一種可延伸式車用網路發展平台之設計與實現 Ching-Biau Tzeng(

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一種可延伸式車用網路發展平台之設計與實現

Ching-Biau Tzeng(曾清標), Wen-Chih Shen(沈文誌), Yu-Chang Lin(林雨正),Tzuu-Shaang Wey(衛祖賞) 電子工程系所, 崑山科技大學

710 永康, 台南縣, 台灣, 中華民國

∗Corresponding author. Email: cbtzeng@mail.ksu.edu.tw, TEL:(06)2050204 摘要

本論文提出一種透過車上診斷系統(OBD-II) 介面進而達成延伸擴展的車用網路發展平台，讓工程人員可在這個發展平台的環境上，開發一系列需要透過車用網路進行傳輸之模組與產品，使汽車ECU net更可以應用於不同的產品之中。

這個發展平台包括軟、硬體發展工具，是由多種不同功能的CAN節點模組所組成，CAN節點模組使用 PIC18F458(MCU ，內建 CAN Controller)、MCP2551(CAN Transceiver)組成CAN 匯流排節點發展的硬體，並且內建有符合 ISO15765-4和CAN規範之資料格式的CAN匯流排節點發展的樣板韌體。利用這個發展平台可建立許多不同功能的應用節點，並且透過與CAN OBD 介面來連結車上的所有ECU節點，將這些應用節點模組也納入原本的ECU net的節點，以進行實體系統的驗證。

最後，舉出利用此發展平台所完成的車用電子產品之開發案例的說明；以機車儀表增設CAN 功能和車輛監測功能的例子，說明以這個發展平台進行新產品開發的過程，應用節點在這個發展平台測試完成之後，透過與汽車或大型重型機車的CAN bus實際連結的動作，驗證這個發展平台的實用性與可靠性，值得加以推廣應用。

關鍵詞: CAN匯流排、電子控制單元、車上診斷系統(OBD-II)、車用網路、發展平台

1. 前言

近年來，在汽車或是電動車的設計中，運用了許多微處理器和電子控制技術，例如ABS(Anti- lock Braking System)防鎖死煞車系統、電子防盗系统、自動空調…等，這些系統都是由多個電子控制單元相互連接而成，同時各個系統之間也互相連接，進行著越來越多的數據交換，這樣就需要使用大量的配線和連接器來實現互連。隨著汽車電子技術的發展，這種需求的成長是龐大的。

由於配線和連接器的數量不斷增加，汽車電子系統的複雜程度愈來愈高，其可靠度變的不穩定、故障率提高，影響汽車性能。為了滿足汽車內部訊號量急遽增加的需求，必須使用一種匯流排共享的方法，減少配線的數量。1986年，Bosch

在SAE(Society of Automotive Engineers)美國汽車工程師協會上提出了CAN協定，1993年CAN的國際標準ISO 11898公佈。車用網路大多數都使用控制器區域網路(Controller Area Network) CAN Bus作為資料傳遞的通訊協定，使車輛裡的許多電子控制模組之間有共用匯流排的網路，而且CAN Bus 也已廣泛地運用在工業控制、微電腦控制等應用中。

因此，研發工程人員若要開發應用於大型重型機車、汽車或是電動車的新產品，而且新產品必須連接於CAN Bus上，若是貿然直接連接測試，這會使工程人員或裝置本身承擔故障或損壞的高風險。因此，若是有一CAN Bus發展平台內建有監控節點與模擬車用ECU網路節點，並且可以實現出具有所要發展的節點裝置之關鍵特性，

