CN104318638A - J1939总线数据记录器、元件布置方法及工艺流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种J1939总线数据记录器，包括主控制器MCU，所述主控制器MCU通过两个CAN接口电路分别读取J1939数据总线数据和基于UDS协议的车辆的诊断CAN总线数据，所述主控制器MCU通过TF卡接口电路对TF卡进行读写，所述主控制器MCU由RTC模块提供时钟信号。主控制器MCU为STM32芯片，并采用uCos-iii操作系统。本发明还公开了J1939总线数据记录器的元件布置方法及工艺流程，可以广泛用于针对商用客车和货车的J1939总线数据记录，以供对车辆总线数据进行离线分析。本发明使用十分便捷，真正做到即插即记录，且记录的数据文件可以使用特定的软件打开，来进行数据分析。

Description

J1939总线数据记录器、元件布置方法及工艺流程

技术领域

本发明涉及数据记录器技术领域，尤其涉及一种便携、易用和可配置的基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器、元件布置方法及工艺流程。 

背景技术

SAE J1939（以下简称J1939）是美国汽车工程协会（SAE）的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构。J1939基于德国Bosch公司开发的控制器局域网络（CAN：Controller Area Network），可达到250Kbps的通讯速率。目前，J1939是在商用车辆、舰船、轨道机车、农业机械和大型发动机中应用最广泛的CAN应用层协议。 

市面上现有一些CAN总线数据记录器，有些也能够实现J1939总线数据的记录，但大都只能实现数据的简单记录，无法实现深层次的应用，比如数据文件格式的选择、数据文件的配置和终端电阻的配置等功能。如果用户不能自主配置文件的名称，则所有记录的数据都会是同一个文件名（仅一个时间可以用于区分），则当记录器换到别的车上时就会出现文件的混乱，会误导数据的分析。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种便携、易用和可配置的基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器、元件布置方法及工艺流程，具有较高的实时性、功能的灵活性，以及对大数据量的处理能力，能适应不同文件格式和总线负载场合的应用。 

为实现上述目的，本发明的采取如下技术方案： 

一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，包括主控制器MCU，所述主控制器MCU通过两个CAN接口电路分别读取J1939数据总线数据和基于UDS协议的车辆的诊断CAN总线数据，所述主控制器MCU通过TF卡接口电路对TF卡进行读写，所述主控制器MCU由RTC模块提供时钟信号。

更进一步的，所述主控制器MCU为STM32芯片，并采用uCos-iii操作系统。 

更进一步的，所述TF卡接口电路采用STM32芯片集成的SDIO接口；所述STM32芯片集成的CAN通道通过SGM3005模拟开关实现一对二的CAN通道扩展，然后分别通过CAN接口电路读取J1939数据总线数据和基于UDS协议的车辆的诊断CAN总线数据；所述RTC模块由STM32芯片内嵌的时钟模块外接晶振和纽扣电池实现。 

更进一步的，该记录器还包括电源，所述电源由LM2594-5V开关电源芯片构成一级电源，向CAN接口电路提供5V电源，并由SOT-23封装的XC6206线性电源芯片作为二级电源， 向STM32芯片、TF卡接口电路和RTC模块提供3.3V电源。 

更进一步的，所述XC6206线性电源芯片向RTC模块提供的3.3V电源与纽扣电池之间采用肖特基二极管进行隔离，当记录器上电时纽扣电池不供电，否则纽扣电池供电。 

更进一步的，该记录器采用直插式记录器外壳，其外观尺寸为48mm*25mm*31mm。 

本发明还提供一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的元件布置方法，该记录器内部采用两层电路板的堆叠结构，记录器所有电子元件均布置于上层电路板，下层电路板不布置元件，两层电路板之间采用插针进行连接。 

更进一步的，所述两层电路板之间采用2.0mm的双塑双排插针进行连接。 

更进一步的，所述STM32芯片和电源设置在上层电路板的背面，所述TF卡接口电路和CAN接口电路设置在上层电路板的正面，所述下层电路板背面设有OBD-II诊断口插头，用于上层电路板CAN通道和OBD-II诊断口的过渡连接。 

本发明还提供一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的制作工艺流程，其特征在于包括如下步骤： 

（1）使用回流焊工艺焊接上层电路板，然后焊接纽扣电池，最后使用热熔胶固定上层电路板电子元件 ，确保其可靠地工作；完成焊接工作后使用串口烧录工具，向STM32芯片烧录基于TF卡的Bootloader；

