Реализация простейшего автосканера для OBD II

Говоря о развитии российской автоэлектроники в целом, нельзя не отметить существенное отставание от общемирового уровня. Это обусловлено в первую очередь состоянием всей российской автопромышленности, которая лишь за последние 5-7 лет наладила установку электронных систем впрыска топлива. Причем данные системы фактически являются копией систем фирмы BOSCH. В то время как в развитых странах уже серийно выпускаются так называемые гибридные автомобили, то в России с определенным упорством продолжают производить карбюраторные машины. Гибридные автомобили сочетают в себе два типа двигателей, бензиновый и электрический, которые управляются единым микрокомпьютером, что обеспечивает наименьший расход топлива и высокие экологические показатели. Кроме того, в электрической проводке широко используется оптоволокно для высокоскоростной передачи данных от датчиков к ЭСУД (например, Honda Civic Hybrid). Все электронные системы объединены в единую сеть - Controller Area Network (CAN), по которой обмениваются данными со скоростью до 1 Мбит/с антипробуксовочные системы, системы стабилизации, поперечной устойчивости, системы активной безопасности и т.д.. Протокол CAN был разработан в середине 80-х компанией Robert Bosch GMBH совместно с Intel для нужд высокоскоростной сети, объединяющей узлы автомобиля, и в наше время получил широкое распространение не только в автомобильной промышленности [6].
Российские производители автоэлектроники на данный момент в основном ограничиваются разработкой бортовых маршрутных компьютеров, систем электронного зажигания, иммобилизаторов и т.д. Этого по сути достаточно отечественной автомобильной промышленности. Но на данном этапе доля российских автомобилей неуклонно снижается в общем количестве транспортных средств, и на сегодняшний день составляет не более 50%. По прогнозам специалистов к 2010 году эта цифра упадет до 43%. Комплектующие же для иностранных автомобилей в сфере электроники присутствуют в несравнимо малых количествах. Несмотря на это намечается положительная на мой взгляд тенденция – планируется конвейерная сборка автомобилей иностранного производства на территории России с частичным использованием российских комплектующих. Возможно это даст определенный стимул в том числе и отечественной автоэлектронике.
Это статья предназначена для тех, кто создает свое собственное диагностическое оборудование для автосервиса, свой собственный программно-аппаратный автосканер на базе микроконтроллера BR16F84-1.07 или разрабатывает программный код для применения данного устройства в целях диагностики автомобилей. Сканер поддерживает протоколы VPW (General Motors), PWM(Ford) и ISO 9141-2 (Азия, Европа).

Общее описание
BR16F84-1.07 – это микроконтроллер, разработанный для осуществления связи м/у ПК или КПК и интерфейсом бортовой диагностики OBD II. Микроконтроллер предназначен для работы со всеми тремя протоколами, используемыми автопроизводителями и определенными спецификациями ISO и SAE для систем OBD II. Сама же система OBD II стала широко применятся с 1996 года, но некоторые автомобили уже частично или полностью оснащались OBD II и до 1996 года. BR16F84-1.07 не применим для ранних моделей автомобилей с системой диагностики OBD I.
Устройство предназначено для работы в качестве простейшего сканера и имеет возможность принимать и посылать любые сообщения/команды OBD II, определенные в спецификации SAE J1979 для любого из трех типов реализации шины OBD II (PWM, VPW и ISO 9141-2). Также устройство может применяться для снятия таких показателей автомобиля, как обороты двигателя, скорость, температура ОЖ, температура воздуха, расход воздуха, давление во впускном коллекторе и т.д в режиме реального времени.

Особенности
Рабочее напряжение: 5 В
Ток потребления: 5мА
Частота тактирования: 20 МГц
Входные сигналы: (0 - 5 В)
- последовательный вход (19200 бит/с)
- PWM вход
- VPW вход
- ISO 9141-2 вход
Выходные сигналы: (0 – 5 В)
- последовательный выход (19200 бит/с)
- PWM выход bus + (инверсный)
- PWM выход bus – (инверсный)
- VPW выход
- ISO 9141-2 L-line (инверсный)
- ISO 9141-2 K-line (инверсный)

Электрические и физические характеристики
Микросхема BR16F84-1.07 произведена компанией Microchip Technologies. Вы можете найти подробное описание данной микросхемы на сайте производителя. Микросхема доступна в нескольких реализациях, но в данном случае мы выбираем коммерческий диапазон температур и 18-“пиновый” DIP корпус с частотой тактирования 20 МГц.

Типовая схема применения
Типовая схема применения устройства для диагностики автомобилей заключается в использовании ПК или laptop в качестве хоста. Обмен данными происходит по последовательному порту со скоростью 19200 бит/с. Используются только три провода, сигналы квитирования не используются. Последовательный выход схемы представляет собой сигнал от 0 до 5 В, который хорошо совместим с большинством компьютеров и КПК. Последовательный вход ограничен по току, то есть имеется возможность подавать на вход практически любые по напряжению сигналы. Взаимодействие по интерфейсу OBD II осуществляется с помощью нескольких внешних компонентов и компаратора LM339. В данной схеме р еализована возможность обмена данными с автомобилем при использовании 6 проводов (для любого из трех протоколов OBD II). Питание схемы осуществляется путем деления напряжения 12В с «колодки» OBD II.

