顏伏伍，曹 愷，胡 杰，楊 辰

(武漢理工大學(xué)，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

前言

汽車電控化程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，而電控化程度越高，汽車故障診斷越困難，有資料統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前故障診斷時(shí)間為70%左右，故障排除時(shí)間僅30%［1］。現(xiàn)代汽車電子控制單元都具備在線診斷系統(tǒng)(OBD)，它能實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車電子控制系統(tǒng)的工作情況和判別相關(guān)故障，并以故障碼的形式記錄［2］。但汽車電控技術(shù)發(fā)展迅速，能跟蹤掌握的診斷專家匱乏，汽車服務(wù)商經(jīng)常須要尋求廠商技術(shù)支持，導(dǎo)致診斷效率降低，維修成本增加。

Internet是全世界最大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，普通用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商可輕松接入，這為汽車診斷數(shù)據(jù)共享提供了方便途徑［3］。而隨著信息技術(shù)的發(fā)展，3G網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化的不斷推進(jìn)，為克服地域障礙、實(shí)現(xiàn)汽車診斷數(shù)據(jù)共享、提供協(xié)同診斷服務(wù)的汽車遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究［4］。其中通用汽車公司和豐田汽車公司在這一領(lǐng)域已有成功的經(jīng)驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)受網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等條件限制起步較晚。通過(guò)建立基于Internet和3G的汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，著重研究實(shí)現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程診斷的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和方法，為汽車遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)

汽車遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)是通過(guò)本地故障診斷設(shè)備讀取汽車故障相關(guān)信息，以有線或無(wú)線方式傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)，由遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心管理汽車故障診斷數(shù)據(jù)共享，方便智能診斷系統(tǒng)和診斷專家在遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)、高效地進(jìn)行故障診斷，為遠(yuǎn)端客戶提供診斷支持的技術(shù)［5］，它具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1)采用多種網(wǎng)絡(luò)組建企業(yè)級(jí)診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于數(shù)據(jù)的積累和資源共享。

(2)有利于進(jìn)行協(xié)同診斷，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和異地專家的聯(lián)合會(huì)診，提高診斷準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)具有良好的可擴(kuò)展性，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)可以靈活擴(kuò)展。

(4)克服地域差異，滿足對(duì)不斷增強(qiáng)的診斷實(shí)時(shí)性和移動(dòng)性的需求，減少專家出差次數(shù)，節(jié)約售后成本［6］。

(5)方便實(shí)施主動(dòng)診斷，對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防汽車故障惡化，提供可靠的技術(shù)保障［7］。

(6)提供遠(yuǎn)程技術(shù)教學(xué)，提高售后人員技能水平，有效解決故障診斷技術(shù)的更新和掌握問(wèn)題。

通過(guò)構(gòu)建汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，該系統(tǒng)包括汽車故障診斷通信裝置、PC與手機(jī)診斷客戶端和遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心等部分，如圖1所示。

1.1 汽車故障診斷通信裝置

ECU的大量使用和各種不同的通信協(xié)議得到廣泛應(yīng)用［8］，導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化程度的增加。為解決不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了通用型診斷協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。該裝置以飛思卡爾公司的HCS12系列16位微處理器為主控單元，集成CAN通信控制器;使用車載診斷通信接口芯片MC33290進(jìn)行K線電平轉(zhuǎn)換;使用 CAN收發(fā)器芯片 PCA82C250實(shí)現(xiàn)CAN控制器到車載網(wǎng)絡(luò)的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)，集成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議;而在上層應(yīng)用方面，則通過(guò)USB、藍(lán)牙和3G模塊提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 PC和手機(jī)診斷客戶端

手持式汽車故障診斷儀受性能影響，系統(tǒng)運(yùn)行慢，且無(wú)法提供智能診斷和指導(dǎo)，而PC和智能手機(jī)式診斷設(shè)備依賴強(qiáng)大的硬件配置能有效克服上述問(wèn)題。在單機(jī)模式下，PC和手機(jī)診斷客戶端能實(shí)現(xiàn)故障碼、凍結(jié)幀和數(shù)據(jù)流的讀取以及動(dòng)作測(cè)試和幫助查詢等功能。在聯(lián)網(wǎng)模式下，通過(guò)遠(yuǎn)程診斷輔助等功能，對(duì)故障車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，并對(duì)本地技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)，必要時(shí)比對(duì)ECU信息，遠(yuǎn)程刷新ECU程序，并歸納最終診斷結(jié)果，形成車輛病例，上傳至服務(wù)器，以方便統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心

遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心由專家、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器和診斷服務(wù)器組成，主要負(fù)責(zé)管理汽車故障診斷網(wǎng)絡(luò)，提供遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)的共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障智能診斷和專家協(xié)助等。遠(yuǎn)程服務(wù)中心信息系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)和智能診斷算法，能更有效地提高設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，減少設(shè)備維修時(shí)間，降低維修成本［9］。