（2）使用波峰焊工艺焊接上下两层电路板之间的双塑双排插针；

（3）最后将焊接好的两层电路板放置到OBD-II诊断口插头上，，焊接好电路板和OBD-II诊断口插头的连接点。

有益效果：（1）本发明主控制器MCU为STM32芯片，采用该芯片集成的SDIO接口作为TF卡接口电路，配合SDIO驱动程序和开源的FatFs R0.09文件管理系统，非常方便地实现了TF卡的读写等编辑功能。而存储后的文件格式、最大单个文件的大小和文件名内容等信息，用户均可以通过修改TF卡中的配置文件来进行自定义，这就使得该记录器的使用十分便捷，真正做到即插即记录，且记录的数据文件可以使用特定的软件打开，来进行数据分析。（2）本发明记录器采用直插式记录器外壳，内部采用两层电路板的堆叠结构，构造精巧、便携和易于使用，整体结构具有足够的刚性和韧性，这样才能适应商用汽车颠簸的工况，两层电路板的堆叠结构还有一个好处是当需要更换诊断口的引脚定义时，仅需要修改下层的电路板，上层的电路板则可以保持不变。（3）本发明记录器出厂前已刷写好基于TF卡的Bootloader，这样才能在用户拿到手之后实现基于TF卡的应用程序升级，方便没有专业烧录工具的用户对该记录器的程序升级，降低了该记录器的使用维护成本。 

附图说明

图1为本发明提供的J1939总线数据记录器硬件结构图。 

图2为本发明提供的J1939总线数据记录器内部结构示意图。 

图3为本发明提供的CAN接口电路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示，本发明提供的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其硬件组成包括主控制器MCU、TF卡（Trans-flash Card，快闪存储器卡）接口电路、CAN接口电路、RTC（实时时钟）模块、看门狗电路和电源，各部分详细介绍如下： 

（1）主控制器MCU

本发明主控制器MCU采用基于Cortex-M3（即ARM-v7）内核的STM32F103RET6（以下简称STM32）作为主控芯片，负责记录器所有的功能实现。该ARM芯片最高主频高达72MHz、内嵌了512K Flash、64K RAM和大量常用的外设。STM32芯片采用了目前最新版的uCos-iii操作系统（OS），该开源操作系统重新优化了任务调度机制，支持不限个数的任务数，可使用相同优先级的任务，结合定时器可实现针对任务的时间片管理。这些先进的功能使得uCos-iii相较于之前的版本，更加接近较高性能嵌入式操作系统的要求。在本发明中就结合了内存管理和消息队列构成非溢出式环形FIFO缓冲区，可靠地实现了大数据量的J1939帧传输，使得本记录器的最大数据吞吐量高达1500帧/秒，大大高于总线上实际的帧数量需求。

（2）TF卡接口电路 

STM32芯片集成了一个SDIO接口，该接口对于连接闪存存储器非常有用，本发明采用该SDIO接口作为TF卡接口电路，配合SDIO驱动程序和开源的FatFs R0.09文件管理系统，非常方便地实现了TF卡的读写等编辑功能。同时基于内存管理和消息队列构成的非溢出式环形FIFO缓冲区，可靠地实现了大数据量的J1939帧存储，实际上该接口电路的理论存储能力大大高于本发明的需要，由于数据的存储过程采用了异或校验，因此数据的存储具有很高的可靠性。上电后本记录器会检测TF卡是否存在，如果存在则对其初始化一个工作区，然后准备读取配置文件和数据记录。数据记录时每次写入512个字节（扇区最小单位），每写入1K字节红灯闪烁一次，用以提醒司机目前记录器在正常存储数据。

（3）CAN接口电路 

由于本发明采用的STM32芯片仅集成了一路CAN通道，而实际却需要两路，考虑到可靠性和可用空间，本新型放弃了业界广泛使用的继电器进行多路选通的方案，改用MSOP-10封装的SGM3005模拟开关来实现一对二的CAN通道扩展，扩展出来的两路CAN通道分别为：J1939数据总线和基于UDS协议的车辆的诊断CAN总线。该模拟开关的导通电阻低至0.5Ω，而允许流过的持续电流高达300mA，经实测使用模块开关的方案成本更省，选通更快，所需空间大大减小。两路CAN通道的CAN接口电路如图3所示，其中CAN收发器采用了业界常用的NXP公司的TJA1050芯片，并配有完备的ESD防护和共模电感，具备了较高的可靠性，并预留了120Ω的终端电阻，用户可以按需进行配置。

