基于MC9S12XET256的電動汽車UDS診斷儀設(shè)計

摘要：本文結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用廣泛的車載CAN總線UDS協(xié)議，在飛思卡爾的16位車載平臺MC9S12XET256上，實現(xiàn)了一款應(yīng)用于新能源電動汽車的UDS遠(yuǎn)程故障診斷儀。文章首先對系統(tǒng)使用的關(guān)鍵器件進(jìn)行了簡單說明，然后對接口電路進(jìn)行了描述，接著介紹了UDS診斷相關(guān)內(nèi)容，并且介紹了使用的具體場景，最后對設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)。

　　隨著傳統(tǒng)能源面臨的環(huán)境問題、成本問題等逐漸突出，國家從長遠(yuǎn)戰(zhàn)略發(fā)展角度考慮大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。而作為一個汽車保有量巨大的國家，汽車尾氣污染也是環(huán)境污染的重要因素。所以作為汽車產(chǎn)業(yè)中重要力量的純電動汽車的發(fā)展也得到了國家的大力支持。與傳統(tǒng)汽車的成熟度相比，純電動汽車在汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等都發(fā)生了重大的變化，而動力來源更是來自于充電電池組。因為整車惡劣的工作環(huán)境，電池的安全性問題也是非常突出。為了達(dá)到對新能源汽車的整車系統(tǒng)的全面監(jiān)控，同時結(jié)合國家對新能源純電動汽車的使用規(guī)范要求，結(jié)合CAN總線UDS診斷協(xié)議，本文設(shè)計并實現(xiàn)了針對新能源電動汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控整車及電池等關(guān)鍵模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可以通過手機(jī)或者電腦客戶端等監(jiān)控手段遠(yuǎn)程查詢整車的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以遠(yuǎn)程對車輛進(jìn)行故障診斷，同時能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)上傳服務(wù)器。為了增加系統(tǒng)的科技感，同時為了提高純電動汽車的客戶體驗度，本文設(shè)計并實現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程控制電動汽車的充電狀態(tài)，同時可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制空調(diào)及車門等部件的開關(guān)，以及遠(yuǎn)程查詢各部件的狀態(tài)。

　　UDS診斷儀主要實現(xiàn)的功能包括以下幾點：

　　1.實時監(jiān)控車載CAN總線上整車控制模塊、電池模塊、電機(jī)模塊等總線數(shù)據(jù);

　　2.監(jiān)控整車的極值數(shù)據(jù)，比如最高溫度、最低電池組電壓、最高電池組電壓等數(shù)據(jù)，當(dāng)超過安全門限時向服務(wù)器上報故障數(shù)據(jù);

　　3.根據(jù)UDS診斷協(xié)議，通過手機(jī)或者電腦客戶端界面遠(yuǎn)程診斷車載CAN總線的其它節(jié)點或者是UDS診斷儀自身，同時根據(jù)診斷配置選項，把診斷結(jié)果上傳到服務(wù)器;

　　4.通過手機(jī)或者是電腦客戶端實現(xiàn)對純電動汽車的遠(yuǎn)程控制，控制車門開關(guān)、充電啟動或停止、空調(diào)的啟動或者關(guān)閉。

1 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)MC9S12XET256

　　在該方案設(shè)計中使用飛思卡爾16位內(nèi)核的單片機(jī)MC9S12XET256，MC9S12XE系列16位單片機(jī)主要特性如下：

　　● 飛思卡爾16位內(nèi)核 CPU，最高40MHz工作頻率;

　　● 內(nèi)部有最高1MB Flash，64KB的SRAM;

　　● 支持低功耗模式：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式;

　　● 2個16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換范圍0～5V;

　　● 最多達(dá)152個多功能雙向的I/O口，還有2個輸入口;

　　● 最多達(dá)10個定時器;

　　● 最多達(dá)18個通信接口：2個I²C、8個USART、3個SPI、5個CAN(2.0A和2.0B)。

1.2 通信模塊

　　通信模塊目前采用華為GPRS模塊MG323-B模塊，此模塊的主要特性如下：

　　● 支持GSM/GPRS/EDGE 4頻：850/900/1800/1900MHz;