2 汽車遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)的采集

2.1 汽車診斷數(shù)據(jù)獲取

汽車故障診斷通信裝置負(fù)責(zé)汽車診斷原始數(shù)據(jù)的獲取，實(shí)現(xiàn)診斷軟件和車載網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。以診斷數(shù)據(jù)流通信為例，其數(shù)據(jù)流采集流程如圖2所示。

當(dāng)汽車故障診斷通信裝置收到上層應(yīng)用服務(wù)請(qǐng)求后，首先確定工作模式，并確定車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型;在K線網(wǎng)絡(luò)下，先設(shè)置波特率、握手時(shí)間和報(bào)文頭等，再轉(zhuǎn)發(fā)讀取命令，并對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)時(shí)和校驗(yàn)。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)下，為解決通信雙方的同步問(wèn)題，須采用流控制管理機(jī)制［10］，在首幀數(shù)據(jù)到達(dá)后計(jì)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并激活N_Cr超時(shí)定時(shí)器，同時(shí)反饋流控制幀至ECU等待連續(xù)幀數(shù)據(jù)。若在N_Cr時(shí)間內(nèi)，未接受到連續(xù)幀將進(jìn)行超時(shí)處理;否則對(duì)接受到的連續(xù)幀進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)接收方還可接收的連續(xù)幀數(shù)目確定是否再次發(fā)送流控制幀;在接受完成和校驗(yàn)通過(guò)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，并上傳至上層應(yīng)用。

2.2 Internet與3G網(wǎng)絡(luò)的通信?

文獻(xiàn)［11］中將汽車診斷技術(shù)與GPRS無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，為新一代故障診斷技術(shù)提供了有效設(shè)計(jì)思路;但因受通信速率的影響，其發(fā)展受到限制。3G網(wǎng)絡(luò)支持高速數(shù)據(jù)傳輸，而 WCDMA制式與GSM/GPRS保持很好的后向兼容性，具有成熟度好、覆蓋范圍廣和安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。而且國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP針對(duì)WCDMA網(wǎng)絡(luò)制定了利于其演進(jìn)的規(guī)范，便于實(shí)現(xiàn)3G業(yè)務(wù)承載的全面IP分組化［12］。

華為MU509模塊采用貼片式LGA封裝，提供最高上行速率384kbps、下行速率3.6Mbps的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議，提供 UART與 USB接口，能夠很好地實(shí)現(xiàn)Internet與3G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。圖3為診斷數(shù)據(jù)通信流程:在接收到遠(yuǎn)程服務(wù)指令后，交由主控單元處理;主控單元由圖2所示流程獲取診斷數(shù)據(jù);對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，確定是否分段發(fā)送，并將各段數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直至傳輸完成。

2.3 遠(yuǎn)程傳輸機(jī)制

將汽車遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)分為4類:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程協(xié)助數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)具有傳輸數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性要求一般但可靠性要求高的特點(diǎn)。在傳輸層協(xié)議的選擇上，TCP協(xié)議提供面向連接的服務(wù)，相對(duì)于UDP協(xié)議，較能保證信息有序無(wú)誤的傳輸，有效降低應(yīng)用層的處理工作量，且通過(guò)一定的策略可使其實(shí)時(shí)性得到保證。因此選擇TCP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。

表1 遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)分類

系統(tǒng)自定義了數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的識(shí)別，使用緩存技術(shù)處理，保證數(shù)據(jù)顯示的流暢性。在數(shù)據(jù)傳輸前，客戶端與專家端進(jìn)行協(xié)議和數(shù)據(jù)采集頻率的協(xié)商，待專家端接受到數(shù)據(jù)后，再分包處理，并以協(xié)商頻率顯示出來(lái)，其數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制如圖4所示。作者在武漢構(gòu)建汽車故障診斷中心，使用電信寬帶接入Internet，分別與北京、上海、昆明、柳州和汕頭等地聯(lián)合測(cè)試遠(yuǎn)程協(xié)助診斷，單次時(shí)間共計(jì)10min，平均傳輸速率為30kb/s，使用流量18Mb，由此說(shuō)明該機(jī)制能很好地適應(yīng)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.4 服務(wù)器的設(shè)計(jì)

汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)架構(gòu)在通信網(wǎng)絡(luò)之上，由中心服務(wù)器和異地專家組成廣域診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確立和服務(wù)器性能兩方面。遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)有瀏覽器/服務(wù)器(B/S)和客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)兩種結(jié)構(gòu)模式。C/S模式交互性強(qiáng)、安全性高，承載部分業(yè)務(wù)邏輯，有效降低服務(wù)器通信開(kāi)銷和業(yè)務(wù)負(fù)載。汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)要求有很好的交互性和安全性，且須要承載具體的診斷業(yè)務(wù)以便單機(jī)使用，因此選擇C/S模式進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