（4）RTC模块 

本发明采用STM32芯片内嵌的RTC模块，仅仅需要在芯片外添加晶振和纽扣电池就能实现稳定的实时时钟功能，纽扣电池同时给STM32芯片内部受保护的RAM来供电，只要纽扣电池有电则RAM中的数据在掉电后都能保持，记录器的关键参数都放置在这个受保护的RAM中。值得说明的是RTC时间可以实现在车上的自动校准，由于现在的车上必须装有带北斗模块的行驶记录仪，记录仪1秒为周期向CAN总线上广播TD（日期时间）报文，本记录器得到该报文后会与自身的系统时间相比较，当偏差值超过5秒的时候会用TD报文上的时间来修正自身的时间，因此实际使用时用户是不需要担心记录器出厂后的系统时间不准确的。本发明利用MCU内嵌的时钟日历（RTC）模块来创建系统时间，该时间将作为数据文件名称的一部分，文件名主要包含文件创建时间、车辆信息和司机信息等内容；

（5）电源

记录器的电源部分同样考虑到了项目的需要而进行了优化，记录器实际需要三种电源：3.3V电源给ARM芯片、TF卡和RTC模块等电路供电，5V电源给CAN收发器TJA1050供电，纽扣电池给RTC模块供电。本发明考虑到商用汽车24V以上的供电环境，决定采用基于LM2594-5V的开关电源芯片构成一级电源，来给CAN收发器提供5V电源；并采用SOT-23封装的XC6206线性电源芯片作为二级电源，产生3.3V作为ARM芯片、TF卡和RTC模块等的电源。其中RTC模块实际上是需要两路电源：一路是3.3V电源，另一路是纽扣电池供电，但这两者并不同时供电，之间采用肖特基二极管进行隔离，当有3.3V电源时（即记录器上电）纽扣电池不供电，否则用纽扣电池来供电，这样就可以确保RTC模块的不断电工作，保证记录器时时都有准确的系统时间。本发明一级电源和二级电源优选采用LDO电源。

（6）看门狗电路 

看门狗电路作为芯片器件常用外设，在此不再赘述。

记录器的使用特性决定必须采用小巧的结构尺寸，且便于携带，本发明提供的记录器采用直插式记录器外壳，其外观尺寸约为48*25*31（mm）；由于记录器内部的可用空间非常狭小，因此本发明对于器件的布置有独到之处，主要的特点是采用两块电路板的堆叠结构，所有的电子元件仅布置于上层电路板，下层电路板不布置元件，仅在背面设有OBD-II诊断口插头，用于上层电路板CAN通道和OBD-II诊断口的过渡连接，而两层电路板之间采用2.0mm的双塑双排插针来进行连接，使得整体结构具有足够的刚性和韧性，这样才能适应商用汽车颠簸的工况，这样做还有一个好处是当需要更换诊断口的引脚定义时，仅需要修改下层的电路板，上层的电路板则可以保持不变。具体的记录器内部硬件如图2所示。 

上层电路板的元件布置充分考虑到了司机使用的便利和可靠性，高集成度的芯片布置在上层电路板的背面，比如STM32芯片和电源系统，免受司机不当操作时的伤害；TF卡卡座放置在上层电路板的正面，方便司机随时插入和取出TF卡；两个受控于STM32芯片的LED指示灯纵向布置在记录器的右侧，方便司机观察。 

由于记录器的结构很紧凑因此生产时需要按照一定的工艺流程，步骤如下： 

（1）使用回流焊工艺焊接上层电路板，并焊接纽扣电池，最后使用热熔胶来固定纽扣电池、铝电解电容和功率电感等大体积器件，确保其可靠地工作。完成焊接工作后使用串口烧录工具，给ARM芯片烧录基于TF卡的Bootloader。

（2）使用波峰焊工艺焊接上下两层电路板之间的双塑双排插针，焊接完成后两层电路板就可以被稳固地连接在一起了。这种悬臂梁结构可以具有足够的刚性和韧性，可以抵御车上的震动冲击。 

（3）最后将焊接好的两层电路板放置到OBD-II诊断口插头上，焊接好电路板和OBD-II诊断口插头的连接点。 

以上工作完成后，将配置文件和可执行文件（.bin）拷到TF卡中，然后插入到记录器的TF卡卡座里，记录器就能够自动完成升级，并且按照配置文件里的配置参数自动投入工作进行数据的记录。需要注意的是记录器出厂前应该刷写好基于TF卡的Bootloader，这样才能在用户拿到手之后实现基于TF卡的应用程序升级。 

本发明记录器往往是交给车辆的司机来操作的，最终将采集到的数据交给车队的分析人员进行分析。因此记录器的设计思想就是对于司机的操作越简单、直观越好，确保该记录器在使用的过程中不需要司机的干预，也不会影响车辆的正常行驶。简单地说司机只要将配置好的记录器插到车辆的OBD-II诊断口上，记录器就能够自动地记录J1939总线上的全部数据，直到司机将其拔下，记录的过程司机可以通过记录器的LED指示灯直观地看到。 

