王麗，趙奕笑，劉琛，胡孟杰

隨著新能源汽車的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，電子系統(tǒng)發(fā)生故障的原因和對故障的判斷變得更加困難［1］.診斷汽車故障的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法是通過對故障現(xiàn)象看、問、聽、試、嗅等分析判斷得出結(jié)論，這種方法雖直觀但無法準(zhǔn)確了解汽車行車電腦的數(shù)據(jù)狀態(tài)，很難完成對具有復(fù)雜電控系統(tǒng)新能源汽車的故障作出更精確的診斷［2?3］.手持終端式汽車故障檢測儀在當(dāng)前的汽修行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，這種檢測儀可以采集到汽車的行車電腦數(shù)據(jù)，但通信方式一般采用藍(lán)牙或USB 接口，其傳輸速度慢，通信距離不夠遠(yuǎn)［4?6］.新能源汽車的電子控制系統(tǒng)里有多個(gè)傳感器，采集到的數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)內(nèi)容多，因此本文為了提高新能源汽車數(shù)據(jù)的傳輸速率，方便用戶實(shí)時(shí)獲取診斷信息，設(shè)計(jì)了一種基于Android 的汽車智能診斷裝置，該裝置采用CAN 總線對汽車OBD 接口采集數(shù)據(jù)，通過LTE 4G 網(wǎng)和開發(fā)手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)查閱.用戶通過手機(jī)APP 可以快速讀取汽車電控系統(tǒng)中的故障，從而縮短了汽車檢修的時(shí)間.

1 汽車智能診斷裝置的設(shè)計(jì)

汽車智能診斷裝置主要采用CAN 總線與汽車OBD 接口建立通信，對汽車的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，采集到的數(shù)據(jù)通過4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端.手機(jī)通過訪問服務(wù)器獲取汽車數(shù)據(jù)，在智能手機(jī)的Android平臺(tái)上開發(fā)汽車智能診斷APP，方便實(shí)時(shí)查詢汽車故障信息.

1.1 診斷裝置的設(shè)計(jì)方案

汽車智能診斷裝置的總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，該裝置采用兩組CAN 收發(fā)器分別與汽車OBD 接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的通信.系統(tǒng)的MCU 主控芯片采用STM32F 32 位ARM Cortex?M3，該芯片集成了CAN 控制器，因此在其CAN 引腳上外設(shè)兩組CAN 收發(fā)器，即可完成CAN 通信.

圖1 汽車智能診斷裝置的設(shè)計(jì)方案

由于LTE 模塊可接收的串口信號(hào)電壓低于3.3 V，為了保護(hù)芯片不被燒壞，在MCU 和LTE 模塊之間設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路.LTE 模塊中還設(shè)置了裝載4G SIM 卡和天線的位置，通過軟件將系統(tǒng)的IP 地址設(shè)置為云服務(wù)器的公網(wǎng)IP.當(dāng)接上4G 天線，安裝好4G SIM 卡后，系統(tǒng)就可以上傳數(shù)據(jù)到云服務(wù)器，智能手機(jī)通過云服務(wù)器獲取汽車數(shù)據(jù)，此時(shí)用戶在手機(jī)APP 上就可以實(shí)時(shí)查閱.

1.2 汽車OBD 數(shù)據(jù)采集、處理與無線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案

（1）汽 車OBD 接口設(shè)計(jì).根 據(jù)ISO/DIS 15031?3 規(guī)定，汽車故障診斷接口OBD?Ⅱ統(tǒng)一采用梯形的16 針DLC 形式接插件，如圖2 所示［7］.其中引腳6 和引腳14 分別是高速 的CAN_H 和CAN_L線，引腳3 和引腳11 分別定義為低速的CAN_H 線和CAN_L 線.

圖2 汽車OBD 與CAN 收發(fā)器的接口

（2）CAN 收發(fā)器采集OBD 數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì).在設(shè)計(jì)中采用兩組CAN 收發(fā)器采集汽車OBD?Ⅱ接口的汽車數(shù)據(jù).如圖3 所示，CAN1 的引腳6和引腳7 分別與OBD 的引腳14 與6 連接，CAN2 的引腳6 和引腳7 分別與OBD 的引腳11與引腳3 連接.CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)給行車電腦，行車電腦接收到數(shù)據(jù)后會(huì)返回車輛信息.

圖3 CAN 收發(fā)器的電路設(shè)計(jì)

（3）MCU 主控電路與LTE 組網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì).MCU 采用STM32 處理器，它的標(biāo)準(zhǔn)晶振是8 MHZ，內(nèi)置CAN 控制器，因此與CAN 收發(fā)器接口設(shè)計(jì)簡單［8］.兩 組CAN 收發(fā)器將采集的汽車數(shù)據(jù)通過CAN 接口傳輸給STM32 主控電路，如圖4 所示.

