汽车故障诊断系统的设计与实现

毕业设计（论文）任务书

课题名称： 汽车故障诊断仪的研究

一、课题训练内容

(1) 培养学生收集资料、文献检索的能力，发现问题的能力； (2) 培养学生工程开发的能力，制定工作计划和协调组织的能力； (3) 培养学生综合运用所学专业知识、理论，解决实际工程问题的能力； (4) 培养学生原理设计、实验分析或理论推导的能力； (5) 培养学生撰写文档的能力；

(6) 培养学生阅读英语文献的能力和翻译的能力。

二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）

(1) 查阅课题相关参考文献、技术资料，做好备份，以便以后查找。学习画设计的原理图和制作PCB板的知识。

(2) 第四周前上交毕业设计开题报告一份。开题报告内容与学校模板要求一致，字数不少于2000字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作； (3) 第四周前上交一篇英文资料及其中文译文。英文资料内容应与所做课题内容相关或和电信专业知识相关，中文译文的字数不少于3000字；译文文理通顺，不得在线翻译；

(4) 完成原理设计，合理选择模块和元器件，绘制原理图和制作PCB板。完成硬件电路板的制作和软件的编写。最后完成模拟仿真测试和实际测试，达到系统指标的要求；

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(5) 完成毕业设计论文，字数不少于15000字。论文应包括中文摘要、英文摘要、目录、正文、参考文献、附录（可无）、致谢7个部分；具体每一部分的格式严格按照学校教务处模板的规定。

三、论文主要参数及主要参考资料

系统功能：论文主要研究了基于C8051F020单片机的故障诊断仪，它用来检测汽车性能和故障参数、曲线或波形，甚至能自动分析和判断汽车的技术状况。

主要参考资料：

[1] 张广辉，张宏坤．汽车故障诊断技术．北京：高等教育出版社，2005 [2] 李丽，毕建军．汽车检测维修设备结构原理与使用．北京：国防工业出版社，2005

[3] 高玉民．OBD．II随车电脑诊断系统简介．1999

[4] 屈梁生，陈岳东．计算机辅助检测与诊断技术．西安：西安交通大学出版社，1989

[5] 陈鲁训，陈萍．第二代随车电脑诊断系统OBD．II．汽车技术．1996 [6] 徐建平．现代汽车自诊断系统效率的分析．汽车技术．2004

[7] C8051F020/1/2/3 Mixed-Signal ISP FLASH MCU Family[1DS003-1.1] 2002 [8] 刘义，江建民，陈文芗．用LCD显示实时采集信号图形．电子测量技术，2003 [9] 蒋亚南，楼应候．汽车发动机智能故障诊断专家系统的开发．宁波大学学报：理工版，2000

[10] 潘琢金C8051FXXX高速SoC单片机原理及应用.2002

[11] 彭峻岭,高峰. 汽车故障电脑诊断仪在车辆维修中的应用. 2004

四、毕业设计（论文）进度表

毕业设计（论文）进度表

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序 起止日期 号 阅读参考资料，撰写开检查人签名 计划完成内容 实际完成情况 检查日期 1 3.05~3.15 题报告，完成英文资料翻译 2 熟悉运用知识，了解设3.16~3.23 计框架 学习画图软件知识，准3.24~4.04 备画图制板 建立基本系统模型，研4.05~4.12 究系统各个硬件模块 整理毕业设计资料，参加中期检查 研究各模块软件 3 4 5 4.13~4.18 6 4.19~5.03 7 5.04~5.27 撰写论文 注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。

2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照《毕业设计（论文）规范》执行。

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摘 要

本文通过对国内外汽车故障诊断现状和发展趋势进行了比较详细的论叙，研究了一款低功耗、高精度、携带方便及适用度广的汽车故障诊断仪。本课题旨在研究基于C8051F020单片机的故障诊断仪，深入探讨此故障诊断仪的软硬件设计，理解汽车故障诊断过程。

论文首先详细介绍了汽车故障自诊断系统，论叙了OBD-II的基本原理、特点及发展趋势，然后深入研究了基于C8051F020单片机的故障诊断仪的软硬件设计，同时对硬件中各模块的设计原理、硬件接口及协议进行了阐述，最后结合实例说明了汽车故障诊断流程。

论文研究的故障诊断仪具有美观的人机界面，从理论和实际上都有着较强的先进性和实用性。该故障诊断仪工作稳定、操作方便、抗干扰能力强并且适用于多种车型进行故障诊断。

关键词：汽车故障诊断仪；自诊断系统；C8051F020单片机；CAN；故障诊断过程

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Abstract

The paper introduces the present situation and development trend of breakdown

diagnosis system and reserch the breakdown diagnosis tool which is low power consumption and high degree of accuracy and widely applicable. The purpose of this project is to research breakdown diagnosis tool base on C8051f020 MCU, and study the design of software and hardware of the breakdown diagnosis tool, and understand the process of breakdown diagnosis.

Firstly, the paper elaborates in detail to the Car Trouble Self-Diagnostic System, introduces fundamental principle ,feature and development trend of OBD-II; Then it illuminates the design of software and hardware of breakdown diagnosis tool based on C8051F020 MCU; At the same time it analyzes and elaborates various functions unit principle of

design，the hardware connection and the agreement in the hardware; At the last,it illuminates the process of automobile breakdown diagnosis.

