CN103742265B - 一种基于通信协议的汽车发动机测速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通信协议的汽车发动机测速系统，主要包括单片机，以及分别与单片机连接的电源模块、按键模块和通信接口；通信接口与汽车ECU连接。本发明所述基于通信协议的汽车发动机测速系统，可以克服现有技术中使用不方便、精度低和可靠性差等缺陷，以实现使用方便、精度高和可靠性好的优点。

Description

一种基于通信协议的汽车发动机测速系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体地，涉及一种基于通信协议的汽车发动机测速系统。

背景技术

汽车发动机一般集成了电子控制系统^[1](engineelectroniccontrolsystem，简称EECS)，EECS内置了转速测量传感器(如曲轴转角与转速霍尔传感器)。电控系统通过内置传感器测量到的发动机转速信号来控制发动机的燃油喷射，使发动机工作在最佳工况。电控系统的核心是电控单元(electroniccontrolunit，简称ECU)，其作用是完成各种传感器输入信号和采集和调理，并根据发动机管理控制算法进行运算，输出控制信号给执行部件。ECU中的动力总成控制模块(powertraincontrolmodule，简称PCM)在汽车正常运转时会将转速信号通过传感器记录下来，并将其存储到特定的存储单元中，汽车车载网络的其他电子控制单元就可以方便地通过特定的通信协议获取该速度信号。同理，外部诊断设备或扫描工具也可以通过特定接口与ECU进行通信获得该转速信号。

在通信协议分析方面，由于汽车内部有多种不同类型的设备电子控制系统，为了实现各系统之间以及内部系统和外部设备进行通信，相应的汽车网络通信协议相继被制定。按照通信速度，协议大致可以分为三类^[2]，即A类、B类、C类，A类协议主要面向低速设备(10kbit/s以下)，B类协议中速设备(100kbit/s以下)，C类协议主要面向高速设备(10Mbit/s以下)。具体如下：

⑴通信协议选取

汽车发动机故障诊断采用的通信协议属于B类协议^[3]，常用的协议有ISO9141、ISO14230、SAEJ1850PWM、SAEJ1850VPM和CAN。其中，ISO14230可以看作是ISO9141的改进，主要被欧州和大多数亚洲汽车生产厂商采纳。SAEJ1850PWM主要被美国福特公司采用^[4]；而SAEJ1850VPM主要被美国通用公司采用。CAN是一种新的高速通信协议^[5]，通信实现较为简便，有较大的发展前景，但是目前在国内汽车发动机中覆盖率还不高。

ISO14230协议是ISO为开发有效的道路用车诊断系统而制定的，通称为KWP2000^[2]。目前该协议己广泛用于电控发动机的故障诊断工具开发。KWP2000主要用于电控系统的在线故障诊断，它因传输快捷可靠、便于实现、对硬件和软件的要求相对容易的优点而被各发动机制造商广泛地应用于电控发动机的故障诊断、实时监控和匹配标定系统的开发。

⑵KWP2000通信协议：KWP2000串行通信协议在启动通信后，会返回2B信息来指示系统所支持的报文格式，这2B被称为关键词。它依据开放性系统互连(opensysteminteraction，简称OSI)基本参考模型^[6]，但只定义OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层三个子层。

物理层：KWP2000物理层遵循ISO9141-2中物理层的规定^[6]，并扩展了可以满足提供12V或24V电压的车辆的条款。它规定车辆可采用汽车上诊断连接头中的单通信数据线(仅有K线)或双通信数据线(K线和L线)方式连接至外围诊断工具。K线为双向数据线，用于通信和初始化，采用一根信号线完成半双工异步通信。L线为单向数据线，仅用于初始化，在除初始化以外的其他时间里总是处于逻辑“1”的空闲状态。KWP物理层桂电逻辑电平电议如图1所示。该规范使用标准的不归零编码(non-return-to-zero，NRZ)作为传输格式，当总线处于逻辑“1”状态时，图1中的信号电平保持为高电平，不会出现回零负跳变。总线上逻辑“1”状态时必须满足输出电平不低于电源电压VB的80％，输入电平不低于VB的70％；逻辑“0”状态时必须满足输出电平不高于VB的20％，输入电平不低于VB的30％。

当ECU处于逻辑“1”状态时，其K线和地之间存在一个相对地的电阻，其阻值约为50kΩ；当ECU处于逻辑“0”状态时，其K线和地之间也存在一个相对地的电阻，其阻值不超过110Ω。外部设备若与ECU通信，总线需设置阻值为510Ω的上拉电阻，安放在外围诊断设备或测量设备内部。

