徐家明 劉雙平 牛方興

摘要：本文提出了一種基于商用車的集成式診斷服務(wù)系統(tǒng)。首先，介紹系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)和業(yè)務(wù)需求;其次，系統(tǒng)方案設(shè)計采用“操作系統(tǒng)+應(yīng)用APP”思想，并日從服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺、軟件架構(gòu)、診斷IDS數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)安全四個方面對系統(tǒng)方案進(jìn)行深入分析;最后，對系統(tǒng)工程實現(xiàn)、系統(tǒng)驗證與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。從用戶應(yīng)用和反饋情況分析，該系統(tǒng)功能全面、維修指導(dǎo)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高、界面友好、易于操作。

關(guān)鍵詞：集成式診斷服務(wù)系統(tǒng);服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺;軟件架構(gòu);診斷IDS數(shù)據(jù)庫;可擴(kuò)展性

引言

隨著汽車電氣技術(shù)的發(fā)展，車載電控單元日益增多，如圖1所示為典型商用車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，總計有二十多個電控單元。電控系統(tǒng)越來越多，也越來越復(fù)雜，隨之帶來了汽車故障的定位和處理越來越困難。除了一些機(jī)械故障以外，出現(xiàn)了更多的電控系統(tǒng)故障，傳統(tǒng)的汽車診斷和維修的方法越來越難以滿足要求，迫切需要開發(fā)一款集成式診斷服務(wù)工具。目前現(xiàn)狀是診斷服務(wù)工具集成度不高、功能不足、不統(tǒng)一，為了解決這些問題，本文提出一種集成式診斷服務(wù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)需求

1.1.1目標(biāo)

系統(tǒng)主要有兩條目標(biāo)如下：

1）建立集成式滲斷服務(wù)系統(tǒng)：覆蓋全部車型、涵蓋全部ECU控制器;覆蓋全部診斷功能;建立服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺，形成實時在線ECU數(shù)據(jù)刷寫服務(wù);系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。

2）通過診斷服務(wù)系統(tǒng)，引導(dǎo)用戶養(yǎng)成良好的診斷習(xí)慣：建立豐富的“引導(dǎo)式”故障排查樹;建立綜合的專家診斷系統(tǒng);根據(jù)車輛電控系統(tǒng)工作原理、特點(diǎn)、經(jīng)驗知識，制定各種診斷策略，再通過遞進(jìn)式、人性化界面，引導(dǎo)用戶進(jìn)行故障排查，培養(yǎng)良好的診斷習(xí)慣。

1.1.2業(yè)務(wù)要求

集成式診斷服務(wù)系統(tǒng)需要在功能、用戶體驗、質(zhì)量、安全、維護(hù)、通用性等幾個方面滿足用戶需求，如表1所示。

1.2系統(tǒng)方案設(shè)計

1.2.1服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺

采用“互聯(lián)網(wǎng)+”理念設(shè)計服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)ECU數(shù)據(jù)在線刷寫服務(wù)、診斷軟件升級、以及遠(yuǎn)程診斷、診斷回收等功能，如圖2所示，該平臺由診斷管理及監(jiān)控網(wǎng)、診斷用戶戶網(wǎng)、適配器車載網(wǎng)三部分構(gòu)成，技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）診斷管理及監(jiān)控網(wǎng)由服務(wù)器與監(jiān)控平臺構(gòu)成。用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放、發(fā)布及管理;與用戶進(jìn)行信息交互。

2）診斷用戶網(wǎng)以PC機(jī)為載體，通過有線或無線方式連接Intemet網(wǎng)與公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，諸如在線下載ECU數(shù)據(jù)、軟件升級文件、在線上傳刷寫日志等。

3）適配器車載網(wǎng)由車輛和適配器構(gòu)成，用于用戶與車輛進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)車輛的常規(guī)診斷、高級診斷、數(shù)據(jù)服務(wù)以及其它診斷功能等。

