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WindowsXP嵌入式诊断系统制作褚文和1陈2陈启成3林建成

国立虎尾科技大学车辆工程系副教授1

国立虎尾科技大学机械与机电工程研究所研究生2,3

E-mail:wenhou@nfu.edu.tw

经济部学界科专计画编号:97-EC-17-A-16-S1-051-A1-3-

摘 要本文研究在於开发出WindowsXP嵌入式诊断系统,并建构出与其对应的嵌入式作业系统,搭配本文所撰写符合ISO14230通讯协定的车辆诊断应用程式,与车辆引擎ECU作连线,撷取引擎运转参数与故障诊断.在嵌入式作业系统方面,采用MicrosoftWindowsEmbeddedStudio开发工具,利用其模组化依据的特性,汇入诊断系统所需的功能元件,建置XPEmbedded诊断系统之映像档.通讯协定方面,本文将以符合ISO14230规范之VARICA引擎ECU,作为诊断系统目标硬体之验证.在硬体方面,则采用研华PCM-9388F嵌入式主机板作为WindowsXP嵌入式诊断系统开发平台之硬体架构,并搭配K-Line转换电路及程式语言软体VisualC++6.0整合式发展环境(IDE),将ISO14230,SAEJ1939通讯协定的各种怎么写作功能类型以物件导向之C++程式语言,撰写符合车辆通讯协定之诊断应用程式.关键字:XPEmbedded,ISO14230,SAEJ1939,CAN,VisualC++6.0

1.前言在全球车厂竞争激烈下,电子化成为创造汽车附加价值与差异性的重要进程,促使车用电子的开发及应用急速发展,根据ICInsights[1]估计,2016年车载电子化产品将高达40%,2016年全球汽车电子市场规模将达1664亿美元,IEEE[2]则估计2016年将有40%的汽车成本来自於汽车电子,4C(Car)的需求日益显着,不过汽车的严苛作业环境,有限的车体容积,基於安全性的高良率要求,以及长达十年以上的零件供应需求等等因素,再挑战汽车电子厂商的技术能力和适应能力.

在汽车电子元件里,微控制器(MicroControllerUnit﹐MCU)是数量最多的一种电子零件,车内MCU的使用量已经从过去的平均20颗成长到目前的百颗以上,所以MCU也成为全球汽车电子市场的主流产品[3].如控制器区域网路(ControllerAreaNetwork﹐CAN)为将车上多个MCU整合於网路中,达成资讯分享的功能.

由於汽车电子技术的快速发展,故障诊断的难度也越来越大,复杂程度也相对提高.目前诊断技术方面除了沿用旧有通讯协定如ISO14230或车厂自行规范定义外,尚需了解其他相关的车辆通讯协定,才能制作出一套符合各车种的故障诊断系统.现今的车辆诊断系统又大都由国外所开发制作,其体积庞大,携带不便,昂贵,因此,本文研究目的为利用嵌入式系统可携式之特点,开发WindowsXP嵌入式诊断系统,并建构出与其对应的嵌入式作业系统,使其可以搭配本文所撰写的车辆通讯协定之诊断应用程式,与车辆引擎ECU作连线,撷取引擎运转参数与故障诊断.2.ISO14230及SAEJ1939通讯协定标准

2.1ISO14230

ISO14230遵行了OSI七层通讯参考模型,ISO14230又称为KWP2000(KeywordProtocol2000),是由国际标准组织(ISO)在1999年所制定出来的车用OBD诊断通讯协定,分为ISO14230-1(实体层),ISO14230-2(资料链结层),ISO14230-3(应用层),各层间的规划及应用请参考[4],[5],[6],以下将以ISO14230-1做简单介绍.

图为ISO14230系统配置图,其中ECU与诊断器(Tester)连接方式可分为两种模式,一种为K(K-Line),而另一种是L(L-Line).K-Line是属於双向传输,使用在ISO14230的连线初始化与资料传输上,而连线初始化部份将在资料链结层再作介绍.L-Line这边并未使用,除非汽车制造商另外订定,否则都采用K-Line作为连线,资料传输及诊断的功能.