数据链路层：

①传输字节格式

数据传送时每字节低位在前，每个字节由起始位、8位数据位、停止位组成，没有奇偶校验位，通信波特率为10.4kbit/s。

②数据帧格式

KWP2000协议的消息由消息头、数据字节和校验3部分组成，如表1所示。其中，Fmt为帧头，Tgt代表ECU的物理地址或功能地址，Src代表诊断测量设备的物理地址，Len代表数据字节长度，Datai代表传输的数据，Sid代表服务标识符，CS代表累加求和校验值^[6]，上标1表示该字节是由返回关键字决定的可选字节，上标2表示该部分字节长度是可由帧头Fmt或数据字节长度Len设定。

表1：KWP2000数据帧结构

③定时间参数的约定

数据报和数据字节之间有着严格的定时参数约定^[6]，数据流的一般定时参数如图2所示。其中，P1代表响应帧字节间的定时参数，P2代表请求帧与响应帧间的定时参数，P3代表响应帧与请求帧间的定时参数，P4代表请求帧字节间的定时参数。

④ECU的激活方式

ECU有快速激活和5Baud激活两种激活方式。由于5Baud激活需要延时2s以上，速度较慢，因此，一般采用快速激活方式，具体如图3所示。

应用层：应用层主要是规定扫描工具以何种数据报格式请求通信服务^[7]，同时ECU以何种报文格式响应。KWP2000协议中，不同通信服务功能通过数据帧中第一字节的服务标识符Sid来表示。通信服务主要分为两大模块：通信模块和诊断模块。通信模块包括通信管理、数据传送、上传/下载三个方面。通信管理在数据链路层已作说明，数据传送服务功能单元主要用来读取数据记录，访问存储器。常用的通信服务请求及响应消息定义如表2所示。

表2：常用通信服务标识符

通信服务	请求	正响应	负响应
				开始通信	0x81	Oxcl	Ox7F
中止通信	0x82	OxC2	Ox7F
				下载请求	0x34	0x74	Ox7F
上传请求	0x35	0x75	Ox7F
				传输数据	0x36	0x76	Ox7F

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在使用不方便、精度低和可靠性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于通信协议的汽车发动机测速系统，以实现使用方便、精度高和可靠性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于通信协议的汽车发动机测速系统，主要包括单片机，以及分别与所述单片机连接的电源模块、按键模块和通信接口；所述通信接口与汽车ECU连接。

进一步地，以上所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，还包括与所述单片机连接、且与电源模块配合连接的电源指示灯。

进一步地，以上所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，还包括与所述单片机连接、且与通信接口配合连接的通信指示灯。

进一步地，以上所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，还包括分别与所述单片机连接的ISP编程接口和数码管显示模块。

进一步地，所述单片机，具体包括AT89S52单片机。

进一步地，所述通信接口，以K线专用的与单片机通信的接口芯片为核心；所述接口芯片包括型号为MC33290的芯片或型号为L9637的芯片或型号为MC33190的芯片。

进一步地，所述通信接口进行单片机与汽车ECU通信的过程，主要包括：通信接口需要完成通信初始化、ECU唤醒、开始通信帧发送、数据传输通信帧发送、停止通信帧发送、响应帧接收和转速计算以及相应的错误处理和通信指示处理。

进一步地，所述通信初始化的操作，具体包括：

首先需进行串口波特率的设置，根据通信链路数据格式的需求，串口工作方式选择为10位异步收发的方式，波特率采用由定时器控制方式，波特率为10.4kbit/s，单片机晶振fosc为6MHz；

同时，将电源控制寄存器PCON最高位SMOD置1，使得波特率增倍；串口波特率产生方式设置为自动重装入8位计数值的方式，定时器计数值X通过公式(1)计算得出，公式中M代表SMOD，fosc代表晶振频率，B代表串口所设置的波特率：

$X=256-\frac{f_{osc}\×(M+1)}{384\×B}=253---\left(1\right);$

串行通信接口必须能工作在两种接口模式，分别为普通I/O口模式和串行通信接口模式；激活模式要求串口通信接口中的TXD必须设置为I/O模式，通过直接对I/O的操作，输出激活时序即快速激活方式或5Baud激活方式，然后将串行口配置为异步通信模式，等待接收；

快速激活方式采用先延时300ms并从TXD输出高电平，然后输出25ms低电平，再输出25ms高电平，延时采用软件精确延时的方式；5Baud激活采用延时的方式，以每隔200ms发送一个位的方式发送功能数据33H，具体做法是按200ms延时，依次发送0110011001H。

