(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

隨著電控單元(electronic control unit,ECU)在汽車電子中的應(yīng)用，ECU都提供在板診斷功能(on board diagnostic,OBD)[1]。汽車故障診斷儀是一種檢測(cè)汽車故障和運(yùn)行狀態(tài)的離線診斷裝置，與OBD配套使用。診斷儀通過(guò)與汽車中的ECU通信，讀取ECU工作狀態(tài)和故障信息，幫助維修人員檢測(cè)和確定故障，從而提高汽車故障診斷的可靠性[2]。

當(dāng)前診斷儀設(shè)計(jì)方案主要有：基于PC機(jī)的故障診斷儀[3]和基于單片機(jī)/FPGA的手持式故障診斷儀[4]。在分析了上述方案的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)之后，提出了在安卓平臺(tái)開(kāi)發(fā)汽車故障診斷儀的方案。采用在手機(jī)/平板上開(kāi)發(fā)診斷儀軟件，配合藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備，使手機(jī)/平板利用藍(lán)牙與汽車ECU進(jìn)行間接通信，從而完成對(duì)汽車的故障診斷。該方案具有成本低、外出攜帶方便和軟件升級(jí)容易等優(yōu)點(diǎn)。

1 汽車故障診斷儀研究現(xiàn)狀

1.1 基于PC機(jī)的診斷儀

基于PC機(jī)的故障診斷儀的工作原理是：在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)一套上位機(jī)診斷儀軟件，PC機(jī)通過(guò)USB-CAN采集板卡接入到汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與汽車內(nèi)的各個(gè)ECU的通信，完成故障診斷功能。此方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于PC機(jī)診斷儀系統(tǒng)框圖

基于PC機(jī)方案的優(yōu)點(diǎn)為PC機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)流程方便且軟件升級(jí)較容易；缺點(diǎn)為PC機(jī)的攜帶方便性較差，即使采用筆記本電腦，汽車上一般也無(wú)法提供筆記本電腦的供電電源。

1.2 基于單片機(jī)/FPGA的診斷儀

基于單片機(jī)/FPGA的手持式故障診斷儀的結(jié)構(gòu)一般包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)/FPGA主控制器、液晶屏、SD卡和CAN通信模塊。其工作原理是：將診斷儀的CAN通信模塊與汽車CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相連；診斷儀主控制器通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)與汽車內(nèi)各ECU的通信，從而完成故障診斷功能。此方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于單片機(jī)/FPGA診斷儀系統(tǒng)框圖

基于單片機(jī)/FPGA方案的優(yōu)點(diǎn)為手持式故障診斷儀具有外出作業(yè)攜帶方便，可利用汽車OBD接口進(jìn)行供電，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔；缺點(diǎn)為需要設(shè)計(jì)專門的系統(tǒng)硬件電路，且軟件的升級(jí)需要通過(guò)特定的程序燒錄下載器與下載軟件配合使用才能更新診斷儀程序，使得診斷儀生產(chǎn)和維護(hù)成本較高。

2 安卓平臺(tái)汽車診斷儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 汽車診斷協(xié)議

隨著CAN總線成為國(guó)際上車用網(wǎng)絡(luò)總線的主流，當(dāng)前設(shè)計(jì)的汽車故障診斷儀主要是基于ISO 15765標(biāo)準(zhǔn)而開(kāi)發(fā)的。本文設(shè)計(jì)的故障診斷儀也是基于此診斷協(xié)議而開(kāi)發(fā)。ISO 15765是一種以CAN總線為基礎(chǔ)的汽車故障診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，共定義了以下四部分內(nèi)容：ISO 15765-1(概述)、ISO 15765-2(網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)容)、ISO 15765-3(Keyword 2000應(yīng)用層內(nèi)容)和ISO 15765- 4(排放相關(guān)系統(tǒng)要求)[5]。

汽車診斷功能的實(shí)現(xiàn)主要需要研究ISO 15765對(duì)于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)。應(yīng)用層是與診斷相關(guān)的應(yīng)用，它規(guī)定了25種診斷服務(wù)，每種服務(wù)又定義了具體的子服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。汽車故障診斷儀主要是針對(duì)這25個(gè)診斷服務(wù)的調(diào)用來(lái)完成對(duì)汽車ECU的故障診斷。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳送給接收方，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，包括?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)幀之間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)層最高可發(fā)送/接收4 095 B的數(shù)據(jù)[6]。

