1、基于CAN总线的汽车故障诊断系统研究与设计132008年(第30卷) 第10期；汽车工程AutomotiveEngineerin；2008(Vo.30)No10l.；2008207；基于CAN总线的汽车故障诊断系统研究与设计；张宏,詹德凯,林长加；110141)(华晨汽车研发中心电子电气处,沈阳；摘要；介绍了基于CAN的车载故障诊断标准ISO1576 ；式,在此基础之上设计了基于CAN网络的故障诊断系；2008年 ( 第 30卷 ) 第 10期汽 车 工 程 A utomo tive Eng inee ring2008( V o. 30) N o 10 l .2008207基于 CAN 总线的
2、汽车故障诊断系统研究与设计张 宏, 詹德凯, 林长加110141) (华晨汽车研发中心电子电气处, 沈阳 摘要 介绍了基于 CAN 的车载故障诊断标准 ISO15765的体系结 构, 分析了 ISO 15765网络 层的数据 传送方式, 在此基础之上设计了基于 CAN 网络的故障诊断系统及控制器 故障诊断 代码, 完成 诊断系统 的硬件 设计及 软件 调试, 并利用 CAN oe软件对 ECU 和诊 断设备进行测试。关键词: 汽车; 故障诊断; CAND esign o fV eh icle Fault D iagnosis System Based on CAN BusZhang H ong
3、 Zhan D ekai ; 的适用性和可操作性更强, 并与 ISO14230应用层的 服务和参数完 全兼容。 ISO15765 符合现 代汽车 网 络总线系统的发展趋势, 已被许多汽车厂商采纳, 并 随着汽车电子网络化进程的加快, 汽车故障诊 断标准逐 渐由 分散 走 向统 一。目 前, ISO14230 和 ISO9141是许多汽车厂 商采用的诊 断 通信标准, 是 通过一种专用的诊断通信系统来形成一套较为独立 的诊断网络。而 CAN 网络由于其非破坏性 的网络 仲裁机制、 较高的通信速率和灵活可靠的通信方式, 在车载网络领域广受青睐, 越来越多的汽 车制造商 把 CAN 总线应用于汽车控
4、制、 诊断和通信。由于诊 断系统独立 于车载 CAN 网 络, 这使 得系统成本 增 加, 内部网络变得复杂。为解决上述问题, 欧洲汽车 厂商推出一种基于 CAN 总线的诊断系统通信标准 ISO15765 它可 满足 E OBD 的系统 要求, ISO15765 , 以 ISO14229 - 1 定 义的 服务 为基 础, 规 范了 基 于 CAN 总线的诊断服务 ( UDS on CAN ) , 包括网络 管 理、 网络定时、 应用层定时等详细内容, 使得该协议 ISO15765 协 议 把 KW P2000应用层的诊断服 务移植到 CAN 总线上, 根 据开放系统互连 7层参考 模型, I
5、SO15765 将 通 信系 统分为 4层, 如图 1所示。 数 据 链 路 层 采 用 了 ISO11898- 1协议, 该协议 是 对 CAN 2 0B 协 议的 进图 1 ISO15765通 信系 统模型前言将成为未来汽车行业的通用诊断标准 1。1ISO15765的体系结构一步标准 化和 规 范化 ; 应 用层采用了 ISO15765- 3协议, 该协议完全兼容 基原稿收到日期为 2008年 8月 15日, 修改稿收到日期为 2008年 9月 8日。2008( V o . 30) N o 10 l .张宏, 等 : 基于 CAN 总线的汽车故障诊断系统 研究与设计935于 K 线 的应用
6、层协议 ISO14230- 3, 并加入了 CAN 总线诊断功能组, 兼容了一些汽车厂商规范中定义 的诊断服务, 具有 测试、 查、 控、 断管理等 功 检 监 诊 能。在应用层协议中规定了 4 种服务数据结构, 分 别用于诊断设备 ( T ester) 的服务 请求、 ECU 的服 务 指示、 ECU 的服务响 应和 T ester的服务确认。这些 数据结构中包含了地址信息、 服务请求 I 和服务请 D 求参数等内容。网络层通过向应用层提供服务接口 获得诊断服务数据, 通过内部处理将诊断数据转换 成符合 CAN 网络通信的数据格式 , 最后通过数据链 路层提供的服务接口发送数据。 ISO15
7、765- 2规定 了网络层协议数据单元与底层 CAN 数据帧、 上层服 务之间的映射关系, 并且为长报文的多包数据传输 过程提供了同步控制、 顺序控制、 流控制和错误恢复 功能。其中, 地址信息包含 : 源地址 ( SA ) 、 目标地址 ( TA )、 目标地址格式 ( TA _T ype)和远程地址 ( RA ) 。制能够协调双方的通信速率, 使发送端适应接收端 的接收能力。它由流控制帧实现通信双方的管理, 对发送端有重新发送、 停止发送和 暂停发送 3 种控 制操作。连续 发送的等待流控 制帧数目 有上限 要 求, 目的是为避免发送实体因接收实体的某种错误 而陷入永久等待的状态。在接收端