服務(wù)器利用套接字實(shí)現(xiàn)通信，常用套接字模型有選擇模型、異步選擇模型、事件選擇模型、重疊模型和完成端口模型等，其中完成端口模型有更好的伸縮性和更高的數(shù)據(jù)吞吐率，能滿足服務(wù)器高性能的要求。服務(wù)器的配置為:CPU2.0GHz Xeon、內(nèi)存4G;客戶機(jī)的配置為2.1GHz Xeon、內(nèi)存1G。在此測(cè)試環(huán)境下，模擬并發(fā)8 000個(gè)客戶端進(jìn)行診斷數(shù)據(jù)交互，各種模型性能見(jiàn)表2。完成端口模型在連接數(shù)和吞吐率上明顯優(yōu)于選擇和異步選擇模型，而在內(nèi)存和CPU的使用上也比事件選擇和重疊模型有較大優(yōu)勢(shì)，具備最佳的系統(tǒng)性能。

表2 服務(wù)器通信模型測(cè)試

3 試驗(yàn)測(cè)試

本文中以國(guó)內(nèi)某汽車廠商全車系車輛為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了汽車故障診斷通信裝置，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)K線、CAN總線、USB和藍(lán)牙等協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換;使用SQL Server 2003搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)采用C#作為編程語(yǔ)言，使用面向?qū)ο蠓椒ㄓ筛鞴δ苣K分層實(shí)現(xiàn)，成功構(gòu)建了基于Internet和3G的汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。圖5為PC和手機(jī)故障診斷實(shí)測(cè)截圖。汽車故障診斷通信裝置和標(biāo)準(zhǔn)診斷通信接口相連，通過(guò)USB與PC診斷客戶端相連并進(jìn)行聯(lián)機(jī)診斷，使用藍(lán)牙與手機(jī)診斷客戶端相連，讀取汽車診斷數(shù)據(jù)。

圖6 為PC遠(yuǎn)程協(xié)助診斷截圖，遠(yuǎn)程專家異地操縱客戶端軟件，查看故障車輛數(shù)據(jù)流。圖7～圖12為由汽車故障診斷通信裝置通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)中心后，結(jié)合各自坐標(biāo)再現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理圖(圖中采樣點(diǎn)間隔50ms)，能更加清晰地顯示了車輛數(shù)據(jù)流變化情況。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，上述兩種方法均有效實(shí)現(xiàn)了汽車遠(yuǎn)程故障診斷數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)采集頻率高，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映出當(dāng)時(shí)車輛實(shí)際工作狀況，為實(shí)現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程診斷提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信和汽車故障診斷等技術(shù)，構(gòu)建了基于Internet和3G的汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，設(shè)計(jì)了各個(gè)階段的傳輸策略，有效地實(shí)現(xiàn)了汽車遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)表明，汽車遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，為遠(yuǎn)程診斷專家提供了很好的數(shù)據(jù)支持，方便專家進(jìn)行汽車遠(yuǎn)程診斷，可有效縮短售后服務(wù)時(shí)間，節(jié)約售后服務(wù)成本，提高汽車品牌形象。

［1］ Hu Jie，Yan Fuwu，Tian Jing，et al．Developing PC-Based Automobile Diagnostic System Based on OBD System［C］．Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2010．

［2］ 王建海，方茂東，高繼東，等．汽油車車載診斷系統(tǒng)(OBD)基本原理及其應(yīng)用［J］．汽車工程，2006，28(5):491 －494．

［3］ Ni Hong，Zhao Min，Sun Yitao，et al．An Internet-Based Remote Monitoring System for Automobile Testing System［J］．Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2002，19(2):213－217．

［4］ Tian Liyun，Qin Guihe，Zhang Jindong．Remote Diagnosis System of Vehicle Based on Telematics［C］．IEEE CMCE，2010．

［5］ Jonas Kuschel，F(xiàn)redrik Ljungberg．Decentralized Remote Diagnostics:A Study of Diagnostics in the Marine Industry［C］．Proceeding of 18th Annual Conference of the British HCI Group，2004．

［6］ Lin Jyong，Chen ShihChang，Shih YuTsen，et al．A Study on Remote On-Line Diagnostic System for Vehicles by Integrating the Technology of OBD，GPS，and 3G［J］．World Academy of Science，Engineering and Technology，2009(56):435 －441．

［7］ Song You，Mark Krage，Laci Jalics．Overview of Remote Diagnosis and Maintenance for Automotive Systems［C］．SAE Paper 2005 －01－1428．

［8］ Suwatthikul J，McMurran R，Jonesa R P．In-Vehicle Network Level Fault Diagnostics Using Fuzzy Inference Systems［J］．Applied Soft Computing，2011，11(3):3709 －3719．

［9］ Wang Chengen，Xu Lida，Peng Wuliang．Conceptual Design of Remote Monitoring and Fault Diagnosis Systems［J］．Information Systems，2007(32):996 －1004．

［10］ 張宏，詹德凱，林長(zhǎng)加．基于CAN總線的汽車故障診斷系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］．汽車工程，2008，30(10):934 －937．

［11］ 王明玉，董浩，王建．基于GPRS的車載故障診斷網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．汽車工程，2009，31(10):999 －1003．

［12］ 聞?dòng)⒂?，陳?shū)義，趙大哲，等．3GPP框架下的UMTS核心網(wǎng)安全體系研究［J］．計(jì)算機(jī)工程，2007，33(20):153 －155．