范黎+周美嬌+張軒雄

摘要：為了迅速地幫助車輛開發(fā)、測(cè)試人員獲取車輛排放數(shù)據(jù)和定位汽車故障原因，設(shè)計(jì)了一套基于OBD-II協(xié)議的車輛故障診斷系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件上，該故障診斷模塊采用STM32F103CBT6作為主控芯片，通過(guò)TJA1050CAN收發(fā)器與車輛的OBD接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；軟件上下位機(jī)采用keil4開發(fā)環(huán)境完成固件開發(fā)，上位機(jī)采用C#語(yǔ)言通過(guò)串口實(shí)時(shí)顯示診斷信息和信號(hào)值。通過(guò)軟硬件協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)終端界面發(fā)送讀取故障請(qǐng)求或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)流請(qǐng)求時(shí)，終端界面會(huì)顯示響應(yīng)的回復(fù)值等功能。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，證明了該診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：OBD-II；STM32；故障碼；故障診斷系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171857

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011006804

0引言

當(dāng)汽車發(fā)生故障時(shí)，有可能導(dǎo)致一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锘蛉加驼舭l(fā)污染量超過(guò)設(shè)定指標(biāo)，這些有害氣體給人類、動(dòng)物、植物及整個(gè)自然界的生物帶來(lái)了極大傷害[1]。OBDII是第二代汽車診斷系統(tǒng)（OnBoardDiagnostics，OBD），用于隨時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況和尾氣處理系統(tǒng)工作狀態(tài)并識(shí)別排放部件故障。當(dāng)排放超標(biāo)時(shí)，車內(nèi)的故障燈則會(huì)點(diǎn)亮報(bào)警，汽車ECU會(huì)檢測(cè)和存儲(chǔ)相關(guān)故障信息[2]。與第一代診斷系統(tǒng)相比，OBDII標(biāo)準(zhǔn)化了通信協(xié)議和故障碼，也定義了更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，更加便于汽車開發(fā)、測(cè)試人員獲取車輛排放數(shù)據(jù)及定位汽車故障原因。

1系統(tǒng)總體框架及硬件設(shè)計(jì)

車輛故障診斷系統(tǒng)采用型號(hào)為STM32F103CBT6的單片機(jī)嵌入ISO15765協(xié)議完成車輛的故障診斷和傳感器信息獲取。單片機(jī)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)送特定的CAN報(bào)文到車輛的總線網(wǎng)絡(luò)中，被檢測(cè)的車輛收到報(bào)文后根據(jù)命令回復(fù)故障代碼（DTC）和數(shù)據(jù)流（RDS）。診斷系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)串口和下位機(jī)通信，解析實(shí)際故障信息并實(shí)時(shí)顯示相關(guān)傳感器的信號(hào)值。該系統(tǒng)主要分為主控電路、電源電路、USB轉(zhuǎn)串口電路與CAN收發(fā)器通訊電路。在硬件設(shè)計(jì)中，選擇STM32F103CBT6芯片作為主控芯片，電源電路模塊采用622K芯片，CAN收發(fā)電路模塊采用TJA1050芯片，USB轉(zhuǎn)串口模塊采用CP2102芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1主控電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于CotexM3內(nèi)核的32位處理芯片STM32F103CBT6作為主控芯片。由于STM32F103xx系列擁有ARM核心，因此可以兼容ARM開發(fā)相關(guān)的各種軟件與工具。存儲(chǔ)方面擁有128K FLASH和多達(dá)64K的SRAM，保證了數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)能力[3]。系統(tǒng)通過(guò)芯片倍頻技術(shù)可達(dá)到72MHz，非常適用于對(duì)處理速度和通訊速度要求很高的診斷系統(tǒng)。圖2是STM32F103CBT6的引腳分布圖。

圖2STM32F103CBT6引腳分布

1.2電源電路設(shè)計(jì)