使的新產品可以在發展平台中完成，也可以在發展平台上測試已開發節點的功能，工程師就可以透過這樣的發展平台快速地發展CAN ECU網路節點。

本論文的目的就在於建立一套CAN ECU網路發展平台，以微處理器作為發展平台的控制核心元件，發展平台由許多不同功能的節點組成，使用者可以在發展平台上製作CAN ECU模擬節點 (emulator node)、監測節點(monitor node)、感測器節點(sensor node)、控制器節點(control node)、啟動器節點(actuator node)等，使發展平台可以執行不同目的的應用。這個發展平台包括軟硬體發展工具，是由多個不同功能的CAN節點模組所組成， CAN 節點模組使用 PIC18F458(MCU ，內建 CAN Controller)、MCP2551(CAN Transceiver)組成 CAN匯流排節點發展的硬體，並且內建有符合 ISO15765-4和CAN規範之資料格式的CAN匯流排節點發展的樣板韌體。利用這個發展平台可建立許多不同功能的應用節點，並且透過與CAN OBD 介面連結上車上的所有ECU節點，將這些應用節點模組也納入原本的ECU net的節點，以進行實體系統的驗證。

讓工程人員可以在這個發展平台上快速地實作出具有特定功能的感知器與致動器獨立模組，

而且使獨立模組的感知器與致動器可以透過車用網路CAN傳輸訊息資料，或是結合其他已建構好的ECU組成特定用途的控制模組，延伸整體系統的應用範疇。

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最後，舉出利用這個發展平台所完成的車用電子產品的開發案例的說明，以機車儀表增設 CAN功能和車輛監測功能的例子說明以發展平台進行新產品開發的過程，功能節點在發展平台測試完成之後，透過與汽車或大型重型機車的CAN bus實際連結的動作，以驗證此發展平台的實用性與可靠性，值得加以推廣應用。

2. 發展平台的設計 2.1系統架構

整體的系統架構包括可延伸的發展平台 (Proposed system)、CAN匯流排訊息監測工具(本論文使用Kvaser Memorator硬體與X-Analyser軟體) 和車用ECU網路，如圖一所示。透過汽車的J1962 DLC (Diagnostic Link Connector)診斷接頭將可延伸的發展平台連接到車用ECU網路(In-Car ECU net)，讓工程人員於發展平台上所發展的節點裝置也納入車用ECU網路的一部分，進而延伸車用 ECU網路到發展平台上，以形成可延伸擴充功能的車用ECU網路，讓新節點或新系統在擴充後的 ECU網路裡運行，以驗證新節點或新系統的可行性。

CAN匯流排訊息監測工具透過汽車的J1962 DLC診斷接頭可以將車用ECU網路的傳輸訊息導出，藉由X-Analyser軟體顯示在電腦螢幕上或是儲存在記憶體中。日後可以將儲存的訊息經由解析處理之後寫入可延伸的發展平台之微處理器記憶體中，如此，可延伸的發展平台也就具有模擬 (emulating)車用ECU網路的功能，可獨立來發展相關的ECU節點裝置。

圖一、整體的系統架構 2.2可延伸的發展平台(Proposed system)

可延伸的發展平台架構如圖二所示，主要是由CAN匯流排節點模組所組成，每個模組都內建有 CAN Transceiver(MCP2551) ，透過 CAN Transceiver將CAN模組相互連接起來，使CAN節點可一直擴充，CAN Transceiver(MCP2551)可提供最大支援112個節點。

利用CAN匯流排節點模組可以開發出許多具有特定功能的節點，例如，如圖二所示的ECU模擬節點(emulator node)、監測節點(monitor node)、

感測器節點(sensor node)、控制器節點(controller

node)、致動器節點(actuator node)等，由這些節點就可組成特定功能的應用系統。

圖二、可延伸的發展平台架構 2.3發展平台的節點模組

發展平台之節點模組的外觀照片如圖三所示，建構有CAN匯流排介面、一般用途的數位 I/O Port、可連接汽車CAN OBD的J1962 DLC介面、CAN匯流排訊息監測工具連接端以及CAN節點擴充連接端。

