(guī)定的通信協(xié)議，可以診斷ISO 15031-5所規(guī)定的所有診斷服務(wù)，并具有成本低和攜帶方便的特點(diǎn)。

1 汽車OBD通用故障診斷儀的要求
??? 根據(jù)GB18352．3的要求，與車輛OBD系統(tǒng)通信的外部診斷設(shè)備必須符合ISO 15031-4“道路車輛——車輛與排放相關(guān)的外部診斷設(shè)備之間的通信第3部分：外部故障診斷設(shè)備的要求”的有關(guān)要求。這些要求主要包括了統(tǒng)一診斷連接器，兼容的通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)的故障代碼和診斷服務(wù)范圍四個(gè)方面。
1．1 診斷連接器
??? OBD通用故障診斷儀與車輛之間的連接器使用統(tǒng)一的診斷連接器，其引腳配置定義如圖1所示，其中沒(méi)有定義的引腳可以保留給診斷儀以后擴(kuò)展使用。

1．2 通信協(xié)議
??? OBD通用故障診斷儀與車輛之間的通信系統(tǒng)可以使用的通信協(xié)議有ISO 9141，SAE J1850 41，6 Kb／sPWM(脈寬調(diào)制)，SAEJ1850 10，4 Kb／s VPW(可變脈寬)，ISO 14230(KW 2000)，ISO 15765-4(CAN)，SAE J1939-73(CAN)。根據(jù)SAE J1978或ISO15031-5要求，任何車輛只允許使用一種通信協(xié)議，為了兼容各種車型的OBD系統(tǒng)，汽車通用故障診斷儀必須支持以上所有協(xié)議。
1．3 診斷服務(wù)范圍
??? 汽車通用故障診斷儀診斷內(nèi)容包括九個(gè)服務(wù)模式，詳細(xì)內(nèi)容如下：
??? 讀取當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù) 目的是獲得排放相關(guān)的數(shù)據(jù)值，包括模擬輸入、輸出，數(shù)字輸入、輸出和系統(tǒng)狀態(tài)信息。
??? 讀取系統(tǒng)凍結(jié)幀 目的是收集動(dòng)力系統(tǒng)排放相關(guān)的凍結(jié)幀以及制造商的特殊需要的其他系統(tǒng)凍結(jié)幀。讀取故障診斷代碼 汽車通用故障診斷儀獲得車輛各系統(tǒng)的常規(guī)故障診斷代碼。
??? 清除／重置排放相關(guān)的診斷信息 汽車通用故障診斷儀提供清除車輛各ECUs故障診斷信息的一種方法。這些故障診斷信息包括：診斷故障代碼的數(shù)量、診斷故障代碼、凍結(jié)幀數(shù)據(jù)的故障代碼、凍結(jié)幀數(shù)據(jù)、系統(tǒng)監(jiān)控測(cè)試的狀態(tài)、車載監(jiān)控測(cè)試結(jié)果、MIL激活時(shí)行駛的里程、DTC清除后預(yù)熱的次數(shù)、DTC清除后的里程、MIL激活時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間、診斷故障代碼清除后的時(shí)間以及其他制造商定義的其他記錄信息。
??? 讀取氧傳感器監(jiān)控測(cè)試結(jié)果 汽車通用故障診斷儀獲得車載氧傳感器監(jiān)控測(cè)試結(jié)果。
??? 讀取車載的特殊監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控測(cè)試結(jié)果 汽車通用故障診斷儀獲得特殊部件／系統(tǒng)的非連續(xù)監(jiān)控的車載診斷監(jiān)控測(cè)試結(jié)果。例如催化器的監(jiān)控和蒸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)等。
??? 讀取在當(dāng)前或最近的駕駛期間探測(cè)到的與排放相關(guān)的診斷故障代碼 汽車通用故障診斷儀獲得在當(dāng)前或最近的駕駛期間探測(cè)到診斷故障代碼。目的是幫助技術(shù)服務(wù)人員在車輛維修后，或清除診斷信息之后，通過(guò)單個(gè)駕駛周期獲得測(cè)試維修的效果。
??? 讀取隨車系統(tǒng)、測(cè)試或部件的控制 目的是允許汽車通用故障診斷儀能夠控制隨車系統(tǒng)、測(cè)試或部件的操作。
??? 讀取車輛信息 汽車通用故障診斷儀可以請(qǐng)求說(shuō)明車輛的車輛信息，比如車輛身份識(shí)別碼和校準(zhǔn)ID等。
1．4 診斷故障代碼(DTCs_Diagnostic Trouble Code)的顯示
??? 通用故障診斷儀讀取的OBD診斷故障代碼由兩字節(jié)組成，在顯示時(shí)要按照1個(gè)字母+1位十進(jìn)制數(shù)字+3位十六進(jìn)制數(shù)字的標(biāo)準(zhǔn)顯示方式顯示。讀取的兩字節(jié)數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)顯示方式的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。DTCs按照開頭的字母一共分為四類，其中B表示車身類DTCs，C表示底盤類DTCs，P表示動(dòng)力類DTCs，U表示網(wǎng)絡(luò)類DTCs。

2 汽車通用故障診斷儀的設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)的硬件部分主要分為四個(gè)模塊，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

