基于CAN總線的低成本測試/診斷工具開發(fā)

趙穎慧 白楊 趙聰聰

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013；2.一汽大眾汽車有限公司成都分公司 技術(shù)開發(fā)部，長春 130012；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長春 130118）

主題詞：汽車電子 測試 診斷 CAN總線

縮略語

TFT Thin Film Transistor（薄膜晶體管）

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用異步收發(fā)傳輸器）

RFI Radio Frequency Interference（射頻干擾）

ESD Electro-Static discharge（靜電釋放）

UDS Unified Diagnostic Services（統(tǒng)一診斷服務(wù)）

1 前言

汽車電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，極大程度地提高了乘坐舒適性、駕駛安全性和環(huán)保性能，但也使得汽車電子系統(tǒng)更加復(fù)雜[1]。目前，汽車電子產(chǎn)品的測試和驗證工具多從國外測試設(shè)備廠商進(jìn)行采購，國內(nèi)比較常見的汽車電子測試設(shè)備包括CANcase系列CAN總線測試工具，Vtsystem系列硬件（I/O）測試工具及CANdela系列汽車診斷工具。這些測試工具雖然技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠，但價格昂貴，比如一個CANcase售價約12萬元人民幣，且應(yīng)用專業(yè)性強(qiáng)，對操作者要求高、培訓(xùn)難度大，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，急需開發(fā)一款面向國內(nèi)市場的低成本汽車電子測試工具。針對這一問題，本文基于CAN總線通訊模塊和統(tǒng)一診斷服務(wù)協(xié)議，利用嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)了一種能夠?qū)ζ囯娮赢a(chǎn)品進(jìn)行快速測試和診斷的工具。應(yīng)用此工具可以快速方便的讀取儀表等車載控制單元的軟件版本、零件號等信息。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖1所示：用戶通過測試工具的人機(jī)交互界面對被測設(shè)備發(fā)布測試、控制、診斷等指令。設(shè)備根據(jù)具體產(chǎn)品選擇相應(yīng)指令和動作，操作被測設(shè)備實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，并將反饋信息通過人機(jī)界面顯示給用戶。用戶還可以通過電腦對測試工具進(jìn)行維護(hù)和升級。

圖1 系統(tǒng)工作原理

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)與用戶交互、與被測設(shè)備通訊及系統(tǒng)升級的功能。為達(dá)到簡單方便的用戶操作體驗，人機(jī)交互模塊采用五向開關(guān)、編碼旋鈕與薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）顯示屏相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，菜單深度不超過3級。由于汽車電子設(shè)備之間利用CAN接口進(jìn)行通訊，故硬件需要預(yù)留CAN通訊模塊。利用通用的UART通訊方式進(jìn)行系統(tǒng)升級。

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，主要包括CAN通訊模塊、UART通訊模塊、主控制核心板、電源模塊、LED顯示模塊、人機(jī)交互模塊及I/O模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

（1）主控制核心板

主控制核心板使用NXP公司最新開發(fā)的Cortex-M3內(nèi)核控制芯片LPC1788，工作主頻120 MHz。LPC1788集成了LED圖像控制器，支持TFT顯示器，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的圖像應(yīng)用。同時，該控制器提供了雙通道CAN控制器和五個UART小數(shù)波特率發(fā)生器，能夠滿足系統(tǒng)硬件需求[2]。

（2）CAN通訊模塊

對于汽車電子設(shè)備的測試診斷而言，如何實(shí)現(xiàn)測試工具與被測對象之間的通信至關(guān)重要，也是檢測設(shè)備開發(fā)的核心[3]。本文所開發(fā)的測試工具利用CAN模塊與被測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。CAN通訊模塊采用符合汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的收發(fā)電路，并配有靜電釋放保護(hù)措施，具有高性能和高可靠性，能夠支撐各種控制器及各類傳感器之間的數(shù)據(jù)通信和信息共享[4]?；贑AN通訊模塊的硬件電路如圖3所示。

圖3 CAN通訊模塊硬件電路[5]

該硬件設(shè)計符合ISO 11898-2:2016（Road vehicles—Controller area network(CAN)—Part 2:Highspeed medium access unit）[6]，最高速率達(dá)到 1 Mbps。具有以下特點(diǎn)：

●抗環(huán)境瞬間干擾，具有總線保護(hù)能力；

●斜率控制，降低射頻干擾（RFI）；

●熱保護(hù)以及電源和地短路保護(hù)；

●未上電的節(jié)點(diǎn)對總線無影響；

●低電流待機(jī)模式。

（3）通用串行通訊模塊

為了使所開發(fā)的測試工具適應(yīng)汽車電子產(chǎn)品的升級換代，需要對測試工具的軟件進(jìn)行升級，本文利用串行通訊模塊實(shí)現(xiàn)這一功能。利用串行總線將測試工具與電腦連接，實(shí)現(xiàn)軟件版本的在線升級維護(hù)。測試工具的UART模塊框圖如圖4所示。

