基于CAN总线的发动机状态监测系统设计
纪建伟;陈立辉;刘应吉
【摘 要】采用带CAN总线控制器的Freescale MC9S12DG128建立了发动机状态监测系统.通过设计的CAN节点对发动机的关键参数如油压、转速以及故障码信息等进行采集,并通过GPRS模块将这些参数传输给远程监控中心.经实车试验证明,该系统能实时采集CAN总线信息并通过GPRS无线通讯模块将数据传输到监控平台,完成了预期各项功能.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》 【年(卷),期】2010(041)006 【总页数】4页(P717-720)
【关键词】CAN总线;GPRS;发动机故障码信息;电控单元;MC9S12DGl28 【作 者】纪建伟;陈立辉;刘应吉
【作者单位】沈阳农业大学,信息与电气工程学院,沈阳,110866;沈阳农业大学,信息与电气工程学院,沈阳,110866;交通运输部公路科学研究院,汽运中心,北京,100088 【正文语种】中 文 【中图分类】U495
国内现有的主流监控管理平台可以针对客运车辆的位置、速度、管理等信息进行监控，能够有效的满足企业对车辆的调度及位置、速度等监控需求[1]。但是对车辆发动机、自动变速器等工作单元的运行状况信息监控较少，缺乏对工作单元存在的
或可能发生故障的预判和诊断。针对目前行业内对发动机实时运行状态远程监测和诊断的需求，本研究以freescale16位单片机为硬件核心，设计开发了基于SAE J1939协议的总线信息采集系统，实现了对发动机转速、油压和故障码等信息的采集，在其基础上完成了采集信息的无线传输，实现与远程监控平台的数据交互。 1 车载网络拓扑与系统硬件设计
汽车内部的电控单元（ECU）都挂接在CAN总线上，汽车内部数据信息通过CAN总线进行传输。本系统模块可以挂接在CAN总线上，作为总线上的一个节点，可以对客车内发动机制动、传动、转向和故障码等信息进行采集。采集到的信息需要通过GPRS无线网络与监控平台进行信息的交互。
信息采集模块硬件由freescale 16位微控制器MC9S12DG128、电源模块、LCD显示模块、GPRS模块等部分组成，系统硬件总体结构如图1。 1.1 MC9S12DG128微控制器
MC9S12DG128微控制器是Motorola公司M68HC12系列16位单片机中的一种，MC9S12DG128提供了丰富的片内资源，重要的是MC9S12DG128内部集成了两个兼容CAN2.0A/B协议的MSCAN控制器，丰富的内部资源和外部接口资源可以满足ECU对各种数据的处理、CAN网络数据的发送和接收要求[2]，简化了信息采集模块的硬件设计，节约了设计成本。MC9S12DG128是信息采集模块的核心，负责采集车载网络上的数据，对接收到的数据进行分析处理，并通过GPRS模块将采集到的数据发送给监控平台。
图1 硬件总体结构图Figure 1 The overall structure of the system hardware 1.2 CAN总线模块
CAN总线模块由HCPL2630和82C250芯片组成，HCPL2630为光电耦合芯片,实现了电信号间的电气隔离。82C250是CAN控制器和物理层总线间的接口,具有抗瞬间干扰、保护总线的能力,可以满足1Mbps的传输速度要求[3]。
1.3 GPRS模块
SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM300集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品，如PDA、无线MODEM卡、车载和导航等系统和产品，应用范围十分广泛。SIM300模块为用户提供了功能完备的系统接口，用户只需投入少量的研发费用，在较短的研发周期内，就可集成自己的应用系统。MC9S12DG128与SIM300模块可以通过精简的RS-232方式通信。 1.4 LCD显示模块
为了方便系统的调试，采集模块还提供了LCD液晶显示模块，用来在调试过程中将采集到的数据和SIM300模块反馈的数据实时的显示在LCD屏幕上。显示模块采用的是一块高画质的TFT真彩LCD模块MT24-2，其具有丰富多样的接口、编程方便、易于扩张等良好性能；MT24-2内置专用驱动和控制IC（SPFD5408），并且驱动IC自身集成显示缓存，无需外部显示缓存，极大地缩短了系统的开发周期。同时也便于系统故障的监测，通过显示模块即可判断是采集模块故障还是GPRS模块故障。 2 系统软件设计
系统软件设计部分采用了模块化设计思想，主要是由系统初始化程序、CAN总线数据采集程序、LCD显示程序、GPRS链路服务程序和故障诊断码解析程序等组成。
2.1 系统初始化程序
系统初始化程序完成了系统时钟的设置、使能锁相环、总线和串口波特率的设置，以及LCD液晶屏的初始化操作等与系统初始化有关的操作。 2.2 CAN总线数据采集程序
