吉永卿, 龔元明

(上海工程技術大學 汽車工程學院, 上海201620)

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基于藍牙的汽車OBD-II電控故障診斷系統(tǒng)※

吉永卿, 龔元明

(上海工程技術大學 汽車工程學院, 上海201620)

針對傳統(tǒng)手持式汽車故障診斷設備的不足，為了能夠在線監(jiān)測和診斷汽車故障，將藍牙( Blue tooth)、CAN ( Controller Area Network) 總線、智能手機三者結合在一起, 構建基于藍牙技術的汽車無線故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能滿足對汽車診斷技術的實時性和移動性的需求，實現(xiàn)對汽車發(fā)動機OBD-II的無線故障診斷。本文詳細地描述了構建的技術方案、系統(tǒng)結構、通信協(xié)議和軟硬件實現(xiàn)電路。

藍牙;OBD-II;CAN總線;單片機;XC-2234L

引 言

隨著汽車電子控制技術的迅速發(fā)展,汽車上各種電子控制單元和設備不斷增加，汽車故障診斷系統(tǒng)也益日趨復雜。傳統(tǒng)式診斷系統(tǒng)有著結構復雜、成本高、不利于攜帶、診斷效率低等缺點，現(xiàn)階段使用最為廣泛的診斷系統(tǒng)是第二代車載診斷系統(tǒng)(the Second On-Board Diagnostics，OBD-II)。本設計采用一種基于藍牙技術及車載自診斷系統(tǒng)的汽車發(fā)動機電控無線故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件設計簡單、軟件開發(fā)難度低、遠程交互容易，能有效克服地域差異，滿足汽車診斷對實時性和移動性的需求。

1 方案設計

1.1 工作原理

基于藍牙技術的汽車OBD-II電控故障診斷系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

電控故障診斷系統(tǒng)中，CAN-Bluetooth模塊通過OBD接口(CAN總線)和汽車電子控制單元(簡稱ECU)通信，讀取來自ECU的信息，轉換成藍牙數(shù)據(jù)發(fā)送給具有藍牙功能的智能手機。同樣，手機發(fā)送數(shù)據(jù)信息給CAN-Bluetooth模塊，轉換成CAN報文信息后發(fā)送給ECU，實現(xiàn)智能手機和ECU信息的無線交互通信。

圖1 電控故障診斷系統(tǒng)原理

1.2 OBD-II簡介及其接口定義

OBD-II故障診斷標準是開發(fā)第二代故障自診斷系統(tǒng)的標準,該標準目前被世界各大汽車制造廠商廣泛支持。支持該標準的汽車的ECU具有監(jiān)測發(fā)動機控制系統(tǒng)和排放系統(tǒng)的能力，當汽車的某個系統(tǒng)發(fā)生故障時，便會產生相應的故障代碼。通過一定的程序可以從ECU中獲取故障代碼，這樣就可以準確地確定故障的性質和部位。此外，還增加了范圍廣泛的監(jiān)測系統(tǒng)，使得對汽車實時工況的監(jiān)測成為可能。OBD-II系統(tǒng)要監(jiān)測任何一個與排放有關的部件或系統(tǒng)，重點是監(jiān)測燃油和空氣測定系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、發(fā)動機間歇熄火以及廢氣控制輔助裝置故障。OBD-II系統(tǒng)將實時監(jiān)測汽車零部件及系統(tǒng)故障，以保證汽車在整個使用過程中其排放量不超過排放法規(guī)的要求。

OBD接口定義如表1所列。

表1 OBD接口端子定義(16pin母頭)

1.3 藍牙技術

藍牙技術是一種新的短距離無線通信協(xié)議, 是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標準, 目的是以無線的方式取代現(xiàn)有的有線接口。其優(yōu)勢在于: 具有很強的移植性, 可應用于多種通信場合; 硬件集成應用簡單, 成本低, 實現(xiàn)容易,易于推廣;功耗低, 對人體危害小; 采用擴頻跳頻技術, 抗干擾能力強, 增強了信息傳輸?shù)陌踩?。汽車系統(tǒng)與藍牙技術相結合，將會給汽車的生產和服務帶來更大的方便。如果進一步與移動電話連接起來，車主可在任何時間、任何地點都能了解汽車的狀況，并給予必要的控制。

