基于第二代車載診斷系統接口的汽車嵌入式診斷儀設計

秦穎頎 陳雪峰

（上海蔚來汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

第二代車載診斷系統（On Board Diagnostics Ⅱ，OBD Ⅱ）將汽車排放和駕駛相關故障的診斷標準化，使不同制造商生產的車輛具有相同的故障代碼[1-7]。目前，大多數整車制造商采用OBD Ⅱ標準+ISO 14229 統一診斷服務（Unified Diagnostic Services，UDS）協議[8]開發車載電子控制單元（Electric Control Unit，ECU），車載診斷功能逐步擴展為支持多種車載ECU 的診斷。但汽車診斷儀的種類繁多，體積和質量通常較大，成本較高，且不支持二次開發或者二次開發比較困難，難以滿足整車制造商的特殊使用需求，如軟件定制化更改、研發階段大量的診斷工具需求、無網絡覆蓋的離線場景等。

為此，本文開發一種嵌入式診斷儀，通過連接整車OBD Ⅱ接口與整車診斷控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線通信，并設計3種工作模式，即與外部手機等藍牙設備通信、與外部計算機等串行接口設備通信、自行記憶上一次的指令，快速執行各項診斷任務，如診斷故障碼（Diagnostic Trouble Code，DTC）刪除與讀取、開關運輸模式、執行器標定等。診斷儀硬件基于STM32 單片機開發，并設計電源模塊、快閃存儲（Trans Flash，TF）卡存儲模塊、藍牙模塊、CAN 驅動模塊、發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示模塊、蜂鳴器發聲模塊以及通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口模塊等外設擴展模塊；診斷儀軟件基于C語言進行嵌入式開發。

2 診斷儀基本工作原理

OBD Ⅱ接口一般采用標準尺寸的16 針梯形母接頭，診斷儀通過OBD Ⅱ接口與車輛網關的診斷CAN 總線 連接，進 而接入整 車ECU 的CAN/LIN 網絡，與整車ECU 進行診斷通信，引腳及其定義如圖1和表1所示。本文主要使用6個引腳，即Pin1、Pin4、Pin5、Pin6、Pin14、Pin16：Pin4、Pin5、Pin16 用于獲取12 V 電源，為診斷儀供電；Pin6、Pin14 是診斷CAN總線引腳，診斷儀通過一路CAN（500 kbit/s）與網關通信，支持CAN 2.0A/B 數據傳輸協議和UDS 協議，支持各種中斷服務，保證信息及時處理；Pin1 為點火信號端子KL15，用于獲取車輛點火/上電狀態。

表1 OBD Ⅱ接口引腳定義

圖1 OBD Ⅱ接口引腳排布

該診斷儀支持BLE 4.0協議，可通過藍牙接口與外部手機連接，也可通過USB 2.0接口與外部計算機設備連接。在線模式下，手機和計算機可以發出不同的診斷指令，同時顯示診斷結果。離線模式適用于執行單一指令操作，如打開運輸模式，診斷儀通過記憶之前的指令，每次上電時均執行同一指令。

診斷儀支持TF卡存儲，可將所有診斷過程信息存儲到TF卡上，用于測試結果追溯。診斷儀的系統原理如圖2所示。

圖2 診斷儀的系統框圖

3 電路結構

3.1 MCU最小系統電路

主控制器選擇STM32F103 系列微控制單元（Micro Controller Unit，MCU），采用ARM Cortex-M內核的32 位微控制器，供電電壓為2.0～3.6 V（一般選擇3.3 V），最高工作頻率為72 MHz，片上集成256 KB的閃存（Flash Memory），48 KB 的靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM），可滿足中等復雜度的程序要求[9]。該MCU具有豐富的硬件接口，如CAN 2.0B 接口、安全數字輸入輸出（Secure Digital Input and Output，SDIO）接口、通用同步/異步收 發 器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口，非常適合作為OBD診斷儀的主控制器，最小系統電路如圖3所示。

圖3 主控制器最小系統電路

3.2 電源電路

診斷儀的輸入電壓為12 V，從OBD 引腳直接取電，通過兩級降壓：一級降壓芯片選擇78M05 三端正線性穩壓器，將電壓降至5 V，用于CAN 收發器的供電，78M05 具有芯片體積小、輸出電流大（峰值電流為700 mA）、輸出電壓噪聲低（40 μV）、工作溫度范圍大（-65～150 ℃）的優點[2]，無需使用散熱片；二級降壓芯片選擇AMS1117-3.3 三端正向低壓降穩壓器，將電壓降至3.3 V，用于MCU系統、SD卡、藍牙、串行接口等模塊的供電，AMS1117-3.3芯片體積小、輸出電流大（峰值電流為1 A）、工作溫度范圍大（-40～125 ℃）、工作壓差低（最低為1 V），同樣無需使用散熱片[10]。電源模塊電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

3.3 CAN收發器電路

MCU 的CAN 接口無法直接發送和接收符合CAN 總線物理層協議的差分信號，需要通過CAN 收發器進行電平轉換，本文選擇TJA1050 作為CAN 收發器。TJA1050 的供電電壓為4.75～5.25 V（一般選擇5 V），電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）斜率控制較好，無源特性良好（不上電時總線引腳漏電流為0 μA），總線傳輸速率最高支持1 Mbit/s，輸入電平兼容3.3 V MCU 電平，與GB/T 41588.1—2022《道路車輛 控制器局域網（CAN） 第1 部分：數據鏈路層和物理信令》完全兼容，具有總線引腳短路保護功能[11]，其電路如圖5所示。