图1ISO14230系统配置图如表1所示,在K-Line电压讯号准位方面,主要利用电压凖位来做逻辑(Logic)"1"与逻辑"0"的转换,图2为ISO14230K-Line电压讯号准位,其中VB是电瓶电压,而传送端(Tranitter)在VB为80%以上代表数位逻辑"1",而在VB为20%以下代表数位逻辑"0".接收端(Receiver)则是VB为70%以上为"1"而VB为30%以下为"0".而本文电瓶电压为12伏特(V),所以传送端的讯号电压凖必须为9.6V以上或2.4V以下(VB等于12V),接收端的讯号电压凖位为8.4V以上或3.6V以下.

表1K-Line的电压讯号准位

逻辑准位01传送端电压准位≦20%VB≧80%VB接收端电压准位≦30%VB≧70%VB

图ISO14230K-Line电压讯号准位2.2SAEJ1939通讯协定

本文WindowsXP嵌入式诊断系统应用程式,系依据ISO14230及SAEJ1939通讯协定来制作,其中SAEJ1939遵行了OSI七层通讯参考模型.分为SAEJ1939-11(实体层),SAEJ1939-21(资料链结层),SAEJ1939-31(网路层),SAEJ1939-71(应用层-车辆参数),SAEJ1939-73(应用层-车辆诊断),各层间的任务及规划目的请参考[7],以下将以SAEJ1939-11(实体层)做简单介绍.SAEJ1939-11为七层架构的最底层,此层叙述电子讯号间传送讯号准位,实体层编排架构等.采用双绞线以差动讯号方式进行讯号传输,所谓差动讯号电压是指CAN-High和CAN-Low电压间的差值,它对讯号准位判别较为严谨,较一般网路架构拥有更强韧的抗干扰性.图为CAN装置电压准位,其定义如下:装置电压(Vcc)为4.5~5.5V,CAN-High和CAN-Low间差动讯号电压(△V)为0~3.0V,当CAN-High的电压值大於3.5V,CAN-Low的电压值小於1.5V,则△V>,1.0V传递显性(Dominant)逻辑"0"位元,如果CAN-High和CAN-Low电压值皆维持在2.5V,则△V<,0.5V传递隐性(Recessive)逻辑"1"位元,如表所示.另外为避免CAN讯息传送时产生回波震荡,於CAN网路上会配置120Ω终端电阻,如图所示.

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图CAN装置电压准位表位元逻辑值

逻辑値位元值CAN-HCAN-L△V(H-L)显性(Dominant)03.51.5大於1.0隐性(Recessive)12.52.5小於0.5

图实体层架构图

3.XP嵌入式系统介WindowsXPEmbedded[8]是微软所开发的嵌入式作业系统,主要以元件化形式展现Windows作业系统的强大功能.WindowsXPEmbedded建置於与WindowsXPProfessional相同的架构基础上,包含了超过10,000项以上的各别功能元件,因此开发人员在自订装置映像档中,能管理或减少机体的空间,以选择并达到最佳的功能.使用WindowsXPEmbedded来建置作业系统的常用装置类别,包含零售销售点终端机,精简型用户端和进阶的机上盒,其特色如下:

7.Windows,Win32APIs

如图所示,WindowsXPEmbedded中的产品功能,要发展适用於我们目的装置的WindowsXPEmbedded嵌入式系统映像档,必须要有一个完整的发展步骤及开发工具(MicrosoftWindowsEmbeddedStudio)..

图MicrosoftWindowsEmbeddedStudio

图4.XP嵌入式诊断系统制作4.1诊断系统应用程式制作

本文诊断系统应用程式中,包含两种车辆通讯协定(ISO14230及SAEJ1939),其中ISO14230通讯协定之诊断系统应用程式,段宗廷之硕士论文[9]诊断程式加以修改并套用,而SAEJ1939通讯协定之诊断系统应用程式,则是将SAEJ1939通讯协定的各种怎么写作功能类型以物件导向之C++程式语言,撰写符合车辆通讯协定之诊断应用程式.

诊断系统应用程式撰写,则是采用程式语言VisualC++6.0整合式发展环境(IntegratedDevelopmentEnvironment﹐IDE)[10]的单文件样板来设计如图所示,所谓整合发展环境指的是从程式编辑(Edit),编译(Compile),侦错(Debug),执行(Execute)与线上说明(OnlineHelp)都在同一软体执行.图为诊断系统应用程式人机介面,可分为标题列,功能表列,工具列,View视窗与状态列五部份.