1.2.2軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于IDS數(shù)據(jù)庫的層次化與集成化的軟件架構(gòu)設(shè)計，如圖3所示，設(shè)計為6層，分別為：①界面層;②業(yè)務(wù)邏輯層;③應(yīng)用協(xié)議層;④傳輸協(xié)議層;⑤數(shù)據(jù)層;⑥共享工具集。

1）界面層

界面層指診斷系統(tǒng)人機(jī)交互界面。設(shè)計項包括登陸界面、診斷主界面、讀取故障界面、數(shù)據(jù)測量界面、執(zhí)行器測試界面、功能測試界面、數(shù)據(jù)刷寫界面等各個子界面。這些界面主要實現(xiàn)診斷信息輸入、診斷操作、診斷結(jié)果輸出及顯示。

2）業(yè)務(wù)邏輯層

診斷邏輯層指實現(xiàn)診斷功能的診斷邏輯運(yùn)算、診斷策略等。位于界面層及應(yīng)用協(xié)議層之間，起承上啟下作用：對界面層觸發(fā)的各類事件進(jìn)行管理;對界面層輸入的信息進(jìn)行解析、運(yùn)算及處理，數(shù)據(jù)以一定格式傳輸給診斷協(xié)議層;對應(yīng)用協(xié)議層傳來數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、運(yùn)算及處理，向人機(jī)界面顯示。

3）應(yīng)用協(xié)議層

應(yīng)用協(xié)議層指實現(xiàn)ISO 14229-1、ISO 15765-3、SAE J1939-73、ISO 14230-3、IS0 15031-5五大診斷協(xié)辦。每種協(xié)議軟件以動態(tài)庫的形式封裝，由業(yè)務(wù)邏輯層軟件調(diào)用。診斷系統(tǒng)覆蓋了商用車電控單元的現(xiàn)有非OBD診斷協(xié)議和OBD診斷協(xié)議。

4）傳輸協(xié)議層

傳輸協(xié)議層指實現(xiàn)ISO 15765-2、SAE J1939-21、ISO 14230-2、IS0 15765-4四大診斷協(xié)議。每種協(xié)議軟件以動態(tài)庫的形式封裝，由應(yīng)用協(xié)議層調(diào)用。診斷系統(tǒng)覆蓋了商用車電控單元的CAN線和K線通訊協(xié)議。

USB驅(qū)動/藍(lán)牙驅(qū)動指在PC機(jī)系統(tǒng)的診斷平臺中實現(xiàn)適配器的設(shè)備驅(qū)動程序。USB驅(qū)動，藍(lán)牙驅(qū)動以動態(tài)庫的形式封裝，由傳輸協(xié)議層調(diào)用，動態(tài)庫的API接口函數(shù)執(zhí)行SAE J2534標(biāo)準(zhǔn)。

5）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層指實現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)庫三部分組成。數(shù)據(jù)模型定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)相互關(guān)系。數(shù)據(jù)訪問指訪問數(shù)據(jù)庫的方法集。

6）共享工具集

共享工具集存放通用模塊，以使在其它層之間進(jìn)行分享，其它層直接調(diào)用。

統(tǒng)一平臺，統(tǒng)一軟件架構(gòu)，系統(tǒng)集成度高、系統(tǒng)成本低。

1.2.3 IDS數(shù)據(jù)庫

診斷離不開數(shù)據(jù)，需要大量后臺數(shù)據(jù)支持。針對每款電控單元ECU： ECU基本信息、協(xié)議數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、信號測量數(shù)據(jù)、執(zhí)行器測量數(shù)據(jù)、功能測試數(shù)據(jù)、記錄診斷信息等都是在診斷時所需要的數(shù)據(jù)。因此診斷數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全就很重要。

本診斷服務(wù)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計一套具有自身特點(diǎn)的IDS（Integrated Diagnostic System）數(shù)據(jù)庫。如圖4所示，以常規(guī)診斷功能為例，每款ECU常規(guī)診斷基本包括4個方面內(nèi)容：讀標(biāo)識、讀故障、讀凍結(jié)幀（讀擴(kuò)展幀）、信號測量，這4個方面的內(nèi)容通過數(shù)據(jù)庫的形式實現(xiàn)存儲，設(shè)計4個表（寧段信息）、并且定義表與表之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，這只需要一次性設(shè)計，后續(xù)新增ECU數(shù)據(jù)直接添加，按照關(guān)系數(shù)據(jù)庫機(jī)制對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、訪問、存儲，更重要的是數(shù)據(jù)難以被破解，安全性大大提高。

