WindowsXP嵌入式診斷系統(tǒng)制作

1、 Windows XP 嵌入式診斷系統(tǒng)製作 褚文和1 陳義誠2陳啟成3 林建成4 國立虎尾科技大學(xué)車輛工程系 副教授1國立虎尾科技大學(xué)機械與機電工程研究所 研究生2,3,4E-mail: .tw經(jīng)濟部學(xué)界科專計畫編號: 97-EC-17-A-16-S1-051-A1-3-摘要本文研究在於開發(fā)出Windows XP嵌入式車用診斷系統(tǒng)，並建構(gòu)出與其對應(yīng)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，搭配本文所撰寫符合ISO14230通訊協(xié)定的車輛診斷應(yīng)用程式，與輛引擎ECU作連線，擷取引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)與故障診斷。在嵌入式作業(yè)系統(tǒng)方面，採用Microsoft Windows Embedded Studio

2、開發(fā)工具，利用其模組化依據(jù)的特性，匯入診斷系統(tǒng)所需的功能元件，建置XP Embedded診斷系統(tǒng)之映像檔。通訊協(xié)定方面，本文將以符合ISO14230規(guī)範之VARICA 引擎ECU，作為診斷系統(tǒng)目標硬體之驗證。在硬體方面，則採用研華PCM-9388F嵌入式主機板作為Windows XP 嵌入式診斷系統(tǒng)開發(fā)平臺之硬體架構(gòu)，並搭配K-Line轉(zhuǎn)換電路及程式語言軟體Visual C+6.0整合式發(fā)展環(huán)境(IDE)，將ISO 14230、SAE J1939通訊協(xié)定的各種服務(wù)功能型以物件導(dǎo)向之C+程式語言，撰寫符合車輛通訊協(xié)定之診斷應(yīng)用程式。關(guān)鍵字: XP Embedded、ISO 14230、SAE J

3、1939、CAN、Visual C+6.01.前言在全球車廠競爭激烈下，電子化成為創(chuàng)造汽車附加價值與差異性的重要進程，促使車用電子的開發(fā)及應(yīng)用急速發(fā)展，根據(jù)IC Insights1估計，2010年車載電子化產(chǎn)品將高達40，2008年全球汽車電子市場規(guī)模將達1664億美元，IEEE2則估計2010年將有40的汽車成本來自於汽車電子，4C（Car）的需求日益顯著，不過汽車的嚴苛作業(yè)環(huán)境、有限的車體容積、基於安全性的高良率要求，以及長達十年以上的零件供應(yīng)需求等等因素，再挑戰(zhàn)汽車電子廠商的技術(shù)能力和適應(yīng)能力。在汽車電子元件裡，微控制器(Micro Controller UnitMCU)是數(shù)量最多的一種

4、電子零件，車內(nèi)MCU的使用量已經(jīng)從過去的平均20顆成長到目前的百顆以上，所以MCU也成為全球汽車電子市場的主流產(chǎn)品3。如控制器區(qū)域網(wǎng)路(Controller Area NetworkCAN)為將車上多個MCU整合於網(wǎng)路中，達成資訊分享的功能。由於汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，故障診斷的難度也越來越大，複雜程度也相對提高。目前診斷技術(shù)方面除了沿用舊有通訊協(xié)定如ISO14230或車廠自行規(guī)範定義外，尚需瞭解其他相關(guān)的車輛通訊協(xié)定，才能製作出一套符合各車種的故障診斷系統(tǒng)?，F(xiàn)今的車輛診斷系統(tǒng)又大都由國外所開發(fā)製作，其體積龐大、攜帶不便、價格昂貴，因此，本文研究目的為利用嵌入式系統(tǒng)可攜式之特點，開發(fā)Windo

5、ws XP嵌入式診斷系統(tǒng)，並建構(gòu)出與其對應(yīng)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，使其可以搭配本文所撰寫的車輛通訊協(xié)定之診斷應(yīng)用程式，與輛引擎ECU作連線，擷取引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)與故障診斷。2. ISO 14230及SAE J1939通訊協(xié)定標準2.1 ISO14230ISO 14230遵行了OSI七層通訊參考模型，ISO 14230又稱為KWP2000(Keyword Protocol 2000)，是由國際標準組織(ISO)在1999年所制定出來的車用OBD診斷通訊協(xié)定，分為ISO 14230-1 (實體層)、ISO 14230-2 (資料鏈結(jié)層)、ISO 14230-3 (應(yīng)用層)，各層間的規(guī)劃及應(yīng)用請考4、5、6，

