基于C8051F020单片机的汽车故障诊断仪的研究

电子测量技术 ELECTRoNlCMEASURENIENTTECHNoLOGY 第31卷第2期 2008年2月 基于C8051F020单片机的汽车故障诊断仪的研究 贾文超王立娟王鑫 (长春工业大学电气与电子工程学院长春130012) 摘要：介绍了以C8051F020单片机为核心的汽车故障断仪的开发，阐述了诊断仪系统的一般硬件结构原理，功能和 作用，以及其软件结构和设计。该故障诊断仪能够实现对不同电控系统的参数测量，读取故障代码和执行器测试 等功能。具有低功耗，高精度，携带方便等特点。 关键词：电子控制单元；C8051F020单片机；故障诊断 中国分类号：TP39文献标识码：A 4 。 ReserchonthefaultdiagnosisdevicebyusingC8051F020 chipmicrocomputer JiaWenchaoWangLijuanWangXin (CollegeofElectronicEngineering，ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012) Abstract：ThepaperintroducesthedevelopmentoftheFaultDiagnosisInstrumentforthevehiclebasedonthe8bit MCUC8051F020，alsopresentsthegenerMstructureandfunctionofdiagnosisinstrumentaswellasthesoftware structureanddesignmethod．TheMalfunctionDiagnosisInstrumenthasthefunctionsofparameternM∞ure；read diagnosiscodeandtestforexecuteequipment．Ithasthecharacteristicsoflower-consuming，highaccuracyand portable． Keywords：electroniccontrolunit；C8051F020chipmicrocomputer!malfunctiondiagnosis 0引 言 1诊断仪原理与功能 随着我国经济建设的不断发展，装有计算机控制系统 的新型汽车已越来越多地应用于人们的日常生活中，这使 得汽车的动力性，经济性，安全性，可靠性等有了极大的提 高。但同时也使得汽车的结构复杂多了，也使一般汽车维 修诊断与排除汽车故障困难多了，而利用汽车电脑存储的 信息，诊断与排除汽车故障的方法也应运而生。仪器诊断 是在经验的基础上发展起来的现代检验方法。它是与车 载故障自诊断系统配套使用的，从本质上看，它相当于自 诊断系统的终端设备，起到人机交互的作用。该方法可在 汽车不解体的情况下，用仪器或设备测试汽车性能和故障 参数，曲线或波形，甚至能自动分析和判断汽车的技术状 况。随着电喷发动机汽车的普及，汽车故障诊断仪已作为 一种必备的维修工具被大多数行业人士所接受。 本文设计的汽车故障诊断仪采用的是CYGNAL公司 的低功耗单片机C8051F020作为核心，具有数据存储，通 讯以及LCD显示等各种功能。该仪器具有低功耗，高精 度，携带方便适用于多种场合等特点。 1．1硬件原理及作用 诊断电子控制系统的传感器、执行器状态以及EcU 的工作是否正常。通过判断ECU的输入、输出电压是否 在规定的范围内变化时，可以判断电子控制系统工作是否 正常。 当电子控制系统中的某一电路出现超出规定的信号 时，该电路及相关的传感器反映的故障信息以故障代码的 形式存储到ECU内部的存储器中，维修人员可利用该诊 断仪来读取故障码，使其显示出来。 1．2硬件支持的主要功能 (1)通过CAN、LIN通信模块可以实现与车载内各电 子控制装置ECU之间的对话，传送故障代码以及发动机 的状态信息。 (2)通过单片机的同步／异步收发器可以与PC进行串 行通信从而完成数据交换，下载程序，以及诊断仪升级等 功能。 (3)通过液晶显示器来显示汽车运行的状态数据及故 障信息。 ·123· 万方数据 第31卷 电子测量技术 (4)通过键盘电路来执行不同的诊断功能。 (5)通过一种具有串行接口的大容量FLASH存储器 来保存大量的故障代码及其测量数据。 2硬件电路及接口电路的设计 2．1硬件电路的总体框架 该诊断仪硬件系统主要包括以下模块：C8051F020处 理器及其外围扩展电路模块，键盘、液晶显示模块，外扩存 储器模块，CAN、LIN，通信模块；与PC的串行通信模块i 另外还有电源电路以及系统复位电路。总体框图如图l 所示。 I液鼎昆示|<}===仁刮c州总线模块 l键盘}o蚓㈣一 I!竺降令 唧 G===爿串行通信接口电路 l电源}o<}=爿复位电路 图1系统电路图 2．2 C8051F020单片机电路 。 设计中CPU选择的是Cygnal公司的C8051F020单 片机，它采用具有与MCS--51指令集完全兼容的Cygnal Ul AD0 LXl ADl LXl AD2 AD3 LX0 AD4 LXO AD5 AD6VDDl AD7VDD2 VDD3 CX ALFAXV鼹l 酊范 Vss2 WR V∞3 CLE MDDEXIALl 霞翌 xIAL2 fNI C2 +7 9 公司的专利CIP--51微处理器内核，峰值速度可达25 MIPS。