基于第二代车载诊断系统接口的汽车嵌入式诊断仪设计

秦颖颀 陈雪峰

（上海蔚来汽车有限公司，上海 201800）

1 前言

第二代车载诊断系统（On Board Diagnostics Ⅱ，OBD Ⅱ）将汽车排放和驾驶相关故障的诊断标准化，使不同制造商生产的车辆具有相同的故障代码[1-7]。目前，大多数整车制造商采用OBD Ⅱ标准+ISO 14229 统一诊断服务（Unified Diagnostic Services，UDS）协议[8]开发车载电子控制单元（Electric Control Unit，ECU），车载诊断功能逐步扩展为支持多种车载ECU 的诊断。但汽车诊断仪的种类繁多，体积和质量通常较大，成本较高，且不支持二次开发或者二次开发比较困难，难以满足整车制造商的特殊使用需求，如软件定制化更改、研发阶段大量的诊断工具需求、无网络覆盖的离线场景等。

为此，本文开发一种嵌入式诊断仪，通过连接整车OBD Ⅱ接口与整车诊断控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线通信，并设计3种工作模式，即与外部手机等蓝牙设备通信、与外部计算机等串行接口设备通信、自行记忆上一次的指令，快速执行各项诊断任务，如诊断故障码（Diagnostic Trouble Code，DTC）删除与读取、开关运输模式、执行器标定等。诊断仪硬件基于STM32 单片机开发，并设计电源模块、快闪存储（Trans Flash，TF）卡存储模块、蓝牙模块、CAN 驱动模块、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示模块、蜂鸣器发声模块以及通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口模块等外设扩展模块；诊断仪软件基于C语言进行嵌入式开发。

2 诊断仪基本工作原理

OBD Ⅱ接口一般采用标准尺寸的16 针梯形母接头，诊断仪通过OBD Ⅱ接口与车辆网关的诊断CAN 总线 连接，进 而接入整 车ECU 的CAN/LIN 网络，与整车ECU 进行诊断通信，引脚及其定义如图1和表1所示。本文主要使用6个引脚，即Pin1、Pin4、Pin5、Pin6、Pin14、Pin16：Pin4、Pin5、Pin16 用于获取12 V 电源，为诊断仪供电；Pin6、Pin14 是诊断CAN总线引脚，诊断仪通过一路CAN（500 kbit/s）与网关通信，支持CAN 2.0A/B 数据传输协议和UDS 协议，支持各种中断服务，保证信息及时处理；Pin1 为点火信号端子KL15，用于获取车辆点火/上电状态。

表1 OBD Ⅱ接口引脚定义

图1 OBD Ⅱ接口引脚排布

该诊断仪支持BLE 4.0协议，可通过蓝牙接口与外部手机连接，也可通过USB 2.0接口与外部计算机设备连接。在线模式下，手机和计算机可以发出不同的诊断指令，同时显示诊断结果。离线模式适用于执行单一指令操作，如打开运输模式，诊断仪通过记忆之前的指令，每次上电时均执行同一指令。

诊断仪支持TF卡存储，可将所有诊断过程信息存储到TF卡上，用于测试结果追溯。诊断仪的系统原理如图2所示。

图2 诊断仪的系统框图

3 电路结构

3.1 MCU最小系统电路

主控制器选择STM32F103 系列微控制单元（Micro Controller Unit，MCU），采用ARM Cortex-M内核的32 位微控制器，供电电压为2.0～3.6 V（一般选择3.3 V），最高工作频率为72 MHz，片上集成256 KB的闪存（Flash Memory），48 KB 的静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM），可满足中等复杂度的程序要求[9]。该MCU具有丰富的硬件接口，如CAN 2.0B 接口、安全数字输入输出（Secure Digital Input and Output，SDIO）接口、通用同步/异步收 发 器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口，非常适合作为OBD诊断仪的主控制器，最小系统电路如图3所示。

图3 主控制器最小系统电路

3.2 电源电路

诊断仪的输入电压为12 V，从OBD 引脚直接取电，通过两级降压：一级降压芯片选择78M05 三端正线性稳压器，将电压降至5 V，用于CAN 收发器的供电，78M05 具有芯片体积小、输出电流大（峰值电流为700 mA）、输出电压噪声低（40 μV）、工作温度范围大（-65～150 ℃）的优点[2]，无需使用散热片；二级降压芯片选择AMS1117-3.3 三端正向低压降稳压器，将电压降至3.3 V，用于MCU系统、SD卡、蓝牙、串行接口等模块的供电，AMS1117-3.3芯片体积小、输出电流大（峰值电流为1 A）、工作温度范围大（-40～125 ℃）、工作压差低（最低为1 V），同样无需使用散热片[10]。电源模块电路如图4所示。

图4 电源模块电路

3.3 CAN收发器电路

MCU 的CAN 接口无法直接发送和接收符合CAN 总线物理层协议的差分信号，需要通过CAN 收发器进行电平转换，本文选择TJA1050 作为CAN 收发器。TJA1050 的供电电压为4.75～5.25 V（一般选择5 V），电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）斜率控制较好，无源特性良好（不上电时总线引脚漏电流为0 μA），总线传输速率最高支持1 Mbit/s，输入电平兼容3.3 V MCU 电平，与GB/T 41588.1—2022《道路车辆 控制器局域网（CAN） 第1 部分：数据链路层和物理信令》完全兼容，具有总线引脚短路保护功能[11]，其电路如图5所示。

