CAN总线的汽车故障诊断系统研究与设计

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
送时采用单帧传送方式，如图２（ａ）所示。
＿ 发送端高层
连续帧（２） Ｉ首帧Ｉ
诊断数据Ｉ
黼诊断数据ｌ ｌ发送端高层 Ｉ诊断数据ｌ
‘
．诊断数据Ｉ ｌ
●
体
Ｊ对等实体通信ｌ
通
ｌ连续帧（１）ｌ 等 信
ｌ连续帧（１）ｌ
Ｉ焉琳腮层ｌｌ｜发送端高层ｌ Ｉ首帧ｌ ·ｉ 连续帧（ｎ）
（１）可疑参数编号：１９ｂ，用于确定发生故障的 状态。
（２）故障模式标志（ＦＭＩ）：５ｂ，用于确定控制器 故障类型。
２００８（Ｖ０１．３０）Ｎｏ．１０
张宏，等：基于ＣＡＮ总线的汽车故障诊断系统研究与设计
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ＦＭＩ＝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。‘
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ＣＡＮｏｅ软件对ＥＣＵ和诊断设备进行测试。 关键词：汽车；故障诊断；ＣＡＮ
一·
．‘··．Ｅ
√
， ，
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ Ｂｕｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ＣＡＮ
日｝Ｊ吾
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，ＩＳ０１４２３０和 ＩＳ０９１４１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 ＩＳ０１５７６５，它可满足Ｅ·ＯＢＤ的系统要求，ＩＳ０１５７６５ 以ＩＳ０１４２２９—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
Ｚｈａｎｇ Ｈｏｎｇ．Ｚｈａｎ Ｄｅｋａｉ＆Ｌｉｎ Ｃｈａｎｇｊｉａ Ｅ／ｅｃｔｒ／ｃ Ｄｅｐａｍｎ删，Ｂｒｉｌｌｉａｎｃｅ Ａｕｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄ郫“ｏｐｍ州Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１４１
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ １ ５７６５ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＩＳＯ １５７６５ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ，ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｃｏｄｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＡＮ－ｂａｓｅｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ＥＣＵ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＡＮｏｅ．
ｌＢ
—１２５一１２５
１／２５６ｋｍ·ｈ—Ｉ／ｂ
Ｏ
２Ｂ
速度
１ｋｍ．ｈ一１／ｂ
０
１Ｂ
０—２５１ Ｏ一２５０
－－
图５系统的简化类图
３．３数据通信链接
万方数据
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、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。
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ｌ。
表Ｉ 比例系数、偏移量和长度
参数名称
比例系数
偏移量 长度
范围
电压
０．１ｖ／ｂ
Ｏ
ｌＢ
０—２５．５
行驶里程
ｌｋｍ／ｂ
０
３Ｂ
………兰要塞里………
应网用络层层臣臣匦互巫回习
铆警厂而面磊订
物理层［二亘夏函 路层 Ｉ ：：＝：：：：：：：
图１ ＩＳ０１５７６５通 信系统模型
用层采用了ＩＳ０１５７６５—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。
万方数据
２００８（Ｖｄ．３０）Ｎｏ．１０
４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，物理数值哕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
数的总线数值形。通过比例系数＇７和偏移量／可以
对参数的物理数值和总线数值进行换算，即
缈＝叼形＋／
（１）
形＝（缈一力／叼
（２）
参数的长度是指参数所占的位数或字节数。参
万方数据
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）。
由于诊断设备的控制芯片支持Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操 作系统，编程工具采用Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＶｉｓｕａｌＣ＋＋。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ｐＪ。系统的简化类图如图５所示。
