無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的汽車ECU數(shù)據(jù)交互模塊研究

李智，龔元明

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201620)

?

李智，龔元明

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201620)

摘要:設(shè)計了基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的汽車ECU數(shù)據(jù)采集和控制模塊，實現(xiàn)了多路的信息采集、運行數(shù)據(jù)的存儲及數(shù)據(jù)向上位機的傳輸，主要描述了模塊實現(xiàn)的故障診斷和發(fā)動機MAP標(biāo)定動能。硬件結(jié)構(gòu)簡單，通過更換調(diào)理電路實現(xiàn)了各種不同信號量的采集和傳輸，由于軟件采用多任務(wù)模塊化設(shè)計的方法，代碼高效簡潔且具有較高的可移植性。

關(guān)鍵詞:ECU；OBD；藍牙；無線；BOOT；診斷；發(fā)動機標(biāo)定

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，國內(nèi)外汽車行業(yè)都致力于WSN技術(shù)在車載系統(tǒng)中的應(yīng)用，系統(tǒng)硬件構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件構(gòu)圖

無線OBD模塊被安裝到車輛的OBD 連接器上，通過車載網(wǎng)絡(luò)，如CAN(控制器局域網(wǎng))來收集ECU信息。將 ECU信息和傳感器信息發(fā)送到移動終端(智能手機)，以提供給車輛駕駛員和技術(shù)人員。如果想實現(xiàn)與汽車ECU之間的數(shù)據(jù)通信，那就離不開通信協(xié)議。所謂的通信協(xié)議是一組關(guān)于集合的規(guī)則和慣例，如果兩個設(shè)備開始相互通信，那一定是有通信要求，并且規(guī)定了進入通信狀態(tài)的時間和如何相互通信等問題。因此，通信的雙方需要符合雙方可以接受的協(xié)議，以完成此次通信。就診斷來說，各大汽車公司或汽車零部件制造商在ECU的研究階段建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的車載診斷協(xié)議,以確保車輛診斷測試儀與ECU可以建立通信連接。

KWP2000目前廣泛在歐洲汽車領(lǐng)域被廣泛使用，它實現(xiàn)了一套完整的板載診斷服務(wù)系統(tǒng)，可滿足歐洲車載診斷標(biāo)準(zhǔn)。SAEJ1939(以下簡稱J1939)是美國汽車工程協(xié)會(SAE)的推薦標(biāo)準(zhǔn)，用于為中重型道路車輛上電子部件間的通信提供標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu),是在商用車輛、艦船、軌道機車、農(nóng)業(yè)機械和大型發(fā)動機中廣泛應(yīng)用的應(yīng)用層協(xié)議。CCP(CAN Calibration Protocol)是一種基于CAN總線的ECU(Electronic Control Unit)標(biāo)定協(xié)議,已經(jīng)在許多歐美汽車廠商中得到應(yīng)用,采用CCP協(xié)議可以快速而有效地實現(xiàn)對汽車電控單元的標(biāo)定。

本文提出的模塊設(shè)計要求是使用普通的移動終端就可以與ECU 進行數(shù)據(jù)通信，可實現(xiàn)程序自啟動、發(fā)動機故障診斷和MAP標(biāo)定等功能。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由單片機、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器CAN通信接口以及信號電平變換電路組成。移動終端通過無線信道發(fā)送有效的自定義指令給數(shù)據(jù)采集和控制模塊，該模塊對簡易指令進行解析成為標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)通信協(xié)議，與ECU進行數(shù)據(jù)交互。同樣，車輛ECU中的反饋響應(yīng)信號也可以通過此模塊發(fā)送到對應(yīng)的移動終端，完成無線數(shù)據(jù)傳輸。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由4部分組成：微處理器模塊、CAN通信模塊、藍牙模塊和nRF905無線收發(fā)模塊。