The breakdown diagnostic equipment which researches in this paper has the splendid interface，regardless of theoretical and in the practical application，this system all has the strong sophistication and the usability. The breakdown diagnosis tool possesses the feature of working stably and operating easily and resisting disturbance strongly and being applicable to most automobiles for breakdown diagnosing.

Keywords: Automobile Breakdown Diagnosis Tool; Car Trouble Self-Diagnostic System; C8051F020MCU; The Process Of Breakdown Diagnosis

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目 录

1 绪论......................................................................................................................... 1

1.1汽车诊断技术发展简史 ................................................................................. 1 1.2 汽车故障诊断的研究现状 ........................................................................... 2

1.2.1国外发展现状..................................................................................................... 2 1.2.2 国内发展现状.................................................................................................... 4 1.2.3发展趋势............................................................................................................. 5

1.3论文结构及内容 ............................................................................................... 6

2 汽车故障自诊断系统...................................................................................... 7

2.1 自诊断系统 ....................................................................................................... 7

2.1.1 汽车自诊断的基本原理及组成........................................................................ 7 2.1.2 汽车故障自诊断系统的发展............................................................................ 8

2.2 OBD-II系统 .................................................................................................... 10

2.2.1 OBD简介........................................................................................................... 10 2.2.2 OBD-II的工作原理......................................................................................... 10 2.2.3 OBD-II主要特点..............................................................................................11 2.2.4 OBD的发展趋势............................................................................................... 12

3汽车故障诊断仪的硬件设计 ...................................................................... 13

3.1 硬件原理与功能............................................................................................ 13

3.1.1 硬件原理.......................................................................................................... 13 3.1.2硬件支持的主要功能....................................................................................... 14

3.2硬件电路及接口电路设计 .......................................................................... 14 3.2.1硬件电路的总体框架 ............................................................................... 14

3.2.2 c8051F020单片机........................................................................................... 15

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3.2.3 CAN总线接口电路的设计............................................................................... 15 3.2.4 LIN通信模块的设计....................................................................................... 18 3.2.5 串行总线接口电路设计.................................................................................. 18 3.2.6 键盘显示及存储器电路.................................................................................. 18

3.3 硬件抗干扰设计............................................................................................ 19

4 系统软件设计探讨......................................................................................... 19

4.1系统主函数模块 ......................................................................... 20 4.2 键盘扫描模块 ............................................................................ 21 4.3显示模块 .................................................................................... 21 4.4 通信模块 ................................................................................. 22 4.5 故障码处理模块 ...................................................................... 22 4.6 软件抗干扰设计 ...................................................................... 22

5故障诊断仪的故障诊断过程 ..................................................................... 23

5.1汽车故障诊断仪的故障整体诊断流程 .................................................. 23 5.2汽车故障诊断协议 ....................................................................................... 24 5.3大众车系故障诊断的实现 ......................................................................... 26

5.3.1 物理层实现................................................................................................... 26 5.3.1数据链路层实现.............................................................................................. 27 5.3.2 应用层实现..................................................................................................... 28

6 总结与展望....................................................................................................... 30

6.1 研究总结......................................................................................................... 30 6.2 展望 .................................................................................................................. 30

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1 绪论

1.1汽车诊断技术发展简史

随着社会的发展和技术的进步，汽车故障诊断技术经历了几个阶段的演变 过程。

第一阶段，汽车诊断主要是依靠有一定技术和经验的工匠，凭耳听、手摸的方法来了解汽车的运行性能，再根据已掌握的实践经验进行汽车故障的判断。这种原始的诊断方式十分简单，完全依靠检查者的感觉(视、听、触觉等等)和经验进行。虽然不需要设备的投资和昂贵的仪器费用，但需要检查者本身要具有丰富的技术经验。尽管如此，诊断中也难免发生失误，因而这是一种费时、费力且精度不高的诊断方法[1] [2]。

第二阶段，随着科学技术的进步，一些简单的测试仪表(如转速表、气压表、真空表、电压表和电流表等，尤其是化油器汽车专用示波器)被应用到汽车诊断中，从而使汽车诊断从“耳听、手摸”的定性阶段逐渐转变为“仪表测量”的定量阶段。

第三个发展阶段是专用诊断设备的应用阶段。电子技术的进步，特别是计

算机在专用诊断设备上的应用，对汽车诊断技术产生了重大影响。诊断设备由单机发展为配套，由单功能发展为多功能，由手工操作发展为自动控制，并逐步开发出实用的汽车诊断专家系统。目前投入使用的汽车诊断设备中用于发动机诊断的主要有：发动机无负荷测功仪、发动机综合测试仪、电子示波器、点火正时仪、频谱分析仪等；用于底盘诊断的主要有：制动试验台、侧滑试验台、底盘测功仪等。

时至今日，汽车诊断技术的发展已经历如下阶段： ? 凭经验进行诊断的人工检测阶段； ? 利用简单仪器、仪表检测阶段；

? 利用汽车维修专用设备及智能化仪器进行综合诊断阶段；

从汽车诊断技术的发展来看，不难看出，汽车诊断越来越倾向于控制器的智能化自珍断，主要表现在：

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1．控制器能直接获取各传感器的信息，能直接驱动各执行机构动作。 2．控制器本身是一个微型计算机系统，随着计算机技术的逐渐发展，功能越来越全，信息处理能力越来越强，使汽车故障诊断能力随之提高。

