一种汽车远程故障诊断仪TBOX的设计和实现

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结合国家相关规定，该文提出了一款针对新能源电动汽车远程诊断系统，该系统能够实时监控整车及其关键零部件运行数据，并通过无线、互联网络等远程查询整车的运行状态，远程对车辆的故障进行诊断，同时能够将采集的数据上传服务器，为新能源汽车研发提供车辆运行数据，为其研发改进、质量提升提供必要的技术支撑手段。

故障诊断仪的应用环境示意图如图1所示。

故障诊断设备功能要求如下。

通信功能类：

配置CAN总线接口，支持标准KWP/UDS协议；

含GPS模块，支持GPS定位导航等拓展功能；

配置无线数据通信模块，具备远程数据查询、故障诊断功能；

支持实时数据流上传功能，支持历史故障信息上传；

数据自动上传功能，上传周期可配置功能。

存储功能类：

配置NVM（SD卡）存储器，具有本地存储功能；

具有重要数据SD卡和服务器双重备份功能。

ARM的CORTEX-M3处理器是新一代的嵌入式处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。STM32F105RCT6拥有内置的ARM核心，它与所有的ARM工具和软件兼容。

2通信模块

通信模块目前采用华为GPRS模块MG323，同时预留3G通信模块接口，3G模块预计采用SIMCOM公司SIM5832，该模块为车载级产品，在此不作详细介绍。

华为公司MG323模块单元支持四频GSM850/900/1800/1900。最大发射功率为EGSM850Class4（2W），EGSM900Class4（2W），SM1800Class1（1W），GSM1900Class1（1W）。接收灵敏度

正常上电后，GSM模块基本在30秒连上GSM网络，50秒连上服务器，基本在1分钟内就能建立与服务器的正常数据链路。

模块接口方式简单，仅需电源和1个RS232串口，使用方便。单片机串口与模块串口连接，即可通过发送AT指令控制GSM模块，实现GPRS网络的数据发送、GSM的语音通话和EMS短信功能。

3GPS模块

目前GPS模块几大主要厂商都推出了面向车载和个人通信领域的集成化模块。根据我们的小型化GPS终端设计需求，在进行了性能对比测试后，选用日本JRC的G595模块，该模块在市场上已经得到大规模成功应用。

若休眠时不要求GPRS工作，可关闭GPRS电源，节省5mA静态电流，整机静态电流约为2mA左右。

终端唤醒方式：终端处于停机状态时，可通过两种方式唤醒终端单片机进入正常工作模式。一是通过CAN接口唤醒，停机状态下CAN收发器通过I/O控制进入低功耗的standby模式，此时CAN发送器被禁止，接收器处于监听状态。一旦CAN总线有数据过来就CAN收发器就恢复到高速传输模式，然后CAN接口的数据变化再把单片机从低功耗等待模式（LPWFI）唤醒。这种唤醒方式主要用于发动机启动后ECU通过CAN总线发命令唤醒。二是通过ON信号唤醒，当车钥匙转动到ON挡时，系统也会唤醒，开始工作。

6电源处理电路

终端是应用于12V新能源电动汽车，汽车电磁环境比较恶劣，进入系统的电源必须经过严格处理，才能保证系统的稳定工作。电源处理电路包括防反接保护、浪涌保护、EMI静噪滤波器、π型滤波和DC-DC处理5个部分，处理框图如图6所示。各部分说明如下：防反接保护使用一个普通二极管就可以实现。浪涌保护包括一个TVS管，可以有效抑制类似于脉冲5的干扰。EMI静噪滤波器是一款小尺寸、引线型结构，实现了良好的高频性能。π型滤波电路进一步滤除噪声，净化进入后端电路的电源。DC-DC处理根据实际应用完成各种类电源转换。

7存储器

本设备的存储器分为单片机内部Flash和外接存储单元两部分。STM32F105RCT6内置了256KBFlash，主要用于存放程序代码。外接存储单元为串行Flash存储器和miniSD卡。外部Flash存储器用于存储系统的配置参数数据，本设计采用ATMEL公司的串行FlashAT25DF161-SH-T，接口形式采用SPI方式，容量为2MB。由于STM32F105RCT6没有SDIO并行接口，因此采用SPI方式驱动miniSD卡。SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。SD方式时的数据传输速度比SPI方式要快，但采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。

SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不仅给开发上带来方便，同时也降低了开发成本。

软件设计

在组成上有两大部分软件构成，一个是引导程序；一个是主程序，如图7所示。引导程序在程序上电时立即启动，首先检测升级标志，若标志存在则从片外Flash加载升级程序到片内Flash，并跳转到新程序运行；否则仍跳转至原程序运行。

系统软件架构为典型的前后台式架构，基本流程如图8所示，整体采用模块化的软件设计方法，将系统功能分解为多个子模块，每个模块对应一个状态机，系统在初始化完成之后，即进入主循环，各状态机依据在程序中的前后位置依次获得CPU时间循环运行。

在主程序被引导后，第一步执行软硬件初始化任务。包括申请必要的软件资源，配置硬件参数，如时钟、定时器、IO口、串口、AD采样等，并使能相关外设。

初始化完成后，进入主循环。包括电源管理、网络通信处理、CAN数据采集及故障诊断、定位及违章报警处理、发送任务管理等子模块。

网络及通信模块：为上层应用提供稳定的通信链路层。包括设备初始化、登录、网络自动恢复、短信处理、数据发送处理等。通信方式为串口。

CAN数据采集及故障诊断：实时采集CAN数据，检测故障标志位，如置位则发起诊断协议读取故障码并上报到服务器；同时设备接收其他总线节点发起的自诊断请求。诊断协议要求支持KWP2000onCAN和UDS故障诊断标准，支持ISO15765-2传输层协议。

发送任务管理模块：将网络和短信发送任务的发送过程进行统一管理，发送任务管理，负责任务的提交、调度、发送、超时控制和重发、发送状态的异步反馈。主要作用是：将应用层与通信层分离，使得应用层只需专注于协议本身的逻辑处理，而屏蔽了网络数据传输的细节。

总结

本文实现了一种支持通用诊断协议标准的，应用于纯电动汽车开发的远程故障诊断tbox设备，该设备能够实时监控整车及其关键零部件运行数据，并通过无线、互联网络等网络基础设施，远程查询整车的运行状态，对车辆进行远程故障诊断，并及时获取故障及状态数据，为新能源汽车关键设备的运行状态管理提供有力的技术手段。