2.1微處理器模塊

系統(tǒng)以16位XC2000X單片機為核心完成控制任務(wù)，該系列單片機內(nèi)部有192～832 KB 的閃存、可選EEPROM 仿真，其所提供的最大 CPU 時鐘頻率為 128 MHz，具有執(zhí)行效率高、功耗低等優(yōu)點，能滿足汽車ECU數(shù)據(jù)采集的要求。

被測信號經(jīng)調(diào)理電路處理后，傳送給微處理器進行數(shù)據(jù)采集和存儲，同時針對不同上位機請求對數(shù)據(jù)作不同處理，并通過無線收發(fā)模塊傳送給上位機顯示和分析。

2.2CAN通信模塊

CAN通信模塊電路采用的是TLE6250系列芯片，通過該模塊可將汽車OBD II接口中CAN 總線上的數(shù)據(jù)讀取到16位XC2000X系列單片機中，也可以將單片機中的數(shù)據(jù)通過該電路發(fā)送給ECU。與CAN總線進行通信時，單片機主要功能模塊包括CAN節(jié)點、報文控制器、報文RAM存儲器、列表控制器邏輯、中斷控制邏輯和地址譯碼，特性如下：

① 具有6個獨立的CAN節(jié)點和256個報文對象。

② 每個CAN節(jié)點都有專用控制寄存器。

③ 數(shù)據(jù)傳送速率最高可達1 Mb/s。

④ 報文對象可被單獨分配給任意一個CAN節(jié)點。

⑤ 報文對象可被配置為發(fā)送或接收對象。

⑥ 根據(jù)CAN V2.0B規(guī)范發(fā)送和接收CAN幀，每個CAN節(jié)點都可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識符的擴展幀。

⑦ 具有CAN報文傳送控制和錯誤處理能力。

2.3藍牙模塊

系統(tǒng)采用專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造的FBT06系列芯片，模塊采用Bluetooth2.1標(biāo)準(zhǔn)，支持主從模式軟/硬件設(shè)置，具有有線、無線雙AT通道、PIO擴展、ADC采樣功能。藍牙接口電路見圖2。

圖2　藍牙接口電路

2.4nRF905無線收發(fā)模塊

圖3　無線芯片接口電路

藍牙數(shù)據(jù)通信技術(shù)可在10 m的半徑內(nèi)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，但藍牙應(yīng)用通信技術(shù)也會受到種種限制。根據(jù)設(shè)計中對數(shù)據(jù)傳輸速率、距離和工作穩(wěn)定性的要求，選擇無線收發(fā)器芯片nRF905，其接口電路如圖3所示。nRF905交換信道的交換時間小于650 ns，適用于多通道需求的特殊場合。

芯片的工作電壓范圍為1.9～3.6 V,可以使用SPI接口直接連接到單片機，其配置也很方便。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1存儲區(qū)域分配

為了滿足設(shè)計要求，將片上Flash資源分成了4個部分(Boot程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、用戶程序區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū))。部分存儲空間分配見圖4。

圖4　部分存儲空間分配圖

Boot程序和用戶程序都有各自獨立的中斷向量表，分別指向各自的Flash區(qū)域。程序每次上電啟動都從Boot啟動區(qū)運行并等待一定時間，使得在線編程無論成功與否始終可以進行編程升級。在線編程完成后當(dāng)場校驗，將特征碼寫入特定區(qū)域，以此來判定應(yīng)用程序是否合法，正確的特征碼保證了應(yīng)用程序的正確性。

3.2軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集和控制模塊運用C語言和匯編語言進行程序開發(fā)，軟件采用多任務(wù)模塊化設(shè)計，實現(xiàn)在線升級、數(shù)據(jù)采集、CAN通信、故障診斷、MAP標(biāo)定、無線通信等功能。

3.2.1故障診斷

本系統(tǒng)故障診斷程序以SAE J1939協(xié)議和KWP2000協(xié)議為基礎(chǔ)進行CAN應(yīng)用層協(xié)議開發(fā)。