3． 自诊断技术经历了多年的发展，故障信息的处理模型和算法都比较丰富，依此编程使控制器具备自诊断功能，即能对大部分故障作处理分析，若把诊断结果以标准通信及数据格式传送到故障诊断仪或计算机，则可依赖上位机的强大功能及辅助设备得到更直观、更深层的故障数据分析和处理。

4．汽车故障主要在于电气和机械故障，电气故障主要通过控制器自诊断，然后用故障诊断仪显示故障信息，机械故障的读取还得用到其它一些专用仪器。

总之，在科学技术高速发展的今天，人类越来越重视自身安全的保障和自然界的生态平衡。因此，当今汽车诊断技术的发展将集中在汽车安全性能的检测和汽车排放污染度的测定等方面。然而，虽然汽车诊断技术发展很快，但目前的诊断仪器设备还只能诊断汽车的部分性能和故障。对某些总成如离合器、变速箱、差速器等的故障诊断，还缺乏方便、实用的仪表设备可以利用；汽车的外观检查，如车体是否周正，车身和驾驶室是否开裂、变形，甚至一些能引起重大事故的部位的缺陷，如转向横拉杆、传动轴和车轮螺栓松动等，都离不开人工检查[3]。

1.2 汽车故障诊断的研究现状 1.2.1国外发展现状

国外的汽车故障诊断技术经过了30多年的发展，到了20世纪90年代所推出的诊断设备具有如下特点：

? 由随车微处理器接受信息，用车外诊断系统进行分析，具有先进检测功

能；

? 具有汽车诊断专家系统，这种汽车诊断专家系统就是模拟熟练的汽车维

修人员思维的计算机程序，将熟练汽车维修人员的知识移植于诊断方法中；

? 可提供详尽的数据及技术信息，沟通用户与维修厂家，制造厂家的联系。

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20世纪90年代末，一些发达国家的汽车诊断技术已经达到了广泛应用的阶段，给交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本等方面带来了明显的社 会效益和经济效益。

从2000年后至今，国外汽车诊断设备发展的重要特征是直接采用各种自动化的综合诊断技术，不断开发新的汽车诊断专家系统，增加难度较大的诊断项目，扩大诊断范围，采用“智能化、自动化”的诊断方式，提高对非常复杂故障的诊断能力和预测故障的能力，使汽车诊断技术向新的高度发展。国外的汽车诊断设备主要有奔驰公司的“STAR 2000”、美国SNAP—ON公司的VANTAGEMT2400(又称红盒子)、英国AUTOLOGIC公司的AUTOLOGIC和德国大陆公司minidia92等等。

其中“STAR 2000\综合了应用诊断系统DAS(Diagnosis Assistance System)、手持式诊断仪HHT(Hand—Held Tester)视窗版、测量技术支持MY(Measurement Technic)、车间信息系统WIS(Workshop Information System)等多种功能。

DAS提供快速、准确地诊断指导．在功能测试的基础上，根据参考数值、相关的电路图和所测数值，提供相应的诊断措施．并提供大量的洋细维修说明。可诊断的系统包括：发动机、自动变速器、空调系统、ABS、奔驰原厂防盗DASX系统及其OBD-II系统等。

视窗版HHT涵盖了以前HHT电脑的所有功能，使新一代智能诊断仪同样能运用于以前的各类车型。W1S信息系统可提供全方位的诊断资料，保证在监测过程中随时核对各项技术数据，查找故障原因。

美国SNAP-ON公司的“红盒子”也是个功能强大的电控系统检测设备。它将双通道汽车专用示波器、双通道汽车专用电表、油压测试、点火测试、欧美亚车系传感器和执行器测试、维修诊断提示以及原厂维修技术通报等具有重要价值的数据库有机地结合为一体，可以简捷、准确地对中外汽车进行系统诊断测试。

“红盒子”可以进行的测试有三类：(1)传感器、执行器及电器元件测试。可测试电压、电流、电阻、频率、占空比、点火闭合角、喷油脉冲宽度和发动机转速等；(2)次级点火波形测试。它可以测试常见欧美亚车型的分电器点火系统、无分电器点火系统和双火花塞点火系统；(3)压力测试。选配SNAP-ON提供的电子式压力传感器及油压测试接头，可以测试电喷发动机的燃油压力、机油压力以及自动变速器控制油压。

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图1-1 美国SNAP-ON公司红盒子故障诊断仪

图1-2 奔驰Star2000故碲诊断仪

1.2.2 国内发展现状

对于国外汽车诊断技术的研究，主要是为了师夷长技，借鉴他人的先进技术和手段，指导我们如何采取措施增强我们自身的技术水平。

我国对汽车诊断技术的研究起步较晚，直到二十一世纪，凭借计算机技术的迅猛发展及电子控制系统(燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊等)在汽车上的应用，才使得我国的汽车故障诊断技术得到了革命性的发展。此时，汽车维修检测市场上，不仅出现了大量的诊断设备，同时应用计算机的汽车故障诊断专家系统软件也有了长足的发展。

随着汽车诊断技术的发展，汽车诊断设备也向多功能综合化和自动化发展，同时，诊断设备也将趋向于小型化、轻量化、智能化发展。远征的“电眼睛”和金德的“K6”等汽车故障诊断仪都是手持式的汽车故障诊断仪[4]。