1.4 各部分通信方式

CAN-Bluetooth模塊與ECU通過CAN總線進行雙向通信，實時、直接地讀取來自ECU的數(shù)據(jù)信息。

① CAN-Bluetooth模塊接收來自ECU的數(shù)據(jù)信息。來自ECU的數(shù)據(jù)信息為CAN格式的數(shù)據(jù)報文，CAN-Bluetooth模塊讀取CAN格式的數(shù)據(jù)幀和對應的CAN ID地址。

② CAN-Bluetooth模塊發(fā)送給ECU數(shù)據(jù)信息。CAN-Bluetooth模塊發(fā)送給ECU的數(shù)據(jù)信息來自手機按鍵命令(如讀故障碼、讀工作參數(shù)等)，以無線藍牙信號方式進行通信；通過CAN-Bluetooth模塊應用軟件對來自手機的按鍵命令進行處理，根據(jù)設定的通信協(xié)議(J1939協(xié)議和ISO15765協(xié)議等)對數(shù)據(jù)進行解析，轉換成對應的CAN格式的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給ECU。

③ CAN-Bluetooth模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給手機終端。CAN-Bluetooth模塊與手機通信，通過藍牙接口模塊進行無線射頻通信。CAN-Bluetooth模塊將接收的ECU數(shù)據(jù)(CAN報文格式)轉換成對應的串行數(shù)據(jù)(包含CAN的ID地址)，發(fā)送給手機。通過手機端的應用軟件，根據(jù)設定的通信協(xié)議(J1939協(xié)議和ISO15765協(xié)議等)對數(shù)據(jù)進行解析，顯示來自ECU的數(shù)據(jù)信息。

④ CAN-Bluetooth模塊接收手機終端數(shù)據(jù)。CAN-Bluetooth模塊接收的手機端數(shù)據(jù)即命令請求(藍牙報文格式)，根據(jù)設定的通信協(xié)議(J1939協(xié)議和ISO15765協(xié)議等)對命令進行解析，轉換成對應的CAN報文格式的數(shù)據(jù)，發(fā)送給ECU。

1.5 J1939通信協(xié)議

J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布的以CAN總線為基礎支持閉環(huán)控制的在多個ECU之間高速通信的網絡協(xié)議，主要運用于載貨車與客車。本協(xié)議與CAN規(guī)范有不同之處。例如：在消息路由部分，CAN規(guī)范定義不使用節(jié)點地址；而在本規(guī)范中必須使用節(jié)點地址，以防止多個節(jié)點使用同一個標示符。另外，J1939協(xié)議對仲裁域重新進行了定義。它是以CAN為基礎設計了應用層的上層協(xié)議，對汽車內部ECU的地址配置、命名、通信方式，以及報文發(fā)送的優(yōu)先級、數(shù)據(jù)長度、參數(shù)范圍等都作了明確的規(guī)定，并對汽車內部各個具體的ECU通信內容作了詳細說明。J1939協(xié)議更大程度地發(fā)揮了CAN優(yōu)異的性能，為車輛上的各個電控單元建立基于CAN總線的高速數(shù)據(jù)傳輸網絡，實現(xiàn)車載各電控單元間的數(shù)據(jù)共享，從而有效地減少電子線束的數(shù)量，有利于提高汽車電控單元的靈活性、可維護性和穩(wěn)定性。目前，J1939已經成為世界各大車輛部件生產商均支持的重要通信標準。

本電控系統(tǒng)ECU中的J1939協(xié)議采用的是CAN規(guī)范中的CAN2.0B擴展幀格式，波特率為250 kbps?；贘1939協(xié)議的ECU能提供發(fā)動機性能監(jiān)測參數(shù)和整車網絡通信，實現(xiàn)整車網絡中多個ECU的數(shù)據(jù)共享；同時J1939協(xié)議支持故障診斷，通過診斷工具可以讀取或清除診斷故障碼。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

(1) 微控制器外圍電路

英飛凌公司的XC2200系列微控制器提供192～832 KB 的閃存、可選的EEPROM 仿真、最大可達82 KB 的SRAM，而所提供的最大CPU 時鐘頻率為100 MHz。英飛凌公司將閃存從32 KB 增至1.6 MB，RAM 增至138 KB，時鐘頻率提升至128 MHz，通過引腳兼容的MCU 對產品系列進行擴展，從而滿足更高性能要求。為了達到AUTOSAR 標準程序模型中關于獨立于硬件進行軟件開發(fā)的要求，微控制器中集成了內存保護單元(MPU)。此外，英飛凌公司還提供了單獨的FlexRay通信控制器，可方便地添加到系統(tǒng)中。