进一步地，所述开始通信帧发送的操作，具体包括：

开始通信数据帧的服务标识符Sid＝81H，采用三字头数据帧，地址方式为功能地址，开始通信数据帧为C133F18166；

若ECU已经成功激活且开始通信命令正确，ECU则会发出正响应帧，为81F1ECUidC1KeyWord(2B)CS，其中ECUid为ECU物理地址，KeyWod为通信参数关键字，CS为累加校验和；

如果开始通信命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode81CS，其中ERRCode为错误类型代码。

进一步地，所述数据传输通信帧发送的操作，具体包括：

数据通信采用在怠速状态下通过输入输出方式测量发动机转速，服务标识符Sid＝30H，则通信数据帧为C333F13032014A；如果通信正常，ECU发出正响应帧，为84F1ECUid703201SpeedCodeCS，其中SpeedCode代表发动机转速字节码；若发送命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7F30ERRcodeCS；转速n计算公式如下，其中S代表将SpeedCode转换为十进制对应的数值：

n＝S×10r/min(2)；

和/或，

所述停止通信帧发送的操作，具体包括：

终止通信数据帧的服务标识符Sid＝82H，则终止通信数据帧为C133F18267；如果能正确终止通信，则发出正响应帧，为81F1ECUidC2CS；否则，返回负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode82CS。

本发明各实施例的基于通信协议的汽车发动机测速系统，由于主要包括单片机，以及分别与单片机连接的电源模块、按键模块和通信接口；通信接口与汽车ECU连接；可以通过特定的通信协议与发动机电控系统通信来获取发动机转速；从而可以克服现有技术中使用不方便、精度低和可靠性差的缺陷，以实现使用方便、精度高和可靠性好的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有信号电平及容差范围的曲线图；

图2为现有数据流的一般定时参数的脉冲信号图；

图3为现有快速激活方式的定时信号图；

图4为本发明基于通信协议的汽车发动机测速系统的框图；

图5为本发明基于通信协议的汽车发动机测速系统中通信接口模块电路图；

图6为本发明基于通信协议的汽车发动机测速系统中通信服务程序框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对汽车发动机故障诊断和怠速控制中使用传统发动机测速仪直接测量发动机转速既不方便也不经济的问题，根据本发明实施例，如图4-图6所示，提供了一种基于通信协议的汽车发动机测速系统。该基于通信协议的汽车发动机测速系统，通过特定的通信协议与发动机电控系统通信来获取发动机转速；该基于通信协议的汽车发动机测速系统，以K线作为通信接口，以KWP2000作为通信协议，具有硬件接口电路简单，通信快捷且易于实现等优点；试验结果表明，该基于通信协议的汽车发动机测速系统，具有使用便捷、实时性好和可扩展性强的特点，能满足发动机故障诊断和怠速控制需求。

本实施例的基于通信协议的汽车发动机测速系统，主要包括以下几个方面：

⑴基于通信协议的汽车发动机测速系统的方案设计

简易汽车发动机测速系统需要具备的特点是体积小、成本低、测速方便、易于扩展。因此，选用低成本51单片机作为测速系统的控制核心。MCS-51系列在我国使用广泛且能够兼容的外围芯片较多，其典型产品AT89S52单片机具有较高的性能价格比^[8]。AT89S52采用CMOS工艺制作，是80C51的增强型并且指令完全兼容。由于发动机ECU总线接口采用的电平形式为特定的K线电平，而单片机支持的电平形式为TTL电平，为了与ECU电平兼容，需要设计相应的通信接口模块进行电平转换和通信方式转换。发动机转速测量值采用高亮度数码管来显示，并以相应的指示灯进行电源上电指示和通信状态辅助指示。由于测速系统功耗很低，因此可以通过总线接口中的电源线从汽车蓄电池窃电，汽车蓄电池电压一般为12V，而单片机的工作电压为5V，可以通过12V/5V的直流电源适配模块实现电压变换。为了实现在应用中不拔插单片机就能实现程序的下载，系统编程接口采用在系统中编程(In-systemprogramming，简称ISP)方式来实现发动机测速系统根据功能需求，主要分为电源模块、显示模块、通信接口模块、指示模块、按键模块、单片机最小系统模块和ISP编程模块，其具体实现框图如图4所示。