SAE J1939協(xié)議基于CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，采用29位的CAN擴展幀格式進行數(shù)據(jù)傳輸。CAN應(yīng)用層協(xié)議主要包括：報文標(biāo)識符ID，可用來指示報文的優(yōu)先級，競爭總線權(quán)限時，ID值越小，優(yōu)先級越高；報文數(shù)據(jù)域，在數(shù)據(jù)域中定義數(shù)據(jù)的起始位、數(shù)據(jù)長度、分辨率和偏移量等內(nèi)容，單個報文可發(fā)送多達8個數(shù)據(jù)字節(jié)的內(nèi)容。

基于CAN總線的KWP2000協(xié)議支持多包數(shù)據(jù)傳輸，并且多包數(shù)據(jù)的管理和組織是在網(wǎng)絡(luò)層完成的，應(yīng)用層不必關(guān)心數(shù)據(jù)的打包和解包過程。為實現(xiàn)這一功能，網(wǎng)絡(luò)層定義了單幀、第一幀、連續(xù)幀、流控制幀4種PDU。故障診斷應(yīng)用程序主流程見圖5。

圖5　故障診斷主流程圖

3.2.2MAP參數(shù)標(biāo)定

本系統(tǒng)對ECUMAP參數(shù)標(biāo)定程序是以標(biāo)準(zhǔn)CCP 協(xié)議為基礎(chǔ)開發(fā)的。CCP協(xié)議是在 CAN 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場中擴展的應(yīng)用層協(xié)議，完全遵循 CAN 總線通信協(xié)議。

CCP協(xié)議規(guī)定了兩種數(shù)據(jù)幀：命令接收數(shù)據(jù)幀 CRO(Command Receive Object)和數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀 DTO(Data Transmission Object)。CRO 中包含了命令代碼和相關(guān)傳遞參數(shù)，ECU 每接收一個 CRO，便使用 DTO向標(biāo)定平臺發(fā)送一個握手信號，這種情況下的 DTO 被稱為 CRM(Command Return Message)。

此模塊對ECU中油門扭矩、噴油正時、啟動扭矩、啟動噴油正時、怠速閉環(huán)積分增益等MAP參數(shù)進行采集，并實現(xiàn)上傳、修改、下載和燒寫等功能。以油門扭矩MAP上傳為例，軟件設(shè)計流程見圖6。

圖6　油門扭矩MAP上傳流程圖

4實驗驗證

為了驗證模塊診斷功能的可靠性和穩(wěn)定性，將調(diào)試好的模塊安裝在某電控發(fā)動機的ECU上，進行發(fā)動機故障診斷，還對車速、加速踏板位置、蓄電池電壓、實際扭矩百分比、負(fù)荷百分比、冷卻液溫度、燃油溫度、進氣歧管溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等12路信號進行采集，并與使用CANOE軟件和模塊采集的數(shù)據(jù)進行實時比對，確保模塊功能的穩(wěn)定可靠性。編譯工具在線讀取相關(guān)變量信號值界面略——編者注。

對于模塊中發(fā)動機MAP標(biāo)定功能的可靠性與穩(wěn)定性的要求更加苛刻。此模塊對ECU中油門扭矩、噴油正時、啟動扭矩、啟動噴油正時、怠速閉環(huán)積分增益等MAP參數(shù)進行采集和處理后，使用CANape軟件進行糾錯和驗證，確保標(biāo)定過程中關(guān)于MAP參數(shù)的上傳、修改、下載和燒寫等功能準(zhǔn)確無誤。圖7顯示CANape正在對ECU中啟動扭矩MAP進行校驗。