　　● 正常工作溫度：-20℃～+70℃，限制工作溫度：-30℃～-20℃和+70℃～+75℃，存儲溫度： -40℃～+85℃。支持HSDPA 3.6Mbps;

　　● 最大下行傳輸速率：85.6kbps，最大上行傳輸速率：42.8kbps;

　　● 最大發(fā)射功率為EGSM850 Class 4(2W)，EGSM900 Class 4(2W)，SM1800 Class 1(1W)，GSM1900 Class 1(1W)，接收靈敏度<-107dBm。

　　模塊使用方式簡單，僅需1路4.2V供電電源以及一個電源開關(guān)接口，通過RS232串口接口使用AT指令對模塊進(jìn)行操作，使用方便。通過AT指令可以實現(xiàn)模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)中心的數(shù)據(jù)鏈接建立、斷開等，也可以實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，也可以通過AT指令實現(xiàn)GSM的語音通話和EMS短信功能。

1.3 CAN單元

　　CAN單元包含兩路CAN接口，一路作為標(biāo)準(zhǔn)車身CAN通信接口，波特率500bps，另一路預(yù)留。CAN收發(fā)器選用NXP公司的收發(fā)器TJA1042/3，工作溫度-40℃～125℃。最大傳輸速度為1Mbps。芯片內(nèi)部帶過壓保護(hù)，CANH、CANL管腳耐壓值范圍-27V～40V，抗瞬態(tài)脈沖電壓范圍達(dá)到-200V～200V。

　　為了保證CAN電路的電磁兼容特性，在收發(fā)器的CAN總線外圍電路上還加入了共模電感和ESD保護(hù)。CAN部分具體電路圖見圖2。

1.4 電源單元

　　UDS診斷儀終端是應(yīng)用于12V新能源電動汽車，汽車電磁環(huán)境比較惡劣，進(jìn)入系統(tǒng)的電源必須經(jīng)過嚴(yán)格處理，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。同時因為新能源電動車上是電池供電，然后通過電機(jī)來驅(qū)動系統(tǒng)，這就比傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)生更多的干擾，電磁環(huán)境會更惡劣。因此本文設(shè)計了比較完整的電源電路系統(tǒng)，對系統(tǒng)的供電電源處理電路采用了包括防反接保護(hù)電路模塊、浪涌保護(hù)單元、EMI靜噪濾波器、π型濾波和DC-DC處理五個部分，處理框圖見圖3。各部分說明如下：防反接保護(hù)是通過一個普通二極管實現(xiàn)的，當(dāng)電源反接時二極管就會斷開，達(dá)到對系統(tǒng)的保護(hù)。浪涌保護(hù)包括一個TVS管，可以有效抑制類似于脈沖5的干擾，可以保證系統(tǒng)的良好的電磁兼容特性。EMI靜噪濾波器是一款小尺寸、引線型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了良好的高頻性能。π型濾波電路可以進(jìn)一步濾除噪聲，凈化進(jìn)入后端電路的電源。DC-DC處理根據(jù)實際應(yīng)用完成各種類電源轉(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計

　　UDS診斷儀的軟件采用模塊化分層設(shè)計的思路，UDS診斷儀軟件底層的驅(qū)動模塊都封裝成dll鏈接庫，向中間層或者是應(yīng)用層提供應(yīng)用接口。

　　CAN協(xié)議棧或者是平臺協(xié)議棧也是調(diào)用底層提供的dll庫接口來實現(xiàn)協(xié)議棧的功能。供應(yīng)商應(yīng)用軟件或者是用戶應(yīng)用軟件調(diào)用底層或者是協(xié)議棧層軟件提供的接口，實現(xiàn)用戶功能。系統(tǒng)軟件的層級結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 UDS診斷

　　UDS診斷協(xié)議包含的診斷服務(wù)如表1所示。