??? 單片機(jī)模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分，包括了一塊瑞薩R8C系列的單片機(jī)R5F21237JPF和一些外圍電路，承擔(dān)著運(yùn)算和處理信號(hào)的任務(wù)。這個(gè)模塊與鍵盤模塊、液晶顯示模塊以及通信模塊分別連接，與這三個(gè)模塊進(jìn)行信息交互。
??? R5F21237JPF屬于瑞薩公司的R8C／Tiny系列的微控制器，本設(shè)計(jì)使用了R5F21237JPF的2個(gè)8位多功能定時(shí)器進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)序控制；使用2個(gè)串口驅(qū)動(dòng)MC33390和ST-L9637，及使用其CAN控制器驅(qū)動(dòng)TJA1050進(jìn)行通信；使用了11個(gè)輸入／輸出端口連接鍵盤模塊；2 KB RAM及64 KB的程序閃存編寫嵌入式程序，使用并口2與LCD進(jìn)行通信。
??? 液晶顯示屏采用了COMJ4×8C，這是一種128×64的圖形點(diǎn)陣液晶屏，可顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字，也可完成圖形、字符的顯示；它內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器，還具有簡(jiǎn)單的操作指令。這個(gè)模塊的主要功能是顯示功能菜單、故障名稱等內(nèi)容。
??? 鍵盤模塊核心是3×8的小鍵盤陣列，3列與8行分別通過(guò)11個(gè)引腳與單片機(jī)連接，鍵盤按鍵包括10個(gè)數(shù)字鍵、換頁(yè)鍵、換行鍵、確定和取消鍵等。通信模塊是診斷儀與車輛ECU通信的接口，主要由ST-L9637，MC33390和TJA1050組成，其中ST-L9637實(shí)現(xiàn)ISO 9141，ISO 14230(KW 2000)協(xié)議；MC33390實(shí)現(xiàn)SAE J1850 41，6 Kb／s PWM，SAEJ1850 10，4 Kb／s VPW協(xié)議；TJA1050實(shí)現(xiàn)ISO 15765-4(CAN)，SAE J1939-73(CAN)協(xié)議。車輛ECU就是通過(guò)這些芯片與單片機(jī)進(jìn)行連接的，這部分電路略為復(fù)雜，作用也非常重要，是診斷儀能夠滿足ISO15031及SAEJ1978要求所有通信協(xié)議的關(guān)鍵。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

??? (1)啟動(dòng)診斷儀
??? 當(dāng)故障診斷接通車輛診斷接口后，將車輛點(diǎn)火鑰匙置于ON位置，車輛對(duì)診斷儀進(jìn)行供電。診斷儀上電后在R5F21237JPF控制下開始設(shè)置診斷儀的各項(xiàng)初始參數(shù)。
??? (2)確認(rèn)診斷協(xié)議
??? 故障診斷儀初始化結(jié)束后開始向車輛診斷接口發(fā)送協(xié)議確認(rèn)數(shù)據(jù)。故障診斷儀向符合《SAE J1962車輛故障診斷接口》標(biāo)準(zhǔn)的連接器的各診斷協(xié)議(包括ISO9141，ISO 14230(KW 2000)，SAE J1850 41，6 Kb／sPWM，SAE J1850 10，4 Kb／s VPW，ISO 157654，SAE J193973)的引腳逐次發(fā)送協(xié)議確認(rèn)命令。如果在某確認(rèn)中接收到正確的應(yīng)答，則確認(rèn)通信使用該協(xié)議；如果發(fā)送某種協(xié)議的確認(rèn)命令沒(méi)有應(yīng)答或應(yīng)答為無(wú)，則故障診斷儀發(fā)送下一個(gè)協(xié)議的確認(rèn)命令；如果連續(xù)5次循環(huán)發(fā)送各協(xié)議的確認(rèn)命令后依然沒(méi)有得到正確應(yīng)答，故障診斷儀發(fā)出錯(cuò)誤警告。
??? (3)鍵盤掃描
??? 本設(shè)計(jì)中鍵盤掃描采用的是定時(shí)掃描的方式，每50 ms掃描一次鍵盤，若檢測(cè)到有鍵按下，則計(jì)算操作是顯示操作還是選擇診斷的服務(wù)類型的操作。
??? (4)診斷服務(wù)
??? 如果通過(guò)鍵盤掃描程序確認(rèn)故障診斷儀要求進(jìn)行的服務(wù)模式，則發(fā)送該服務(wù)的請(qǐng)求并讀取相應(yīng)的響應(yīng)信息。診斷服務(wù)在本設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，它實(shí)現(xiàn)了診斷儀和ECU之間的信息交互。
??? (5)顯示內(nèi)容
??? 顯示模塊包含了所有跟液晶顯示有關(guān)的子程序，顯示菜單，顯示故障內(nèi)容以及顯示警告信息等。通過(guò)按鍵操作，選擇顯示菜單是用于選中診斷儀的操作服務(wù)以及選中顯示內(nèi)容；顯示故障內(nèi)容時(shí)若超過(guò)一頁(yè)，可以通過(guò)“上一頁(yè)”、“下一頁(yè)”鍵來(lái)翻頁(yè)，按“取消”鍵則返回上一級(jí)目錄；警告信息顯示是在確認(rèn)通信協(xié)議失敗或進(jìn)行診斷服務(wù)失敗時(shí)顯示相應(yīng)的警告信息，警告信息在發(fā)生操作失敗時(shí)自動(dòng)顯示。

3 結(jié) 語(yǔ)
??? 本文按照GB18352．3-2005的要求闡述了汽車OBD通用故障診斷的基本要求，介紹了一種基于瑞薩R8C單片機(jī)的汽車通用故障診斷儀相關(guān)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于：可以兼容各種OBD的診斷通信協(xié)議，中文顯示界面，成本低和操作攜帶方便的特點(diǎn)。經(jīng)在哈飛賽豹V、比亞迪F6和雪佛蘭科魯茲等車型上測(cè)試證明：該診斷儀工作穩(wěn)定，操作方便，抗干擾能力強(qiáng)。隨著我國(guó)OBD的有關(guān)法規(guī)要求的逐步實(shí)施，該診斷儀軟硬件設(shè)計(jì)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

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