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金德“K6”手提式解码器在国内首先采用了先进的快闪存储技术，免插卡式设计、高度集成可反复擦写大容量快闪内存，超大高亮蓝屏液晶显示，支持CGA图形显示模式。界面菜单及操作程序设计完全符合人的思维习惯。

它可检测亚欧美各大车系近4000多款汽车的故障码。集各种专用解码器于一身。读码、清码瞬间完成。测试性能完全可以与多种原厂仪器媲美；全面实现动态数据流测试，元器件控制，判断故障快速、准确。

除此之外，三原修车王汽车故障电脑诊断仪是一种既能检测汽车故障，又能指导维修人员对故障进行维修的仪器，而且各有各种车系专用的OBD、OBD-I、 OBD-II三大系统诊断标准的专用电缆线、插头，能检测的系统包括：发动机、自动变速箱、防抱死刹、车、安全气囊、中央空调、定速巡行、车身悬架系统、动力转向、仪表板系统等。不但可以自动读取故障码，带可以进行动卷数据流分析测试、终端元件测试、开关信号测试、怠速调整等。0BD—II专用诊断仪按照国际标准(SADE--J1850，IS09[41 2) 设计，完全适用于美国、欧洲、亚洲各种款式车辆[5]。

图1-3 金德“k6”和三原修车王故障诊断仪

1.2.3发展趋势

随着电子技术的完善，不同功能的检测维修设备正基于电子技术实现信息传递，走向集成化，向机电一体化方向迈进。为适应现代汽车技术和道路运输发展的需要，这些年来，尤其是汽车免拆检测诊断技术有了迅速发展，并在全行业逐步得到推行。利用必要的仪器、设备，采用免拆检测方法，对汽车有关参数进

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行检测，并综合分析检测结果，评定汽车技术状况，判定故障部位，确定有针对性的维修方案，这种充分运用现代检测手段，提高维修技术水平的做法，代表了汽．车维修、检测技术的发展方向。今后，ECU故障诊断工具的通信标准化与维修资料的电子媒体化、标准化将会得到广泛的普及。

对于嵌入式系统用在汽车故障诊断设备上，国内尚属首例，有专门检测和维修汽车电控单元功能的设备，国内市场上也聊聊无几。嵌入式系统的发展，我国与国外站在同一起跑线上。中科红旗依托开源操作系统Linux研发的嵌入式应用操作系统，龙芯、方周等国产CPU都转向嵌入式CPU领域。嵌入式操作系统可应用于家用市场、工业市场、商业市场、通讯市场和国防市场，应用嵌入式操作系统的产品形态丰富多样，产品市场潜力巨大，因此未来十年，嵌入式软件面临着难得的市场机会。随着电子技术的发展，嵌入式系统以它的可靠性、成本、体积等综合性能必将占领市场。

1.3论文结构及内容

论文共分为六章。第一章介绍了汽车故障诊断技术及国内外发展状况；第二章详细描叙了汽车故障自诊断系统：OBD-II工作原理、主要特点、发展趋势；第三章介绍了硬件的整体设计方案及各模块硬件设计；第四章探讨了各模块软件设计；第五章描叙了故障诊断过程的实现；最后一章对本课题做出了总结和展望；

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2 汽车故障自诊断系统

2.1 自诊断系统

汽车制造技术与电子、计算机技术的结合，一方面使汽车产品的质量、安全性和排放性都得到了极大的提高，另一方面也出现了汽车故障诊断复杂化等问 题。针对这种情况，汽车设计人员在进行汽车电子控制系统设计时增加了故障自 诊断功能模块。

2.1.1 汽车自诊断的基本原理及组成

故障自诊断模块监测的对象是电控汽车上的各种传感器(如：水温传感器)、 电子控制系统本身以及各种执行元件(如继电器等)，故障判断正是针对上述三 种对象进行的。故障自诊断模块共用汽车电子控制系统的信号输入电路，在汽车 运行过程中监测上述三种对象的输入信息，当某一信号超出了预设的范围值，并 且这一现象在一定的时间内没有消失，故障自诊断模块便判断为这一信号对应的 电路或元件出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪 表盘上的故障指示灯。

针对三种监控对象产生的故障，故障自诊断模块采取不同的应急措施。

1．当某一传感器或电路产生了故障后，其信号就不能再作为汽车的控制

参数，为了维护汽车的运行，故障自诊断模块便从其程序存储器中调出预先设定的经验值，作为该电路的应急输入参数，保证汽车可以继续工作；

2．当电子控制系统自身产生故障时，故障自诊断模块便触发备用控制回

路对汽车进行应急的简单控制，使汽车可以开到修理厂进行维修，这种应急功能就叫故障运行，又称“跛行”功能：

3．当某个执行元件出现可能导致其它元件损坏或严重后果的故障时，为了安全起见，故障自诊断模块采取一定的安全措施，自动停止某些功能的执行，这种功能称为故障保险。

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如图2-1所示汽车故障自诊断系统包括：监测输入、逻辑运算及控制、程序 及数据存储器、备用控制回路、信息和数据驱动输出等模块。汽车自诊断系统在 车辆出现故障时点亮故障灯，有些车辆还可通过汽车控制台上的LCD显示屏显示 出故障，但是所提供的信息有限。所以汽车故障诊断一般通过汽车故障诊断仪来 读取更多的诊断信息。

