汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Webasto車頂供暖系統(tǒng)有限公司是世界著名的車頂供暖系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商，在中國(guó)占有大量市場(chǎng)份額。

在將天窗馬達(dá)裝配到天窗之前，要進(jìn)行多項(xiàng)操作和測(cè)試，具體包括：裝配測(cè)試、短路測(cè)試、接地測(cè)試、軟件版本驗(yàn)證、硬件版本驗(yàn)證、讀取序列號(hào)、參數(shù)寫入與讀出和運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試。參數(shù)寫入與讀出是整個(gè)周期中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。參數(shù)寫入的過程主要是將此參數(shù)的版本號(hào)信息、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器上下限的值以及天窗滑動(dòng)過程中的速度上限值等一些天窗運(yùn)行過程中要滿足的指標(biāo)信息寫入ECU中;而從ECU中讀出的信息包括：此ECU的硬件和軟件版本號(hào)，天窗在運(yùn)行過程中滑動(dòng)的位移、起翹的幅度、防夾力的大小和異常信息等一些與天窗性能相關(guān)的參數(shù)信息，這樣操作人員就可以根據(jù)相應(yīng)的情況迅速地分析和處理異常情況。

汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)將成為操作人員、檢測(cè)人員的幫手，因此設(shè)計(jì)它是非常必要的。本著攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、軟硬件的可移植性好、成本低廉等原則，此通訊系統(tǒng)由如下裝置組成：一臺(tái)筆記本電腦、一根串口線、一個(gè)通訊盒和一個(gè)與馬達(dá)ECU連接的接插件(由Webasto車頂供暖系統(tǒng)有限公司提供)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)的硬件是基于ISO9141標(biāo)準(zhǔn)的K 線通訊方式，而其軟件部分是基于Webasto通訊協(xié)議的可以同時(shí)操作*.par文件、*.s文件的通訊軟件。

這兩種文件格式為ECU參數(shù)的不同編碼方式，都記錄了設(shè)備需要寫入的ECU的參數(shù)值。.s文件為標(biāo)準(zhǔn)MOTOROLA s-record，其代碼是由ASCII格式的字符組成的，其中包含了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)碼。.par文件包含了ECU具體參數(shù)的名稱和值，需要與參數(shù)說明文件excel共同使用進(jìn)行ECU的讀寫。

(2) File Decoder

讀取、識(shí)別兩種文件格式中的數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存在應(yīng)用程序中供用戶使用，并進(jìn)行文件之間相互轉(zhuǎn)換的操作。

(3) Message Handler

負(fù)責(zé)把應(yīng)用程序中的參數(shù)數(shù)據(jù)按照Webasto Telegram Specification格式打包準(zhǔn)備發(fā)送，也負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)按照同樣協(xié)議拆包，識(shí)別后保存在應(yīng)用程序中。

(4) Communication Agent

應(yīng)用程序通過調(diào)用該層次模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)串行通信接口的透明操作。

(5) COMM API

Windows串行接口API函數(shù)庫。

(6) KBUS-232 ADAPTER

用來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)到汽車天窗馬達(dá)ECU信息傳遞的硬件單元。

2 硬件結(jié)構(gòu)

此汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)中，其所選的硬件是基于ISO9141通訊協(xié)議的K線通訊的，所以這里先說明一下K線通訊的特點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上說明此天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的硬件結(jié)構(gòu)。

2.1 診斷K線通訊特點(diǎn)

根據(jù)SAE規(guī)定的OBD標(biāo)準(zhǔn)，車輛行業(yè)使用K、L線進(jìn)行診斷和標(biāo)定。通過K線對(duì)某個(gè)控制單元進(jìn)行查詢，通過K線、測(cè)試儀和控制單元可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。換句話說，即通過K線數(shù)據(jù)被雙向傳送（從測(cè)試儀到控制單元以及從控制單元到測(cè)試儀）。最近生產(chǎn)的車上都裝有K線。而 L線則是用來對(duì)控制單元進(jìn)行查詢的導(dǎo)線，此線在目前生產(chǎn)的車輛中已經(jīng)不存在。由于串口的普及，所以K線實(shí)現(xiàn)起來更容易。而邏輯電平的改變，只是需要轉(zhuǎn)換電路。因此本系統(tǒng)采用K線的通訊方式。由于K線只是一根線，而PC機(jī)與控制單元都要向?qū)Ψ桨l(fā)出信息，所以可以判定此線是半雙工串行通訊。