6、以下將以ISO 14230-1做簡單介紹。圖1為ISO 14230系統(tǒng)配置圖，其中ECU與診斷器(Tester)連接方式可分為兩種模式，一種為K (K-Line)，而另一種是L (L-Line)。K-Line是屬於雙向傳輸，使用在ISO 14230的連線初始化與資料傳輸上，而連線初始化部份將在資料鏈結(jié)層再作介紹。L-Line這邊並未使用，除非汽車製造商另外訂定，否則都採用K-Line作為連線、資料傳輸及診斷的功能。 圖1 ISO 14230系統(tǒng)配置圖 如表1所示，在K-Line電壓訊號準位方面，主要利用電壓凖位來做邏輯(Logic) ”1”與邏輯”0”的轉(zhuǎn)換，圖2為ISO 14230 K-Li

7、ne電壓訊號準位，其中VB是電瓶電壓，而傳送端(Transmitter)在VB為80%以上代表數(shù)位邏輯”1”，而在VB為20%以下代表數(shù)位邏輯”0”。接收端(Receiver)則是VB為70%以上為”1”而VB為30%以下為”0”。而本文電瓶電壓為12伏特(V)，所以傳送端的訊號電壓凖必須為9.6V以上或2.4V以下(VB=12V)，接收端的訊號電壓凖位為8.4V以上或3.6V以下。 表1 K-Line的電壓訊號準位邏輯準位01傳送端電壓準位20%VB80%VB接收端電壓準位30%VB70%VB 圖2 ISO 14230 K-Line電壓訊號準位2.2 SAE J1939通訊協(xié)定本文Windo

8、ws XP嵌入式診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式，係依據(jù)ISO 14230及SAE J1939通訊協(xié)定來製作，其中SAE J1939 遵行了OSI七層通訊參考模型。分為SAE J1939-11(實體層)、SAE J1939-21(資料鏈結(jié)層)、SAE J1939-31(網(wǎng)路層)、SAE J1939-71(應(yīng)用層-車輛參數(shù))、SAE J1939-73(應(yīng)用層-車輛診斷)，各層間的任務(wù)及規(guī)劃目的請考7，以下將以SAE J1939-11(實體層)做簡單介紹。SAE J1939-11為七層架構(gòu)的最底層，此層敘述電子訊號間傳送訊號準位、實體層編排架構(gòu)等。採用雙絞線以差動訊號方式進行訊號傳輸，所謂差動訊號電壓是指CAN-

9、High和CAN-Low電壓間的差值，它對訊號準位判別較為嚴謹，較一般網(wǎng)路架構(gòu)擁有更強韌的抗干擾性。圖3為CAN裝置電壓準位，其定義如下：裝置電壓(Vcc)為4.55.5V，CAN-High和CAN-Low間差動訊號電壓(V)為03.0V，當(dāng)CAN-High的電壓值大於3.5V，CAN-Low的電壓值小於1.5V，則V1.0V傳遞顯性(Dominant)邏輯“0”位元；如果CAN-High和CAN-Low電壓值皆維持在2.5V，則V0.5V傳遞隱性(Recessive)邏輯“1”位元，如表2所示。另外為避免CAN訊息傳送時產(chǎn)生回波震盪，於CAN網(wǎng)路上會配置120終端電阻，如圖4所示。 圖3 C

10、AN裝置電壓準位 表2位元邏輯值邏輯値位元值CAN-HCAN-LV（H-L）顯性(Dominant)03.51.5大於1.0隱性(Recessive)12.52.5小於0.5 圖4實體層架構(gòu)圖3. XP嵌入式作業(yè)系統(tǒng)介紹Windows XP Embedded8 是微軟所開發(fā)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，主要以元件化形式展現(xiàn) Windows 作業(yè)系統(tǒng)的強大功能。Windows XP Embedded 建置於與 Windows XP Professional 相同的架構(gòu)基礎(chǔ)上，包含了超過 10,000 項以上的各別功能元件，因此開發(fā)人員在自訂裝置映像檔中，能管理或減少機體的空間，以選擇並達到最佳的功能。使用

11、Windows XP Embedded 來建置作業(yè)系統(tǒng)的常用裝置類別，包含零售銷售點終端機、精簡型用戶端和進階的機上盒，其特色如下：1. 程式碼彈性選擇慣用的 Microsoft 開發(fā)技術(shù)，如Win32、MFC或.NET Framework(C#, VB)，更熟悉、更快速地進行開發(fā)。2. 設(shè)計範本使用為一般技術(shù)與裝置內(nèi)建的設(shè)計範本(Design Templates)立即開始設(shè)計，包括以 Windows 為基礎(chǔ)的終端機(Windows-Based Terminals)、POS終端機(Point of Sale Terminals)、智慧型設(shè)備(Intelligent Appliances)等等。

