隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,，裝有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的新型汽車(chē)已越來(lái)越多的應(yīng)用于人們的日常生活中,，這使得汽車(chē)的動(dòng)力性,，經(jīng)濟(jì)性,，安全性，可靠性等有了極大的提高,。但同時(shí)也使得汽車(chē)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多了,，也使一般汽車(chē)維修診斷與排除汽車(chē)故障困難多了，而利用汽車(chē)電腦存儲(chǔ)的信息,，診斷與排除汽車(chē)故障的方法也應(yīng)運(yùn)而生,。儀器診斷是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代檢驗(yàn)方法。它是與車(chē)載故障自診斷系統(tǒng)配套使用的，從本質(zhì)上看,，它相當(dāng)于自診斷系統(tǒng)的終端設(shè)備,，起到人機(jī)交互的作用。該方法可在汽車(chē)不解體的情況下,，用儀器或設(shè)備測(cè)試汽車(chē)性能和故障參數(shù),，曲線或波形，甚至能自動(dòng)分析和判斷汽車(chē)的技術(shù)狀況,。隨著電噴發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的普及,，汽車(chē)故障診斷儀已作為一種必備的維修工具被大多數(shù)行業(yè)人士所接受。

　　本文設(shè)計(jì)的汽車(chē)故障診斷儀采用的是CYGNAL公司的低功耗單片機(jī)C8051F020作為核心,，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，通訊以及LCD顯示等各種功能。該儀器具有低功耗,，高精度,，攜帶方便適用于多種場(chǎng)合等特點(diǎn)。

　　1,、診斷儀原理與功能

　　1.1 硬件原理及作用

　?。?）診斷電子控制系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器狀態(tài)以及ECU的工作是否正常,。通過(guò)判斷ECU的輸入,、輸出電壓是否在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)，可以判斷電子控制系統(tǒng)工作是否正常,。

　?。?） 當(dāng)電子控制系統(tǒng)中的某一電路出現(xiàn)超出規(guī)定的信號(hào)時(shí)，該電路及相關(guān)的傳感器反映的故障信息以故障代碼的形式存儲(chǔ)到ECU內(nèi)部的存儲(chǔ)器中,，維修人員可利用該診斷儀來(lái)讀取故障碼,，使其顯示出來(lái)。

　　1.2 硬件支持的主要功能

　?。?） 通過(guò)CAN,、LIN通信模塊可以實(shí)現(xiàn)與車(chē)載內(nèi)各電子控制裝置ECU之間的對(duì)話，傳送故障代碼以及發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息,。

　?。?） 通過(guò)單片機(jī)的同步/異步收發(fā)器可以與PC機(jī)進(jìn)行串行通信從而完成數(shù)據(jù)交換，下載程序,，以及診斷儀升級(jí)等功能,。

　　（3） 通過(guò)液晶顯示器來(lái)顯示汽車(chē)運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障信息,。

　?。?） 通過(guò)鍵盤(pán)電路來(lái)執(zhí)行不同的診斷功能。

　　（5） 通過(guò)一種具有串行接口的大容量FLASH存儲(chǔ)器來(lái)保存大量的故障代碼及其測(cè)量數(shù)據(jù),。

　　2,、硬件電路及接口電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件電路的總體框架

　　該診斷儀硬件系統(tǒng)主要包括以下模塊：C8051F020處理器及其外圍擴(kuò)展電路模塊，鍵盤(pán),、液晶顯示模塊,，外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊，CAN,、LIN,通信模塊,；與PC機(jī)的串行通信模塊；另外還有電源電路以及系統(tǒng)復(fù)位電路,?？傮w框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)電路圖

　　2.2 C8051F020單片機(jī)電路

　　設(shè)計(jì)中CPU選擇的是Cygnal公司的C8051F020單片機(jī),，它采用具有與MCS-51指令集完全兼容的Cygnal公司的專利CIP-51微處理器內(nèi)核,峰值速度可達(dá)25MIPS,。并且在一個(gè)芯片內(nèi)集成了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括PGA、ADC,、DAC,、電壓比較器、電壓基準(zhǔn),、溫度傳感器,、SMBus/I2C、UART,、SPI,、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列,、內(nèi)部振蕩器,、看門(mén)狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等)。CIP-51對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè),，從而大大提高了指令運(yùn)行速度,。另外C8051F020單片機(jī)最獨(dú)特的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)。允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0,、P1,、P2和P3的端口I/O引腳，同時(shí)C8051F020還在內(nèi)部增加了復(fù)位源,從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性,，完全可以滿足診斷儀的功能要求,。

