基于QNX的智能車載3G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)*

張瑞

(河南商丘師范學(xué)院 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,河南 商丘 476000)

隨著現(xiàn)代電控技術(shù)對汽車組成的滲透，汽車架構(gòu)的復(fù)雜性、集成度和信息化程度日益增強(qiáng)，由此給汽車安全運(yùn)行帶來了更多隱患，僅靠傳統(tǒng)車內(nèi)資源已很難滿足其安全性需求。

針對傳統(tǒng)車載診斷系統(tǒng)標(biāo)識繁雜、實時性差、電磁干擾強(qiáng)等問題，先后有汽車電子研究者提出Telematics設(shè)計理念[1]，并將逐漸形成未來汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)發(fā)展的新型模式。2009年，曾銳利、肖云魁等在“汽車遠(yuǎn)程故障診斷與維修系統(tǒng)研究”中[2]，提出了車輛遠(yuǎn)程故障自診斷系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程服務(wù)器與車載終端的互聯(lián)，完成車輛的自診斷。2011年，上海交通大學(xué)汽車電子研究所張旭、冒曉建等發(fā)表的“汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)車載模塊的研究和開發(fā)”中[3]，系統(tǒng)闡述了整個車載模塊遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的架構(gòu)模式和軟件處理流程，為該方向的研究提供了較全面的參考模型。同年，上汽集團(tuán)技術(shù)中心的彭劍、葉楓等，對車載終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器的相關(guān)功能模塊接口作了進(jìn)一步研究[4]。但以上對車載遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的探索和研究中涉及的相關(guān)核心功能及性能評估不夠深入完善，離真正的實踐應(yīng)用尚存一定距離。

為此，本文以Telematics為設(shè)計理念，提出一種新型的基于QNX車載終端的智能遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)方案。引入強(qiáng)實時性的QNX系統(tǒng)為軟件運(yùn)行平臺，并在此基礎(chǔ)上采用CAN總線和GPS模塊實時采集和處理車輛狀態(tài)信息，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)完成與遠(yuǎn)程服務(wù)器的互聯(lián)通信，實現(xiàn)后臺監(jiān)控中心對車輛運(yùn)行狀態(tài)的全天候?qū)崟r監(jiān)控，進(jìn)而保障車輛更快、更安全地運(yùn)行。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要由診斷終端、通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程服務(wù)中心組成。診斷終端作為整套系統(tǒng)的核心處理單元，主要包括CAN收發(fā)器、3G模塊、GPS模塊及SD卡存儲模塊，并且采用微秒級實時性的QNX系統(tǒng)作為軟件平臺。整套系統(tǒng)的指令數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)按一定協(xié)議規(guī)范組包，其核心處理流程如下：

(1)報文采集：終端通過CAN總線和GPS模塊實時采集、過濾和處理車輛各ECU狀態(tài)信息；

(2)報文存儲:采集的所有報文信息通過SD卡模塊和緩沖的形式存儲，分別實現(xiàn)對車輛進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程診斷；

(3)報文收發(fā)：診斷終端通過3G網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器實現(xiàn)互聯(lián),并實時收發(fā)本地和遠(yuǎn)程服務(wù)器的相關(guān)報文，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控。

其中，診斷終端作為核心處理單元，分別采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)和3G無線網(wǎng)絡(luò)與車輛和遠(yuǎn)程服務(wù)器互聯(lián)通信。遠(yuǎn)程服務(wù)中心將關(guān)切信息通過配置形式下發(fā)到相關(guān)車輛，車輛終端即按照配置信息采集關(guān)切信息。同時，遠(yuǎn)程服務(wù)中心可以實時查看相關(guān)車輛的各項運(yùn)行參數(shù)，并自動分析處理相關(guān)信息，將異常情況實時反饋到相關(guān)車輛，通過中控臺、語音識別器等模式通知駕駛員。診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