汽车故障自诊断系统 逻辑运算及控程序级数据存备用控制回路 故障诊断仪 监测输入 信息和数据驱动输各种传感器信号等 各种执行器

2-1 汽车自诊断系统原理图

2.1.2 汽车故障自诊断系统的发展

汽车故障自诊断系统经历了如下几个阶段： 1．专用汽车故障检测仪

20世纪70年代后期，为了提高现代汽车使用和维修的方便性，出现了专用汽车故障检测仪用来检测汽车电控系统的工作状况。例如美国福特公司研制的EEC—I和EEC—II检测仪，它可用于监控电控汽油发动机的信号，并找出故障部位。由于这种专用检测仪对操作人员的技术要求较高，一直未能普及开来。

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2．随车诊断系统

进入80年代一种新型诊断系统即随车诊断系统问世，它是利用微处理控制单元对电控系统各部件进行检测和诊断，自行找出故障，故也被称为故障自诊断系统。由于它可以对汽车电控系统参数实行连续监控，并能记录该系统的间歇故障，因此查找故障及时方便，所以使用较为广泛。但是由于微处理器内存有限，故其诊断项目受到一定的限制，而且不能诊断较为复杂的故障，因此人们又在研制和开发更新更好的自诊断系统。

3．多功能车外诊断系统

为了扩充随车自诊断系统的诊断容量和诊断功能，80年代末福特的车外诊断仪OASIS、丰阳的Diaqmonitor诊断系统、日产公司的Consult等相继诞生，这些系统功能较为齐全，但是价格较为昂贵，专业技术要求高，且诊断标准不统一，因而其使用和维护也受到一定的限制。进入90年代以后一些符合国际标准、易操作且价格较为合理的多功能诊断系统研制成功。早期不同生产厂家的汽车自诊断系统自成体系，不具有通用性，给汽车的售后服务和维修造成了很大的困难。针对上述情况从1996年开始各国统一使用代号为OBD-II的故障码，大大便利了汽车的诊断和维修。OBD-II规范是由美国汽车工程师协会SAE和美国加洲环保组织提出，统一了汽车故障自诊断的各项技术指标。该规范有三种形式：1．SAE j-1850 PWM；2．SAE J一1850 VPW；3．ISO 9141-2。只要遵守这种规范的自诊断协议和接口，用一台符合该标准的诊断设备就可对各种车辆进行诊断和检测，大大推进了汽车自诊断系统的发展。目前，OBD—II故障自诊断规范己被世界上大多数国家接受。

汽车故障诊断仪是通过某种通信协议与汽车白诊断系统进行通信交流的检测仪器，操作者可利用故障诊断仪检测汽车的各种工作状况。故障诊断仪设备可以向操作者提供如下内容[6]：

? 获得故障代码的一种方便而可靠的方法； ? 获得汽车诊断数据流； ? 行车时监测现场诊断数据： ? 路试诊断数据流记录；

? 自诊断功能和可编程控制模块程序的一些特殊功能。

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2.2 OBD-II系统 2.2.1 OBD简介

电子技术应用于发动机控制系统，除具有控制燃料喷射和点火等基本功能外，还有车载自诊断功能。OBD是英文On．Board Diagnostic的缩写，即车载自诊断系统。以发展到了第三代，OBD-1、OBD-II和OBD-III分别是与之对应的各代系统[7]。

OBD-I系统是世界各个汽车制造厂商根据车型自行设计的诊断插座和自定义故障码的系统，缺乏统一标准，各系统之间无法通用，检测能力差。OBD-I已被更新的OBD-II所取代。

OBD-II是由美国汽车工程师学会(SAE)提出，经环保机构——美国环保署(EPA)和加州资源协会(CARB)认证通过并于1989年正式公布。根据《美国联邦大气清洁法》，要求美国49个州的车辆自1996年起一律采用OBD．11，并于1999年严格执行[8]。根据欧洲排放法规，自欧洲III号排放法规开始，所有的车辆必须装备OBD．II。国内目前在用的是相当于欧洲III号法规的国III标准，新的国V标准正在研究、制定，OBD-II在未来国内的排放法规中，也将成为必须。

OBD-II具有严格的排放针对性。当车辆的HC，CO，NOx或燃油蒸发污染量超过美国联邦试验过程(FTP)所规定废气排放值的1．5倍时，发动机故障灯(MIL)点亮，提醒驾驶员排放超标，车辆需要修理[9]。

2.2.2 OBD-II的工作原理[10]

汽车正常运行时，电子控制系统输入和输出信号的电压(或电流)值都有一定的变化范围，当控制电路信号的电压(或电流)出现异常且超出了这一范围时，且该现象在设定时间内不会消失(OBD-II规定这一现象不超过2个驾驶周期)， ECU(电子控制单元)则判定为这一部分出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部随机存储器，同时点亮警告灯，以显示故障信息。当故障超过3个驾驶周

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期未出现这一故障现象，则自动删除存在记忆器中的故障代码，故障指示灯不闪亮。

2.2.3 OBD-II主要特点

与以前的车载自诊断相比，OBD-II系统具有以下特点[7]：

①具有统一的16针故障诊断连接裂[11] (Data Link Connector，简称DLC)，均安装于驾驶室驾驶员一侧仪表板下方

②具有数值分析和资料传输功能。

③具有统一的故障码含义。需要说明的是，除了SAE规定的故障码外，还允许生产厂商自定义的故障码，但必须与OBD．II兼容。因此，针对不同厂商车辆的故障码，需要不同的解读程序。