汽車供電系統(tǒng)為12V，而STM32F103CBT6芯片的供電額定電壓為3.3V，為了診斷系統(tǒng)的便捷性，需要設(shè)計(jì)降壓電路以滿足要求。采用622k直流穩(wěn)壓芯片將ECU電源轉(zhuǎn)化為1.5V～3.3V，電源效率高，輸入穩(wěn)定性好[4]。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。電壓輸出端與主控芯片STM32F103CBT6的PA11相連，C6和C7為接地電容，可以防止高頻噪聲干擾，確保主控和通訊子系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3電源電路設(shè)計(jì)

1.3CAN收發(fā)電路

系統(tǒng)的CAN收發(fā)電路采用TJA1050芯片作為診斷系統(tǒng)和汽車OBD的物理接口。TJA1050為總線提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。如圖4所示，CAN收發(fā)電路中的RXD、TXD，與STM32F103CBT6控制芯片的PB5和PB6引腳連接，CAN_H、CAN_L和OBD中的對(duì)應(yīng)引腳連接。TJA1050使用5V供電，C4、C5為CAN_H、CAN_L對(duì)地匹配電容。接入的電容提高了電磁干擾性能，并且與相應(yīng)的噪聲源阻抗形成RC低通濾波[5]。

圖4CAN收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

1.4USB轉(zhuǎn)串口電路

下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口方式與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)采用CP2102芯片將主控芯片的串口轉(zhuǎn)化為虛擬USB口。RXD、TDX與主控芯片STM32F103CBT6的PB13和PB14連接。C12為接地電容，抑制數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的電磁干擾。當(dāng)與USB口連接成功后點(diǎn)亮D0，PC端上位機(jī)系統(tǒng)即可與下位機(jī)進(jìn)行通信。USB轉(zhuǎn)串口電路如圖5所示。

圖5USB轉(zhuǎn)串口電路

2軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)STM32F103CBT6的程序設(shè)計(jì)使用的keil4軟件平臺(tái)采用C語(yǔ)言開發(fā)，主要包括對(duì)STM32F103CBT6的初始化，以及故障代碼和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的采集與解析。初始化主要包括延時(shí)程序、系統(tǒng)時(shí)鐘配置、串口、CAN口及中斷程序的初始化。其中數(shù)據(jù)的采集和解析參照OBDII協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車故障碼和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流獲取。圖6為主程序流程。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)使用微軟Visual Studio軟件平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言開發(fā)，主要包括讀取故障碼、讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和清除故障碼3大功能模塊，通過(guò)USB串口程序?qū)崿F(xiàn)與下位機(jī)的通信，最終顯示故障信息和信號(hào)值。

圖6主程序流程

2.1數(shù)據(jù)采集與解析

OBDII系統(tǒng)支持的協(xié)議主要包括IOS9141、SAEJ1859（PWM）、SAEJ1859（VPM）、KWP200、ISO15765[6]。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取和解析協(xié)議采用ISO15764，該協(xié)議是基于汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的診斷協(xié)議，其CAN報(bào)文收發(fā)的核心代碼如下：

u8* SendFrame（CanTxMsg* TxMessage，ErrorStatus* err）//定義CAN報(bào)文收發(fā)函數(shù)endprint

{

u8TransmitMailbox；

u32i；

CANRXMAIL = ERROR；

TransmitMailbox = CAN_Transmit（CAN1， TxMessage）；//發(fā)送CAN，若發(fā)送成功，返回存入信號(hào)箱

while（CAN_TransmitStatus（CAN1，TransmitMailbox） ！= CANTXOK）；//判斷是否發(fā)送成功

for （i = 0；i < 10000000/3；i++）//延時(shí)大約1.5s

{

if （CANRXMAIL == SUCCESS） break；

}

*err = CANRXMAIL；

return （u8*）&RXRAM[0]；//返回CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)域