⑵通信接口设计

K线有专用的与单片机通信的接口芯片^[8]，如MC33290、L9637、MC33190。由于专用芯片购买比较困难，价格也比较高，需自行设计通信接口模块来实现电平变换。通信接口模块主要功能是通过四个NPN型三极管实现K线电平和单片机TTL电平的转换^[9]，具体实现电路如图5所示。由于K线在数据链路层上的通信数据格式(1位起始位、8位数据位、1位停止位)和51单片机串行通信接口的数据格式完全兼容，因此单片机串行通信接口可采用AT89S52的UART串行通信接口实现。

⑶软件实现

通信模块(即通信接口)是测速系统中最关键的一个模块。通信模块需要完成通信初始化、ECU唤醒、开始通信帧发送、数据传输通信帧发送、停止通信帧发送、响应帧接收和转速计算以及相应的错误处理和通信指示功能。

通信初始化主要是对串口进行一些通信设置工作和一些现场保护工作。通信初始化首先需进行串口波特率的设置，根据通信链路数据格式的需求，串口工作方式选择为方式1(10位异步收发)，波特率采用由定时器1控制方式^[10]，波特率为10.4kbit/s，单片机晶振fosc为6MHz。同时，将电源控制寄存器PCON最高位SMOD置1，使得波特率增倍。串口波特率产生方式设置为工作模式2(自动重装入8位计数值)，定时器1计数值X通过公式(1)计算得出，公式中M代表SMOD，fosc代表晶振频率，B代表串口所设置的波特率：

$X=256-\frac{f_{osc}\×(M+1)}{384\×B}=253---\left(1\right);$

串行通信接口必须能工作在两种接口模式，分别为普通I/O口模式和串行通信接口模式。激活模式要求串口通信接口中的TXD必须设置为I/O模式，通过直接对I/O的操作，输出激活时序(快速激活方式或5Baud激活方式)，然后将串行口配置为异步通信模式，等待接收。快速激活方式采用先延时300ms并从TXD输出高电平，然后输出25ms低电平，再输出25ms高电平，延时采用软件精确延时的方式。5Baud激活采用延时的方式，以每隔200ms发送一个位的方式发送功能数据33H，具体做法是按200ms延时，依次发送0110011001H。

开始通信数据帧的服务标识符Sid＝81H，采用三字头数据帧，地址方式为功能地址，开始通信数据帧(采用十六进制)为C133F18166。若ECU已经成功激活且开始通信命令正确，ECU则会发出正响应帧，为81F1ECUidC1KeyWord(2B)CS，其中ECUid为ECU物理地址，KeyWod为通信参数关键字，CS为累加校验和。如果开始通信命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode81CS，其中ERRCode为错误类型代码。

数据通信采用在怠速状态下通过输入输出方式测量发动机转速，服务标识符Sid＝30H，则通信数据帧为C333F13032014A。如果通信正常，ECU发出正响应帧，为84F1ECUid703201SpeedCodeCS，其中SpeedCode代表发动机转速字节码；若发送命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7F30ERRcodeCS。转速n计算公式如下，其中S代表将SpeedCode转换为十进制对应的数值：

n＝S×10r/min(2)；

终止通信数据帧的服务标识符Sid＝82H，则终止通信数据帧为C133F18267。如果能正确终止通信，则发出正响应帧，为81F1ECUidC2CS；否则，返回负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode82CS。整个通信中断程序流程图如图6所示。

⑷基于通信协议的汽车发动机测速系统的调试与验证

测速系统的调试与验证通过对汽车发动机怠速状态下最优怠速转速进行测量和调整实现。亚欧系汽车提供的汽车故障诊断测试接口OBD-II，一般都支持通过K线和KWP2000通信协议进行汽车发动机及其他部件故障检测。将发动机测速系统通过K线连接发动机ECU，并通过ODB-Ⅱ中的蓄电池电源给测速系统供电。测速系统插上诊断测试接口后，测速系统发出激活时序和开始通信命令，发动机ECU发出正响应，返回通信关键字，测速系统根据关键字完成通信系统参数设定，同时点亮绿色通信指示灯，表明系统已经连接上发动机ECU。发动机ECU和测速系统建立通信之后，则启动汽车发动机，并将其调整到怠速状态，此时数码管立即显示怠速状态下的转速，此时，通过手动调整风门开度的大小和怠速供油量等方式来调整怠速转速高低，直到调整到发动机不抖动时的最低转速，此时的转速为最佳怠速转速。如果通信传输故障或ECU发出负响应，则通信故障指示红灯亮；如果通信过程中没有数据响应，则数码管全显示0，绿灯和红灯都不亮。

本发明上述各实施例的基于通信协议的汽车发动机测速系统，可以通过特定的接口与汽车ECU进行通信，可以方便地进行汽车故障诊断，实时地监测汽车的工作状况如测量发动机的转速，并可以通过特定的命令帧来控制汽车发动机的运转如调整怠速状态下发动机转速等。