④具有重新行驶记忆故障码的功能。‘ ⑤具有行车记录器功能。

⑥具有可由仪器直接消除故障码的功能。

故障诊断连接器引脚定义如图2-2所示[10]。其中，SAE-J1850总线也属于CAN总线的范畴口SAE还对诊断座中每一针的作用进行了详细的规定

图2-2 故障诊断仪的引脚定义

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表2-1 诊断座针脚功能表

插针号 PIN 1 PIN 3 PIN 5 PIN 7 PIN 9 PIN 11 PIN 13 PIN 15 具体功能 为制造商预留 为制造商预留 信号接地 IS09141-2(KWP2000)K Line 为制造商预留 为制造商预留 为制造商预留 IS09141-2(KWP2000)L Line 插针号 PIN 2 PIN 4 PIN 6 PIN 8 PIN 10 PIN 12 PIN 14 PIN 16 具体功能 SAE-JI 850 BUS+线 车身接地 CAN High 为制造商预留 SAE-JI 850 BUS+线 为制造商预留 CAN Low 汽车蓄电池正极 2.2.4 OBD的发展趋势

1） 标准化、规范化

虽然ISO和美国汽车工程师协会(SAE)做了相关的规定，但随着汽车辅助系统品种、数量的剧增，汽车生产厂家分别相应配置了各种不同类型的车载式自诊断装置，造成在实际修理中很难进行应用。如果采用统一的诊断方法和诊断代码，无疑将对汽车修理提E3供更多的方便。标准化、规范化是任何一种技术得到广泛应用的前提。1979年，美国通用汽车公司首次在电喷汽车上采用了故障自诊断系统，至今已经发展到OBD—III，OBD正一步步向标准化、规范化方向迈进。目前，已研制出能同时显示每一个辅助系统故障诊断结果的装置，如日本丰田汽车公司的超级监控仪、多信息显示仪；美国通用汽车公司的BCM／ECM诊断仪等。但是，OBD的标准化还有很多工作要做。

2)功能拓展

现行的OBD系统往往只能指示电控系统故障发生的部位，并不能直接诊断出故障发生的根本原因，且有时会影响维修人员进行正确的故障诊断。因此，将OBD的诊断项目细化，提高OBD的诊断精度，拓展OBD的功能，是今后OBD进一步发展的方向。

3）无线故障诊断

现行的OBD系统是基于有线网络的故障诊断模式。无线网络技术、蓝牙技术

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的逐渐成熟，将使OBD系统的故障无线诊断和远程诊断成为现实，其故障诊断的效率更高，资源更易于共享。OBD系统通过无线网络向外界发送车辆的各种技术参数，可使维修人员提前确定故障发生的原因，提高维修效率，这将极大地提升汽车维修的水平。

总之，由于汽车电控系统日趋复杂，给汽车维修工作带来了越来越多的困

难，对汽车维修技术人员的要求也越来越高；另一方面，电子控制系统的安全容错处理机制使汽车可能由于电子控制系统自身的突发故障导致汽车失控和不能运行，因此汽车电子控制系统故障的自诊断问题关系到汽车的可靠性和安全性，具有重要的社会意义和经济意义。

3汽车故障诊断仪的硬件设计

3.1 硬件原理与功能

本论文所研究的汽车故障诊断仪采用的是CYGNAL公司的低功耗单片C8051F020作为核心，具有数据存储，通讯以及LCD显示等各种功能。

3.1.1 硬件原理

诊断电子控制系统的传感器、执行器状态以及ECU的工作是否正常是通过

判断ECU的输入、输出电压是否在规定的范围内变化，由此可以判断电子控制系统工作是否正常。

当电子控制系统中的某一电路出现超出规定的信号时，该电路及相关的传

感器反映的故障信息以故障代码的形式存储到ECU内部的存储器中，维修人员可利用该诊断仪来读取故障码，使其显示出来。

3.1.2硬件支持的主要功能

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(1)通过CAN、LIN通信模块可以实现与车载内各电子控制装置ECU之间的对

话，传送故障代码以及发动机的状态信息。

(2)通过单片机的同步／异步收发器可以与PC进行串行通信从而完成数据

交换，下载程序，以及诊断仪升级等功能。

(3)通过液晶显示器来显示汽车运行的状态数据及故障信息。 (4)通过键盘电路来执行不同的诊断功能。

(5)通过一种具有串行接口的大容量FLASH存储器来保存大量的故障代码

及其测量数据。

(6)该系统主要支持http://www.combysj.cn站的硬件存储信息器，以该站

位主要参考站进行分析和设计。

3.2硬件电路及接口电路设计 3.2.1硬件电路的总体框架

该诊断仪硬件系统主要包括以下模块：C8051F020处理器及其外围扩展电路模块，键盘、液晶显示模块，外扩存储器模块，CAN、LIN，通信模块；与PC的串行通信模块；另外还有电源电路以及系统复位电路。总体框图如图3-1

液晶显示 CPU CAN总线模块 键盘 LIN总线模块 存储器 串行通信接口电路 电源 复位电路

图3-1 系统电路图

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3.2.2 c8051F020单片机[12]