12、3. 輕鬆設(shè)定與測試可利用多種作業(yè)系統(tǒng)開發(fā)工具建置、開發(fā)、客製及測試裝置。4. 安全性功能藉由安全性更新提供企業(yè)級管理能力。使用 Windows 安全性功能 (包括內(nèi)建防火牆)，輕鬆將健全的安全性功能整合至您的裝置內(nèi)。5. 加強的編譯器使用最新的 Visual Studio 編譯器，可增加 C+ 語言相容性、提供更好的程式庫、支援 CRT、ATL 及 MFC，並可提供改善的執(zhí)行階段安全性檢查功能。6. 達到出貨品質(zhì)要求的驅(qū)動程式選擇驅(qū)動程式、服務(wù)及應(yīng)用程式，以納入嵌入式作業(yè)系統(tǒng)映像檔中，減少驅(qū)動程式修改並縮減 OS 大小。7. Windows，Win32 APIs使用標準硬體，並可執(zhí)行現(xiàn)有Wi

13、n32應(yīng)用程式及驅(qū)動程式。 8. 保護磁碟區(qū)EWF (Enhanced Write FilterEWF) 功能可藉由重新導(dǎo)向?qū)懭胱鳂I(yè)至不同儲存位置(重疊)協(xié)助保護磁碟區(qū)內(nèi)容。EWF允許唯讀媒體(包括CD-ROM與Flash)開機及執(zhí)行，其可減少空間耗損，並使Compact Flash成為嵌入式裝置 (如精簡型用戶端) 的可用選項，藉由唯讀功能進行開機，媒體 EWF可移除嵌入式裝置的內(nèi)部硬碟需求，減少BOM成本與整體維護。9. 休眠一次，永久還原(Hibernate Once Resume ManyHORM)Hibernate Once/Resume Many使裝置(例如精簡型電腦 (Thin

14、Clients)可以獲得立即上手絕佳經(jīng)驗。10. 由網(wǎng)路將裝置開機開機前執(zhí)行環(huán)境(Pre-boot Execution EnvironmentPXE) 通訊協(xié)定允許與伺服器通訊，並由網(wǎng)路取回開機映像檔。此協(xié)定可提供不具硬碟的裝置有網(wǎng)路開機與設(shè)定的能力。11. 緩和製造流程映像複製與重新封裝允許 OEM 在安裝時建置一個一次性 OS 映像支援，自動組態(tài) SID 與機器名稱。此一系統(tǒng)複製工具可提供獨有的電腦安全性識別碼 (SID)、電腦名稱及潛在的 IP 位址。如圖5所示，綜合以上Windows XP Embedded 中的產(chǎn)品功能，要發(fā)展適用於我們目的裝置的Windows XP Embedded

15、 嵌入式系統(tǒng)映像檔，必須要有一個完整的發(fā)展步驟及開發(fā)工具(Microsoft Windows Embedded Studio)。系統(tǒng)開發(fā)工具與流程之關(guān)係如圖6所示。圖5 Microsoft Windows Embedded Studio 圖6系統(tǒng)開發(fā)工具與流程4. XP嵌入式診斷系統(tǒng)製作4.1診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式製作本文診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式中，包含兩種車輛通訊協(xié)定(ISO14230及SAE J1939)，其中ISO14230通訊協(xié)定之診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式，係將段宗廷之碩士論文9診斷程式加以修改並套用；而SAE J1939通訊協(xié)定之診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式，則是將SAE J1939通訊協(xié)定的各種服務(wù)功能型以物件導(dǎo)向

16、之C+程式語言，撰寫符合車輛通訊協(xié)定之診斷應(yīng)用程式。診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式撰寫，則是採用程式語言Visual C+6.0整合式發(fā)展環(huán)境(Integrated Development EnvironmentIDE)10的單文件樣板來設(shè)計如圖7所示，所謂整合發(fā)展環(huán)境指的是從程式編輯(Edit)、編譯(Compile)、偵錯(Debug)、執(zhí)行(Execute)與線上說明(Online Help)都在同一軟體執(zhí)行。圖8為診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式人機介面，可分為標題列、功能表列、工具列、View視窗與狀態(tài)列五部份。 圖7 Visual C+6.0開發(fā)環(huán)境介面 圖8 診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式人機介面4.2 XP嵌入式作業(yè)系統(tǒng)