(2) CAN通信接口模塊

圖2是診斷系統(tǒng)中CAN通信接口電路圖。此電路可將汽車OBD-II 接口中CAN 總線上的數(shù)據(jù)讀取到英飛凌XC2200系列微控制器中，也可以將微控制器中的數(shù)據(jù)通過該電路發(fā)送到汽車的CAN 總線上。

圖2 CAN通信接口電路圖

(3) 藍牙接口電路

本系統(tǒng)采用的藍牙模塊是Modiatek公司專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造的FBT06系列模塊。模塊采用Bluetooth2.1，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點，支持主從模式軟/硬件設置，有線無線雙AT通道、PIO擴展、ADC采樣。軟件上支持多達37條AT命令以及9條主動上報指令，串口波特率支持1 200～1 382 400 bps，這樣就能將微控制器的串口信號通過藍牙模塊轉化成藍牙信號。帶有藍牙功能的智能手機就能通過藍牙接口接收到傳送出來的數(shù)據(jù)。藍牙接口電路如圖3所示。

圖3 藍牙模塊接口電路圖

2.2 CAN-Bluetooth模塊軟件設計

CAN-Bluetooth模塊的藍牙工作在從機模式，手機或平板顯示終端的藍牙工作在主機模式。CAN-Bluetooth模塊與手機顯示終端采用串行數(shù)據(jù)通信，通信模式為N-8-1格式，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗，波特率為115 200 bps。

(1) CAN-Bluetooth模塊應用軟件主要功能

① 把接收到的來自ECU的CAN報文信息轉換成串行格式的數(shù)據(jù)(包含CAN的ID地址)，發(fā)送給顯示終端(手機)。

② 把接收到的來自顯示終端的串行格式的數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的通信協(xié)議(J1939協(xié)議)對命令進行解析，轉換成對應的CAN報文格式的數(shù)據(jù)。

(2) CAN-Bluetooth模塊應用軟件通信協(xié)議

CAN-Bluetooth模塊與顯示終端采用應答模式進行信息交互。顯示終端發(fā)送觸控按鈕命令，CAN-Bluetooth模塊響應對應命令。

顯示終端觸控按鈕第1次觸發(fā)，發(fā)送請求命令，等待收到CAN-Bluetooth模塊命令響應，即收到反饋數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解析和顯示，此次任務完成。執(zhí)行完后再次發(fā)送此請求命令，等待收到CAN-Bluetooth模塊命令響應，以此類推。顯示終端觸控按鈕切換到其他功能請求時，必須等待上次任務執(zhí)行完畢。

系統(tǒng)ECU主要采用兩種通信方式：單幀通信和多幀通信。在監(jiān)測和整車網絡通信時主要采用單幀通信方式；在診斷時因靈活的故障碼個數(shù)是可變的，因此單幀通信與多幀通信結合使用。

在進行故障診斷時，系統(tǒng)ECU發(fā)送故障診斷數(shù)據(jù)幀，主要包含故障類型、故障代碼DTC、參數(shù)組編號PGN等。故障類型主要分為當前故障(DMI)和先前故障(DM2)，通過診斷工具可以診斷出系統(tǒng)的故障部件，方便用戶及時排除故障。圖4為系統(tǒng)ECU的通信協(xié)議所使用的各種數(shù)據(jù)幀及參數(shù)組。

2.3 顯示終端(手機端或平板)軟件設計

顯示終端顯示的內容：

① 藍牙設備操作按鈕與狀態(tài)；

② 系統(tǒng)連接狀態(tài)；

③ 監(jiān)測參數(shù)列表與選定，包括發(fā)動機轉速、車輛速度、冷卻液溫度、加速踏板狀態(tài)、當前轉速下的負荷百分比等；

④ 故障代碼顯示與解釋。

3 操作演示

目前市面上的幾乎絕大部分Android 智能手機和平板電腦都帶有藍牙接口。在手機上安裝APP 軟件后，就能通過藍牙接口來觀察、讀取大量的汽車發(fā)動機參數(shù)。具體數(shù)據(jù)讀取方法是：

① 把檢測儀連接到汽車的OBD-II 診斷接口上后，把車發(fā)動起來；

圖4 系統(tǒng)ECU的通信協(xié)議所使用的各種數(shù)據(jù)幀及參數(shù)組

② 打開手機選擇藍牙功能，進入軟件后掃描設備，會發(fā)現(xiàn)我們的藍牙設備，選中相關設備，進行匹配；

③ 正確地執(zhí)行上面的步驟后，手機和檢測儀就通過藍牙接口連接在一起了，可以在軟件上觀察到OBD-II診斷接口上傳輸?shù)拇罅科嚑顟B(tài)的數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)測。顯示結果略——編者注。