　　2.3 CAN、LIN總線接口電路的設(shè)計(jì)

　　2.3.1 CAN總線接口電路

　　CAN總線接口電路包括CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計(jì),。C8051F020與CAN驅(qū)動(dòng)芯片SJA1000T的接口電路如圖（2）所示本設(shè)計(jì)選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器。SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)ECU與微處理器之間的數(shù)據(jù)通信,。該電路的主要功能是完成CAN總線與單片機(jī)之間的通信,。PCA82C250為CAN控制器和物理總線之間的接口，它可以提供向總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力,，TXD和RXD引腳分別發(fā)送經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后的發(fā)送和接收信號(hào),。具體連接如圖2所示。 圖 2 CAN總線與單片機(jī)接口電路

　　2.3.2 LIN通信模塊的設(shè)計(jì)

　　LIN總線收發(fā)器選用PHILIPS公司的TJA1020,，它直接與單片機(jī)的串口相連,，電路連接圖如圖3， TJA1020 收發(fā)器是一個(gè)物理媒體連接,適合用于最高 20kBaud的LIN 傳輸速率,它的引腳TXD和NSLP 減小了輸入閥值, 輸出引腳 RXD和TXD 為漏極開(kāi)路. 因此它可以和使用3.3V 或5V 電源的微控制器兼容, 而且收發(fā)器本身不需要額外的VCC電源. 為使引腳RXD和TXD達(dá)到高電平,當(dāng)微控制器的端口引腳沒(méi)有集成上拉電阻時(shí),要加外部上拉電阻. 微控制器由 TX0向 TJA1020 的 TXD 引腳發(fā)送數(shù)據(jù),TJA1020的 RXD引腳向微控制器的 RX0 發(fā)送數(shù)據(jù),。LIN 收發(fā)器的睡眠控制輸入NSLP 可以通過(guò)微控制器的端口引腳來(lái)控制,。

圖3 LIN總線與單片機(jī)的接口電路

　　2.4 串行總線接口電路的設(shè)計(jì)

　　RS232串行通訊采用全雙工的模式，系統(tǒng)中配置一條數(shù)據(jù)發(fā)送線,。在同一時(shí)刻系統(tǒng)既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù),。圖（4）給出了串行通信電路連接圖。通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)把C8051F020單片機(jī)的P0.0,P0.1設(shè)置為T(mén)X0,RX0.RS232邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的,，與TTL,CMOS邏輯電平完全不同,。邏輯“1”電平為－5～－15，邏輯“0”電平為＋5～＋15之間,，其與單片機(jī)的邏輯電平不一致,，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，圖4采用SP3223轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平互相轉(zhuǎn)換,。 圖 4 串行總線接口電路

　　2.5 鍵盤(pán)顯示及存儲(chǔ)器電路

　　本設(shè)計(jì)主鍵盤(pán)采用4X4鍵盤(pán)輸入模塊,，其驅(qū)動(dòng)模塊采用的是SK5278，它是福州貝能科技有限公司推出的采用PIC內(nèi)核的鍵盤(pán)控制器,。該芯片采用4線串行接口,，可與任何種類的單片機(jī)接口；它具有按鍵有效指示輸出,，可用中斷方式管理鍵盤(pán),；其行線X0～X3與列線Y0～Y3可構(gòu)成4×4鍵盤(pán)矩陣；SK5278的16鍵鍵盤(pán)控制器內(nèi)含去抖動(dòng)處理電路,，因而可直接輸出鍵值,，并采用串行方式與單片機(jī)或微處理器進(jìn)行接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能鍵采用中段方式輸入,，整個(gè)工作流程通過(guò)不斷的掃描按鍵的狀態(tài),，判斷是否有健按下，當(dāng)有任意鍵按下時(shí),，即產(chǎn)生中段,，CPU執(zhí)行相應(yīng)的中段子程序,，若沒(méi)有健按下時(shí)，繼續(xù)掃描鍵盤(pán)的狀態(tài),，直到有健按下,，用鍵盤(pán)中斷處理程序完成一切和用戶之間的的信息交流。