图VisualC++6.0开发环境介面

图诊断系统应用程式人机介面

4.2XP嵌入式作业系统制作

本文WindowsXP嵌入式诊断系统主要利用AdvantechPCM-9388F嵌入式主机板,瞄准科技M01A触控式萤幕,储存装置CF(CompactFlash)卡,综合以上硬体设备,作为本文诊断系统开发平台之硬体.嵌入式主机板PCM-9388F所搭配之作业系统软体部份,采用MicrosoftWindowsEmbeddedStudio[11]制作.图为本文XP嵌入式作业系统制作流程,简述如下:

图XP嵌入式作业系统制作流程第一步分析目标装置上的各别硬体装置(目标装置系指本文PCM-9388F嵌入式主机板),这需要使用目标装置分析师(TargetAnalyzer)的公用程式(TAP.exe),让使用者可以容易取得目标硬体分析档PMQ档,该档案主要是记载BIOS与驱动程式的资讯,此公用程式包含在WindowsXPEmbedded工具组中.

使用元件设计师(ComponentDesigner)[]的工具,将PMQ档,系统驱动程式INF(InformationFile﹐INF)档及由6.1节所制作的诊断系统应用程式,在自定义应用程式(CustomApplication),建立WindowsXPEmbedded元件,并转换成SLD(SystemLevelDefinition﹐SLD)档.

将所有ComponentDesigner产生的SLD档,汇入(Import)至元件资料库(ComponentDatabaseManager),使其成为XPEmbedded系统元件.

结合所有选择元件的组合设定,并透过目标装置设计师(TargetDesigner),选择欲增加元件,进行相依性检查,最後将它们建置到WindowsXPEmbedded系统映像(Image)档中.

部署系统映像(Image)档到目标装置上.

依序完成嵌入式作业系统制作流程後,如图所示,将目标装置设计师(TargetDesigner)所产生的目标装置系统映像档,部署到目标装置上,图为WindowsXPEmbedded安装完成画面.

图目标装置系统映像档

图WindowsXPEmbedded安装成功画面

5.XP嵌入式诊断系统测试本文XP嵌入式诊断系统测试,采用中华汽车VARICAECU作为诊断系统目标硬体,VARICAECU为符合ISO14230通讯协定规范,图为XP嵌入式诊断系统测试架构示意图.系统间转换电路制作所设计电路图,藉由雕刻机雕刻一块符合转换电路的电路板,作为XP嵌入式诊断系统与VARICAECU间讯号传递之桥梁.

图XP嵌入式诊断系统测试架构示意图5.1XP嵌入式诊断系统与VARICAECU测试

本节将对XP嵌入式诊断系统与VARICAECU间连线测试,引擎运转参数测试,故障码测试作叙述.

5.1.1连线测试

藉由XP嵌入式诊断系统RS232端传送一指令码0X55至dsPIC30F4011,dsPIC30F4011收到後,会启动内部计时器去传送波形及StartCommunicationRequest讯号,当VARICAECU收到正确资料後,会回传正回应讯息至XP嵌入式诊断系统.图所示为RS232测试软体[1]传送0X55讯号至dsPIC30F4011後,所回传之正回应讯息,由此可知,当VARICAECU回传正回应讯息时,即代表XP嵌入式诊断系统与VARICAECU间连线已成功建立,并可作诊断通讯,来验证dsPIC30F4011是符合ISO14230电路设计需求.

图RS232测试软体接收ECU正回应讯息5.1.2引擎运转参数测试

本文根据ISO14230协定规范,传送引擎运转参数讯框格式给ECU,并针对ECU回传之ReadDataByLocal-IdentifierPositiveResponse讯息中的21~51Bytes作分析,撷取电瓶电压,进气温度,引擎水温,节气门位置讯号,再根据SAEJ1939换算公式,来推估ISO14230引擎运转参数的转换公式,藉此求得引擎运转数据.

本文依序将VARICAECU目标硬体上,引擎运转参数模拟旋钮分别恢复至原始位置及最大位置,经XP嵌入式诊断系统量测後,比对AutoDataScan诊断仪器[1]所量测数值.如图XP嵌入式诊断系统所得到之值与AutoDataScan诊断仪器量测之值XP嵌入式诊断系统所得到之值与AutoDataScan诊断仪器量测之值XP嵌入式诊断系统所得到之值与AutoDataScan诊断仪器量测之值其差距甚微,因此本文采用所推估换算之公式,作为XP嵌入式诊断系统上显示之物理量公式.