CAN 匯流排介面如圖四所示，主要是由 Microchip 的微控制器 PIC18F458 和 CAN Transceiver MCP2551所組成，是為每個CAN節點都必須具備的硬體介面。PIC18F458這顆MCU晶片所內建的許多資源，諸如 Timer 、 A/D 、 UART 、一般用途數位輸入輸出埠 (I/O Port) ， CAN匯流排介面模組可依照節點需求功能的不同，加以應用來實現出更多應用功能的節點。

透過OBD-II轉接端可以將CAN OBD與汽車 ECU網路連結，讀取車身相關資訊，使節點可以連接至車用ECU網路，成為車用ECU網路的新節點。

Kvaser Memorator透過監測連接端可以連接到 CAN匯流排，以監測CAN匯流排訊息傳輸的狀況，並且透過X-Analyser軟體來加以解析。

圖三、發展平台之節點模組的外觀照片圖

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圖四、CAN匯流排介面架構 2.5.1CAN OBD-II 汽車標準資料格式

汽車 OBD-II為診斷汽車零件是否故障或異常，OBD-II的模式1提供車內許多感測器的目前資料，藉由OBD-II PIDs(Parameter IDs)來讀取車身功能資料。

使用時將功能PID_code暫存器輸入數值 (圖六 ) ，例如：車速為 PID:0x0D 、引擎轉速為 PID:0x0C、水溫為PID:0x05等。接收時汽車會回應相對應的PID功能資料，接收的資料有些需要公式運算才能得出正確的數值資訊 (圖七)，例如引擎轉速的運算式為((A*256)+B)/4，運算結果才為正確的數值資料，其中A和B是CAN匯流排資料格式的位元組。

另外，詢問汽車功能的CAN匯流排節點識別碼 0x7DF ，接收汽車 OBD 資料要將 Acceptance Filter設為0x7E8，都是依據ISO 15765-4文件所定義的規範。

If ( CANIsTxReady ( ) ) { TX_Data_Buf2[0] = 0x02 ;

TX_Data_Buf2[1] = 0x01 ; TX_Data_Buf2[2] = PID_code;

TX_Data_Buf2[3] = 0x00 ; TX_Data_Buf2[4] = 0x00 ; TX_Data_Buf2[5] = 0x00 ; TX_Data_Buf2[6] = 0x00 ; TX_Data_Buf2[7] = 0x00 ;

CANSendMessage ( 0x7DF , TX_Data_Buf2 , 8,CAN_TX_PRIORITY_1&

CAN_TX_STD_FRAME&

CAN_TX_NO_RTR_FRAME ) ; }

圖六、節點傳送PID_ code給汽車ECU

if ( CANIsRxReady ( ) ) {

CANReceiveMessage( &RX_ID1 , RX_Data_Buf1 , &RX_Data_Len1 ,

&RX1_Message_Flag ) ; if (RX_ID1==0x7E8)

{ Engine RPM = ((A*256)+B)/4 ; } }

圖七、接收OBD資料，以RPM為例

2.5.2CAN節點模組之客製化韌體的設計

由於CAN的應用相當廣泛，除了常見的車用內部控制網路之外，工業自動化與醫療設備也越來越多使用CAN Bus為控制網路，使用者可藉由輸入自訂格式的韌體規劃，可以快速的建立CAN 節點。

節點用途不使用於汽車時，也就不侷限於 CAN OBD-II的規範內，使用者可自己定義資料格式內容，但是必須符合CAN的規範來定義。樣板韌體已經將大部分的CAN設定規劃完成，使用者只需要在暫存器內輸入數值，就可完成CAN韌體設定。

韌體裡面TX_00~ TX_07暫存器分別可以輸入 0 ~ 0xFF的範圍，識別碼暫存器TX_ID1在標準模式可使用0 ~ 0x7FF，使用者在TX_00 ~ TX_07和 TX_ID輸入自訂的數字，即可完成傳輸規劃的動作 ( 圖八 ) 。接收的部分， RX_ID1 為 Acceptance Filter的暫存器，可設定指定接收的識別碼，即可接收CAN資料 (圖九)。

