- 汽車故障診斷儀的研究
- 基于C8051F020單片機的診斷儀設計
1 引言
隨著我國經濟建設的不斷發展，裝有計算機控制系統的新型汽車已越來越多的應用于人們的日常生活中，這使得汽車的動力性，經濟性，安全性，可靠性等有了極大的提高。但同時也使得汽車的結構復雜多了，也使一般汽車維修診斷與排除汽車故障困難多了，而利用汽車電腦存儲的信息，診斷與排除汽車故障的方法也應運而生。儀器診斷是在經驗的基礎上發展起來的現代檢驗方法。它是與車載故障自診斷系統配套使用的，從本質上看，它相當于自診斷系統的終端設備，起到人機交互的作用。該方法可在汽車不解體的情況下，用儀器或設備測試汽車性能和故障參數，曲線或波形，甚至能自動分析和判斷汽車的技術狀況。隨著電噴發動機汽車的普及，汽車故障診斷儀已作為一種必備的維修工具被大多數行業人士所接受。
本文設計的汽車故障診斷儀采用的是CYGNAL公司的低功耗單片機C8051F020作為核心，具有數據存儲，通訊以及LCD顯示等各種功能。該儀器具有低功耗，高精度，攜帶方便適用于多種場合等特點。
1、診斷儀原理與功能
1.1 硬件原理及作用
（1）診斷電子控制系統的傳感器、執行器狀態以及ECU的工作是否正常。通過判斷ECU的輸入、輸出電壓是否在規定的范圍內變化時，可以判斷電子控制系統工作是否正常。
（2） 當電子控制系統中的某一電路出現超出規定的信號時，該電路及相關的傳感器反映的故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內部的存儲器中，維修人員可利用該診斷儀來讀取故障碼，使其顯示出來。
1.2 硬件支持的主要功能
（1） 通過CAN、LIN通信模塊可以實現與車載內各電子控制裝置ECU之間的對話，傳送故障代碼以及發動機的狀態信息。
（2） 通過單片機的同步/異步收發器可以與PC機進行串行通信從而完成數據交換，下載程序，以及診斷儀升級等功能。
（3） 通過液晶顯示器來顯示汽車運行的狀態數據及故障信息。
（4） 通過鍵盤電路來執行不同的診斷功能。
（5） 通過一種具有串行接口的大容量FLASH存儲器來保存大量的故障代碼及其測量數據。
2、硬件電路及接口電路的設計
2.1 硬件電路的總體框架
該診斷儀硬件系統主要包括以下模塊：C8051F020處理器及其外圍擴展電路模塊，鍵盤、液晶顯示模塊，外擴存儲器模塊，CAN、LIN,通信模塊；與PC機的串行通信模塊；另外還有電源電路以及系統復位電路。總體框圖如圖1所示。
2.2 C8051F020單片機電路
設計中CPU選擇的是Cygnal公司的C8051F020單片機，它采用具有與MCS-51指令集完全兼容的Cygnal公司的專利 CIP-51微處理器內核,峰值速度可達25MIPS。并且在一個芯片內集成了單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件 (包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時器、可編程計數器/定時器陣列、內部振蕩器、看門狗定時器及電源監視器等)。CIP-51對指令運行實行流水作業，從而大大提高了指令運行速度。另外C8051F020單片機最獨特的改進是引入了數字交叉開關。允許將內部數字系統資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳，同時C8051F020還在內部增加了復位源,從而大大提高了系統的可靠性，完全可以滿足診斷儀的功能要求。
2.3 CAN、LIN總線接口電路的設計
2.3.1 CAN總線接口電路
CAN總線接口電路包括CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發器與物理總線之間的接口電路的設計。C8051F020與CAN驅動芯片SJA1000T的接口電路如圖（2）所示本設計選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線收發器。SJA1000 在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現ECU與微處理器之間的數據通信。該電路的主要功能是完成CAN總線與單片機之間的通信。PCA82C250為CAN控制器和物理總線之間的接口，它可以提供向總線的差動發送能力和CAN控制器的差動接收能力，TXD和RXD引腳分別發送經過驅動后的發送和接收信號。具體連接如圖2所示。
[page]2.3.2 LIN通信模塊的設計