依此類推，其它診斷內(nèi)容例如執(zhí)行器測試數(shù)據(jù)、功能測試數(shù)據(jù)、診斷信息記錄等也都通過診斷IDS數(shù)據(jù)庫機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、訪問、存儲。

1.2.4系統(tǒng)安全

本系統(tǒng)對診斷安全進(jìn)行了多角度、全方位設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)置了6個安全點(diǎn)、3個安全面。

6個安全點(diǎn)：①軟件安裝包，通過軟件激活碼和使用期限進(jìn)行管控;②診斷功能，高級診斷功能須要通過安全算法;③ECU刷寫，通過授權(quán)管控;④業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過加密處理;⑤資源文件，文件經(jīng)過加密處理;⑥訪問算法，全部采用*.dll動態(tài)庫形式。

3個安全而：①診斷軟件與適配器采用“互鎖”機(jī)制;②診斷數(shù)據(jù)全部通過IDS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲與管理;③只支持“在線”ECU數(shù)據(jù)刷寫，刷寫完成后刷寫日志上傳CRM監(jiān)控平臺。

2系統(tǒng)工程實現(xiàn)

2.1開發(fā)語言及環(huán)境

采用Microsoft .NET Framework3.5軟件開發(fā)平臺。為了更好的發(fā)揮開發(fā)語言優(yōu)勢，提高軟件開發(fā)效率，采用Visual C# 2008與Visual C++ 2008兩種語言混合編程，而NET Framework開發(fā)平臺本身能很好的支持多語言開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

構(gòu)建的系統(tǒng)在程序設(shè)計時以解決方案（ solution）的形式組織，一個解決方案可以包含多個工程（ project），各T程與分層式軟件架構(gòu)中的各邏輯層相對應(yīng)，詳情如表2所示：

2.3診斷軟件設(shè)計

診斷策略是診斷服務(wù)系統(tǒng)的核心，目前本系統(tǒng)設(shè)計400個多個診斷策略，并且今后還不斷新增和補(bǔ)充，這些診斷策略支撐著系統(tǒng)的質(zhì)量和用戶使用效果。限于文章篇幅，以發(fā)動機(jī)壓縮測試功能為例進(jìn)行說明。

典型故障現(xiàn)象：發(fā)動機(jī)怠速抖動。

原理和診斷流程，如圖5和圖6所示：禁止各缸噴油、啟動起動機(jī)、測量上止點(diǎn)之前和之后某一角度區(qū)間運(yùn)行所需時間、間接評估每缸轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速偏差范圍評估發(fā)動機(jī)各缸氣密性。若存在漏氣，上止點(diǎn)之前活塞運(yùn)動速度較快;若存在漏氣，上止點(diǎn)之后活塞運(yùn)動速度較慢。

優(yōu)點(diǎn)：無需機(jī)械方面工作，快速評估各缸機(jī)械特性。

可檢測故障：檢測氣缸機(jī)械方麗故障（如活塞環(huán)磨損）榆測氣缸漏氣。

依據(jù)偏差Δ1～Δ6是否在±5%區(qū)間內(nèi)對氣缸氣密性進(jìn)行評估，評估通過人機(jī)界面顯示診斷結(jié)果。

2.4 適配器驅(qū)動軟件設(shè)計

適配器軟件主要處理診斷儀和車輛ECU控制器之間的診斷數(shù)據(jù)，并將診斷數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的接收方，根據(jù)傳輸?shù)拿浇椴煌?，適配器需要分別處理USB通訊數(shù)據(jù)和藍(lán)牙通訊數(shù)據(jù)。如圖7所示，USB驅(qū)動程序在Windows操作系統(tǒng)中由上層的USB功能驅(qū)動和下層的USB總線驅(qū)動構(gòu)成。