图5 CAN收发器电路

3.4 蓝牙模块接口电路

根据诊断仪的实际使用场景，人机交互均在近距离条件下进行，故选择蓝牙作为无线通信方式。选用HC-05 蓝牙模块，通过MCU 的USART 串行接口驱动，可以与手机等外部蓝牙设备进行无线通信。HC-05 蓝牙模块体积较小，适合直接焊接在印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）上，支持主、从模式（诊断仪选择从模式），供电电压为3.3～3.6 V（一般选择3.3 V，完全兼容MCU TTL 电平），指令集丰富，通信距离可达8 m，工作稳定，其与MCU 的接口电路如图6所示。

图6 蓝牙模块接口电路

3.5 数据存储模块接口电路

选择TF 卡作为数据存储模块，TF 卡相对SD 卡体积较小，适用于PCB 空间有限的场景。通过MCU自带的SD/TF 卡驱动接口SDIO 模块进行控制，很容易实现文件分配表（File Allocation Table，FAT）文件系统的创建和编辑，存储数据稳定，诊断结果可以实时备份在TF卡中，存储模块电路如图7所示。

图7 TF卡存储模块电路

3.6 串行接口模块电路

为实现诊断仪与计算机等设备的有线通信，选择CH340 作为USB 转通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）芯 片。CH340 完全兼容USB 2.0，与Windows 的串行接口应用程序也完全兼容，供电电压支持3.3 V 和5 V，支持50 bit/s～2 Mbit/s 传 输 速 率[12]。选 择MCU 的USART1 模块接口用于串行接口通信，同时作为STM32 的程序烧写口，串行接口电路如图8 所示，PCB 上也同时预留了串行线调试（Serial Wire Debug，SWD）+烧写接口。

图8 串口模块电路

3.7 其他辅助电路

其他的辅助电路包括：

a.声光指示模块电路。使用一支蜂鸣器发声，使用RGB混色LED发光，电路如图9所示。

图9 声光指示模块电路

b. KL15 光耦隔离电路。使用EL357 光耦实现电气隔离和降压，电路如图10所示。

图10 KL15光耦隔离电路

c. 离线时钟电源模块电路。使用纽扣电池方案，在不连接实车时保持诊断仪的时钟正常运行，保证诊断结果可追溯，电路如图11所示。

图11 离线时钟电源模块电路

d.OBD Ⅱ接口电路。选择标准尺寸的OBD Ⅱ公头作为主接插件与车端对接，实现诊断通信，电路如图12所示。

图12 OBD Ⅱ接口电路

4 软件实现方法

使用C 语言进行嵌入式程序开发，在Keil 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）下进行编译和调试，编程的主体思路是软件配合硬件，即先完成电路设计、PCB布线，再进行软件开发，因为相对于硬件更改，软件调整的灵活度更高。目前，STM32编程一般分为3个层级，即底层硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）、中间驱动层、上层应用层，为提高程序的可读性和简洁性，本文未采用HAL 编程，采用中间驱动层+上层应用层的编程方式。

驱动层采用STM32官方固件库函数作为应用程序接口（Application Programming Interface，API），取代传统的直接寄存器配置方案，以提高编程效率和代码的可读性。具体功能包括通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）端口初始化、CAN模块初始化、USART模块初始化、SDIO模块初始化、中断初始化等，使用的典型固件库函数集合如表2所示[13]。

表2 主要使用的固件库函数集

上层应用层通过调用中间驱动层API封装具体功能需求。应用层函数主要包括2 类：一是实现基础通信功能的函数，包括CAN 信号发送和接收、蓝牙/串行接口消息的发送和接收、TF 卡的读写操作、声光逻辑控制等；二是实现具体应用，包括各种UDS诊断控制流等。

诊断仪总体的软件工作流程如图13所示。

图13 诊断仪软件流程

5 应用与测试

诊断仪不主动向手机推送蓝牙信息（除自动发送“AT+INQC”连接信息外，直接忽略该信号即可），任何信息的调取，都需要手机APP 先发送指令，避免误操作，主要功能如表3所示。

表3 诊断功能

针对表3 所示的功能，设计了功能测试和性能测试：功能测试主要包含蓝牙通信、诊断指令执行、诊断结果读取、测试结果日志打印；性能测试主要包含长时间开机（大于10 h）、反复上下电（5 000次）、循环执行指令功能。测试中发现的一些严重软件错误（Bug)，如数组越界导致异常重启、压力测试下程序跑飞，进行了代码修复，可以实现连续开机超过10 h和上下电5 000次无异常。

6 结束语

本文设计了一种基于OBD II 接口的诊断仪，采用汽车行业标准的软、硬件接口（软件采用CAN 2.0/UDS 协议接口，硬件采用OBD II 接口），设计了电源模块、TF 卡存储模块、蓝牙模块、CAN 驱动模块、LED显示模块、蜂鸣器发声模块、USB接口模块等外设扩展模块，采用分层架构进行了嵌入式软件开发，对于UDS 的基本功能，均提前封装为中间层API，作为原子能力供上层APP 调用，降低了软件开发的难度，提高了功能迭代的效率。