司机在使用记录器之前，首先需要配置记录器的工作方式，这是通过修改TF卡配置文件《CANLogTool_config.cfg》来实现的。用户拿到该记录器之后，应该先将上述的配置文件拷贝到电脑或智能手机，在其中修改车辆的信息（如车牌号、司机姓名等）、单个文件的最大限制和J1939过滤报文ID等，修改完成后将文件拷回TF卡并装入记录器，则记录器下次上电后会自动读取新的配置参数值并按照新的参数值来进行记录工作。假如该配置文件丢失或者没有正确配置，则记录器会按照默认的优化后的参数进行工作。配置完成后，只要司机将记录器插到诊断口上，记录器就自动开始记录J1939数据，真正做到“即插即用”。当司机重新插拔记录器或者记录的数据文件大小超出配置参数中的限值，记录器都会生成新的记录文件，记录器上有红、蓝两个LED指示灯，蓝灯频闪代表记录器的正常工作，红灯闪烁代表数据正在被记录，如果没有数据被记录（如钥匙开关关闭）则红灯熄灭，仅蓝灯继续频闪。 

本发明可以广泛用于针对商用客车和货车的J1939总线数据记录，以供对车辆总线数据进行离线分析。在很多情况下，比如车辆燃油经济性和动力性分析，都需要J1939总线上的数据来支撑，因此对于总线数据能否进行准确地记录事关分析的成败。本发明的特征在于其构造精巧、便携和易于使用，主要由外壳、TF卡电路、J1939接口电路和MCU等部分组成，用户只需将其插到车辆的OBD-II诊断口上，该记录器就能够自动地把J1939总线上的数据按照特定的格式生成文件并存储进TF卡中。而存储后的文件格式、最大单个文件的大小和文件名内容等信息，用户均可以通过修改TF卡中的配置文件来进行自定义，这就使得该记录器的使用十分便捷，真正做到即插即记录，且记录的数据文件可以使用特定的软件打开，来进行数据分析。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

  

Claims (10)

1.一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：包括主控制器MCU，所述主控制器MCU通过两个CAN接口电路分别读取J1939总线数据和基于UDS协议的车辆诊断CAN总线数据，所述主控制器MCU通过TF卡接口电路对TF卡进行读写。

2.根据权利要求1所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：所述主控制器MCU为STM32芯片，并采用uCos-iii操作系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：所述TF卡接口电路采用STM32芯片集成的SDIO接口；所述STM32芯片集成的CAN通道通过SGM3005模拟开关实现一对二的CAN通道扩展，然后分别通过CAN接口电路读取J1939总线数据和基于UDS协议的车辆诊断CAN总线数据；所述主控制器MCU由RTC模块提供时钟信号，所述RTC模块由STM32芯片内嵌的时钟模块与外接晶振和纽扣电池实现。

4.根据权利要求1所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：该记录器还包括电源，所述电源由LM2594-5V开关电源芯片构成一级电源，向CAN接口电路提供5V电源，并由SOT-23封装的XC6206线性电源芯片作为二级电源， 向STM32芯片、TF卡接口电路和RTC模块提供3.3V电源。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：所述XC6206线性电源芯片向RTC模块提供的3.3V电源与纽扣电池之间采用肖特基二极管进行隔离，当记录器上电时纽扣电池不供电，否则纽扣电池供电。

6.根据权利要求1所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器，其特征在于：该记录器采用直插式记录器外壳，其外观尺寸为48mm*25mm*31mm。

7.一种权利要求1所述基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的元件布置方法，其特征在于：该记录器内部采用两层电路板的堆叠结构，记录器所有电子元件均布置于上层电路板，下层电路板不布置元件，两层电路板之间采用插针进行连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的元件布置方法，其特征在于：所述两层电路板之间采用2.0mm的双塑双排插针进行连接。

9.根据权利要求7所述的一种基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的元件布置方法，其特征在于：所述STM32芯片和电源设置在上层电路板的背面，所述TF卡接口电路和CAN接口电路设置在上层电路板的正面，所述下层电路板背面设有OBD-II诊断口插头，用于上层电路板CAN通道和OBD-II诊断口的过渡连接。

10.一种权利要求7所述基于OBD-II接口的J1939总线数据记录器的制作工艺流程，其特征在于包括如下步骤：

（1）使用回流焊工艺焊接上层电路板，然后焊接纽扣电池，最后使用热熔胶固定上层电路板电子元件，确保其可靠地工作；完成焊接工作后使用串口烧录工具，向STM32芯片烧录基于TF卡的Bootloader；

（2）使用波峰焊工艺焊接上下两层电路板之间的双塑双排插针；

（3）最后将焊接好的两层电路板放置到OBD-II诊断口插头上，焊接好电路板和OBD-II诊断口插头的连接点。