通過(guò)研究診斷協(xié)議應(yīng)用層規(guī)定的25個(gè)統(tǒng)一診斷服務(wù)(unified diagnostic services,UDS)和網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，診斷儀可以在與汽車ECU進(jìn)行通信的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)汽車的故障診斷功能[7]。

2.2 故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)

診斷儀主要實(shí)現(xiàn)的功能有：讀取故障碼、清除故障碼、讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流、讀取版本信息以及寫入VIN碼的功能。

診斷儀對(duì)汽車ECU的故障診斷過(guò)程為：診斷儀通過(guò)診斷服務(wù)向汽車內(nèi)部ECU發(fā)送診斷服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文，汽車內(nèi)部ECU在接收到請(qǐng)求報(bào)文后，響應(yīng)診斷請(qǐng)求并向診斷儀發(fā)送響應(yīng)報(bào)文；診斷儀接收到響應(yīng)報(bào)文后，解析響應(yīng)報(bào)文中的數(shù)據(jù)并顯示在人機(jī)交互界面上，從而指導(dǎo)維修人員確定故障產(chǎn)生的原因及位置。

診斷功能與診斷服務(wù)之間的關(guān)系如下。

讀取故障碼需要使用0x19服務(wù)：讀取故障碼(diagnostic trouble code,DTC)信息診斷服務(wù)(ReadDTCInformation)?？蛻舳送ㄟ^(guò)該診斷服務(wù)讀取車輛內(nèi)所有服務(wù)器或一組服務(wù)器存儲(chǔ)的DTC信息。對(duì)于讀取全部故障碼，可以使用該診斷服務(wù)的0x0a子服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。0x0a子功能用于獲得服務(wù)器支持的所有DTC的狀態(tài)信息。響應(yīng)報(bào)文包含DTC有效狀態(tài)掩碼、DTC和對(duì)應(yīng)的狀態(tài)記錄。

清除故障碼需要使用0x14服務(wù)，即清除診斷信息診斷服務(wù)(ClearDiagnosticInformation)。該診斷服務(wù)簡(jiǎn)稱CDTCI診斷服務(wù)?？蛻舳送ㄟ^(guò)該診斷服務(wù)清除服務(wù)器中存儲(chǔ)的診斷信息。清除故障碼的功能可以使用該診斷服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

讀取版本信息和讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流需要使用0x22服務(wù)，即讀取數(shù)據(jù)診斷服務(wù)(ReadDataByIdentifier)。該診斷服務(wù)簡(jiǎn)稱RDBI診斷服務(wù)?？蛻舳送ㄟ^(guò)該診斷服務(wù)可以讀取服務(wù)器中指定數(shù)據(jù)標(biāo)志符對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)標(biāo)志符及對(duì)應(yīng)的記錄數(shù)據(jù)由供應(yīng)商自定義。版本信息所包含的DID通常有：0xf188(ECU軟件編號(hào))、0xf189(ECU軟件版本編號(hào))、0xf18B(ECU生產(chǎn)日期)、0xf18c(ECU序列號(hào))、0xf190(車輛識(shí)別碼)和0xf191(ECU硬件編號(hào))。診斷儀通過(guò)依次讀取上述DID對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可解析汽車某個(gè)ECU的版本信息，并將信息顯示在人機(jī)交互界面上。

寫入VIN碼需要使用0x2e服務(wù)，即寫入數(shù)據(jù)診斷服務(wù)(WriteDataByIdentifier)。該診斷服務(wù)簡(jiǎn)稱WDBI診斷服務(wù)?？蛻舳送ㄟ^(guò)該診斷服務(wù)可以改寫服務(wù)器中指定數(shù)據(jù)標(biāo)志符對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。寫入VIN碼可以使用該診斷服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。UDS診斷服務(wù)規(guī)定，在使用該診斷服務(wù)之前，需要先將汽車ECU的診斷會(huì)話模式切換到擴(kuò)展模式(對(duì)應(yīng)SID=0x10)，并對(duì)ECU進(jìn)行解鎖(對(duì)應(yīng)SID=0x27)。

2.3 安卓平臺(tái)診斷儀設(shè)計(jì)方案

2.3.1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的基于安卓平臺(tái)的汽車故障診斷儀的方案主要包括：一臺(tái)安卓手機(jī)/平板、一個(gè)與手機(jī)/平板進(jìn)行無(wú)線通信并將手機(jī)/平板發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)接設(shè)備(本文選用藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN轉(zhuǎn)接設(shè)備)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于安卓平臺(tái)診斷儀系統(tǒng)框圖