CAN总线数据采集程序主要完成初始化CAN节点、接收CAN总线信息、将接收
到的CAN数据转化为符合SAE J1939协议的PDU格式等。由于本系统设计需求是提取发动机的制动、转向、传动和故障代码等信息，为了简化程序设计，当需要请求发动机发送某数据时，可以将请求报文里的地址设为全局地址，发动机就会向总线所有节点广播此信息，然后本系统节点就可以从总线上提取所需信息。 由CAN数据帧的ID和J1939的PDU的关系，定义了两种结构体类型。即：（1）CAN数据帧结构定义
数据采集程序采用中断方式接收，程序流程图如图3。 （2）J1939报文数据帧结构定义
图3 中断接收流程图Figure 3 Interrupt receiving flowchart 图4 SIM300驱动流程图Figure 4 SIM300 drive flowchart 2.3 LCD显示程序
显示程序负责完成数据在LCD屏幕上的显示，由于本系统采用的是模块化设计思想，与LCD显示相关的初始化函数、字模和显示函数全部封装在LCD320240.c中，所以当需要在LCD屏上显示ASCII字符或汉字时，只需直接调用 LCD_mPrint（）、LCD_P8x16Str（）等相关函数即可。 2.4 GPRS链路服务程序
GPRS链路服务程序用于完成GPRS模块SIM300的驱动，通过串口向SIM300发送AT指令，建立GPRS数据无线传输链路，其软件流程如图4。AT指令用于测试模块连接，如果SIM300与模块连接正常，则返回OK指令；
AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”，CGDCONT=1：定义 PDP（分组数据协议类型）上下文，用于规定分组数据协议类型的字符串参数。“IP”表示使用因特网协议。“CMNET”接入点名称，作为逻辑名称用于选择GGSN或外部分组
数据网络；AT+CIPSTART=“TCP”,“124.207.32.130”,“2020”，设置连接服务器的 IP 地址，端口号，连接类型TCP等操作[4]。 2.5 故障诊断码解析程序
SAE J1939定义了19个诊断信息DM，DM由诊断故障灯代码（2字节）和诊断故障码DTC（4字节）组成，诊断故障码DTC的长度为4字节，包括可疑参数码SPN（19位）、故障类型代码FM1（5位）、故障发生次数OC（7位）、SPN转化方式CM（1位）。本系统采用中断方式提取故障诊断码，由于系统设计是实现对发动机的实时运行状态进行监控，所以只需提取激活状态的诊断故障代码（DM1）。一旦有DTC成为激活的故障，就有DM1报文被传输，并在之后处于正常的每秒仅一次的更新速度。如果故障激活的时间是1s或更长，之后又变为不激活的状态，则传输DM1报文应反映这种激活与不激活状态之间的改变。如果在1s的更新期间内有不同的DTC改变状态，则要传输新的DM1报文反映这种变化。为了避免因高频率的间断故障而引起的高报文传输率，建议每个DTC每秒只有一个状态改变被传输。该报文仅当有一个激活的DTC存在或处于响应一个请求时才被发送。注意，当不止一个激活的DTC存在时，这个参数组将会要求使用“多包传输”参数组[5－6]。控制器通过以下方式处理故障信息。最后根据num=1标志，开始执行多包传输数据合并函数并存储。 3 结论
本设计实现了基于J1939协议的发动机状态监控诊断系统，硬件采用Freescale MC9S12DG128微控制器和GPRS模块SIM300，软件采用了模块化设计思想，实现了发动机状态监控诊断功能。创新点在于将汽车发动机CAN总线上的信息与监控平台相结合，可以从技术手段上实现对发动机实时运行状态的远程监控和异常
情况的识别，减少发动机运行过程中存在和潜在的不安全因素。本设计已通过实车试验，试验证明该设计能出色的完成各项功能，但本设计只能运行于GPRS信号覆盖的地方，在GPRS信号弱或者没有GPRS信号的地方，将无法与监控平台取得通信，这也是本设计有待改进之处。 参考文献：
[1]游张华,许 勇.CAN/GPRS无线车载网关的设计与实现[J].汽车电子,2008,24（9）：237－239.
[2]孙 进.基于SAE J1939标准的汽车网络应用研究[D].北京:北京航空航天大学,2006.
[3]孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社,2008.
[4]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,1996.
[5]SAE J1939－71 Vehicle Application Layer[S].USA.SAE.Issued,2004. [6]SAE J1939－73 Application Layer Diagnostics[S].USA.SAE.Issued,2004.