If ( CANIsTxReady ( ) )

{ TX_Data_Buf2[0] = TX_00 ; TX_Data_Buf2[1] = TX_01 ; TX_Data_Buf2[2] = TX_02 ; TX_Data_Buf2[3] = TX_03 ; TX_Data_Buf2[4] = TX_04 ; TX_Data_Buf2[5] = TX_05 ; TX_Data_Buf2[6] = TX_06 ; TX_Data_Buf2[7] = TX_07 ; CANSendMessage(TX_ID1,

TX_Data_Buf2 , 8 , CAN_TX_PRIORITY_1 &

CAN_TX_STD_FRAME &

CAN_TX_NO_RTR_FRAME ) ; }

圖八、傳送時設定資料內容與識別碼 if ( CANIsRxReady ( ) )

{

CANReceiveMessage( &RX_ID1 , RX_Data_Buf1 ,

&RX_Data_Len1 ,

&RX1_Message_Flag ) ; if (RX_ID1== RX_ID1)

{ …… } }

圖九、接收時設定資料內容與識別碼

3.實測結果與討論

在本論文中，提出兩個運用我們所發展出的可延伸的發展平台來進行產品開發的案例，以驗證系統的可行性，並且解說了整個發展過程。ㄧ個是將市售的機車儀表增設CAN功能以應用於大型重型機車(DUCATI)之儀表板的開發，另一個是透過

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CAN OBD介面來實現車輛監測功能以應用於汽車儀表板的開發。

3.1機車儀表板的開發案例

首先測試車款DUCATI_MONSTER_696實驗步驟如下：

(1)監測ECU網路：拉開原廠儀表與ECU端(圖十)，由於大型重型機車不是CAN OBD-II標準協定，所以CAN的腳位位置沒有參考資料，我們依照CAN bus的CAN_H和CAN_L有電壓差特性，利用示波器從 ECU 端找到 CAN_H、CAN_L (表二)，這是CAN Bus的通訊腳位。將CAN匯流排介面模組連接到CAN Bus 上，並且使用 Kvaser Memorator 搭配 X- Analyser軟體來擷取CAN Bus的傳輸訊息並顯示在電腦螢幕上(圖十一)，經過分析之後，

解析到CAN Bus傳輸的所有的 ID 有12個分別為010、020、028、300、029、080、081、

100、211、280、290、201。

圖十、DUCATI_MONSTER_696機車儀表和 ECU連接端

表二、DUCATI_MONSTER_696的ECU連接端腳位功能

(2)解析CAN資料之後，找到機車儀表相關的訊號包括了時速功能和引擎轉速功能以及空檔訊號(ID：0x100)、引擎進氣溫度和引擎機油溫度 (CAN_ID ： 0x211) 、故障燈訊息 (CAN_ID：0x201)、引擎發動碼(CAN_ID：

0x010、0x020、0x028、0x300、029)，而這款重型機車沒有引擎冷卻液溫度的資訊，所以將市售機車儀表的引擎冷卻液溫度位置改為顯示引擎進氣溫度的資料。

圖十一、DUCATI_MONSTER_696監測畫面

圖十二、解析CAN Bus資料

(3)在可延伸的發展平台上以樣本韌體為基礎來設計相對應的驅動程式，並且將機車CAN資料格式燒錄到單晶片微控制器中，使得發展平台具有模擬車用CAN ECU網路的節點，

