基於C8051F020單片機的汽車故障診斷儀的研究

　隨著我國經濟建設的不斷發展，裝有計算機控制系統的新型汽車已越來越多的應用於人們的日常生活中，這使得汽車的動力性，經濟性，安全性，可靠性等有了極大的提高。但同時也使得汽車的結構複雜多了，也使一般汽車維修診斷與排除汽車故障困難多了，而利用汽車電腦存儲的信息，診斷與排除汽車故障的方法也應運而生。儀器診斷是在經驗的基礎上發展起來的現代檢驗方法。它是與車載故障自診斷系統配套使用的，從本質上看，它相當於自診斷系統的終端設備，起到人機交互的作用。該方法可在汽車不解體的情況下，用儀器或設備測試汽車性能和故障參數，曲線或波形，甚至能自動分析和判斷汽車的技術狀況。隨著電噴發動機汽車的普及，汽車故障診斷儀已作為一種必備的維修工具被大多數行業人士所接受。

　　本文設計的汽車故障診斷儀採用的是CYGNAL公司的低功耗單片機C8051F020作為核心，具有數據存儲，通訊以及LCD顯示等各種功能。該儀器具有低功耗，高精度，攜帶方便適用於多種場合等特點。

　　1、診斷儀原理與功能

　　1.1 硬體原理及作用

　　（1）診斷電子控制系統的感測器、執行器狀態以及ECU的工作是否正常。通過判斷ECU的輸入、輸出電壓是否在規疾的範圍內變化時，可以判斷電子控制系統工作是否正常。

　　（2） 當電子控制系統中的某一電路出現超出規疾的信號時，該電路及相關的感測器反映的故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內部的存儲器中，維修人員可利用該診斷儀來讀取故障碼，使其顯示出來。

　　1.2 硬體支持的主要功能

　　（1） 通過CAN、LIN通信模塊可以實現與車載內各電子控制裝置ECU之間的對話，傳送故障代碼以及發動機的狀態信息。

　　（2） 通過單片機的同步/非同步收發器可以與PC機進行串列通信從而完成數據交換，下載程序，以及診斷儀升級等功能。

　　（3） 通過液晶顯示器來顯示汽車運行的狀態數據及故障信息。

　　（4） 通過鍵盤電路來執行不同的診斷功能。

　　（5） 通過一種具有串列介面的大容量FLASH存儲器來保存大量的故障代碼及其測量數據。

　　2、硬體電路及介面電路的設計

　　2.1 硬體電路的總體框架

　　該診斷儀硬體系統主要包括以下模塊：C8051F020處理器及其外圍擴展電路模塊，鍵盤、液晶顯示模塊，外擴存儲器模塊，CAN、LIN,通信模塊；與PC機的串列通信模塊；另外還有電源電路以及系統複位電路。總體框圖如圖1所示。 圖1 系統電路圖

　　2.2 C8051F020單片機電路

　　設計中CPU選擇的是Cygnal公司的C8051F020單片機，它採用具有與MCS-51指令集完全兼容的Cygnal公司的專利CIP-51微處理器內核,峰值速度可達25MIPS。並且在一個晶元內集成了單片機數據採集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度感測器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時器、可編程計數器/定時器陣列、內部振蕩器、看門狗定時器及電源監視器等)。CIP-51對指令運行實行流水作業，從而大大提高了指令運行速度。另外C8051F020單片機最獨特的改進是引入了數字交叉開關。允許將內部數字系統資源映射到P0、P1、P2和P3的埠I/O引腳，同時C8051F020還在內部增加了複位源,從而大大提高了系統的可靠性，完全可以滿足診斷儀的功能要求。

　　2.3 CAN、LIN匯流排介面電路的設計

　　2.3.1 CAN匯流排介面電路

　　CAN匯流排介面電路包括CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN匯流排收發器與物理匯流排之間的介面電路的設計。C8051F020與CAN驅動晶元SJA1000T的介面電路如圖（2）所示本設計選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250匯流排收發器。SJA1000 在電路中是一個匯流排介面晶元，通過它實現ECU與微處理器之間的數據通信。該電路的主要功能是完成CAN匯流排與單片機之間的通信。PCA82C250為CAN控制器和物理匯流排之間的介面，它可以提供向匯流排的差動發送能力和CAN控制器的差動接收能力，TXD和RXD引腳分別發送經過驅動后的發送和接收信號。具體連接如圖2所示。 圖 2 CAN匯流排與單片機介面電路

　　2.3.2 LIN通信模塊的設計

　　LIN匯流排收發器選用PHILIPS公司的TJA1020，它直接與單片機的串口相連，電路連接圖如圖3， TJA1020 收發器是一個物理媒體連接,適合用於最高 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, 而且收發器本身不需要額外的VCC電源. 為使引腳RXD和TXD達到高電平,當微控制器的埠引腳沒有集成上拉電阻時,要加外部上拉電阻. 微控制器由 TX0向 TJA1020 的 TXD 引腳發送數據,TJA1020的 RXD引腳向微控制器的 RX0 發送數據。LIN 收發器的睡眠控制輸入NSLP 可以通過微控制器的埠引腳來控制。

圖3 LIN匯流排與單片機的介面電路

　　2.4 串列匯流排介面電路的設計

　　RS232串列通訊採用全雙工的模式，系統中配置一條數據發送線。在同一時刻系統既可以發送數據也可以接收數據。圖（4）給出了串列通信電路連接圖。通過交叉開關把C8051F020單片機的P0.0,P0.1設置為TX0,RX0.RS232邏輯電平對地是對稱的，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，其與單片機的邏輯電平不一致，必須進行電平轉換，圖4採用SP3223轉換器實現TTL電平與RS-232電平互相轉換。 圖 4 串列匯流排介面電路

　　2.5 鍵盤顯示及存儲器電路

　　顯示電路選用的OCMJ5X10是160×80點陣的中文圖文液晶圖形顯示器模塊。該模塊的內部由於含有國標一級簡體字型檔，使得漢字的顯示異常方便；同時，該模塊與單片機的硬體介面除數據匯流排外，僅使用了REQ/BUSY兩根握手信號線，簡化了與單片機的硬體介面電路設計。上述特點對軟體、硬體資源均十分緊張的單片機系統來說是十分重要的。