基于第二代車載診斷系統(tǒng)接口的汽車嵌入式診斷儀設(shè)計

秦穎頎 陳雪峰

（上海蔚來汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

第二代車載診斷系統(tǒng)（On Board Diagnostics Ⅱ，OBD Ⅱ）將汽車排放和駕駛相關(guān)故障的診斷標(biāo)準(zhǔn)化，使不同制造商生產(chǎn)的車輛具有相同的故障代碼[1-7]。目前，大多數(shù)整車制造商采用OBD Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)+ISO 14229 統(tǒng)一診斷服務(wù)（Unified Diagnostic Services，UDS）協(xié)議[8]開發(fā)車載電子控制單元（Electric Control Unit，ECU），車載診斷功能逐步擴展為支持多種車載ECU 的診斷。但汽車診斷儀的種類繁多，體積和質(zhì)量通常較大，成本較高，且不支持二次開發(fā)或者二次開發(fā)比較困難，難以滿足整車制造商的特殊使用需求，如軟件定制化更改、研發(fā)階段大量的診斷工具需求、無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的離線場景等。

為此，本文開發(fā)一種嵌入式診斷儀，通過連接整車OBD Ⅱ接口與整車診斷控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線通信，并設(shè)計3種工作模式，即與外部手機等藍(lán)牙設(shè)備通信、與外部計算機等串行接口設(shè)備通信、自行記憶上一次的指令，快速執(zhí)行各項診斷任務(wù)，如診斷故障碼（Diagnostic Trouble Code，DTC）刪除與讀取、開關(guān)運輸模式、執(zhí)行器標(biāo)定等。診斷儀硬件基于STM32 單片機開發(fā)，并設(shè)計電源模塊、快閃存儲（Trans Flash，TF）卡存儲模塊、藍(lán)牙模塊、CAN 驅(qū)動模塊、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示模塊、蜂鳴器發(fā)聲模塊以及通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口模塊等外設(shè)擴展模塊；診斷儀軟件基于C語言進(jìn)行嵌入式開發(fā)。

2 診斷儀基本工作原理

OBD Ⅱ接口一般采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的16 針梯形母接頭，診斷儀通過OBD Ⅱ接口與車輛網(wǎng)關(guān)的診斷CAN 總線 連接，進(jìn) 而接入整 車ECU 的CAN/LIN 網(wǎng)絡(luò)，與整車ECU 進(jìn)行診斷通信，引腳及其定義如圖1和表1所示。本文主要使用6個引腳，即Pin1、Pin4、Pin5、Pin6、Pin14、Pin16：Pin4、Pin5、Pin16 用于獲取12 V 電源，為診斷儀供電；Pin6、Pin14 是診斷CAN總線引腳，診斷儀通過一路CAN（500 kbit/s）與網(wǎng)關(guān)通信，支持CAN 2.0A/B 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和UDS 協(xié)議，支持各種中斷服務(wù)，保證信息及時處理；Pin1 為點火信號端子KL15，用于獲取車輛點火/上電狀態(tài)。

表1 OBD Ⅱ接口引腳定義

圖1 OBD Ⅱ接口引腳排布

該診斷儀支持BLE 4.0協(xié)議，可通過藍(lán)牙接口與外部手機連接，也可通過USB 2.0接口與外部計算機設(shè)備連接。在線模式下，手機和計算機可以發(fā)出不同的診斷指令，同時顯示診斷結(jié)果。離線模式適用于執(zhí)行單一指令操作，如打開運輸模式，診斷儀通過記憶之前的指令，每次上電時均執(zhí)行同一指令。

診斷儀支持TF卡存儲，可將所有診斷過程信息存儲到TF卡上，用于測試結(jié)果追溯。診斷儀的系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 診斷儀的系統(tǒng)框圖

3 電路結(jié)構(gòu)

3.1 MCU最小系統(tǒng)電路

主控制器選擇STM32F103 系列微控制單元（Micro Controller Unit，MCU），采用ARM Cortex-M內(nèi)核的32 位微控制器，供電電壓為2.0～3.6 V（一般選擇3.3 V），最高工作頻率為72 MHz，片上集成256 KB的閃存（Flash Memory），48 KB 的靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM），可滿足中等復(fù)雜度的程序要求[9]。該MCU具有豐富的硬件接口，如CAN 2.0B 接口、安全數(shù)字輸入輸出（Secure Digital Input and Output，SDIO）接口、通用同步/異步收 發(fā) 器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口，非常適合作為OBD診斷儀的主控制器，最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 主控制器最小系統(tǒng)電路