圖5 CAN收發器電路

3.4 藍牙模塊接口電路

根據診斷儀的實際使用場景，人機交互均在近距離條件下進行，故選擇藍牙作為無線通信方式。選用HC-05 藍牙模塊，通過MCU 的USART 串行接口驅動，可以與手機等外部藍牙設備進行無線通信。HC-05 藍牙模塊體積較小，適合直接焊接在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）上，支持主、從模式（診斷儀選擇從模式），供電電壓為3.3～3.6 V（一般選擇3.3 V，完全兼容MCU TTL 電平），指令集豐富，通信距離可達8 m，工作穩定，其與MCU 的接口電路如圖6所示。

圖6 藍牙模塊接口電路

3.5 數據存儲模塊接口電路

選擇TF 卡作為數據存儲模塊，TF 卡相對SD 卡體積較小，適用于PCB 空間有限的場景。通過MCU自帶的SD/TF 卡驅動接口SDIO 模塊進行控制，很容易實現文件分配表（File Allocation Table，FAT）文件系統的創建和編輯，存儲數據穩定，診斷結果可以實時備份在TF卡中，存儲模塊電路如圖7所示。

圖7 TF卡存儲模塊電路

3.6 串行接口模塊電路

為實現診斷儀與計算機等設備的有線通信，選擇CH340 作為USB 轉通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）芯 片。CH340 完全兼容USB 2.0，與Windows 的串行接口應用程序也完全兼容，供電電壓支持3.3 V 和5 V，支持50 bit/s～2 Mbit/s 傳 輸 速 率[12]。選 擇MCU 的USART1 模塊接口用于串行接口通信，同時作為STM32 的程序燒寫口，串行接口電路如圖8 所示，PCB 上也同時預留了串行線調試（Serial Wire Debug，SWD）+燒寫接口。

圖8 串口模塊電路

3.7 其他輔助電路

其他的輔助電路包括：

a.聲光指示模塊電路。使用一支蜂鳴器發聲，使用RGB混色LED發光，電路如圖9所示。

圖9 聲光指示模塊電路

b. KL15 光耦隔離電路。使用EL357 光耦實現電氣隔離和降壓，電路如圖10所示。

圖10 KL15光耦隔離電路

c. 離線時鐘電源模塊電路。使用紐扣電池方案，在不連接實車時保持診斷儀的時鐘正常運行，保證診斷結果可追溯，電路如圖11所示。

圖11 離線時鐘電源模塊電路

d.OBD Ⅱ接口電路。選擇標準尺寸的OBD Ⅱ公頭作為主接插件與車端對接，實現診斷通信，電路如圖12所示。

圖12 OBD Ⅱ接口電路

4 軟件實現方法

使用C 語言進行嵌入式程序開發，在Keil 集成開發環境（Integrated Development Environment，IDE）下進行編譯和調試，編程的主體思路是軟件配合硬件，即先完成電路設計、PCB布線，再進行軟件開發，因為相對于硬件更改，軟件調整的靈活度更高。目前，STM32編程一般分為3個層級，即底層硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）、中間驅動層、上層應用層，為提高程序的可讀性和簡潔性，本文未采用HAL 編程，采用中間驅動層+上層應用層的編程方式。

驅動層采用STM32官方固件庫函數作為應用程序接口（Application Programming Interface，API），取代傳統的直接寄存器配置方案，以提高編程效率和代碼的可讀性。具體功能包括通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）端口初始化、CAN模塊初始化、USART模塊初始化、SDIO模塊初始化、中斷初始化等，使用的典型固件庫函數集合如表2所示[13]。

表2 主要使用的固件庫函數集

上層應用層通過調用中間驅動層API封裝具體功能需求。應用層函數主要包括2 類：一是實現基礎通信功能的函數，包括CAN 信號發送和接收、藍牙/串行接口消息的發送和接收、TF 卡的讀寫操作、聲光邏輯控制等；二是實現具體應用，包括各種UDS診斷控制流等。

診斷儀總體的軟件工作流程如圖13所示。

圖13 診斷儀軟件流程

5 應用與測試

診斷儀不主動向手機推送藍牙信息（除自動發送“AT+INQC”連接信息外，直接忽略該信號即可），任何信息的調取，都需要手機APP 先發送指令，避免誤操作，主要功能如表3所示。

表3 診斷功能

針對表3 所示的功能，設計了功能測試和性能測試：功能測試主要包含藍牙通信、診斷指令執行、診斷結果讀取、測試結果日志打印；性能測試主要包含長時間開機（大于10 h）、反復上下電（5 000次）、循環執行指令功能。測試中發現的一些嚴重軟件錯誤（Bug)，如數組越界導致異常重啟、壓力測試下程序跑飛，進行了代碼修復，可以實現連續開機超過10 h和上下電5 000次無異常。

6 結束語

本文設計了一種基于OBD II 接口的診斷儀，采用汽車行業標準的軟、硬件接口（軟件采用CAN 2.0/UDS 協議接口，硬件采用OBD II 接口），設計了電源模塊、TF 卡存儲模塊、藍牙模塊、CAN 驅動模塊、LED顯示模塊、蜂鳴器發聲模塊、USB接口模塊等外設擴展模塊，采用分層架構進行了嵌入式軟件開發，對于UDS 的基本功能，均提前封裝為中間層API，作為原子能力供上層APP 調用，降低了軟件開發的難度，提高了功能迭代的效率。