17、製作本文Windows XP 嵌入式診斷系統(tǒng)主要利用Advantech PCM-9388F嵌入式主機板、瞄準科技 M01A觸控式螢?zāi)?、儲存裝置CF(Compact Flash)卡，綜合以上硬體設(shè)備，作為本文診斷系統(tǒng)開發(fā)平臺之硬體。嵌入式主機板PCM-9388F所搭配之作業(yè)系統(tǒng)軟體部份，採用Microsoft Windows Embedded Studio11製作。圖9為本文XP嵌入式作業(yè)系統(tǒng)製作流程，簡述如下: 圖9 XP嵌入式作業(yè)系統(tǒng)製作流程1. 第一步分析目標裝置上的各別硬體裝置(目標裝置係指本文PCM-9388F嵌入式主機板)，這需要使用目標裝置分析師(Target Analyzer)的

18、公用程式(TAP.exe)，讓使用者可以容易取得目標硬體分析檔PMQ檔，該檔案主要是記載BIOS 與驅(qū)動程式的資訊，此公用程式包含在 Windows XP Embedded 工具組中。2. 使用元件設(shè)計師(Component Designer)12的工具，將PMQ檔、系統(tǒng)驅(qū)動程式INF(Information FileINF)檔及由6.1節(jié)所製作的診斷系統(tǒng)應(yīng)用程式，在即自定義應(yīng)用程式(Custom Application)，以建立 Windows XP Embedded 元件，並轉(zhuǎn)換成SLD(System Level DefinitionSLD)檔。3. 將所有Component Design

19、er產(chǎn)生的SLD檔，匯入(Import)至元件資料庫(Component Database Manager)，使其成為XP Embedded系統(tǒng)元件。4. 結(jié)合所有選擇元件的組合設(shè)定，並透過目標裝置設(shè)計師(Target Designer)，選擇欲增加元件，進行相依性檢查，最後將它們建置到 Windows XP Embedded 系統(tǒng)映像(Image)檔中。5. 部署系統(tǒng)映像(Image)檔到目標裝置上。依序完成嵌入式作業(yè)系統(tǒng)製作流程後，如圖10所示，將目標裝置設(shè)計師(Target Designer)所產(chǎn)生的目標裝置系統(tǒng)映像檔，部署到目標裝置上，圖11為Windows XP Embedded安裝

20、完成畫面。 圖10目標裝置系統(tǒng)映像檔 圖11 Windows XP Embedded安裝成功畫面5. XP嵌入式診斷系統(tǒng)測試本文XP嵌入式診斷系統(tǒng)測試，採用中華汽車VARICA ECU作為診斷系統(tǒng)目標硬體，VARICA ECU為符合ISO14230通訊協(xié)定規(guī)範，圖12為XP嵌入式診斷系統(tǒng)測試架構(gòu)示意圖。系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換電路製作所設(shè)計電路圖13，藉由雕刻機雕刻一塊符合轉(zhuǎn)換電路的電路板，作為XP嵌入式診斷系統(tǒng)與VARICA ECU間訊號傳遞之橋樑。 圖12 XP嵌入式診斷系統(tǒng)測試架構(gòu)示意圖圖13轉(zhuǎn)換電路線路圖5.1 XP嵌入式診斷系統(tǒng)與VARICA ECU測試本節(jié)將對XP嵌入式診斷系統(tǒng)與VARICA E

21、CU間連線測試、引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)測試、故障碼測試作敘述。5.1.1連線測試藉由XP嵌入式診斷系統(tǒng)RS232端傳送一指令碼0X55至dsPIC30F4011，dsPIC30F4011收到後，會啟動內(nèi)部計時器去傳送波形及StartCommunication Request訊號，當(dāng)VARICA ECU收到正確資料後，會回傳正回應(yīng)訊息至XP嵌入式診斷系統(tǒng)。圖14所示為RS232測試軟體13傳送0X55訊號至dsPIC30F4011後，所回傳之正回應(yīng)訊息，由此可知，當(dāng)VARICA ECU回傳正回應(yīng)訊息時，即代表XP嵌入式診斷系統(tǒng)與VARICA ECU間連線已成功建立，並可作診斷通訊，來驗證dsPIC30F4