并且在一个芯片内集成了单片机数据采集或控制 系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件 (包括PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感 器、SMBus／12C、UART、SPI、定时器、可编程计数器／定时 器阵列、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等)。 cIP一51对指令运行实行流水作业，从而大大提高了指令 运行速度。另外C8051F020单片机最独特的改进是引入 了数字交叉开关。允许将内部数字系统资源映射到Po、 P1、P2和P3的端口I／O引脚，同时C8051F020还在内部 增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性，完全可以 满足诊断仪的功能要求。 2．3 CAN、LIN总线接口电路的设计 2．3．1CAN总线接口电路 ． CAN总线接口电路包括CAN通信控制器与微处理 器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的 设计。C8051F020与CAN驱动芯片sJAl000T的接口电 路如图2所示本设计选取PHILIPS公司的sJAl000CAN 控制器以及82C250总线收发器。SJAl000在电路中是一 个总线接口芯片，通过它实现ECU与微处理器之间的数 据通信。该电路的主要功能是完成CAN总线与单片机之 间的通信。PCA82C250为CAN控制器和物理总线之间 的接口，它可以提供向总线的差动发送能力和CAN控制 器的差动接收能力，TXD和RXD引脚分别发送经过驱动 后的发送和接收信号。具体连接如图2所示。 U3 VCCCANH VREFCANL Rl 口 120R IXDRS怯[■ LXDGNDP-]+7ko 9 ■6000l【Hz霸c，千加叫毽蹲Ⅷ 图2 CAN总线与单片机接口电路 2．3．2LIN通信模块的设计 LIN总线收发器选用PHILIPS公司的TJAl020，它 直接与单片机的串口相连，电路连接图如图3所示， TJAl020收发器是一个物理媒体连接，适合用于最高20k ·124· Baud的LIN传输速率，它的引脚TXD和NSLP减小了输 入阀值，输出引脚RXD和TXD为漏极开路．因此它可以 和使用3．3V或5V电源的微控制器兼容，而且收发器本 身不需要额外的VCC电源．为使引脚RXD和TXD达到 坝甜 然麟销怼鬻 AA八AAAAA 万方数据 贾文超等：基于C8051F020单片机的汽车故障诊断仪的研究 第2期 高电平，当微控制器的端口引脚没有集成上拉电阻时，要 加外部上拉电阻．微控制器由TXo向TJAl020的TXD 引脚发送数据，TJAl020的RXD引脚向微控制器的RX0 发送数据。LIN收发器的睡眠控制输入NSLP可以通过 微控制器的端口引脚来控制。 图3 LIN总线与单片机的接口电路 2．4串行总线接口电路的设计 RS232串行通信采用全双工的模式，系统中配置一条 数据发送线。在同一时刻系统既可以发送数据也可以接 收数据。图4给出了串行通信电路连接图。通过交叉开 关把C8051F020单片机的P0．0，P0．1设置为TX0，磁囝． RS232逻辑电平对地是对称的，与1vrL，CMOS逻辑电平 完全不同。逻辑“1”电平为一5～一15V，逻辑“0”电平为 +5～+15V之间，其与单片机的逻辑电平不一致，必须进 行电平转换，图4采用SP3223转换器实现"阻电平与 RS-232电平互相转换。 图4串行总线接口电路 2．5键盘显示及存储器电路 本设计主键盘采用4×4键盘输入模块，其驱动模块 采用的是SK5278，它是福州贝能科技有限公司推出的采 用PIC内核的键盘控制器。该芯片采用4线串行接口，可 与任何种类的单片机接口；它具有按键有效指示输出，可 用中断方式管理键盘；其行线Xo～X3与列线Yo～Y3可 构成4x4键盘矩阵iSK5278的16键键盘控制器内含去抖 动处理电路，因而可直接输出键值，并采用串行方式与单 片机或微处理器进行接口。系统设计的功能键采用中段 方式输入，整个工作流程通过不断的扫描按键的状态，判 断是否有健按下，当有任意键按下时，即产生中段，CPU执 行相应的中段子程序，若没有健按下时．继续扫描键盘的 状态，直到有健按下，用键盘中断处理程序完成一切和用 户之间的的信息交流。 显示电路选用的OCM]5XlO是160×80点阵的中文 图文液晶图形显示器模块。该模块的内部由于含有国标 一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，该模块与 单片机的硬件接口除数据总线外，仅使用了RE创BUSY 两根握手信号线，简化了与单片机的硬件接口电路设计。 上述特点对软件、硬件资源均十分紧张的单片机系统来说 是十分重要的。 由于诊断系统中将涉及大量的故障代码，传感器信 息，执行起信息等一些数据信息，需要较大的存储空间。 