在對(duì)汽車進(jìn)行診斷時(shí)，需將藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備的CAN接口接入到汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)上。藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備的工作流程為：轉(zhuǎn)接設(shè)備利用藍(lán)牙模塊與手機(jī)/平板的藍(lán)牙進(jìn)行通信；當(dāng)接收到手機(jī)/平板發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的藍(lán)牙報(bào)文轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文并發(fā)送給汽車ECU；當(dāng)接收到汽車ECU發(fā)送的CAN報(bào)文時(shí)，將接收到的CAN報(bào)文轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙報(bào)文發(fā)送給手機(jī)/平板。通過(guò)這一流程，安卓手機(jī)/平板就可以利用轉(zhuǎn)接設(shè)備實(shí)現(xiàn)與汽車ECU進(jìn)行間接通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車ECU的故障診斷功能。

2.3.2 藍(lán)牙與CAN報(bào)文轉(zhuǎn)換規(guī)則

由于藍(lán)牙報(bào)文與CAN報(bào)文的格式不同，因此，需要設(shè)計(jì)一種將藍(lán)牙報(bào)文與CAN報(bào)文進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的規(guī)則。CAN報(bào)文主要包括8 B的數(shù)據(jù)和一個(gè)11 B的CAN ID標(biāo)志符。本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN的報(bào)文轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將藍(lán)牙每次發(fā)送與接收到數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)成1 B的頭幀+2 B的CAN ID標(biāo)志符+8 B的CAN報(bào)文+1 B的校驗(yàn)和，一次總共發(fā)送或接收12 B的數(shù)據(jù)。當(dāng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接收到上述報(bào)文時(shí)，提取出CAN ID標(biāo)志符，將藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備的CAN ID標(biāo)志符改成從藍(lán)牙報(bào)文中提取出的CAN ID標(biāo)志符，并將藍(lán)牙報(bào)文中的8 B的CAN報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給汽車內(nèi)部ECU。當(dāng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接收到汽車ECU響應(yīng)的CAN報(bào)文時(shí)，將從CAN報(bào)文讀取出的發(fā)送方CAN ID與8 B的數(shù)據(jù)打包成1 B的頭幀+2 B的CAN ID標(biāo)志符+8 B的CAN報(bào)文+1 B的校驗(yàn)和的藍(lán)牙數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)/平板。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

考慮到汽車故障診斷儀的各車廠的故障診斷信息數(shù)據(jù)庫(kù)需要通過(guò)周期性地升級(jí)診斷儀程序才能得到更新的問(wèn)題，本文將診斷儀所需的診斷數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在SD卡中，并用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensible markup language,XML)來(lái)表示、存放各汽車廠商的故障診斷信息。當(dāng)某個(gè)廠商的診斷信息需要更新時(shí)，只需替換SD上對(duì)應(yīng)該車廠的XML數(shù)據(jù)庫(kù)即可，而不必再升級(jí)診斷儀軟件[8]。各車廠的診斷數(shù)據(jù)信息主要包括故障匹配信息XML文件和數(shù)據(jù)流信息XML文件。

故障匹配信息XML文件中存儲(chǔ)的是故障碼與故障信息對(duì)應(yīng)表(即一個(gè)故障碼對(duì)應(yīng)一條故障信息的匹配表)；數(shù)據(jù)流信息XML文件中存儲(chǔ)的是各車廠汽車的數(shù)據(jù)標(biāo)志符列表、數(shù)據(jù)流描述、數(shù)據(jù)換算公式及數(shù)據(jù)流單位的說(shuō)明表。

由于XML只是一種結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語(yǔ)言，因此，若不對(duì)XML內(nèi)容進(jìn)行加密處理[9]，則各汽車廠商的診斷數(shù)據(jù)庫(kù)容易被不法分子竊取。為了保護(hù)各汽車廠商的診斷數(shù)據(jù)不被泄漏，本文對(duì)診斷數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了加密處理。本文采用數(shù)字加密標(biāo)準(zhǔn)(data encryption standard,DES)來(lái)加密XML[10-13]的元素內(nèi)容。DES算法入口參數(shù)包括：8 B密鑰、8 B加密或解密數(shù)據(jù)和工作方式(加密或解密)。具體工作流程為：在PC機(jī)上用DES算法對(duì)各汽車廠商的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并將加密后得到的數(shù)據(jù)用XML語(yǔ)言存儲(chǔ)在XML文件中；將加密的各汽車廠商的診斷數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝到安卓手機(jī)的SD卡根目錄中；當(dāng)診斷儀軟件運(yùn)行時(shí)，從SD卡中讀取各車廠的XML文件，并利用與加密時(shí)的同一個(gè)密鑰，利用DES算法把廠商的診斷數(shù)據(jù)庫(kù)解密出來(lái)并存放在內(nèi)存中；當(dāng)診斷儀從汽車ECU中讀取到故障碼時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，匹配和解析出各個(gè)故障診斷對(duì)應(yīng)的故障信息并顯示在人機(jī)交互界面，從而指導(dǎo)汽車維修人員找到故障診斷的原因。