圖4UART模塊框圖

（4）LED及人機(jī)交互模塊

為了顯示被測設(shè)備的相關(guān)信息，利用人機(jī)交互模塊建立用戶與被測試設(shè)備之間的友好連接。顯示部分利用控制芯片自帶的LED驅(qū)動接口，同時配合4.3寸真彩TFT顯示屏。顯示模塊框圖如圖5所示。

圖5 顯示模塊框圖

（5）I/O模塊

所開發(fā)的測試工具應(yīng)對較寬范圍內(nèi)的模擬數(shù)字輸出量及整個工作電壓范圍內(nèi)的數(shù)字輸入量具備檢測功能。根據(jù)實(shí)際情況，可配置主控制芯片I/O端口，并做出相應(yīng)的輸入、輸出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的控制。

（6）可擴(kuò)展性設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化的柔性設(shè)計以適用不同的應(yīng)用要求。預(yù)留了車載系統(tǒng)另一種常用的通訊接口：LIN接口[7]。

3.2 軟件設(shè)計

本測試工具系統(tǒng)以嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)-uCOSII和嵌入式圖形用戶接口-uCGUI作為軟件平臺的核心，應(yīng)用軟件采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，即驅(qū)動層、交互層和應(yīng)用層。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

（1）驅(qū)動層

驅(qū)動層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)底層硬件的驅(qū)動和配置，為上層軟件和具體硬件外設(shè)搭建連接通道。驅(qū)動層采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動庫CMSIS技術(shù)。CMSIS能夠方便實(shí)現(xiàn)與處理器和外設(shè)之間的軟件接口，從而簡化軟件的重用、實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化并降低成本。

（2）交互層

交互層在應(yīng)用層和硬件驅(qū)動層之間形成一個緩沖和控制通道，為應(yīng)用層和硬件驅(qū)動層提供信號轉(zhuǎn)換、控制流緩沖等工作。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層為最頂層軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能和測試/診斷功能。

a.人機(jī)交互應(yīng)用軟件

為達(dá)到使用簡潔、方便的目的，同時保證系統(tǒng)菜單組織的結(jié)構(gòu)合理，人機(jī)交互應(yīng)用的系統(tǒng)菜單采用兩級管理方式。菜單顯示過程的軟件流程如圖7所示。

圖7 菜單顯示過程軟件流程圖

b.測試/診斷功能模塊軟件

測試/診斷功能是測試工具開發(fā)的核心工作，其實(shí)現(xiàn)依據(jù)是被測設(shè)備的測試/診斷需求文檔和UDS協(xié)議。

通過人機(jī)交互接口向被測設(shè)備下達(dá)相應(yīng)的測試/診斷指令，根據(jù)測試/診斷需求文檔解析用戶輸入的交互指令，將相應(yīng)指令轉(zhuǎn)換為CAN報文并發(fā)送給被測設(shè)備；同時接收被測設(shè)備反饋的CAN報文，根據(jù)UDS協(xié)議解析接收報文，并將狀態(tài)反饋給用戶，相關(guān)流程如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互流程

某被測設(shè)備的測試/診斷需求文檔如表1所示，規(guī)定通過Input Output Control指令控制所有LED燈。當(dāng)人機(jī)交互接口下達(dá)打開所有LED燈指令后，測試/診斷模塊通過CAN總線發(fā)送0x2F 0x0A 0x00 0x03 0xFF數(shù)據(jù)。當(dāng)測試/診斷模塊接收到被測模塊發(fā)送0x6F 0x0A 0x00 0x03 0x00時，人機(jī)交互界面告知用戶操作成功[8]。

表1 需求文檔

4 測試工具應(yīng)用

本文所開發(fā)的測試工具已成功應(yīng)用于某系列車型多個產(chǎn)品的測試/診斷。應(yīng)用測試單元和測試項目如表2所示，圖9為某車型儀表在暗室中做光學(xué)測試。

表2 測試工具應(yīng)用

圖9 暗室中光學(xué)測試

5 結(jié)束語

綜上，本文從汽車電子產(chǎn)品的測試特點(diǎn)出發(fā)，開發(fā)了基于CAN總線通訊的測試/診斷工具。該測試工具不依賴電腦，成本低、操作過程簡單，且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。同時，該設(shè)備具有定制性的特點(diǎn)，能夠根據(jù)被測設(shè)備的測試/診斷需求文檔定制屬于被測設(shè)備特定的測試/診斷工具，從而實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備測試/診斷需求文檔中定義的所有UDS協(xié)議診斷功能。