无线传感器网络的汽车ECU数据交互模块研究

李智，龚元明

(上海工程技术大学 汽车学院，上海 201620)



李智，龚元明

(上海工程技术大学 汽车学院，上海 201620)

摘要:设计了基于无线通信网络的汽车ECU数据采集和控制模块，实现了多路的信息采集、运行数据的存储及数据向上位机的传输，主要描述了模块实现的故障诊断和发动机MAP标定动能。硬件结构简单，通过更换调理电路实现了各种不同信号量的采集和传输，由于软件采用多任务模块化设计的方法，代码高效简洁且具有较高的可移植性。

关键词:ECU；OBD；蓝牙；无线；BOOT；诊断；发动机标定

引言

无线传感器网络(WSN)技术已经被应用到很多领域，国内外汽车行业都致力于WSN技术在车载系统中的应用，系统硬件构图如图1所示。

图1　系统硬件构图

无线OBD模块被安装到车辆的OBD 连接器上，通过车载网络，如CAN(控制器局域网)来收集ECU信息。将 ECU信息和传感器信息发送到移动终端(智能手机)，以提供给车辆驾驶员和技术人员。如果想实现与汽车ECU之间的数据通信，那就离不开通信协议。所谓的通信协议是一组关于集合的规则和惯例，如果两个设备开始相互通信，那一定是有通信要求，并且规定了进入通信状态的时间和如何相互通信等问题。因此，通信的双方需要符合双方可以接受的协议，以完成此次通信。就诊断来说，各大汽车公司或汽车零部件制造商在ECU的研究阶段建立了相关标准的车载诊断协议,以确保车辆诊断测试仪与ECU可以建立通信连接。

KWP2000目前广泛在欧洲汽车领域被广泛使用，它实现了一套完整的板载诊断服务系统，可满足欧洲车载诊断标准。SAEJ1939(以下简称J1939)是美国汽车工程协会(SAE)的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电子部件间的通信提供标准的体系结构,是在商用车辆、舰船、轨道机车、农业机械和大型发动机中广泛应用的应用层协议。CCP(CAN Calibration Protocol)是一种基于CAN总线的ECU(Electronic Control Unit)标定协议,已经在许多欧美汽车厂商中得到应用,采用CCP协议可以快速而有效地实现对汽车电控单元的标定。

本文提出的模块设计要求是使用普通的移动终端就可以与ECU 进行数据通信，可实现程序自启动、发动机故障诊断和MAP标定等功能。

1系统总体方案设计

整个系统主要由单片机、无线数据收发器CAN通信接口以及信号电平变换电路组成。移动终端通过无线信道发送有效的自定义指令给数据采集和控制模块，该模块对简易指令进行解析成为标准的车载网通信协议，与ECU进行数据交互。同样，车辆ECU中的反馈响应信号也可以通过此模块发送到对应的移动终端，完成无线数据传输。

2系统硬件结构设计

系统硬件主要由4部分组成：微处理器模块、CAN通信模块、蓝牙模块和nRF905无线收发模块。

2.1微处理器模块

系统以16位XC2000X单片机为核心完成控制任务，该系列单片机内部有192～832 KB 的闪存、可选EEPROM 仿真，其所提供的最大 CPU 时钟频率为 128 MHz，具有执行效率高、功耗低等优点，能满足汽车ECU数据采集的要求。

被测信号经调理电路处理后，传送给微处理器进行数据采集和存储，同时针对不同上位机请求对数据作不同处理，并通过无线收发模块传送给上位机显示和分析。

2.2CAN通信模块

CAN通信模块电路采用的是TLE6250系列芯片，通过该模块可将汽车OBD II接口中CAN 总线上的数据读取到16位XC2000X系列单片机中，也可以将单片机中的数据通过该电路发送给ECU。与CAN总线进行通信时，单片机主要功能模块包括CAN节点、报文控制器、报文RAM存储器、列表控制器逻辑、中断控制逻辑和地址译码，特性如下：

① 具有6个独立的CAN节点和256个报文对象。

② 每个CAN节点都有专用控制寄存器。

③ 数据传送速率最高可达1 Mb/s。

④ 报文对象可被单独分配给任意一个CAN节点。

⑤ 报文对象可被配置为发送或接收对象。

⑥ 根据CAN V2.0B规范发送和接收CAN帧，每个CAN节点都可以发送和接收11位标识符的标准帧和29位标识符的扩展帧。

⑦ 具有CAN报文传送控制和错误处理能力。

2.3蓝牙模块

系统采用专为智能无线数据传输而打造的FBT06系列芯片，模块采用Bluetooth2.1标准，支持主从模式软/硬件设置，具有有线、无线双AT通道、PIO扩展、ADC采样功能。蓝牙接口电路见图2。

图2　蓝牙接口电路

2.4nRF905无线收发模块

图3　无线芯片接口电路

蓝牙数据通信技术可在10 m的半径内实现无线数据通信，但蓝牙应用通信技术也会受到种种限制。根据设计中对数据传输速率、距离和工作稳定性的要求，选择无线收发器芯片nRF905，其接口电路如图3所示。nRF905交换信道的交换时间小于650 ns，适用于多通道需求的特殊场合。