3.2 電源電路

診斷儀的輸入電壓為12 V，從OBD 引腳直接取電，通過兩級降壓：一級降壓芯片選擇78M05 三端正線性穩(wěn)壓器，將電壓降至5 V，用于CAN 收發(fā)器的供電，78M05 具有芯片體積小、輸出電流大（峰值電流為700 mA）、輸出電壓噪聲低（40 μV）、工作溫度范圍大（-65～150 ℃）的優(yōu)點[2]，無需使用散熱片；二級降壓芯片選擇AMS1117-3.3 三端正向低壓降穩(wěn)壓器，將電壓降至3.3 V，用于MCU系統(tǒng)、SD卡、藍(lán)牙、串行接口等模塊的供電，AMS1117-3.3芯片體積小、輸出電流大（峰值電流為1 A）、工作溫度范圍大（-40～125 ℃）、工作壓差低（最低為1 V），同樣無需使用散熱片[10]。電源模塊電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

3.3 CAN收發(fā)器電路

MCU 的CAN 接口無法直接發(fā)送和接收符合CAN 總線物理層協(xié)議的差分信號，需要通過CAN 收發(fā)器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本文選擇TJA1050 作為CAN 收發(fā)器。TJA1050 的供電電壓為4.75～5.25 V（一般選擇5 V），電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）斜率控制較好，無源特性良好（不上電時總線引腳漏電流為0 μA），總線傳輸速率最高支持1 Mbit/s，輸入電平兼容3.3 V MCU 電平，與GB/T 41588.1—2022《道路車輛 控制器局域網(wǎng)（CAN） 第1 部分：數(shù)據(jù)鏈路層和物理信令》完全兼容，具有總線引腳短路保護(hù)功能[11]，其電路如圖5所示。

圖5 CAN收發(fā)器電路

3.4 藍(lán)牙模塊接口電路

根據(jù)診斷儀的實際使用場景，人機交互均在近距離條件下進(jìn)行，故選擇藍(lán)牙作為無線通信方式。選用HC-05 藍(lán)牙模塊，通過MCU 的USART 串行接口驅(qū)動，可以與手機等外部藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行無線通信。HC-05 藍(lán)牙模塊體積較小，適合直接焊接在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）上，支持主、從模式（診斷儀選擇從模式），供電電壓為3.3～3.6 V（一般選擇3.3 V，完全兼容MCU TTL 電平），指令集豐富，通信距離可達(dá)8 m，工作穩(wěn)定，其與MCU 的接口電路如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模塊接口電路

3.5 數(shù)據(jù)存儲模塊接口電路

選擇TF 卡作為數(shù)據(jù)存儲模塊，TF 卡相對SD 卡體積較小，適用于PCB 空間有限的場景。通過MCU自帶的SD/TF 卡驅(qū)動接口SDIO 模塊進(jìn)行控制，很容易實現(xiàn)文件分配表（File Allocation Table，F(xiàn)AT）文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和編輯，存儲數(shù)據(jù)穩(wěn)定，診斷結(jié)果可以實時備份在TF卡中，存儲模塊電路如圖7所示。

圖7 TF卡存儲模塊電路

3.6 串行接口模塊電路

為實現(xiàn)診斷儀與計算機等設(shè)備的有線通信，選擇CH340 作為USB 轉(zhuǎn)通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）芯 片。CH340 完全兼容USB 2.0，與Windows 的串行接口應(yīng)用程序也完全兼容，供電電壓支持3.3 V 和5 V，支持50 bit/s～2 Mbit/s 傳 輸 速 率[12]。選 擇MCU 的USART1 模塊接口用于串行接口通信，同時作為STM32 的程序燒寫口，串行接口電路如圖8 所示，PCB 上也同時預(yù)留了串行線調(diào)試（Serial Wire Debug，SWD）+燒寫接口。