K線通訊主要有以下特點(diǎn)：
(1) 雙方采用半雙工異步串行通訊。
(2) 工作電壓范圍為8～18V。
(3) 使用環(huán)境溫度為－40°C～125°C。
(4) 最大速度是50kbps。
(5) 支持大電流。
(6) 與單片機(jī)CMOS電平無縫連接。
(7) 具有對(duì)地線保護(hù)作用。
(8) 串行通訊碼的每個(gè)單元包括10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分別為起始位、8位數(shù)據(jù)、停止位，每個(gè)單元發(fā)送完畢后設(shè)有空閑等待。
(9) 雙方的通訊以“行”為單位輪流發(fā)送，即PC機(jī)發(fā)送一行消息后，ECU再發(fā)送一行消息，反之亦然。
(10) 一信息行由下列數(shù)據(jù)組成：第一位數(shù)據(jù)表示本行還要發(fā)送多少數(shù)據(jù)；第二個(gè)數(shù)據(jù)用來表示關(guān)鍵碼，表示此次用來完成什么樣的操作，如開始參數(shù)、寫數(shù)據(jù)到EEPROM中等；第三個(gè)數(shù)據(jù)表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(11) 在一信息行中，還包括用于校驗(yàn)的反碼，一方每發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)后，對(duì)方必須對(duì)回應(yīng)此數(shù)據(jù)的反碼進(jìn)行校驗(yàn)；由于K線是單線通訊，所以只有在正確處理回應(yīng)數(shù)據(jù)的反碼進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，才能保證通訊的順利進(jìn)行。
(12) 至于PC機(jī)在每一個(gè)功能塊中如何發(fā)出命令，ECU是如何給出相應(yīng)信息的，在軟件結(jié)構(gòu)中會(huì)做說明。

2.2 K線通訊定義

在車輛網(wǎng)絡(luò)中,為準(zhǔn)確、可靠地通訊,必須確定一個(gè)固定的通訊波特率。假設(shè)診斷設(shè)備及其連接導(dǎo)線的電容為CTE,K線對(duì)地電容為COBW,車輛ECU的電容為CECU,定義為:

設(shè)計(jì)時(shí)以上各電容必須滿足以下關(guān)系:

12V電源供電：CECU+COBW≤7.2nF;CTE≤2nF;24V電源供電：CECU+COBW≤5nF；CTE≤2nF。
假定K 線通訊波特率最大為10.4kbps,若通訊波特率高于最大波特率,則必須減小允許電容;反之,必須增加允許電容。同時(shí)，在車輛診斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),必須保證任何ECU 信息不能引起其它ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,在診斷儀初始化時(shí),只能有一個(gè)ECU響應(yīng),或若干個(gè)ECU按一定順序響應(yīng)。

2.3 K線電路連接方式

K 線通訊本質(zhì)上為半雙工串口通訊。為保證準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)通訊, ECU和K線都必須有正確的電平。在K線系統(tǒng)中,發(fā)送時(shí)若電壓低于工作電壓的20%, 則認(rèn)為邏輯“0”,高于工作電壓的80%，則定義為邏輯“1”;接收時(shí)低于工作電壓的30%為邏輯“0”,高于工作電壓的70%為邏輯“1”,電壓在工作電壓的30%～70%之間狀態(tài)不確定。由以上分析可知,其電平與常用的串口電平不一致,因此必須設(shè)計(jì)專門的K 線接口電路,以滿足車輛K 線診斷要求。

K線可雙向傳遞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)初始化后先傳遞ECU地址，連接成功后用于信息交換，典型接口轉(zhuǎn)換芯片有ST公司的L9637D和Motorola公司的33290等。L9637D是一個(gè)與ISO9141標(biāo)準(zhǔn)功能兼容的集成芯片，是專門為車輛診斷而開發(fā)的雙向、半雙工通訊接口芯片。

3 軟件結(jié)構(gòu)

此汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)中所使用的參數(shù)主要有兩種類型：*.s參數(shù)類型和*.par參數(shù)類型的文件。其主要的區(qū)別是：*.s參數(shù)文件所采用的代碼格式是S-record，它是 Motorola 公司提供的一種標(biāo)準(zhǔn)文件格式，通過S－records代碼，將可執(zhí)行代碼從主PC機(jī)發(fā)送到另外一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)。在發(fā)送的過程中，S－records在其代碼頭上包含目標(biāo)地址信息和校驗(yàn)信息來檢驗(yàn)誤差；而*.par參數(shù)文件是Webasto公司專用的代碼格式，它的代碼主要是包含在ECU中的具體參數(shù)和此參數(shù)的具體數(shù)值。此馬達(dá)天窗ECU通訊系統(tǒng)的軟件部分就是在對(duì)這兩種參數(shù)類型熟悉的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

3.1 S-record格式說明

每個(gè)S－record由如下六部分組成：

(1) SOR：代碼的開始部分（ASCII ‘S’）；
(2) Type：S－record Type，有幾種類型：
S0：代碼起始段（可選），表示在其后還有其他的代碼。S0后面的地址代碼不被使用，經(jīng)常是（0X0000），有的還包括額外的信息,如表1所示。

S0代碼不被加載，可以被忽略，通常為S0030000 FC；
S1：16位地址的數(shù)據(jù)代碼；
S2：24位地址的數(shù)據(jù)代碼；
S3：32位地址的數(shù)據(jù)代碼；
S4：不同的目標(biāo)系統(tǒng)不同的含義；
S5：不同的目標(biāo)系統(tǒng)不同的含義；
S6：不同的目標(biāo)系統(tǒng)不同的含義；
S7：S3代碼結(jié)束段；
S8：S2代碼結(jié)束段；
S9：S1代碼結(jié)束段；

如果S9代碼后的地址代碼為 0X0000，則表示數(shù)據(jù)段的結(jié)束；如果其后代碼不為0，則地址代碼表示其開始執(zhí)行代碼的位置，通常為S9030000FC（注：S0，S9代碼是被忽略的）；
(3) Length：兩位十六進(jìn)制數(shù)，表示Load Address、Code/Data、Checksum的字節(jié)數(shù)；
(4) Load Address: 4、6、8個(gè)ASCII字符，表示Code/Data要加載的目標(biāo)地址。如s1,用4位十六進(jìn)制數(shù)來表示要加載的地址；
(5) Code/Data：0～64個(gè)ASCII字符，表示加載到目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際代碼；
(6) Checksum：檢測(cè)在傳送中是否有錯(cuò)誤發(fā)生，它的求法如下：
(1+sump+checksum)mod256=0
注：sump 是length、Load Address、Code/Data中從左至右每?jī)晌皇M(jìn)制數(shù)代表的十進(jìn)制數(shù)值進(jìn)行累加所得到的值。
3.2 *.par 參數(shù)說明

par文件包含了ECU具體的參數(shù)名稱和值，需要與參數(shù)說明文件excel共同使用進(jìn)行ECU的讀寫。以圖3為例解釋excel中的信息和*.par文件代碼的意義。

代碼如下：
[NORMAL]
ucCarType=2
aucPartNumber[0]=17
其中包含的參數(shù)所代表的含義和參數(shù)具體值的信息如下：
(1) Location表示此par參數(shù)在excel中的位置，此例表示在NORMAL段；
(2) Addr.表示代碼在EEPROM中的存儲(chǔ)地址信息；
(3) Parameter name表示代碼參數(shù)的名稱；
(4) Parameter description表示代碼參數(shù)的含義；
(5) Specific description對(duì)此代碼進(jìn)行特定的描述；
(6) Allowed value表示此代碼取值的范圍；
(7) Excel value表示此代碼實(shí)際的數(shù)值，此例分別為2、17；
(8) S Value以ASCII碼形式表示代碼，此例分別為02、11；
(9) Drive Value表示通訊過程中實(shí)際發(fā)送和接收的數(shù)值；
(10) Parameter表示參數(shù)類型；
(11) C source表示此代碼在ECU中，用哪段代碼來表示；
(12) Type key表示此代碼的數(shù)據(jù)類型。
注：0 代表無符號(hào)字符
1 代表有符號(hào)字符
2 代表無符號(hào)的短整型
3 代表有符號(hào)的短整型
4 代表8 bit 數(shù)組
5 代表16 bit 數(shù)組