}

ISO15764協(xié)議有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種不同的CAN報(bào)文，標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符ID為0X7DF，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符ID為0X18DB33F1，其算法和格式相同。表1為標(biāo)準(zhǔn)幀CAN報(bào)文的傳輸格式，其中PCI表示協(xié)議控制字節(jié)數(shù)量，MODE為請(qǐng)求模式，PID為讀取數(shù)據(jù)流的參數(shù)標(biāo)志，PCI、MODE和PID組成CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)域[7]。不同的PID對(duì)應(yīng)讀取不同的數(shù)據(jù)流條目，例如0x0C代表讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，0x0D代表讀取車速，0x15代表讀取氧傳感器輸出電壓，本系統(tǒng)總共實(shí)現(xiàn)了16條數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值的讀取。然后，根據(jù)返回的CAN報(bào)文的PID進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，例如：車速為xx/3 km/h，氧傳感器輸出電壓（缸組1，傳感器2）為xx*0.005。

2.2USB轉(zhuǎn)串口程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C#語(yǔ)言通過(guò)串口實(shí)時(shí)顯示診斷信息和信號(hào)值。C#使用SerilPort類，可以方便地實(shí)現(xiàn)串口通信的多種功能[8]。IsOpen（）函數(shù)判斷串行端口的開關(guān)狀態(tài)，ReadBufferSize（）函數(shù)設(shè)置串行端口輸入緩沖區(qū)大小，以防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟失。Read（）和Write（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口的讀取和發(fā)送操作[9]。串口通信初始化如下：

public boolSerialport_Config（int Baud， string COMx）//串口初始化函數(shù)

{

try

{

com.BaudRate = Baud； //獲取串行波特率

com.PortName = COMx； //獲取通信端口

com.DataBits = 8； //設(shè)置字節(jié)長(zhǎng)度

com.Open（）；//打開新的串口連接

}

catch （System.Exception）

{

return false；//獲取系統(tǒng)異常返回false

}

return true；

}

3系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)硬件使用PADS畫出系統(tǒng)的PCD線路板后進(jìn)行打樣，焊接好元器件和貼片后，使用JInk，并采用SWD方式將程序燒錄到單片機(jī)中，然后進(jìn)行軟件調(diào)試。實(shí)物如圖8所示。

圖8系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用ECU模擬器模擬OBDII系統(tǒng)的ISO157654協(xié)議，通過(guò)CAN收發(fā)器的CAN_TXD1和CAN_RXD1與ECU模擬器OBD接口的6、14端口連接，然后將USB串口模塊與電腦連接。安裝串口驅(qū)動(dòng)后，選擇正確的COM口，故障診斷界面上的狀態(tài)燈會(huì)變成綠色。圖9、圖10分別為讀取故障碼和讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的測(cè)試結(jié)果。由結(jié)果可以看出，汽車發(fā)生故障的原因?yàn)槿加土糠€(wěn)壓控制電路開路、渦輪增壓渦輪機(jī)超速。測(cè)試、開發(fā)人員則可以通過(guò)響應(yīng)的回復(fù)值來(lái)迅速定位汽車故障原因，對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行排查。還可以讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，獲取汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、計(jì)算負(fù)荷值和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助測(cè)試和開發(fā)人員獲取車輛排放數(shù)據(jù)。對(duì)相應(yīng)的硬件檢測(cè)完成后，可以通過(guò)清除故障碼按鈕，對(duì)汽車內(nèi)部的故障碼進(jìn)行清除。

通過(guò)5組實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，響應(yīng)的回復(fù)值均顯示正確，而且響應(yīng)時(shí)間都在5s內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)獲取響應(yīng)的回復(fù)值等功能。

4結(jié)語(yǔ)

基于OBDII的故障診斷及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)各種功能測(cè)試，可以迅速獲取車輛實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)并定位汽車故障原因。相比于市場(chǎng)上造價(jià)高、體積大的一些原廠汽車故障檢測(cè)儀，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)造價(jià)低廉、響應(yīng)速度快，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：黃健）endprint