結 語

基于藍牙的汽車OBD-II電控故障診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)對OBD-II標準的汽車電控單元(如發(fā)動機電控單元)進行故障診斷。以英飛凌XC2200系列微控制器為核心，配合適當外圍電路做成的檢測儀，能夠將汽車自診系統(tǒng)的診斷信息實時地傳輸?shù)绞謾C上。這種檢測儀相比那些動輒幾千元的專用檢測儀有價格低、體積小、使用方便的優(yōu)點，具有大規(guī)模推廣的市場前景。

該汽車故障診斷系統(tǒng)，滿足了汽車維修廠使用一個設備支持多車型診斷的需求，不再需要分別購買各車型昂貴的專用診斷設備，從而極大地降低了維修廠的成本；同時，維修人員使用方便，效率大大提高。

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吉永卿(在讀研究生)，主要研究方向為汽車電子控制技術；襲元明(教授)，主要研究方向為汽車電子控制技術及發(fā)動機故障診斷技術。

(責任編輯：蘆瀟靜 收修改稿日期：2014-06-09)

英飛凌與中科院物聯(lián)網研究發(fā)展中心共同推動物聯(lián)網產業(yè)升級

英飛凌科技亞太私人有限公司宣布，與總部位于中國無錫的中科院物聯(lián)網研究發(fā)展中心簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將建立長期、全面的戰(zhàn)略合作伙伴關系，充分利用各自的戰(zhàn)略資源、優(yōu)質渠道和核心能力，協(xié)力開發(fā)物聯(lián)網相關技術和產品，開展物聯(lián)網示范工程。

2014年是物聯(lián)網產業(yè)的大爆發(fā)之年。在國家政策的大力扶持下，中國物聯(lián)網已初步形成了完整的產業(yè)體系，具備了一定的技術、產業(yè)和應用基礎。根據(jù)賽迪顧問預測，到2015年，中國物聯(lián)網整體市場規(guī)模將達到7 500億元，年復合增長率約30%，市場前景巨大。

英飛凌作為創(chuàng)新技術的引領者和物聯(lián)網的踐行者，長期致力于在中國推動和提升半導體技術的發(fā)展，一如既往地分享和利用其在半導體技術和全球市場發(fā)展的實踐經驗。英飛凌在物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展上，始終貫徹安全性和高能效兩大核心需求，重點向智能汽車與交通、智能工業(yè)(工業(yè)4.0)、新能源及智能電網、智能消費類電子產品以及信息通信基礎設施五大領域滲透。

在英飛凌“工業(yè)4.0試點基地”項目中，互聯(lián)式知識密集型生產創(chuàng)新理念將付諸實踐并投入測試。在英飛凌奧地利工廠，生產將采用信息物理系統(tǒng)，包含高度現(xiàn)代化生產控制與自動化系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)完整性水準達到最高等級的前提下，人機互動在試點工廠中將提升至一新的層次。

中科院物聯(lián)網研究發(fā)展中心主任助理顏苑女士表示：“中科院物聯(lián)網研究發(fā)展中心自成立以來，始終積極投身于中國物聯(lián)網產業(yè)的建設和發(fā)展，我們相信通過與英飛凌建立戰(zhàn)略伙伴關系，能促進中國物聯(lián)網產業(yè)的新產品研發(fā)和技術創(chuàng)新，為中國客戶提供更優(yōu)質的半導體解決方案，滿足日益增長的物聯(lián)網市場需求?！?/p>

OBD-II Electric Control Fault Diagnosis System for Automobiles Based on Bluetooth※

Ji Yongqing, Gong Yuanming

(School of Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)

Aiming at the shortcomings of traditional handheld fault diagnosis devices for automobiles, a wireless automobile fault diagnostics system based on Bluetooth technology is constructed by combining Bluetooth, CAN(Controller Area Network) bus and smart phone so as to monitor and diagnose automobile faults on line. The system can meet the real-time and mobile demands of automobile diagnosis technology, and realize the wireless fault diagnosis of automobile engine OBD-II. This paper elaborates the technical scheme, system structure, communication protocols and software/hardware circuits.

Bluetooth; OBD-II; CAN bus; MCU;XC-2234L

TP399

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