芯片的工作电压范围为1.9～3.6 V,可以使用SPI接口直接连接到单片机，其配置也很方便。

3系统软件设计

3.1存储区域分配

为了满足设计要求，将片上Flash资源分成了4个部分(Boot程序区、数据区、用户程序区和用户数据区)。部分存储空间分配见图4。

图4　部分存储空间分配图

Boot程序和用户程序都有各自独立的中断向量表，分别指向各自的Flash区域。程序每次上电启动都从Boot启动区运行并等待一定时间，使得在线编程无论成功与否始终可以进行编程升级。在线编程完成后当场校验，将特征码写入特定区域，以此来判定应用程序是否合法，正确的特征码保证了应用程序的正确性。

3.2软件设计

数据采集和控制模块运用C语言和汇编语言进行程序开发，软件采用多任务模块化设计，实现在线升级、数据采集、CAN通信、故障诊断、MAP标定、无线通信等功能。

3.2.1故障诊断

本系统故障诊断程序以SAE J1939协议和KWP2000协议为基础进行CAN应用层协议开发。

SAE J1939协议基于CAN2.0B标准，采用29位的CAN扩展帧格式进行数据传输。CAN应用层协议主要包括：报文标识符ID，可用来指示报文的优先级，竞争总线权限时，ID值越小，优先级越高；报文数据域，在数据域中定义数据的起始位、数据长度、分辨率和偏移量等内容，单个报文可发送多达8个数据字节的内容。

基于CAN总线的KWP2000协议支持多包数据传输，并且多包数据的管理和组织是在网络层完成的，应用层不必关心数据的打包和解包过程。为实现这一功能，网络层定义了单帧、第一帧、连续帧、流控制帧4种PDU。故障诊断应用程序主流程见图5。

图5　故障诊断主流程图

3.2.2MAP参数标定

本系统对ECUMAP参数标定程序是以标准CCP 协议为基础开发的。CCP协议是在 CAN 数据帧的数据场中扩展的应用层协议，完全遵循 CAN 总线通信协议。

CCP协议规定了两种数据帧：命令接收数据帧 CRO(Command Receive Object)和数据发送数据帧 DTO(Data Transmission Object)。CRO 中包含了命令代码和相关传递参数，ECU 每接收一个 CRO，便使用 DTO向标定平台发送一个握手信号，这种情况下的 DTO 被称为 CRM(Command Return Message)。

此模块对ECU中油门扭矩、喷油正时、启动扭矩、启动喷油正时、怠速闭环积分增益等MAP参数进行采集，并实现上传、修改、下载和烧写等功能。以油门扭矩MAP上传为例，软件设计流程见图6。

图6　油门扭矩MAP上传流程图

4实验验证

为了验证模块诊断功能的可靠性和稳定性，将调试好的模块安装在某电控发动机的ECU上，进行发动机故障诊断，还对车速、加速踏板位置、蓄电池电压、实际扭矩百分比、负荷百分比、冷却液温度、燃油温度、进气歧管温度、发动机转速等12路信号进行采集，并与使用CANOE软件和模块采集的数据进行实时比对，确保模块功能的稳定可靠性。编译工具在线读取相关变量信号值界面略——编者注。

对于模块中发动机MAP标定功能的可靠性与稳定性的要求更加苛刻。此模块对ECU中油门扭矩、喷油正时、启动扭矩、启动喷油正时、怠速闭环积分增益等MAP参数进行采集和处理后，使用CANape软件进行纠错和验证，确保标定过程中关于MAP参数的上传、修改、下载和烧写等功能准确无误。图7显示CANape正在对ECU中启动扭矩MAP进行校验。

图7　CANape校验MAP界面

结语

设计了基于无线通信网络的汽车ECU数据采集和控制模块，实现了多路的信息采集、运行数据的存储及数据向上位机的传输、主要介绍了模块实现的故障诊断和发动机MAP标定动能。该系统硬件结构简单，通过更换调理电路实现了各种不同信号量的采集和传输，由于软件采用多任务模块化设计的方法，代码高效简洁，并且具有较高的移植性。无论是手机还是其他移动终端，都可以通过该模块实现汽车ECU数据的采集和控制。为了便于数据的分析和用户的操作，在后续的上位机软件设计中可将接收到的数据以图形和图表的形式进行显示。

参考文献

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李智(硕士研究生),主要研究方向为汽车电子控制技术；龚元明(教授),主要研究方向为汽车电子与控制技术、车联网等。

安森美半导体携手合作伙伴迎接物联网机遇

安森美半导体(ON Semiconductor)与GainSpan和GEO半导体展开合作，以迅速应对物联网(IoT)不断增长的潜力。通过该合作，客户将受益于每家公司在各自领域的领先优势：安森美半导体先进和广阔的图像传感器阵容，GEO的高性价比和高能效图像信号处理技术，以及GainSpan在低功耗Wi-Fi方案的专长。

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该方案的核心是安森美半导体的1/3英寸光学格式CMOS图像传感器AR0330，提供在微光条件下的卓越成像品质。这器件使用2304 x 1296有源像素阵列，能捕获300万像素静态图像。

Li Zhi,Gong Yuanming

(School of Automobile,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Abstract：The car ECU data acquisition and control module based on the wireless communication network is designed,which achieves multi-information acquisition,running data storage and data transmission to the upper computer.In the paper,the fault diagnosis and the kinetic energy of the engine MAP calibration are described.The design has simple hardware architecture,it achieves different semaphores acquisition and transmission through replacing conditioning circuit.Because the software uses multitasking modular design method,the code is simple and efficient and has high portability.

Key words:ECU;OBD；Bluetooth;wireless;BOOT;diagnose;calibration

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-06-25)

中图分类号:TP23

文献标识码:A