　　顯示電路選用的OCMJ5X10是160×80點(diǎn)陣的中文圖文液晶圖形顯示器模塊,。該模塊的內(nèi)部由于含有國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體字庫(kù),，使得漢字的顯示異常方便；同時(shí),，該模塊與單片機(jī)的硬件接口除數(shù)據(jù)總線外,，僅使用了REQ/BUSY兩根握手信號(hào)線，簡(jiǎn)化了與單片機(jī)的硬件接口電路設(shè)計(jì),。上述特點(diǎn)對(duì)軟件,、硬件資源均十分緊張的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分重要的。

　　由于診斷系統(tǒng)中將涉及大量的故障代碼,，傳感器信息,，執(zhí)行起信息等一些數(shù)據(jù)信息，需要較大的存儲(chǔ)空間,。因此,，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片大容量的8Mbit的FLASH存儲(chǔ)器AT45DB081 。

　　3,、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,，整個(gè)程序包括主程序、初始化程序,、定時(shí)器中斷程序,、診斷協(xié)議程序、串行通訊程序,、鍵盤(pán)顯示程序,、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)程序。所有的程序均采用C語(yǔ)言編寫(xiě),，可以很方便的調(diào)試和下載程序代碼,。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖,，如圖5所示,。系統(tǒng)的主程序主要完成C8051F020單片機(jī)系統(tǒng)的初始化、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和功能寄存器,，調(diào)用鍵盤(pán)處理程序,，完成不同的功能，如根據(jù)不同的按鍵轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序,，完成不同的功能,。 圖5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　3.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

　　(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)電源電路及IC器件周?chē)渲眠m當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙轂V波,系統(tǒng)中電源地線,、MCU外圍電路地線、信號(hào)地線采用單點(diǎn)接地的方法可靠接地,，以減少不等位電勢(shì)的干擾,。

　　(2) 硬件濾波,此方法對(duì)串模干擾有很好的抑制作用,，常用RC 低通濾波器接在一些低頻信號(hào)輸入電路中,，可大大消弱高頻干擾信號(hào)。

　　(3) 印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí),數(shù)字電路與模擬電路隔離,數(shù)字的和模擬的僅在一點(diǎn)相連,有效地防止了數(shù)字電路對(duì)模信號(hào)的影響,。

　　(4) 為了防止電路模塊間的相互干擾,在電路板的設(shè)計(jì)中采用金屬機(jī)殼有效地屏蔽外界射頻信號(hào)的干擾.

　　3.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

　　(1)數(shù)字濾波,。在軟件設(shè)計(jì)時(shí),考慮了數(shù)字濾波程序的設(shè)計(jì),有效地排除了隨機(jī)干擾。

　　(2)設(shè)置冗余指令和軟件陷井,。通過(guò)應(yīng)用軟件陷阱法和數(shù)據(jù)冗余法有效的抑制了由于外部干擾,、震動(dòng)或瞬間故障引起的系統(tǒng)癱瘓和程序跑飛。

　　(3)軟件看門(mén)狗,。為防止程序運(yùn)行進(jìn)入死循環(huán),而不能被軟件陷井捕獲到,在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)了“軟件看門(mén)狗”程序,有效地防止了死循環(huán)造成的系統(tǒng)癱瘓,。

　　4、結(jié)論

　　本文以C8051F020單片機(jī)為核心開(kāi)發(fā)了ECU故障診斷儀,，該診斷儀能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)測(cè)量,，在線故障診斷和執(zhí)行器測(cè)試等功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、成本低,、體積小和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：該診斷儀工作穩(wěn)定,，操作方便,，抗干擾能力強(qiáng)。從而說(shuō)明了該診斷儀軟硬件設(shè)計(jì)比較合理,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。是維修人員的地得力助手，完全具有生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)值,。