Советы по применению
- кабель, подключаемый к разъему диагностики не обязательно должен быть экранированным, однако его длина должна быть как можно меньше (не более 120 см. в особенности для PWM протокола). В некоторой степени длина диагностического кабеля может быть увеличена при уменьшении номиналов терминирующих резисторов.
- кабель, подключаемый к разъему компьютера так же может быть не экранирован. Возможно использование RS 232 трансивера в схеме.
- схема не критична к разводке. Однако возможно добавления байпасного конденсатора.
- доступно бесплатное программное обеспечение для ПК. Программа работает под DOS, то есть может использоваться на довольно старых компьютерах.

Общее описание коммуникаций между хостом и схемой
Весь обмен данными происходит через трехпроводной последовательный интерфейс без использования квитирования. Схема «слушает» сообщения, обрабатывает запросы и передает результаты на хост. Затем сразу ожидает следующее сообщение. Обмен происходит посылками нескольких байтов. Первый байт называется контрольным. Обычно контрольный байт представляет собой число от 0 до F (шестнадцатеричная система), которое означает сколько байтов будет передано за контрольным байтом. Например, если значение контрольного байта 03h, то последовательность будет иметь вид: 03, байт 1, байт 2, байт3. Этот метод используется для распознавания информации в системах OBD, и для посылки ответных сообщений в ЭБУ. Обратите внимание, что для этих целей используются только младшие 4 бита контрольного байта, т.к. старшие биты зарезервированы для специальных команд и ответов. Старшие биты предназначены для контроля установления соединения между хостом и микроконтроллером, для выбора протокола и для возврата информации об успешном или неудачном соединении. К примеру, если операция обмена данными прошла успешно, то все старшие 4 бита контрольного байта будут установлены в 0.

Инициализация микроконтроллера и ЭБУ
После подключения сканера к разъему диагностики автомобиля и хост-компьютеру происходит инициализации, в виде специальной посылки. Это является простым методом для определения факта подключения. Первая операция – это посылка одиночного байта 20h. Это команда «говорит» микроконтроллеру о начале коммуникации. Микроконтроллер не возвращает данную посылку, но передает в ответ FFh. С этого момента микроконтроллер ожидает получения данных.
Выбор протокола осуществляется путем посылки контрольного байта 41h, за которым следует байт выбора протокола обмена: 0h=VPW, 1h=PWM, 2h=ISO 9141. Например 41h 02h будет означать выбор протокола ISO 9141.
Микроконтроллер отвечает контрольным байтом и байтом статуса, который определяет внутренние условия. Если инициализация успешна, то контрольный байт будет 01h , который показывает, что будет следовать один байт статуса. Этот байт по сути является байтом проверки и определяется следующим образом: для VPW или PWM этот байт является эхом посланного байта (0 или 1); для ISO 9141 это будет «ключ», который возвращает ЭБУ и определяет одну из двух версий ISO 9141. Для автомобилей на протоколе ISO этот период может занимать до 5 секунд. На этом этап инициализации завершается.

Формат сообщений
Принцип работы микроконтроллера значительно отличается для протоколов SAE (VPW, PWM) и протоколов ISO 9141, поэтому рассмотрим два случая.
Работа по протоколу SAE (VPW и PWM)
При работе по данным протоколам микроконтроллер может записывать в буфер только один кадр данных. ЭБУ может посылать более чем один кадр подряд. В этом случае для обработки всех фреймов вам необходимо делать запросы на повтор кадров. Формат запросов таков:
[контрольный байт], [посылка SAE], [номер кадра]
Как мы уже упоминали, контрольный байт показывает общее кол-во байт в сообщении. Посылка SAE определяется в спецификациях SAE J1850 и J1979. Она состоит из трех заголовочных байт, серий информационных байтов и CRC байта. Посылка SAE зависит от выбранной спецификации.
Ответные посылки имеют следующий формат, если результат запроса положителен:
[контрольный байт], [ответная посылка SAE]
Ответная посылка SAE также содержит заголовочные байты, информационные байты и байт CRC.
Если же результат запроса отрицательный, то формат ответной посылки таков:
[контрольный байт], [байт статуса]
Значение контрольного байта в данном случае будет 01h, т.к. за ним следует один байт статуса. Данная спецификация позволяет ЭБУ не делать ответной посылки в случае неправильного запроса или в случае если запрашиваемая информация в данный момент недоступна процессору ЭБУ.
Работа по протоколу ISO 9141-2
Формат сообщений запросов очень схож с запросами SAE. Отличием служит отсутствие номера кадра. Сообщение также начинается с контрольного байта, за которым следует запрос, включающий в себя контрольную сумму. Ответное сообщение представляет собой простую ретрансляцию данных ЭБУ без контрольного байта. Таким образом, хост должен просто получить данные за период в 55 мс. Концом ответной посылки служит факт отсутствия принимаемой информации. Хост должен обработать данные путем отделения информационных кадров от заголовочных байтов. Для большинства запросов, ответная посылка содержит только один информационный кадр.
Более подробную информацию по обмену данными смотрите в спецификации SAE J1979 и J1850