圖4 MCU 主控電路

圖5 設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換電路會(huì)將主控電路的PA2 和PA3 口輸出的串口電壓信號(hào)從3.3 V轉(zhuǎn)換成1.8 V，并輸入到EC20 無線網(wǎng)絡(luò)模塊的TXD 和RXD口，即完成了主控電路與LTE 網(wǎng)絡(luò)的通信.

圖5 LTE 組網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換電路

2 汽車智能診斷裝置的關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)流程

2.1 OBD 診斷協(xié)議ISO15765-4 的通信數(shù)據(jù)解析

診斷終端通過CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)的通用格式為：

例如從OBD 口獲取到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則發(fā)送和接收的命令如下：

發(fā)送命令中的7DF 為CANID，所有具有診斷功能的行車電腦都會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的CANID.發(fā)送的數(shù)據(jù)中02 代表數(shù)據(jù)長度，后面有效字節(jié)長度為2，即010C.01 代表服務(wù)號(hào)，也叫SID，0C 代表參數(shù)ID，也叫PID，此處0C 是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的PID.

行車電腦返回的數(shù)據(jù)中7E8 為行車電腦的物理ID，也是CANID.CAN 報(bào)文數(shù)據(jù)為：04，代表后續(xù)有效字節(jié)有4 個(gè).41 是對01 服務(wù)的一個(gè)應(yīng)答，所有行車電腦都會(huì)在請求數(shù)據(jù)0x01的基礎(chǔ)上加0x40 返回，即0x41.0C 對應(yīng)請求命令中的0C，代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.0B3E 代表轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制是2 878轉(zhuǎn)，但是實(shí)際轉(zhuǎn)速為2 878/4≈719 轉(zhuǎn).

2.2 基于Android 平臺(tái)的汽車智能診斷手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

通過對汽車智能診斷儀的產(chǎn)品需求進(jìn)行市場調(diào)研和分析，應(yīng)用Android 開發(fā)環(huán)境和JAVA 語言開發(fā)了一個(gè)功能較齊全的汽車智能診斷手機(jī)APP 應(yīng)用軟件，在其界面上設(shè)計(jì)了汽車的常規(guī)信息如OBD 協(xié)議、當(dāng)前速度、車架號(hào)、故障碼、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣岐管絕對壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等，APP 界面設(shè)計(jì)的主要java 程序如下所示.

3 汽車智能診斷裝置的數(shù)據(jù)分析

為了研究方便，本文應(yīng)用汽車數(shù)據(jù)模擬器代替汽車行車電腦，將模擬器的OBD 接口與汽車故障診斷裝置相連.模擬器的數(shù)據(jù)可以通過模擬器的上位機(jī)控制界面設(shè)置.在汽車故障診斷裝置中插入4G 網(wǎng)的SIM卡，就可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上，手機(jī)通過遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，此時(shí)APP 上可以實(shí)時(shí)查看汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖6 所示.

圖6 手機(jī)APP 顯示的測試數(shù)據(jù)

設(shè)置故障碼在車速為0 km/h 的情況下才會(huì)上傳給系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，需要先把車速降為0 km/h，再在汽車數(shù)據(jù)模擬器里設(shè)置故障碼，此時(shí)在APP 上能實(shí)時(shí)查看故障碼.對診斷裝置測試了10 組數(shù)據(jù)如表1 所示，模擬器中預(yù)先設(shè)置的10 組數(shù)據(jù)都能準(zhǔn)確地在APP 上顯示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)汽車數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳輸和顯示，為汽車檢修提供了有效的數(shù)據(jù)支持.

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的汽車智能診斷系統(tǒng)采用CAN總線采集汽車信息，運(yùn)用ISO15765?4 診斷協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，LTE 4G 組網(wǎng)及遠(yuǎn)程服務(wù)器配置完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，在智能手機(jī)的安卓平臺(tái)上開發(fā)應(yīng)用APP，使用戶隨時(shí)隨地都可以查閱汽車的行車數(shù)據(jù)與故障信息，滿足了用戶的行車需求.為了研究方便，該系統(tǒng)測試時(shí)采集的是汽車數(shù)據(jù)模擬器中設(shè)置的數(shù)據(jù)，今后在系統(tǒng)改進(jìn)的測試中將會(huì)在汽車行車電腦中采集數(shù)據(jù)并增加分析功能.