图AutoDataScan诊断仪器

图嵌入式诊断系统与AutoDataScan仪器数值比对(原始位置)

图嵌入式诊断系统与AutoDataScan仪器数值比对(最大位置)5.1.3故障码测试

本文故障码测试主要采用ISO14230的ReadDiagnosticTroubleCodesByStatusService对VARICAECU做故障码撷取,并依照ISO14230的讯框格式,分别传送HeaderBytes,DataBytes与Checksum给VARICAECU,当传送资料正确无误,VARICAECU就会回传讯息给XP嵌入式诊断系统,其中Response的DataByte包含了故障代码与个数的资讯,而VARICAECU其内建故障码有6组,分别为P0120,P0105,P1640,P0443,P0230与P1895,每笔故障码都由3Bytes所组成,前2Bytes为故障码代码,最後1Byte为故障码状态.图为XP嵌入式诊断系统撷取故障码显示画面,图则是AutoDataScan撷取故障码显示画面.

图XP嵌入式诊断系统撷取故障码显示画面

图AutoDataScan撷取故障码显示画面

当维修人员找出故障源并修复之後,接下来须消除VARICAECU里的故障码,本文利用ISO14230的ClearDiagnosticInformationservice来消除故障码.图为XP嵌入式诊断系统消除故障码显示画面,图则为AutoDataScan消除故障码显示画面.

图XP嵌入式诊断系统消除故障码显示画面

图AutoDataScan消除故障码显示画面6.结论本文依据嵌入式系统特性为主要目标,发展制作出WindowsXP嵌入式诊断系统,可望取代现今车辆诊断仪器贵重,体积大,携带不方便等缺点.此外,嵌入式诊断系统人机介面,系采用触控式萤幕来做诊断系统应用程式输入端,代替了传统诊断仪器以按键为输入方式,具有更人性化功能.设计系统间转换电路,系采用RS232通讯介面与ECU作连线诊断,其Kline电压讯号准位与鲍率换算可供未来研究者参考.由此可知,本文嵌入式诊断系统OS,系以MicrosoftWindowsEmbeddedStudio开发工具所制作,其实作过程,可供未来制作不同嵌入式系统商品应用之雏型.

7.致谢承蒙经济部学界科专计画:车辆电子通讯网路技术(9-EC-17-A-16-S1-051-A1-3-)之经费补助与国立虎尾科技大学提供设备支援,仅此致谢.

8.参考文献书籍:

[4]Roadvehicles-Diagnosticsystems-KeywordProtocol2000-Part1Physicallayer,1999.

[5]S14230,KeywordProtocol2000-Part2-DataLinkLayerSwedishImplementationStandard,1998.

[6]Roadvehicles-Diagnosticsystems-KeywordProtocol2000-Part3Applicationlayer,1999.

[7]SAEInternational,"TruckandBusControl&,CommunicationsNetwork",SAEJ1939/11,21,31,71,73,StandardsManual,2005Edition.


[10]萧明城,周岱琳,VisualC++6.0完全攻略,2003.

[11]D.Liming,Sean,WindowsXPEmbeddedAdvanced,Baker&,TaylorBooks,2003.WindowsEmbeddedTraining,FeaturingWindowsXPEmbeddedServicePack2FeaturePack2007,StudentManual.

研讨会论文:

[9]段宗廷,ISO14230通讯协定之车辆OBDII电脑诊断系统设计与制作,国立虎尾科技大学机械与机电工程研究所硕士论文,2016.

其他:

[1]icinsights./,市场研究机构ICInsights.

[2]ieee./portal/site,电气电子工程师学会.

[3]hope..tw/Art/Show2.aspO等于200506

011114310686&,D等于0A&,PC等于PRODUCT&,PO等于EL,车用电子技术发展与市场展望研讨会实录,2005.

[8]microsoft./windowsembedded/zh-

tw/products/wexpe/default.mspx,WindowsXPEmbedded.

[1]nahua-e./document/software/

rs232/rs232.zip,RS232通讯测试软体.

[1]mail.oil..tw/~pip/2005/0512/cover.

,车伟佳科技AutoDataScanV70.

中华民国第十四届车辆工程学术研讨会,国立虎尾科技大学车辆工程系,台湾云林,2016年月日The14thNationalConferenceonVehicleEngineering,Oct.30,2016,FormosaUniversity,Yunlin,Taiwan,R.O.C.