由于时间限制，本发明上述各实施例的基于通信协议的汽车发动机测速系统，只能测量转速，且只支持KWP2000协议，测速方式也只支持怠速状态。后续工作还可以通过程序发送其他类型的请求帧，进而支持多种方式测取转速；同时可以对系统加以改进，使其不仅能测速，还能进行转速控制。为了提高本发明上述各实施例的基于通信协议的汽车发动机测速系统，的通用性，还可以设计多通信接口方式，使其支持OBD-II所有的诊断通信协议。显示装置若采用LCD液晶屏显示方式来实现，还可以完成故障码的显示，为汽车故障诊断提供强有力的依据。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，主要包括单片机，以及分别与所述单片机连接的电源模块、按键模块和通信接口；所述通信接口与汽车ECU连接；

还包括与所述单片机连接、且与电源模块配合连接的电源指示灯；

还包括与所述单片机连接、且与通信接口配合连接的通信指示灯；

还包括分别与所述单片机连接的ISP编程接口和数码管显示模块；

所述通信接口进行单片机与汽车ECU通信的过程，主要包括：通信接口需要完成通信初始化、ECU唤醒、开始通信帧发送、数据传输通信帧发送、停止通信帧发送、响应帧接收和转速计算以及相应的错误处理和通信指示处理。

2.根据权利要求1所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，所述单片机，具体包括AT89S52单片机。

3.根据权利要求1所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，所述通信接口，以K线专用的与单片机通信的接口芯片为核心；所述接口芯片包括型号为MC33290的芯片或型号为L9637的芯片或型号为MC33190的芯片。

4.根据权利要求1所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，所述通信初始化的操作，具体包括：

首先需进行串口波特率的设置，根据通信链路数据格式的需求，串口工作方式选择为10位异步收发的方式，波特率采用由定时器控制方式，波特率为10.4kbit/s，单片机晶振fosc为6MHz；

同时，将电源控制寄存器PCON最高位SMOD置1，使得波特率增倍；串口波特率产生方式设置为自动重装入8位计数值的方式，定时器计数值X通过公式(1)计算得出，公式中M代表SMOD，fosc代表晶振频率，B代表串口所设置的波特率：

$X=256-\frac{f_{osc}\×(M+1)}{384\×B}=253---\left(1\right);$

串行通信接口必须能工作在两种接口模式，分别为普通I/O口模式和串行通信接口模式；激活模式要求串口通信接口中的TXD必须设置为I/O模式，通过直接对I/O的操作，输出激活时序即快速激活方式或5Baud激活方式，然后将串行口配置为异步通信模式，等待接收；

快速激活方式采用先延时300ms并从TXD输出高电平，然后输出25ms低电平，再输出25ms高电平，延时采用软件精确延时的方式；5Baud激活采用延时的方式，以每隔200ms发送一个位的方式发送功能数据33H，具体做法是按200ms延时，依次发送0110011001H。

5.根据权利要求4所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，所述开始通信帧发送的操作，具体包括：

开始通信数据帧的服务标识符Sid＝81H，采用三字头数据帧，地址方式为功能地址，开始通信数据帧为C133F18166；

若ECU已经成功激活且开始通信命令正确，ECU则会发出正响应帧，为81F1ECUidC1KeyWord(2B)CS，其中ECUid为ECU物理地址，KeyWod为通信参数关键字，CS为累加校验和；

如果开始通信命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode81CS，其中ERRCode为错误类型代码。

6.根据权利要求5所述的基于通信协议的汽车发动机测速系统，其特征在于，所述数据传输通信帧发送的操作，具体包括：

数据通信采用在怠速状态下通过输入输出方式测量发动机转速，服务标识符Sid＝30H，则通信数据帧为C333F13032014A；如果通信正常，ECU发出正响应帧，为84F1ECUid703201SpeedCodeCS，其中SpeedCode代表发动机转速字节码；若发送命令错误或ECU正忙，则发出负响应帧，为83F1ECUid7F30ERRcodeCS；转速n计算公式如下，其中S代表将SpeedCode转换为十进制对应的数值：

n＝S×10r/min(2)；

和/或，

所述停止通信帧发送的操作，具体包括：

终止通信数据帧的服务标识符Sid＝82H，则终止通信数据帧为C133F18267；如果能正确终止通信，则发出正响应帧，为81F1ECUidC2CS；否则，返回负响应帧，为83F1ECUid7FERRcode82CS。