何感先

（北部灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量不斷增加，以計算機技術(shù)、電氣電子技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的高科技技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用使汽車的技術(shù)構(gòu)成方面發(fā)生了很大改變。在目前的車聯(lián)網(wǎng)視域下，由于汽車技術(shù)集成度的提高和交通流的增加，汽車出現(xiàn)故障的概率也不斷升高，而現(xiàn)有的就車診斷與維修技術(shù)已經(jīng)無法滿足車輛故障診斷的需求。為了滿足社會發(fā)展對汽車故障診斷的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大力發(fā)展汽車遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過車輛上安裝的通信終端從指定的信息平臺上對和車輛有關(guān)的信息進行提取和利用，以完成對車輛行駛狀態(tài)的實時監(jiān)管，其是以計算機、傳感器以及網(wǎng)絡(luò)等為載體，對汽車的行駛狀態(tài)和道路狀況進行全方位感知，以此來實現(xiàn)車輛與車輛之間、車輛與通信基站之間的無線通信。對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車遠程故障診斷技術(shù)進行開發(fā)和研究能夠有效提升汽車故障診斷的效率，并同時降低汽車發(fā)動機的維修成本[1]。

1 車載診斷系統(tǒng)整體框架

該文基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所設(shè)計的車載終端診斷系統(tǒng)主要是由車載終端和后臺服務(wù)器2 個部分組成，其中車載終端系統(tǒng)主要負責(zé)采集汽車行駛過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，例如汽車時速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門踏板以及剎車踏板的位置等。在汽車行駛出現(xiàn)故障的情況下，車載終端系統(tǒng)可以及時對故障代碼進行采集[2]。而后臺服務(wù)器則主要負責(zé)對車載終端采集的數(shù)據(jù)信息進行存儲和計算，并同時提供移動終端和PC 端現(xiàn)實的接口。如此用戶就可以通過后臺服務(wù)器來獲取汽車在行駛過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便對其故障原因進行診斷。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車載診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車載終端診斷系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 微控制器

單片機是車載故障診斷系統(tǒng)的核心模塊，可以對系統(tǒng)進行控制。在選擇單片機的過程中，應(yīng)以簡單實用和成本低為原則，同時考慮單片機需要同時對多個采集模塊精準、穩(wěn)定地進行 控制，選擇了STM32 系列的F103 單片機。該型號的單片機具有運行穩(wěn)定性高、功耗低以及設(shè)計安裝簡單等很多優(yōu)點。STM32 引腳資源分配情況見表1。

表1 STM32F103 單片機引腳分配表

在微控制器電路設(shè)計方面，由于整個系統(tǒng)采用模塊化的方式進行繪制，因此主控芯片原理圖部分只顯示了STM32F103 芯片最小系統(tǒng)的連接和芯片引腳詳細的使用情況。而為了避免外界信號干擾控制器，在NRST 引腳上連接了一個對地電容，如此就可以有效防止外界信號對其正常工作產(chǎn)生影響?？紤]該型號微控制器芯片內(nèi)部集成的8MHz的RC 振蕩器精度不是很高，在工作過程中可能會引起芯片紊亂，因此該文在設(shè)計中加入了晶振電路，并使用8MHz無源晶體振蕩器，通過內(nèi)部頻率來增益控制器，產(chǎn)生的時鐘頻率高達72MHz，晶振電路如圖2 所示。

圖2 晶振電路

2.2 OBD 數(shù)據(jù)采集模塊

車載診斷系統(tǒng)，英文簡稱為OBD，是一種通過汽車電子控制單元來對汽車內(nèi)部數(shù)據(jù)流和故障碼信息進行采集的系統(tǒng)，主要包括汽車怠速時間、實時車速、行駛里程、冷卻液溫度、尾氣排放以及踏板狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息[3]?？紤]在車載故障診斷終端運行過程中，OBD 數(shù)據(jù)采集模塊主要是對汽車的各種數(shù)據(jù)和故障碼進行采集，數(shù)據(jù)信息量較大，且采集的頻率較高，為了能夠在最大程度上保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膶崟r性，該文在對OBD 數(shù)據(jù)采集模塊進行設(shè)計的過程中，額外增加了一個與主控芯片同型號的STM32 單片機。OBD 數(shù)據(jù)采集模塊的具體工作流程如下：車載故障診斷終端工作時，CAN 通信芯片中的RXD 和TXD 會自動和OBD 數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器RXD、TXD 連接。而另一端，OBD 數(shù)據(jù)采集模塊中的微控制器內(nèi)部的TXD、RXD 會自動和車載終端系統(tǒng)中的微控制器芯片內(nèi)部的RXD、TXD連接，從而實現(xiàn)對汽車行駛過程中數(shù)據(jù)流信息和故障碼的采集與傳輸工作。

2.3 CAN 收發(fā)器

控制器局域網(wǎng)絡(luò)簡稱為CAN，主要負責(zé)車載故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。該文系統(tǒng)設(shè)計采用的是型號為TJA1050 的CAN 收發(fā)器，共計有8 個引腳。在系統(tǒng)通信電路中，CAN 收發(fā)器芯片中的RXD 和TXD 會分別和OBD 模塊中微控制器芯片的CAN 內(nèi)部的RXD 和TXD 連接[4]。因此，在對CAN 收發(fā)器芯片電路進行設(shè)計的過程中，可以采取在CAN_H 與接地之間、CAN_L 和接地之間分別并聯(lián)一個大小為30pF 電容的方式，以便提升CAN 收發(fā)器芯片的抗干擾性能。CAN 總線收發(fā)器引腳連接情況見表2。