圖8 串口模塊電路

3.7 其他輔助電路

其他的輔助電路包括：

a.聲光指示模塊電路。使用一支蜂鳴器發(fā)聲，使用RGB混色LED發(fā)光，電路如圖9所示。

圖9 聲光指示模塊電路

b. KL15 光耦隔離電路。使用EL357 光耦實現(xiàn)電氣隔離和降壓，電路如圖10所示。

圖10 KL15光耦隔離電路

c. 離線時鐘電源模塊電路。使用紐扣電池方案，在不連接實車時保持診斷儀的時鐘正常運行，保證診斷結(jié)果可追溯，電路如圖11所示。

圖11 離線時鐘電源模塊電路

d.OBD Ⅱ接口電路。選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸的OBD Ⅱ公頭作為主接插件與車端對接，實現(xiàn)診斷通信，電路如圖12所示。

圖12 OBD Ⅱ接口電路

4 軟件實現(xiàn)方法

使用C 語言進(jìn)行嵌入式程序開發(fā)，在Keil 集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）下進(jìn)行編譯和調(diào)試，編程的主體思路是軟件配合硬件，即先完成電路設(shè)計、PCB布線，再進(jìn)行軟件開發(fā)，因為相對于硬件更改，軟件調(diào)整的靈活度更高。目前，STM32編程一般分為3個層級，即底層硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）、中間驅(qū)動層、上層應(yīng)用層，為提高程序的可讀性和簡潔性，本文未采用HAL 編程，采用中間驅(qū)動層+上層應(yīng)用層的編程方式。

驅(qū)動層采用STM32官方固件庫函數(shù)作為應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API），取代傳統(tǒng)的直接寄存器配置方案，以提高編程效率和代碼的可讀性。具體功能包括通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）端口初始化、CAN模塊初始化、USART模塊初始化、SDIO模塊初始化、中斷初始化等，使用的典型固件庫函數(shù)集合如表2所示[13]。

表2 主要使用的固件庫函數(shù)集

上層應(yīng)用層通過調(diào)用中間驅(qū)動層API封裝具體功能需求。應(yīng)用層函數(shù)主要包括2 類：一是實現(xiàn)基礎(chǔ)通信功能的函數(shù)，包括CAN 信號發(fā)送和接收、藍(lán)牙/串行接口消息的發(fā)送和接收、TF 卡的讀寫操作、聲光邏輯控制等；二是實現(xiàn)具體應(yīng)用，包括各種UDS診斷控制流等。

診斷儀總體的軟件工作流程如圖13所示。

圖13 診斷儀軟件流程

5 應(yīng)用與測試

診斷儀不主動向手機推送藍(lán)牙信息（除自動發(fā)送“AT+INQC”連接信息外，直接忽略該信號即可），任何信息的調(diào)取，都需要手機APP 先發(fā)送指令，避免誤操作，主要功能如表3所示。

表3 診斷功能

針對表3 所示的功能，設(shè)計了功能測試和性能測試：功能測試主要包含藍(lán)牙通信、診斷指令執(zhí)行、診斷結(jié)果讀取、測試結(jié)果日志打??；性能測試主要包含長時間開機（大于10 h）、反復(fù)上下電（5 000次）、循環(huán)執(zhí)行指令功能。測試中發(fā)現(xiàn)的一些嚴(yán)重軟件錯誤（Bug)，如數(shù)組越界導(dǎo)致異常重啟、壓力測試下程序跑飛，進(jìn)行了代碼修復(fù)，可以實現(xiàn)連續(xù)開機超過10 h和上下電5 000次無異常。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于OBD II 接口的診斷儀，采用汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件接口（軟件采用CAN 2.0/UDS 協(xié)議接口，硬件采用OBD II 接口），設(shè)計了電源模塊、TF 卡存儲模塊、藍(lán)牙模塊、CAN 驅(qū)動模塊、LED顯示模塊、蜂鳴器發(fā)聲模塊、USB接口模塊等外設(shè)擴展模塊，采用分層架構(gòu)進(jìn)行了嵌入式軟件開發(fā)，對于UDS 的基本功能，均提前封裝為中間層API，作為原子能力供上層APP 調(diào)用，降低了軟件開發(fā)的難度，提高了功能迭代的效率。