2.4 安卓平臺(tái)診斷儀的實(shí)現(xiàn)圖

診斷儀軟件的系統(tǒng)用例圖如圖4所示。

圖4 診斷儀系統(tǒng)用例圖

診斷儀軟件的系統(tǒng)活動(dòng)圖如圖5所示。

圖5 診斷儀系統(tǒng)活動(dòng)圖

從圖5可以看出：診斷儀的運(yùn)行過(guò)程首先進(jìn)入診斷儀主界面，在主界面中主要實(shí)現(xiàn)“擴(kuò)展功能”、“輔助功能”、“汽車診斷”和“連接設(shè)備”這四個(gè)功能。在“連接設(shè)備”功能中，需要實(shí)現(xiàn)手機(jī)/平板與藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備的配對(duì)和連接。當(dāng)成功將手機(jī)/平板與藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備連接后，就可以選擇“汽車診斷”。用戶根據(jù)需要選擇自己的汽車型號(hào)。當(dāng)進(jìn)入部件選擇界面后，就可以分別對(duì)汽車的各個(gè)部件進(jìn)行故障診斷。

2.4.3 診斷儀系統(tǒng)UML序列

診斷儀系統(tǒng)工作的序列圖如圖6所示。

圖6 診斷儀系統(tǒng)序列圖

診斷儀系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)用戶選擇某一診斷功能時(shí)，診斷儀軟件需要調(diào)用UDS診斷服務(wù)，并把診斷服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送給藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備；藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接收到手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送的藍(lán)牙報(bào)文后，根據(jù)上文所述的藍(lán)牙報(bào)文與CAN報(bào)文轉(zhuǎn)換規(guī)則，將請(qǐng)求診斷報(bào)文轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文發(fā)送給汽車ECU；汽車ECU從CAN網(wǎng)絡(luò)接收到診斷請(qǐng)求報(bào)文后，響應(yīng)診斷請(qǐng)求報(bào)文，并通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備；藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接收到汽車ECU發(fā)送的CAN響應(yīng)報(bào)文后，利用藍(lán)牙報(bào)文轉(zhuǎn)CAN報(bào)文規(guī)則，將CAN報(bào)文轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙報(bào)文發(fā)送給手機(jī)藍(lán)牙；當(dāng)診斷儀接收到藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的診斷請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文后，查找SD卡中的XML診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，從而解析出響應(yīng)報(bào)文中的故障碼，并顯示在人機(jī)交互界面。

3 功能測(cè)試與結(jié)果分析

在對(duì)汽車ECU進(jìn)行故障診斷之前，需將藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接入到汽車OBD接口，再運(yùn)行安卓手機(jī)/平板上的診斷儀軟件。本文的測(cè)試平臺(tái)為：將藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備接入到純電動(dòng)汽車長(zhǎng)安奔奔mini的OBD診斷接口上，在電動(dòng)汽車的BCU和HCU部件中已分別存儲(chǔ)了故障碼和汽車信息。診斷儀若能正確讀取與解析出這些故障碼與汽車信息，則說(shuō)明本文開(kāi)發(fā)的故障診斷儀是正確與成功的。從對(duì)BCU和HCU的診斷結(jié)果可以看出，診斷儀可以正確讀取存儲(chǔ)在汽車ECU中的故障碼和汽車信息，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的基于安卓平臺(tái)的汽車故障診斷儀方案是正確可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于安卓平臺(tái)的汽車故障診斷儀是通過(guò)在手機(jī)/平板上安裝診斷儀軟件的方式，并配合使用藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備，使手機(jī)/平板變成專業(yè)的汽車故障診斷儀。這樣可以解決基于單片機(jī)/FPGA手持式故障診斷儀需要專門設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路而導(dǎo)致成本較高的問(wèn)題，同時(shí)由于診斷儀軟件是基于安卓平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，軟件的更新升級(jí)非常方便。本方案設(shè)計(jì)的診斷儀具有外出作業(yè)攜帶方便、軟件更新升級(jí)容易、系統(tǒng)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

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