本论文研究的故障诊断仪采用的是CYGNAL公司的低功耗单片机c8051F020作为核心，具有数据存储，通讯以及LCD显示等各种功能。

C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与传统的MCS-51单片机完全兼容的指令内核。但它采用了流水线处理技术[8]，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令的执行效率，大部分指令都能在一个时钟周期里完成，最大处理速度达到25MIPS。该单片机包括丰富的模拟和数字外设，如AD,DA,PGA，比较器，电压基准，温度传感器，WDT，定时器，PCA，PWM接口，以及多种串行接口，如UART，I2C，SPI，同时集成有JTAG，方便在线编程和调试。 此外，该单片机的存储器资源丰富，集成有256B的片内RAM和4K的片外RAM，以及64K的FLASH。

C8051F020内部结构如图3-2

图3-2 C8051F020内部结构

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3.2.3 CAN总线接口电路的设计[13]

CAN总线接口电路包括CAN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。C8051F020与CAN驱动芯片SJAl000T的接口电路如图3-4所示。

本设计选取PHILIPS公司的SJAl000 CAN控制器以及82C250总线收发器。SJAl000在电路中是一个总线接口芯片，其内部结构如图3-3所示。通过它实现ECU与微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是完成CAN总线与单片机之间的通信。PCA82C250为CAN控制器和物理总线之间的接口，它可以提供向总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力，TXD和RXD引脚分别发送经过驱动后的发送和接收信号。

图3-3 SJA1000 内部框图

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图3-4 C8051F020与XJA1000T的接口电路

3.2.4 LIN通信模块的设计[14]

LIN总线收发器选用PHILIPS公司的TJAl020，它直接与单片机的串口相连，电路连接图如图3-5所示，TJAl020收发器是一个物理媒体连接，适合用于最高20 KBaud的LIN传输速率，它的引脚TXD和NSLP减小了输入阀值，输出引脚RXD和TXD为漏极开路．因此它可以和使用3．3 V或5 V电源的微控制器兼容，而且收发器本身不需要额外的VCC电源．为使引脚RXD和TXD达到高电平，当微控制器的端口引脚没有集成上拉电阻时，要加外部上拉电阻．微控制器由TX0向TJAl020的TXD 引脚发送数据，TJAl020的RXD引脚向微控制器的RX0发送数据。LIN收发器的睡眠控制输入NSLP可以通过微控制器的端口引脚来控制。

图3-5 LIN总线与单片机的接口电路图

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3.2.5 串行总线接口电路设计

RS232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。

本文所用的RS232串行通信采用全双工的模式，系统中配置一条数据发送线。在同一时刻系统既可以发送数据也可以接收数据。图4给出了串行通信电路连接图。通过交叉开关把C8051F020单片机的P0.0、P0.1设置为TX0、RX0．RS232逻辑电平对地是对称的，与TTL，CMOS逻辑电平完全不同。逻辑“1”电平为一5～一15 V，逻辑“0”电平为+5～+15 V之间，其与单片机的逻辑电平不一致，必须进行电平转换，图3-6采用SP3223转换器实现TTL电平与RS-232电平互相转换。

图3-6 串行总线接口电路

3.2.6 键盘显示及存储器电路

本设计主键盘采用4×4键盘输入模块，其驱动模块采用的是SK5278，它是福州贝能科技有限公司推出的采用PIC内核的键盘控制器。该芯片采用4线串行接口，可与任何种类的单片机接口；它具有按键有效指示输出，可用中断方式管理键盘；其行线Xo～X3与列线Y0～Y3可构成4x4键盘矩阵iSK5278的16键键盘控制器内含去抖动处理电路，因而可直接输出键值，并采用串行方式与单片机或微处理

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器进行接口。系统设计的功能键采用中段方式输入，整个工作流程通过不断的扫描按键的状态，判断是否有健按下，当有任意键按下时，即产生中段，CPU执行相应的中段子程序，若没有健按下时．继续扫描键盘的状态，直到有健按下，用键盘中断处理程序完成一切和用户之间的的信息交流。

显示电路选用的OCM]5XlO是160×80点阵的中文图文液晶图形显示器模块

[15]

。该模块的内部由于含有国标一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，

该模块与单片机的硬件接口除数据总线外，仅使用了RE创BUSY两根握手信号线，简化了与单片机的硬件接口电路设计。上述特点对软件、硬件资源均十分紧张的单片机系统来说是十分重要的。

由于诊断系统中将涉及大量的故障代码，传感器信息，执行起信息等一些数据信息，需要较大的存储空间。因此，系统扩展了一片大容量的8 Mb的FLASH存储器AT45DB081[16]。

3.3 硬件抗干扰设计

系统设计中对电源电路及IC器件周围配置适当的去耦电容滤波，系统中电源地线、MCU外围电路地线、信号地线采用单点接地的方法可靠接地，以减少不等位电势的干扰。

硬件滤波，此方法对串模干扰有很好的抑制作用，常用RC低通滤波器接在一些低频信号输入电路中，可大大削弱高频干扰信号。

印刷电路板设计时，数字电路与模拟电路隔离，数字的和模拟的仅在一点相连，有效地防止了数字电路对模信号的影响。为了防止电路模块问的相互干扰，在电路板的设计中采用金属机壳有效地屏蔽外界射频信号的干扰。

4 系统软件设计探讨

本系统的软件采用模块化设计方法，整个程序包括主程序模块、键盘扫描模块、显示模块、通信模块、故障码读取模块。软件设计流程图如4-1

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开始 C8051F020单片机系统初始化 设置定时器工作方式及初值 设置串口通讯模式及初值 显示主菜单 扫描键盘 有功能键按下 Y 进入相应模块 N 读取故障代码 参数测量界面 读执行器信息 诊断结果查询 电控系统