此模擬節點傳送著重型機車的資料格式以利後續機車儀表之CAN通訊功能的開發。

圖十三、機車儀表在開發平台中製作 (4)透過發展平台將機車儀表增加CAN通訊功能

並製作完成，使機車儀表可以藉由 CAN ECU傳輸資料，經過程式化運算與電路處理，顯示於機車儀表上。

(5)將製作完成的機車儀表插入實際大型重型機車的ECU連接端，成功的顯示機車資訊。

3.2汽車CAN OBD-II 傳輸協定測試

測試的車款為Mazda5，這台車的OBD-II資料傳輸使用CAN協定，而我們要測試的項目有2 個，一項是在發展平台上透過CAN OBD-II介面來實現新增CAN匯流排節點，這個節點主要是做為監測用途，它能夠讀取並顯示指定ECU節點的資料；另一項是在汽車CAN bus中新增2個節點，一端傳輸A/D轉換訊號另一端節點接收並顯示數值範圍，測試在汽車現有的CAN bus中是

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否可以再增加 CAN-ECU節點，其測試步驟如下：

(1)建立模擬節點與監測節點：SAE J1979定義了標準OBD-II PIDs，裡面已經說明關於PID的相關內容與數值的範圍。我們根據標準的規範協助我們建立發展平台的模擬節點與監測節點，製作的監測節點的功能有車速(PID：

0x0D) 、引擎轉速 (PID ： 0x0C) 、進氣溫度 (PID ： 0x0F) 、引擎冷卻液溫度 (PID ： 0x05)、油門位置(PID：0x11)、引擎發動時間(PID：0x1F)、引擎負載(PID：0x04)、空氣流通率 (PID ： 0x10) 、機油壓力 (PID ： 0x0A)、進氣歧管壓力(PID：0x0B)、燃油管壓力(PID：0x22)、油量輸入(PID：0x2F)，

利用LCD模組一次顯示兩種資訊並且按下按鍵後可以作翻頁的動作，所以只用一個LCD 模組就可以顯示全部的功能資訊。

(2) 監測節點與汽車連接測試：監測節點透過 J1962診斷連接插座連接到汽車CAN OBD，

但是Mazda5的OBD不支援機油壓力、燃油管壓力和油量輸入的功能，所以無法讀到該資料，其他在之前製作的功能可以成功顯示 OBD資料，具備監測車身的功能。

圖十四、讀取OBD資訊並與汽車儀表板所顯示之訊息進行比對

(a)讀取時速和引擎轉速 (b)讀取進氣和引擎冷卻液的溫度

(c)油門位置和引擎啟動時間 (d)進氣岐管壓力和空氣流通率

圖十五、其他讀取自OBD之訊息顯示 (3)新功能節點加入CAN bus連接測試：有2個新

節點功能分別為一傳輸10 bit A/D轉換訊號與接收A/D訊號，為了避免傳輸的識別碼與原汽車的識別碼衝突，事先已利用監測工具找出汽車匯流排內流通的識別碼，我們選用識別碼0x333作為傳輸節點，而所製作的CAN- ECU節點可以在汽車裡成功傳輸與接收。

圖十六、新節點加入車用ECU網路

圖十七、監測工具顯示汽車ECU net的資料

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4.結論

本論文成功的實現出所要建構的發展平台，

CAN發展硬體模組包含了基本CAN硬體架構與 CAN樣板韌體的建立以及對周邊的通訊連接，進行CAN ECU節點測試與發展的環境。而在實驗過程中，模擬的對象有大型重型機車與汽車CAN OBD-II，試著開發具有模擬CAN ECU網路的節點。

透過監測工具對CAN bus資料的完整讀取，

經由資料解析之後，將資料程式燒錄到微處理機，完成模擬CAN ECU網路的節點，並且成功地在機車儀表上新增CAN通訊功能，使原本市售的機車儀表適用的車款可以更加廣泛。

在發展平台上製作監控汽車CAN OBD-II資訊的節點以及2個收發的節點，並且透過J1962 DLC 連接至汽車，可以成功傳輸資料到CAN bus，且可以讀取指定功能資訊並藉由LCD模組顯示。

以上實際開發節點應用例子中驗證車用ECU 網路發展平台的可用性。工程師可利用本發展平台上快速的開發CAN通訊節點。

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