圖7　CANape校驗MAP界面

結(jié)語

設(shè)計了基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的汽車ECU數(shù)據(jù)采集和控制模塊，實現(xiàn)了多路的信息采集、運行數(shù)據(jù)的存儲及數(shù)據(jù)向上位機的傳輸、主要介紹了模塊實現(xiàn)的故障診斷和發(fā)動機MAP標(biāo)定動能。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，通過更換調(diào)理電路實現(xiàn)了各種不同信號量的采集和傳輸，由于軟件采用多任務(wù)模塊化設(shè)計的方法，代碼高效簡潔，并且具有較高的移植性。無論是手機還是其他移動終端，都可以通過該模塊實現(xiàn)汽車ECU數(shù)據(jù)的采集和控制。為了便于數(shù)據(jù)的分析和用戶的操作，在后續(xù)的上位機軟件設(shè)計中可將接收到的數(shù)據(jù)以圖形和圖表的形式進行顯示。

參考文獻

[1] 張旭，冒曉建，王俊席，等.汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)車載模塊的研究和開發(fā)[J].車用發(fā)動機, 2011(1)：90-92.

[2] Infineon Technologies AG.C167CS 16-Bit CMOS Single-Chip Microcontrollers User’s Manual Version 1.0,1999.

[3] Infineon Technologies AG.C167CS Starter Kit Hard-ware Manual Version 3.1,1999.

[4] 齊俊偉.汽車微機自診斷系統(tǒng)故障分析[J].輕型汽車技術(shù), 2002(8):45-50.

[5] 馮靜，王俊席，卓斌.基于CCP協(xié)議的電控發(fā)動機標(biāo)定系統(tǒng)CAN通信模塊的研發(fā)[J].內(nèi)燃機工程，2003,24(5)：33-37.

[6] 廖中文, 楊旭志, 吳志平.汽車發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)的虛擬樣機硬件研發(fā)[J].汽車維修與保養(yǎng), 2012(4): 14.

李智(碩士研究生),主要研究方向為汽車電子控制技術(shù)；龔元明(教授),主要研究方向為汽車電子與控制技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)等。

安森美半導(dǎo)體攜手合作伙伴迎接物聯(lián)網(wǎng)機遇

安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)與GainSpan和GEO半導(dǎo)體展開合作，以迅速應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)不斷增長的潛力。通過該合作，客戶將受益于每家公司在各自領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢：安森美半導(dǎo)體先進和廣闊的圖像傳感器陣容，GEO的高性價比和高能效圖像信號處理技術(shù)，以及GainSpan在低功耗Wi-Fi方案的專長。

三家公司的首個合作成果是一個高度優(yōu)化的IoT視頻參考設(shè)計。基于GS-AR0330的全高清視頻，由GainSpan和其代理商提供，針對通過Wi-Fi的智能1080p視頻流。經(jīng)無線連接，它可使用iOS或安卓操作系統(tǒng)無縫連接智能手機。該方案包括工程師需要的所有硬件和軟件，以快速并簡易地添加視頻流功能到基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計中，從而加快開發(fā)進程。該視頻參考設(shè)計附有一個完整的軟件套件，加上一系列先進的移動應(yīng)用編程接口(API)。

該方案的核心是安森美半導(dǎo)體的1/3英寸光學(xué)格式CMOS圖像傳感器AR0330，提供在微光條件下的卓越成像品質(zhì)。這器件使用2304 x 1296有源像素陣列，能捕獲300萬像素靜態(tài)圖像。

Li Zhi,Gong Yuanming

(School of Automobile,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Abstract：The car ECU data acquisition and control module based on the wireless communication network is designed,which achieves multi-information acquisition,running data storage and data transmission to the upper computer.In the paper,the fault diagnosis and the kinetic energy of the engine MAP calibration are described.The design has simple hardware architecture,it achieves different semaphores acquisition and transmission through replacing conditioning circuit.Because the software uses multitasking modular design method,the code is simple and efficient and has high portability.

Key words:ECU;OBD；Bluetooth;wireless;BOOT;diagnose;calibration

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-06-25)

中圖分類號:TP23

文獻標(biāo)識碼:A