可見，該設(shè)計方案不僅從軟件上保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性，而且采用CAN總線通信、GPS定位系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)等新型技術(shù)，實現(xiàn)了一個無縫的本地-遠(yuǎn)程互連參考系統(tǒng)，有效增強(qiáng)了輔助駕駛平臺的安全系數(shù)。

2 系統(tǒng)診斷終端

針對當(dāng)前車載診斷系統(tǒng)在通信速率和可靠性方面存在的問題，診斷終端采用目前較先進(jìn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)與車輛ECU系統(tǒng)相連，引入3G無線通信模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器互聯(lián)，實現(xiàn)對車輛各控制單元運(yùn)行狀態(tài)的全天候遠(yuǎn)程無線實時監(jiān)控。

2.1 CAN總線通信邏輯

診斷終端與車輛通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連，完成遠(yuǎn)程指令下發(fā)和各ECU工作狀態(tài)的采集。由于車輛各ECU對CAN總線的性能要求不同，CAN總線根據(jù)傳輸速率劃分為高速CAN和低速CAN，不同速率CAN總線區(qū)域間信號通過網(wǎng)關(guān)從一個總線區(qū)域進(jìn)入到另一個總線區(qū)域，同時以當(dāng)前CAN網(wǎng)絡(luò)區(qū)域為參考，改變信號發(fā)送的優(yōu)先級。

本系統(tǒng)診斷終端作為一個節(jié)點(diǎn)接入CAN總線診斷系統(tǒng)網(wǎng)關(guān),其信號核心處理流程為:診斷節(jié)點(diǎn)向整個CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)起服務(wù)請求，CAN網(wǎng)關(guān)經(jīng)識別后向所有CAN網(wǎng)絡(luò)的ECU節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)請求信息；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的控制器接收到服務(wù)請求信息后，立刻返回服務(wù)響應(yīng)，同時與診斷終端建立通信連接。診斷終端與CAN網(wǎng)絡(luò)某控制器節(jié)點(diǎn)建立服務(wù)請求/響應(yīng)的示意圖如圖2所示。

針對終端CAN節(jié)點(diǎn)與車輛CAN網(wǎng)絡(luò)的互連條件，本系統(tǒng)設(shè)計3種采集觸發(fā)方式：

(1)系統(tǒng)上電:系統(tǒng)上電后,采集通道開始接收總線上的所有報文。

(2)遠(yuǎn)程指令：車輛CAN總線系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)的特定指令后,將指定報文送入采集通道，收到相應(yīng)禁止指令后停止采集指定報文；

(3)條件觸發(fā)：若總線信號按一定公式計算后為真，則將該信號送入采集通道。

診斷終端根據(jù)遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)的配置條件，指定其通信的觸發(fā)方式、采集方式和存儲方式，并將相關(guān)報文按指定方式存儲到本地SD卡,或上傳至遠(yuǎn)程通信服務(wù)器。

可見,本系統(tǒng)診斷終端采用客戶指定的采集模式，真正做到了系統(tǒng)設(shè)計的可擴(kuò)展性，并在設(shè)計早期即可通過CANoe等CAN總線模擬器充分論證方案的可行性，為快速開發(fā)高性能車載診斷終端提供先進(jìn)的開發(fā)理念和有力的技術(shù)保障。

2.2 3G無線通信驅(qū)動設(shè)計

智能遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)選用新型的3G無線通信模塊UC864，在成本不變的基礎(chǔ)上，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，幾乎封裝了無線通信的所有復(fù)雜處理流程，以此作為整個模塊的硬件驅(qū)動層，對外僅提供簡單API接口，給上層應(yīng)用開發(fā)提供了更為人性化的底層驅(qū)動環(huán)境，進(jìn)而有效縮短了3G 無線模塊的開發(fā)周期。

UC864通過串口（UART）與 MCU連接通信，其驅(qū)動核心處理流程為:首先初始化MCU與UC864相連的物理I/O管腳和相關(guān)寄存器，并使能3G模塊；然后通過AD采樣模擬輸出進(jìn)行開機(jī)檢查；最后利用串口連接建立內(nèi)部通信機(jī)制。其處理流程主要包括：