8、连续发送了最大 数目的等待流控制帧后, 仍然无法继续接收数据时, 它将中止数据接收, 并向上层发出缓冲区溢出的指 示服务。发送端则因未收到等待流控制帧而超时, 数据发送中止, 同时向上层发 出等待数据帧超时的 确认服务。接收 端的接收能力可以用 BS 和 STm in 两个参数来衡量。 BS指接收端允 许发送端连续 发 送连续帧的最大数目; STm in 是指两个连续帧连 续 发送的最短时间间隔。这两个参数的设置受到接收 缓冲区容量和接收端数据帧处理速度的限制。3 基于 CAN 网络的诊断系统总体设计 2 数据传送方式2 1 单帧传 送 当上层诊断服务数据可以在一个 CAN 帧中传 送时采用
9、单帧传送方式, 如图 2( a)所示。 本项目是针对 M 11 车型 CAN 网络平台而设计 的故障诊断系统。该网络由高速 CAN 和低速 CAN 两部分组成, 动 力总成系统为满足其高实时性、 高可 靠性的要求, 采用高速 CAN网络 ( 速率 500kb / s), 车 身控制网络采用低速 CAN 网络, 两个网络通过网关 进行通信连接。诊断设备接口采用标准的 16 针口 直接与网关相连接, 系统拓扑图如图 3所示。图 2 数据发送 方式2 2 多帧传送 当上层诊断数据利用单帧无法传送时, 采用多 帧传送方式。多帧传送方式中, 网络层首先将诊断 数据进行拆分, 形成一个首 帧和多个连续帧。
10、首帧 是第一段数据组成的 CAN 帧, 其中包含了分段数据 的总长度信息; 连续帧是其余分段数据 组成的 CAN 帧, 每个数据帧都包含拆分的顺序编号。接收端根 据接收数据帧的编号重组服务数据。多帧传送方式 如图 2( b) 所示。在多帧通信过程中, 为解决通信双 方的数据同步问题, 采用了流控制管理机制。该机图 3 基于 CAN 网络的整车故障诊断系统拓扑图在诊断过程中, 诊断设备通过网关进行服务请 求, 网关经过识别后向整个 CAN 网络的 ECU 节 点 发送服务请求信息, 当网络中某个控制器接收信息 后返回服务响应, 与诊断设备建立通信 连接, 图 4为 诊断设备与 CAN 网络某控制
11、器节点的服务请求 /响936汽车工程2008年 (第 30卷 ) 第 10期应信息发送 图。诊 断设备 读取到响应 的诊断信 息 后, 在上位机完成总线数值与物理数值的转换, 最终 以物理数值或图形曲线形式输出。因此故障诊断系 统设计主要分为两部分: 诊断仪器设备设计 (上位机 设计 )和 CAN网络节点诊断支持设计 ( 包括数据通 信连接和故障代码定义 )。文中 CAN 网络通信协议遵循 CAN2 0 A 数 据 帧标志符由 11b组成, 帧的长度为 8B, 当数据长 度 超过 8B 时需要按照传输层协议对数据重组, 在上位 机实现汽车电控单元的通信协议与串行通信的协议 转换和电平转换。4
12、总线数值与物理数值的转换一个参数可以通过物理数值和总线数值两种方 式表示, 物理数值 是参数的 实际数值大小。而为 了使参数能够在总线上有效可靠地传输, 定义了参 数的总线数值 W。通过比例系数 和偏移量 f 可以 对参数的物理数值和总线数值进行换算, 即图 4 服务请求 /响应信息发送图= W+ f W= ( - f) /( 1) ( 2)3 1 诊断设备硬件设计 诊断仪器设备 的核心 是 ARM 系列中的 16 / 32 位 RISC 处理器 S3C2410A, 该处理器为一般类型应 用提供了低价格、 低功耗、 高性能小型微控制器的解 决方案。它提供了非常丰富的内部设备 LCD 控制 器,
13、 支持 FLAS 系 统引导, 系统管理器 ( 片 选逻辑和 H SDRAM 控制器 )、 触摸屏接 口、 USB 接口、SD 卡 接 口、 两通道的 SP I以及内部 PLL 时钟倍频器等等; 在 外部扩展一片 FLAS 和两片 SDRAM, FLAS 启动 H H 和引导系统, 在 SDRAM 上执行主程序代码; 内部带 有 LCD控制器, 但 是不能与触摸屏直接相连, 需要 一个驱动电路, 通过触摸屏实现人机交互。 SD 存储 卡用来存储汽车电控单元的原始数据 2参数的长度是指参数所占的位数或字节数。参 数物理数值所要求的精度决定了参数的比例系数, 参 数物理数值的最大值与最小值决定了参