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。
的适用性和可操作性更强，并与ＩＳ０１４２３０应用层的 服务和参数完全兼容。ＩＳ０１５７６５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 将成为未来汽车行业的通用诊断标准‘¨。
１ ＩＳ０１５７６５的体系结构
ＩＳ０１５７６５协议把 ＫＷＰ２０００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，ＩＳ０１５７６５将通信系 统分为４层，如图１所示。 数据链路层采用了 ＩＳ０１１８９８—１协议，该协议 是对ＣＡＮ２．ＯＢ协议的进 一步标准化和规范化；应
黼ｌ 服务请求：ＳＡ＝２４１ ＴＡ＝２００ ＲＡ＝６２ 服务确文－矗＝２００ＴＡ叫。ＲＡ咆
ＳＡ＝２００
ＥＣＵ ＳＡ＝６２
壁堑堕查！！垒三！！坠兰！坠兰兰！
服务响应：ＳＡ＝６２ ＴＡ＝１０ ＲＡ＝２４１
ＣＡＮ
网关 ＳＡ＝１０
图４服务请求／响应信息发送图
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￥３Ｃ２４１０Ａ，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，支持ＦＬＡＳＨ系统引导，系统管理器（片选逻辑和 ＳＤＲＡＭ控制器）、触摸屏接口、ＵＳＢ接口、ＳＤ卡接 口、两通道的ＳＰＩ以及内部ＰＬＬ时钟倍频器等等；在 外部扩展一片ＦＬＡＳＨ和两片ＳＤＲＡＭ，ＦＬＡＳＨ启动 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【２Ｊ。 ３．２诊断设备软件设计
２００８年（第３０卷）第１０期
汽车工程
Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００８（Ｖ０１．３０）Ｎｏ．１０ 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 （华晨汽车研发中心电子电气处。沈阳１１０１４１）
【摘要］ 介绍了基于ＣＡＮ的车载故障诊断标准ＩＳ０１５７６５的体系结构，分析了ＩＳ０１５７６５网络层的数据传送方’
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
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ＳＴｍｉｎ 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；ＳＴｍｉｎ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
本项目是针对Ｍ１１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。
接收端网络
发送端网络
系统层连续帧（２） 系统层
（ａ）单帧传送（”多帧传送
４’
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。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
Ｏ。１ ０４８ ５７５
转矩
１Ｎ·ｍ／ｂ
一３２ ０００ ２ Ｂ ．．３２ ０００．．３２ ２５５
转速
１ｒ．ｍｉｎ—ｌ／ｂ
０Baidu Nhomakorabea
２Ｂ
０～８ ｏ（）０
温度
ｌ℃／ｂ
一４０
ｌＢ
一４０—８０
压力
４ｋＰａ／，ｂ ２ｋＰ“ｂ
０
１Ｂ
０
１Ｂ
Ｏ—ｌ ０００ Ｏ一５００
踏板信号
Ｏ．４％／ｂ
Ｏ
１Ｂ
Ｏ一１００
百分比信号
ｌ％／ｂ
—１２５
张宏，等：基于ＣＡＮ总线的汽车故障诊断系统研究与设计
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于Ｋ线的应用层协议ＩＳ０１４２３０—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、检查、监控、诊断管理等功 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（Ｔｅｓｔｅｒ）的服务请求、ＥＣＵ的服务 指示、ＥＣＵ的服务响应和Ｔｅｓｔｅｒ的服务确认。这些 数据结构中包含了地址信息、服务请求ＩＤ和服务请 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。ＩＳ０１５７６５—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 Ｔｙｐｅ）和远程地址（ＲＡ）。
ＥＣＵ ｌ ｌ ＴＣＵ ｆ Ｉ嚣ｆ‰烈懈荔
灯光控制ｌ ｌ转矩分ｌ ｌ转向盘转
【一画目一 系统
ｌ配系统ｌ ｌ角控制器
车身后控制｜Ｉ乘客车门Ｉ Ｉ驾驶员
系统 ｌ控制器ｌ ｌ车门控制器
座然器器Ｉ Ｉ甏帮Ｉ Ｉ空调系统ｌ ｌ车瓣制ｌ Ｉ滕
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网络某控制器节点的服务请求／响