因此，系统扩展了一片大容量的8Mb的FLASH存储 器AT45DB081。 3系统的软件设计 本系统的软件采用模块化的设计方法，整个程序包括 主程序、初始化程序、定时器中断程序、诊断协议程序、串 行通讯程序、键盘显示程序、存储器读写程序。所有的程 序均采用C语言编写，可以很方便的调试和下载程序代 码。限于篇幅，本文只给出主程序的流程图，如图5所示。 系统的主程序主要完成C8051F020单片机系统的初始化、 设置系统时钟和功能寄存器，调用键盘处理程序，完成不 同的功能，如根据不同的按键转入相应的服务程序，完成 不同的功能。 3．1硬件抗干扰设计 系统设计中对电源电路及Ic器件周围配置适当的去 耦电容滤波，系统中电源地线、MCU外围电路地线、信号 地线采用单点接地的方法可靠接地，以减少不等位电势的 干扰。 硬件滤波，此方法对串模干扰有很好的抑制作用，常 用RC低通滤波器接在一些低频信号输入电路中，可大大 消弱高频干扰信号。 印刷电路板设计时，数字电路与模拟电路隔离，数字 的和模拟的仅在一点相连，有效地防止了数字电路对模信 号的影响。 为了防止电路模块问的相互干扰，在电路板的设计中 ·125· 万方数据 第31卷 电子测量技术 采用金属机壳有效地屏蔽外界射频信号的干扰。 ( 开始 ) ● I C8051F02(I单片机系统初始化 l -● l 设置定时器工作方式及初值 I '蹬置串口通讯模式及波特率 I。 T一 显示主菜单 + 扫描键盘 <逦》N 进入相应的功能模块 + I I { I 读 参 读 渗 电 殿 数 执 断 控 敞 测 行 结 系 障 量 器 果 统 代 界 信 查 选 择码 面 息 询 TT。7 TT 图5系统的软件设计流程图 3．2软件抗干扰设计 数字滤波。在软件设计时，考虑了数字滤波程序的设 计，有效地排除了随机干扰。 设置冗余指令和软件陷井。通过应用软件陷阱法和 数据冗余法有效的抑制了由于外部干扰、震动或瞬间故障 引起的系统瘫痪和程序跑飞。 软件看门狗。为防止程序运行进入死循环，而不能被 软件陷井捕获到，在系统软件设计时，设计了“软件看门 狗”程序，有效地防止了死循环造成的系统瘫痪。 4结 论 本文以C8051F020单片机为核心开发了ECU故障诊 断仪，该诊断仪能够实现参数测量，在线故障诊断和执行 (上接第112页) [6]马潮．高档8位单片机ATmegal28原理与应用(上) [M3．北京：北京航空航天大学出版社，2004． [7]刘义，江建民，陈文芗．用LCD显示实时采集信号图 形口]．电子测量技术，2003，2(26)：46-47． [8]沈文，Eaglelee，詹卫前．AVR单片机语言开发入门指 导[M]．北京：清华大学出版社，2003． ·126· 器测试等功能，具有结构简单、成本低、体积小和性能可靠 等优点，经实验证明：该诊断仪工作稳定，操作方便，抗干 扰能力强。从而说明了该诊断仪软硬件设计比较合理，具 有广阔的应用前景。 ’ ： 参考文献 [1]c8051F020／1／2／3晰x薛sigllal1留FLASHMCUFamily [纽112劝3-I．1，涮IntegratedProductsIne，20吆 [2]潘琢金．c8051嗽高速SoC单片机原理及应用 [M]．北京：北京航天航空大学出版杜，2002． [3]卓斌，刘启华．车用汽油机燃料喷射与电子控制[M]． 北京：机械工业出版社，2001． [4]陆前锋．基于SJAlOOO的CAN总线智能控制系统设 计[J]．自动化技术与应用，2003，(1)：61—64． [5]崔代福，魏学哲，孙泽昌，等．Ⅲ协议及其在轿车车 身控制中的应用[J]．自动化与仪表，2002，17(6)：4-6． [6]AT45DB081B(8-megabit2．5-voltOnlyor2．7-voltOnly IMtaFlash)．Rev2225D2DFlSH-10／02[Z]．Am,_el Corporation，2002． [7]In-VehideNetworkingAutdmtiveControllerNet啪rk 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2.7-volt Only Data Flash)[Rev 2225D2D-FLSH-10/02] 2002 7.SG 2032/D rev 0.In-Vehicle Networking Automotive Controller Network(CAN) Applications 2002 8.SAE J 1939-1971.Truck & Bus Control and Communications Network Subcommittee of the Truck & Bus Electrical Committee 1997 9.ATMEL Flash Memory Date Sheets 相似文献(0条) 引证文献(1条) 1.黄森仁.郑宏.龚进峰.戎辉 基于R8C的汽车OBD通用故障诊断仪设计[期刊论文]-现代电子技术 2009(15) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzcljs200802036.aspx 下载时间：2010年1月1日