3.3 K線通訊協(xié)議及應(yīng)用

ISO9141主要為車輛與診斷設(shè)備之間的通訊國(guó)際標(biāo)準(zhǔn), ISO9141已被美國(guó)加州大氣委員會(huì)(California Air Resource Board)所采納,其ISO14230為專門指定的用于道路車輛診斷的協(xié)議。根據(jù)ISO14230 的規(guī)定, K線通訊消息基本格式如表2 所示。

表2中各參數(shù)含義如下:

Fmt:幀字節(jié);Tgt:目標(biāo)地址;Src:源地址;Len:附加長(zhǎng)度字節(jié); Sld :功能識(shí)別字節(jié);Data :數(shù)據(jù)字節(jié);CS:校驗(yàn)和。
其校驗(yàn)和滿足以下公式:
i={(i-1)+}mod256(1)
式(1)中:1=<1>。

K 線協(xié)議采用消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳遞,可分為請(qǐng)求消息、指示消息和響應(yīng)消息,其中，響應(yīng)消息可分為正響應(yīng)和負(fù)響應(yīng),所有這些消息都具有相同的結(jié)構(gòu)。
Webasto汽車天窗馬達(dá)ECU與PC機(jī)的通訊方式是K 線通訊協(xié)議的一種應(yīng)用，其代碼基本格式如下：長(zhǎng)度位、命令標(biāo)志位、數(shù)據(jù)位(n=0…16)和校驗(yàn)位

所以最小的通訊長(zhǎng)度為3，即：傳輸?shù)男畔↙EN、ID、CHKSUM(傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)n＝0)。

為了保證PC機(jī)與ECU之間的通訊正常，使用校驗(yàn)碼來確保發(fā)送代碼的安全性，它是通過所有代碼的位與CHECKSUM_BASE=0xAA異或來求得。計(jì)算方法如下：

發(fā)送端的校驗(yàn)碼:

CHKSUM_s=CHECKSUM_BASE xor LEN xor ID xor DATA_1 xor... xor DATA_n

接收端的校驗(yàn)碼:

CHKSUM_r=LEN xor ID xor DATA_1 xor... xor DATA_n xor CHKSUM_s xor CHECKSUM_BASE
CHKSUM_r的結(jié)果為0，說明通訊順利完成。

為了確保通訊正常，在串行通訊過程中，規(guī)定兩個(gè)接收字節(jié)之間的時(shí)間不得超過50ms，若超過，則認(rèn)為此次操作失敗。

此汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)軟件的程序流程。汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)的軟件運(yùn)行如圖5所示。

界面上半部分負(fù)責(zé)*.s參數(shù)讀寫的部分，下半部分負(fù)責(zé)*.par參數(shù)讀寫的部分。此系統(tǒng)的硬件和軟件在Webasto車頂供暖系統(tǒng)有限公司的測(cè)試平臺(tái)上已經(jīng)通過驗(yàn)證。此系統(tǒng)對(duì)其天窗馬達(dá)ECU進(jìn)行參數(shù)讀寫、故障分析時(shí)，縮短了周期，大大提高了工作效率。

當(dāng)前，汽車天窗市場(chǎng)多由國(guó)外廠商控制，價(jià)格昂貴，其馬達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的理念也是隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)而來的。因此，開發(fā)適合我國(guó)的汽車天窗馬達(dá)ECU通訊系統(tǒng)不僅可以降低整車成本，還可以提高其國(guó)產(chǎn)化速度?，F(xiàn)在越來越多的電控系統(tǒng)將在車輛上使用,這些設(shè)備都可通過K 線使PC機(jī)與ECU進(jìn)行信息交換,以滿足實(shí)際車輛使用和維護(hù)的要求。同時(shí)K線也可進(jìn)行電控標(biāo)定系統(tǒng)的開發(fā),因此,本研究工程應(yīng)用前景非常廣泛。