LIN總線收發器選用PHILIPS公司的TJA1020，它直接與單片機的串口相連，電路連接圖如圖3， TJA1020 收發器是一個物理媒體連接,適合用于最高 20kBaud的LIN 傳輸速率,它的引腳TXD和NSLP 減小了輸入閥值, 輸出引腳 RXD和TXD 為漏極開路. 因此它可以和使用3.3V 或5V 電源的微控制器兼容, 而且收發器本身不需要額外的VCC電源. 為使引腳RXD和TXD達到高電平,當微控制器的端口引腳沒有集成上拉電阻時,要加外部上拉電阻. 微控制器由 TX0向 TJA1020 的 TXD 引腳發送數據,TJA1020的 RXD引腳向微控制器的 RX0 發送數據。LIN 收發器的睡眠控制輸入NSLP 可以通過微控制器的端口引腳來控制。
2.4 串行總線接口電路的設計
RS232串行通訊采用全雙工的模式，系統中配置一條數據發送線。在同一時刻系統既可以發送數據也可以接收數據。圖（4）給出了串行通信電路連接圖。通過交叉開關把C8051F020單片機的P0.0,P0.1設置為TX0,RX0.RS232邏輯電平對地是對稱的，與TTL,CMOS邏輯電平完全不同。邏輯“1”電平為－5～－15，邏輯“0”電平為＋5～＋15之間，其與單片機的邏輯電平不一致，必須進行電平轉換，圖4采用SP3223轉換器實現 TTL電平與RS-232電平互相轉換。
2.5 鍵盤顯示及存儲器電路
本設計主鍵盤采用4X4鍵盤輸入模塊，其驅動模塊采用的是SK5278，它是福州貝能科技有限公司推出的采用PIC內核的鍵盤控制器。該芯片采用4線串行接口，可與任何種類的單片機接口；它具有按鍵有效指示輸出，可用中斷方式管理鍵盤；其行線X0～X3與列線Y0～Y3可構成4×4鍵盤矩陣；SK5278的16鍵鍵盤控制器內含去抖動處理電路，因而可直接輸出鍵值，并采用串行方式與單片機或微處理器進行接口。系統設計的功能鍵采用中段方式輸入，整個工作流程通過不斷的掃描按鍵的狀態，判斷是否有健按下，當有任意鍵按下時，即產生中段，CPU執行相應的中段子程序，若沒有健按下時，繼續掃描鍵盤的狀態，直到有健按下，用鍵盤中斷處理程序完成一切和用戶之間的的信息交流。
顯示電路選用的OCMJ5X10是160×80點陣的中文圖文液晶圖形顯示器模塊。該模塊的內部由于含有國標一級簡體字庫，使得漢字的顯示異常方便；同時，該模塊與單片機的硬件接口除數據總線外，僅使用了REQ/BUSY兩根握手信號線，簡化了與單片機的硬件接口電路設計。上述特點對軟件、硬件資源均十分緊張的單片機系統來說是十分重要的。
由于診斷系統中將涉及大量的故障代碼，傳感器信息，執行起信息等一些數據信息，需要較大的存儲空間。因此，系統擴展了一片大容量的8Mbit的FLASH存儲器AT45DB081
3、系統的軟件設計
本系統的軟件采用模塊化的設計方法，整個程序包括主程序、初始化程序、定時器中斷程序、診斷協議程序、串行通訊程序、鍵盤顯示程序、存儲器讀寫程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便的調試和下載程序代碼。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖，如圖5所示。系統的主程序主要完成 C8051F020單片機系統的初始化、設置系統時鐘和功能寄存器，調用鍵盤處理程序，完成不同的功能，如根據不同的按鍵轉入相應的服務程序，完成不同的功能。
3.1 硬件抗干擾設計
(1) 系統設計中對電源電路及IC器件周圍配置適當的去耦電容濾波,系統中電源地線、MCU外圍電路地線、信號地線采用單點接地的方法可靠接地，以減少不等位電勢的干擾。
(2) 硬件濾波,此方法對串模干擾有很好的抑制作用，常用RC 低通濾波器接在一些低頻信號輸入電路中，可大大消弱高頻干擾信號。
(3) 印刷電路板設計時,數字電路與模擬電路隔離,數字的和模擬的僅在一點相連,有效地防止了數字電路對模信號的影響。
(4) 為了防止電路模塊間的相互干擾,在電路板的設計中采用金屬機殼有效地屏蔽外界射頻信號的干擾.
3.2 軟件抗干擾設計
(1)數字濾波。在軟件設計時,考慮了數字濾波程序的設計,有效地排除了隨機干擾。
(2)設置冗余指令和軟件陷井。通過應用軟件陷阱法和數據冗余法有效的抑制了由于外部干擾、震動或瞬間故障引起的系統癱瘓和程序跑飛。
(3)軟件看門狗。為防止程序運行進入死循環,而不能被軟件陷井捕獲到,在系統軟件設計時,設計了“軟件看門狗”程序,有效地防止了死循環造成的系統癱瘓。
4、結論
本文以C8051F020單片機為核心開發了ECU故障診斷儀，該診斷儀能夠實現參數測量，在線故障診斷和執行器測試等功能，具有結構簡單、成本低、體積小和性能可靠等優點，經實驗證明：該診斷儀工作穩定，操作方便，抗干擾能力強。從而說明了該診斷儀軟硬件設計比較合理，具有廣闊的應用前景。是維修人員的地得力助手，完全具有生產應用的價值。