图4-1 系统软件设计流程图

4.1系统主函数模块

整个软件有且仅有一个主函数,它是软件模块的核心,从诊断仪通电开始运行,负责调用各个子模块实现各种功能,主函数是始终在运行着的,只是从一个状态跳转到另一个状态,子模块调用完成了也会返回主函数。

主函数的主要工作流程是:通电运行之后,调用显示菜单子程序显示功能菜

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单,并且高亮显示菜单第一项,然后等待有健按下,若按下的是“1”键或者是“确认”键,则调用子程序自动读取并且处理ECU 中的故障码,显示故障原因; 若按下的是“2”健则清除故障码;可以使用“上一行”、“下一行”键来选择菜单项,在显示故障原因的时候若超过一页,也可以通过“上一页”、“下一页”键来翻页,按“取消”健则返回上一级目录。

4.2 键盘扫描模块

本设计中键盘扫描采用的是定时扫描的方式,每100ms扫描一次键盘,若检测到有健按下则延时8ms再次扫描,若两次都检测到同一个按键,则检查是哪一个按键,从而根据不同的按键进行相应的操作。8ms去抖小程序保证了检测的准确性

[17]

。

4.3显示模块

显示模块包含了所有跟液晶显示有关的子程序,如初始化液晶屏,显示单个字符,显示字符串,显示菜单等等。初始化液晶屏包括了设置显示开关、选定左或右半屏、设置显示起始行等功能,每个功能都是通过向液晶屏写特定指令实现的,作用是是为字符显示做准备。显示单个字符的子程序需要四个入口参数,它们是字符类型、字符编号、显示起始行、起始列,字符类型包含了汉字和特殊字符两种,所占的点阵列数分别为16列和8列,行数都为16行;字符编号是指字符在字符库中的编号或者说索引,这个字符库是我自己根据实际需要编写的,此外还编写了字符的16 ×16点阵数据库,每个字符在这两个库中的编号是一致的,因此当我们要显示某个汉字时,可以在字符库中找出其编号,然后通过编号提取出点阵数据从而显示出汉字来;显示字符串的子程序则是通过自动修改字符的显示起始行和起始列,把它们作为参数来调用显示单个字符的子程序,从而实现字符的连续显示。显示菜单子程序调用了显示字符串子程序显示固定菜单[17]。

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4.4 通信模块

通信模块在本设计中起着至关重要的作用,它实现了诊断仪和ECU之间的信息交互。此模块主要包括进入系统和读取故障码、清除故障码三个子程序。进入系统的流程是诊断仪按照通信协议,向ECU发送特定的电平信号,要求进入发动机系统，ECU接收到请求之后,与诊断仪进行几次关键字的交互发送,随后向诊断仪发送系统版本信息,诊断仪接收到这些信息,就表明已经成功进入系统,可以进行下一步操作。读取故障码程序的过程是:诊断仪向ECU发送Request命令要求读取故障码,ECU接到这个请求后首先取反送回,然后以Answer命令的格式开始发送故障码,故障码可以分多帧发送,诊断仪采用接收中断的方式接收故障码,每接收到一帧就存储到单片机的RAM中的指定区域,每帧的存储地址是递增的,从而可以实现故障码的连续存储。清除故障码子程序能够向ECU发送指定的Request命令,清除ECU中存储的故障码,从而避免故障的重复检测[17] 。

4.5 故障码处理模块

此模块的主要功能是显示故障原因。对于单片机RAM中的多组故障码(一组为两个字节的十六进制数,表示一个故障) ,显示故障码子程序能够查找每一组故障码在故障码库中对应的故障原因,然后调用字符串显示函数将原因显示在液晶屏上,从而一目了然地找出故障[17] [18]。

4.6 软件抗干扰设计

数字滤波。在软件设计时，考虑了数字滤波程序的设计，有效地排除了随机干扰。

设置冗余指令和软件陷阱。通过应用软件陷阱法和数据冗余法有效的抑制了由于外部干扰、震动或瞬间故障引起的系统瘫痪和程序跑飞。

软件看门狗。为防止程序运行进入死循环，而不能被软件陷阱捕获到，在系统软件设计时，设计了“软件看门狗”程序，有效地防止了死循环造成的系统瘫痪[17]

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5故障诊断仪的故障诊断过程

5.1汽车故障诊断仪的故障整体诊断流程

汽车故障诊断仪的故障诊断整体流程图如图5-1所示。汽车故障诊断仪可以 单机进行诊断，也可以通过实现TCP／IP协议栈实现了以太网内设各互连或者通 过GPRS实现无线通信用来远程诊断。只要连上了网络以后就可以利用PC机中的 故障诊断专家系统实现智能诊断。这样扩展了诊断仪的整体功能，降低设备使用 的局限性。

开始故障诊断 用户用故障诊断仪自己解决故障 结束Y 问题解决？ N 有局域网？ N 有GPRS? N 电话教授或拖车 Y Y 远程诊断者利用汽车故障诊断仪读取数据来提示用户解决问题 利用故障诊断专家系统进行诊断 结束 远程诊断者利用故障诊断专家系统进行诊结束

图5-1 故障诊断流程图

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