1） USB功能驅(qū)動負(fù)責(zé)接收SAE J2534的各種IRP，并將IRP分發(fā)給USB總線驅(qū)動。

2） USB總線驅(qū)動由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)處理IJSB功能驅(qū)動下發(fā)的IRP，并完成與診斷適配器的通信。

3 系統(tǒng)驗證與應(yīng)用

3.1臺架驗證

在臺架上進(jìn)行如下幾方而測試：

1）正確性測試，測試結(jié)果與實際狀態(tài)的一致性。

2）操作界面及顯示界面的評估，程序界面的評估是基于操作人員考慮，在工作環(huán)境中滿足操作方面和讀取信息方便的原則。

3）測試運(yùn)行時間。系統(tǒng)響應(yīng)及實時性測試。系統(tǒng)實時性的要求是要求快速分析數(shù)據(jù)，達(dá)到實時顯示。對于提高工作效率和準(zhǔn)確快速捕捉故障信息具有重要作用。

3.2實車驗證

實車測試主要檢測診斷軟件是否滿足要求，并初步實現(xiàn)各檢測功能準(zhǔn)確性，確?？煽?。實車測試進(jìn)行功能檢測與需求分析是否一致。

1）功能測試主要有：常規(guī)功能測試、高級功能測試、數(shù)據(jù)服務(wù)測試、其它功能測試。

2）測試項是否包含齊全。

3）各功能邏輯順序是否按照設(shè)計要求進(jìn)行。

4）診斷系統(tǒng)能否適應(yīng)條件較差的工作環(huán)境，包括振動的、電子輻射。

5）診斷系統(tǒng)性能檢測、設(shè)備性能、是否死機(jī)、軟件是否有假死現(xiàn)象。

3.3 推廣應(yīng)用

該套診斷服務(wù)系統(tǒng)在2015年起分批次推向市場，目前有幾百家用戶在使用。用戶給出了該系統(tǒng)集成度高、功能齊全、性能穩(wěn)定、操作界面直觀、方便檢測與維修等評價。

4 結(jié)論

這套集成式診斷服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)了對ECU故障進(jìn)行全面、快速、準(zhǔn)確診斷和排除;實現(xiàn)了ECU軟件和數(shù)據(jù)安全在線刷寫，以及診斷服務(wù)軟件安全在線升級。該套系統(tǒng)研制成功意義在于：

1）實現(xiàn)商用車電控系統(tǒng)的后市場服務(wù)從“人海-苦海戰(zhàn)術(shù)”到服務(wù)“網(wǎng)絡(luò)化”、“智能化”的根本性改變和大跨越。實現(xiàn)售后服務(wù)“三大”提升：①服務(wù)時效性提升;②服務(wù)質(zhì)量提升;③用戶滿意度提升。

2）系統(tǒng)具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性，可以靈活的增加ECU應(yīng)用APP和診斷功能，通過軟件升級的方式應(yīng)對未來新車型的投放，大大提高了產(chǎn)品生命周期和應(yīng)用價值。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在車輛后市場批量投放使用，得到了用戶和售后人員的高度認(rèn)可，取得良好社會反響，具有大范圍、大面積推廣應(yīng)用條件和價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡挺，張士軍 汽車故障診斷儀設(shè)計與實現(xiàn)

[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2007.35（08）： 154-156.

[2]雍崇偉.基于嵌入式的汽車故障診斷儀設(shè)計U]，2010 10： 1-7

[3]張毅華，張劍鋒，沈延汽車診斷儀平臺整合[J].設(shè)計研究，2010.07： 29-31.

[4]李培玉，劉果，譚大鵬一種手持式智能化故障診斷儀的實現(xiàn)[J].電測與儀表，2006.43（03）： 46-48.

[5]Dennis M.Ahem， Aaron aouse， Richard Tumer CMMI Distilled-A Praaical Innoduction to Integated Process Improvement Second Edition清華大學(xué)出版社2005 pp：21-30.