22、011是符合ISO14230電路設(shè)計需求。 圖14 RS232測試軟體接收ECU正回應(yīng)訊息5.1.2引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)測試本文根據(jù)ISO14230協(xié)定規(guī)範，傳送引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)訊框格式給ECU，並針對ECU回傳之ReadDataByLocal-Identifier Positive Response訊息中的2151Bytes作分析，擷取電瓶電壓、進氣溫度、引擎水溫、節(jié)氣門位置訊號，再根據(jù)SAEJ1939換算公式，來推估ISO14230引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式，藉此求得引擎運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。本文依序?qū)ARICA ECU目標硬體上，引擎運轉(zhuǎn)參數(shù)模擬旋鈕分別恢復(fù)至原始位置及最大位置，經(jīng)XP嵌入式診斷系統(tǒng)量測後，比對利

23、用圖15 Auto Data Scan診斷儀器14所量測之?dāng)?shù)值。如圖16為XP嵌入式診斷系統(tǒng)所得到之值與Auto Data Scan診斷儀器量測之值於原始位置數(shù)值比對、圖17為XP嵌入式診斷系統(tǒng)所得到之值與Auto Data Scan診斷儀器量測之值於最大位置數(shù)值比對；XP嵌入式診斷系統(tǒng)所得到之值與Auto Data Scan診斷儀器量測之值其差距甚微，因此本文採用所推估換算之公式，作為XP嵌入式診斷系統(tǒng)上顯示之物理量公式。 圖15 Auto Data Scan診斷儀器 圖16嵌入式診斷系統(tǒng)與Auto Data Scan儀器數(shù)值比 對(原始位置) 圖17嵌入式診斷系統(tǒng)與Auto Data Sc

24、an儀器數(shù)值比對(最大位置)5.1.3故障碼測試本文故障碼測試主要採用ISO 14230的Read Diagnostic Trouble Codes By Status Service對VARICA ECU做故障碼擷取，並依照ISO 14230的訊框格式，分別傳送Header Bytes、Data Bytes與Check sum給VARICA ECU，當(dāng)傳送資料正確無誤，VARICA ECU就會回傳訊息給XP嵌入式診斷系統(tǒng)，其中Response的Data Byte包含了故障代碼與個數(shù)的資訊，而VARICA ECU其內(nèi)建故障碼有6組，分別為P0120、P0105、P1640、P0443、P023

25、0與P1895，每筆故障碼都由3Bytes所組成，前2Bytes為故障碼代碼，最後1Byte為故障碼狀態(tài)。圖18為XP嵌入式診斷系統(tǒng)擷取故障碼顯示畫面，圖19則是Auto Data Scan擷取故障碼顯示畫面。 圖18 XP嵌入式診斷系統(tǒng)擷取故障碼顯示畫面 圖19 Auto Data Scan擷取故障碼顯示畫面當(dāng)維修人員找出故障源並修復(fù)之後，接下來須消除VARICA ECU裡的故障碼，本文利用ISO 14230的Clear Diagnostic Information service來消除故障碼。圖20為XP嵌入式診斷系統(tǒng)消除故障碼顯示畫面，圖21則為Auto Data Scan消除故障碼顯示

26、畫面。 圖20 XP嵌入式診斷系統(tǒng)消除故障碼顯示畫面 圖21 Auto Data Scan消除故障碼顯示畫面6. 結(jié)論本文依據(jù)嵌入式系統(tǒng)特性為主要目標，發(fā)展製作出Windows XP嵌入式診斷系統(tǒng)，可望取代現(xiàn)今車輛診斷儀器貴重、體積大、攜帶不方便等缺點。此外，嵌入式診斷系統(tǒng)人機介面，係採用觸控式螢?zāi)粊碜鲈\斷系統(tǒng)應(yīng)用程式輸入端，代替了傳統(tǒng)診斷儀器以按鍵為輸入方式，具有更人性化功能。設(shè)計系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換電路，係採用RS232通訊介面與ECU作連線診斷，其Kline電壓訊號準位與鮑率換算可供未來研究者參考。由此可知，本文嵌入式診斷系統(tǒng)OS，係以Microsoft Windows Embedded Studio開發(fā)工具所製作，其實作過程，可供未來製作不同嵌入式系統(tǒng)商品應(yīng)用之雛型。7.致謝承蒙經(jīng)濟部學(xué)界科專計畫:輛電子通訊網(wǎng)技術(shù)(97-EC-17-A-16-S1-051-A1-3-)之經(jīng)費補助與國虎尾科技大學(xué)提供設(shè)備支援，僅此致謝。8.參考文獻書籍:4 Road vehiclesDiagnostic systemsKeyword Protocol 2000-Part1 Physical layer,1999。5