14、数的偏移量。 而物理数值的范围、 比例系数和偏移量决定了参数的 长度, 部分比例系数、 偏移量和参数长度见表 1 。 表 1 比例系数、 偏移量和长度参数名称 电压 行驶里程 转矩 转速 温度 压力 踏板信号 百分比信号 速度 比例系数 0 1V / b 1km / b 1N m /b 偏移量 0 0 长度 1B 3B 范围 0 25 5 0 1 048 575 - 32 000 32 255 0 8 000 - 40 80 0 1 000 0 500 0 100 - 125 125 0 251 0 250- 32 000 2 B 0 - 40 0 0 0 - 125 0 0 2B 1B 1B
15、 1B 1B 1B 2B 1B1 r m in- 1 / b 1 /b。3 2 诊断设备软件设计 由于诊断设备的控制芯片支持 W in dow s CE 操 作系 统, 编程工具采用 Embedded V isualC + + 。汽 车 故障诊断系统主应用程序是典型的基于对话框的 应用程序, 负责 跟用户交互、 访问诊断算法及芯片操 作管理模块 34kPa/ b 2kPa/ b 0 4 /b % 1% / b 1 / 256km 1km h h- 1 /b- 1/b。系统的简化类图如图 5所示。5 控制器故障诊断代码设计故障诊断代码 ( DTC ) 由 4个字 节数组成, 用以 识别故障状态、
16、 故障类型、 故障模式以及发生故障的 次数。一个 DTC 分 为如下 4个独立的域。 ( 1) 可疑参数编号: 19b 用于确定发生故障的 ,图 5 系统的简化类图状态。 ( 2) 故障模式标志 ( FM I) : 5b 用于确定控制器 , 故障类型。3 3 数据通信链接2008( V o . 30) N o 10 l .张宏, 等 : 基于 CAN 总线的汽车故障诊断系统 研究与设计937FM I= 0 数据有效但高出正常操作的范 围 ! ! ! : 最严重等级。数据处于定义的有效范围之内, 但实 际情况却高于正常的范围, 该 情况定义为最严重的 等级。数据值的广播仍正常进行。 FM I=
17、1 数据有效但低于正常操作的范围 ! ! ! : 最严重等级。数据处于定义的有效范围之内, 但实 际情况却低于正常的范围, 该情况定义为最严重的 等级。数据值的广播仍正常进行。 FM I= 2 数据不稳定、 : 间断或者不正确。异常速 度下的不稳定数据或间歇数据, 这在实际情况中是 不可能发生的, 同时产生的原因肯定是由于对测量 装置不正确的操作或连接。 FM I= 3 高于正常电压或对高电源短路。 : FM I= 4 低于正常电压或对低电源短路。 : FM I= 5 低于正常电流或开路。 : ( a) 低于预定限制的一个电压信号、 数据或其 他, 该限制由信号范 围定义的区域界定。数据广播
18、由 ? 错误指示 #代替。 ( b) 加给 ECU 的任意一个外部信号, 该信号当 ECU 要求它的电流接通时仍保持关断状态。数据广 播由 ? 错误指示 #代替。 FM I= 6 高于正常电流或对地短路。 : ( a) 高于预定限制的一个电压信号或数据, 该 限制由信号范围定义的区域界定。数据广播由 ? 错 误指示 #代替。 ( b) 加给 ECU 的任意一个外部信号, 该信号当 ECU 要求它的电流关断时仍保持接通状态, 数据广 播由 ? 错误指示 #代替。 FM I= 7 机械系统不响应或无法调节。由于不 : 正确的机械调节、 不正确的响应或由非电子电气系 统故障引起的机械系统动作而导致的
19、任意故障。这 类故障与正常广播信息的值直接或间接相关。 FM I= 8 非正常的频率或脉宽。 : FM I= 9 异常的更新速度。通过数据链路接收 : 到的数据、 执行器或传感器的输入没有按照 ECU 要 求的速度更新, 以及 ECU 没有按系统要求的速度传 送信息的错误。这类故障与正常广播信息的值直接 或间接相关。 FM I= 10 异常的改变速率。 : FM I= 11 引起故障的原因未知。 : FM I= 12 部件损坏。 : FM I= 13 超出校准范围。这种故障是由子系统 :对控制器所采用的校准进行确认发现其超时而引起 的。 FM I= 14 特殊指令。 : FM I= 15 数据
20、有效但高于正常范围 ! ! ! 最不严 : 重水平。 FM I= 16 数据有效但低于正常操作范 围 ! ! ! 中 : 等严重水平。 FM I= 17 接收到的网络数据错误。该故障的存 : 在是由于网络接收到的数据被 ? 错误指 示 #值所 取 代。 ( 3) 发生次数 ( OC ) : 7b 表示一个故障从一种 , 状态到另一种状态的变化次数。 ( 4) 可疑编号的转换方式 ( CM ): 1b 置 为 0 , 。6 仿真与测试利用 CANoe 软件和相关硬件 板卡组成三亿文库包含各类专业文献、各类资格考试、行业资料、高等教育、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、中学教育、外语学习资料等内容。