表2 CAN 總線收發(fā)器引腳連接情況

2.4 定位模塊

該文對車載故障診斷系統(tǒng)中的定位模塊進行設(shè)計時，在綜合考慮了使用成本、定位精準度、兼容性以及功耗等因素的基礎(chǔ)上，選擇了型號為ATK-S1216F8-BD 的定位模塊，共計有5 個引腳，每個引腳的具體功能見表3。

表3 ATK-S1216F8-BD 定位模塊引腳功能

2.5 陀螺儀模塊

該文設(shè)計的車載終端診斷系統(tǒng)具有車輛故障預(yù)警功能，而預(yù)警功能的具體實現(xiàn)方式為對汽車行駛加速度數(shù)據(jù)何汽車傾斜角度數(shù)據(jù)進行計算，其中傾斜角度數(shù)據(jù)可以直觀地反映出汽車在行駛過程中是否發(fā)生了側(cè)翻，而對傾斜角度數(shù)據(jù)進行檢測的模塊就是陀螺儀模塊[5]。該文在選擇陀螺儀方面，綜合考慮了體積大小、兼容性和檢測精準度等方面因素，最終確定了型號為JY901 的陀螺儀。

2.6 電源模塊

由于該系統(tǒng)設(shè)計中使用的元器件較多，且各個元器件的工作電壓大小不一，因此需要對汽車上的供電電壓進行調(diào)節(jié)之后才能輸入系統(tǒng)中[6]?？紤]OBD 接口可以直接采用車載12V 電壓，而例如芯片、陀螺儀以及定位模塊等使用的都是3.3V 電壓，因此該文選擇了ASM1117-3.3 芯片進行電壓轉(zhuǎn)換。其中STM32F103 芯片使用3.3V 電壓供電，EN引腳連接電壓為4V，用于控制芯片工作狀態(tài)，輸入電壓為12V，經(jīng)過芯片降壓至5V。STM32F103 芯片3.3V 的供電電路如圖3 所示。STM32F103 芯片供電主要是由662K 低壓差線性穩(wěn)壓器組成，其是一種具有高紋波抑制率、低功耗、低壓差以及短路保護等很多優(yōu)點的CMOS 降壓型電壓穩(wěn)壓器。662K 模塊的靜態(tài)偏置電流可以低至8.0μA，使其能夠在輸入和輸出端電壓差極小的情況下將輸出電流提升至300mA，同時還可以保持較好的調(diào)整率。由于STM32F103芯片的電壓輸入端和輸出端之間的電壓差很小，因此也較適合對微型處理器芯片進行供電。STM32F103 芯片3.3V 供電電壓經(jīng)由5V 電壓662K 模塊降壓和穩(wěn)壓操作后，最終輸出穩(wěn)定的3.3V 電壓。

圖3 STM32F103 芯片3.3V 供電電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)整體框架

該文設(shè)計的車載終端診斷車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層以及應(yīng)用層3 個部分組成。其中感知層是系統(tǒng)的終端模塊，主要負采集汽車行駛過程中的數(shù)據(jù)流和故障代碼，能夠通過車載OBD 采集模塊接口將采集到的數(shù)據(jù)信息存儲在ECU 中，并結(jié)合系統(tǒng)工作的需要來選擇合適的數(shù)據(jù)處理方案[7]。傳輸層主要負責(zé)對數(shù)據(jù)的傳輸工作，不同的傳輸方式使用的場合也是不同的，例如3G 模塊可以實現(xiàn)車載終端與服務(wù)器之間的連接，而ZigBee 技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器和移動終端設(shè)備的連接。應(yīng)用層主要負責(zé)對收集到的數(shù)據(jù)信息進行計算和存儲，并完成用戶端和系統(tǒng)之間的交互?；谲嚶?lián)網(wǎng)的車載終端故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計框架如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能整體框架

3.2 OBD 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

該文對CAN 總線的參數(shù)進行了重新設(shè)定，使OBD 和CAN總線能相互進行通信[8]。具體的設(shè)計流程為先對CAN總線時鐘進行配置，然后對CAN 總線寄存器進行配置，在此基礎(chǔ)上對CAN 總線的終端程序進行設(shè)定，并同時檢測CAN 是否出現(xiàn)置位。如果發(fā)生置位，則系統(tǒng)會自動發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)信息。OBD 數(shù)據(jù)采集模塊讀取故障碼的部分代碼如下：

4 結(jié)語

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中的快速應(yīng)用，以其為基礎(chǔ)設(shè)計的車載終端故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)ζ囆旭偁顟B(tài)和駕駛員狀態(tài)進行實時檢測，降低故障發(fā)生的概率，切實保障人員與車輛的行駛安全。由于其具有方便快捷、使用成本低廉等特點，因此得到了廣大用戶的青睞。但從整體上看，當前階段對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用依然處于初級階段，在未來仍需要加大研究力度，以便充分發(fā)揮其全部功能。