(1)串口初始化：主要對UART相關(guān)寄存器和I/O進(jìn)行初始化，并設(shè)置串口通信波特率，開啟串口中斷等；

(2)串口中斷處理：主要對串口緩存進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時進(jìn)行中斷接收處理，并給出響應(yīng)；

(3)串口收發(fā)：根據(jù)串口通信協(xié)議，把終端相關(guān)報文或消息通過串口發(fā)送UC864，同時接受UC864收到的無線信號。

整個通信邏輯的核心偽代碼如下所示：

從驅(qū)動軟件邏輯執(zhí)行流程可見，該設(shè)計理念把整個驅(qū)動分為軟件驅(qū)動和硬件驅(qū)動。軟件驅(qū)動主要負(fù)責(zé)與上層應(yīng)用的接口通信，硬件驅(qū)動主要負(fù)責(zé)底層的信號傳輸，其核心處理過程已被封裝到芯片內(nèi)部。因此，整個邏輯模型以“下層為上層服務(wù)”為設(shè)計理念，以降低模塊間耦合度，提高應(yīng)用開發(fā)效率為目標(biāo)，有效保障了接口的安全性。

綜上所述，3G無線通信模塊在成本不變的基礎(chǔ)上，將較復(fù)雜的協(xié)議棧處理過程集成到芯片內(nèi)部，顯著提高了模塊的獨(dú)立性和實用性。另外，本驅(qū)動設(shè)計以高效率和低耦合為目標(biāo)，分層設(shè)計驅(qū)動單元，盡量為開發(fā)者提供簡捷實用的接口,進(jìn)而縮短3G模塊應(yīng)用功能的開發(fā)周期。

3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程服務(wù)器端

系統(tǒng)遠(yuǎn)程服務(wù)器端主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器組成，各服務(wù)器的主要功能如下：

(1)通信服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收車載診斷終端發(fā)送的所有報文信息，并將其轉(zhuǎn)存到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。同時將來自Web服務(wù)器的所有指令轉(zhuǎn)發(fā)到診斷終端；

(2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來保存診斷終端所有的采集信息，以及整套系統(tǒng)的用戶管理信息；

(3)Web服務(wù)器可以從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或通信服務(wù)器獲取特定車輛的各ECU狀態(tài)信息和GPS定位信息，并用Web瀏覽器展示給遠(yuǎn)程診斷服務(wù)中心客服。

通信服務(wù)器與多個3G終端模塊建立遠(yuǎn)程無線連接，并實時接收和解析所有的診斷報文和GPS定位報文，當(dāng)通信服務(wù)器超負(fù)載運(yùn)行時，負(fù)載均衡服務(wù)器將超出負(fù)載的請求轉(zhuǎn)移給其他通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器包括兩個功能模塊,一個用來保存終端采樣信號數(shù)據(jù)，另一個保存所有車輛的基本配置信息(包括車輛ID、診斷ID、終端DBC)。Web服務(wù)器主要通過訪問ASP網(wǎng)頁來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫或遠(yuǎn)程通信服務(wù)器的訪問，并將所有關(guān)切信息分類展示給客服。

遠(yuǎn)程診斷服務(wù)器數(shù)據(jù)核心處理流程為：車載診斷終端與通信服務(wù)器之間通過TCP/IP方式進(jìn)行無線通信，通信服務(wù)器與Web服務(wù)器之間通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶可以通過Web瀏覽器與Web服務(wù)平臺進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)用戶與診斷車輛ECU的交互，完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、診斷和控制等功能,服務(wù)器架構(gòu)模式如圖3所示。

通過該處理流程，遠(yuǎn)程車輛診斷服務(wù)中心可以采集特定車輛的各種CAN總線信號以及GPS車輛定位信號，并將采集到的相關(guān)車輛數(shù)據(jù)實時上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。車輛運(yùn)行異常時，相應(yīng)異常報文將實時上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并通過遠(yuǎn)程異常診斷機(jī)制，將診斷結(jié)果實時反饋到車輛終端，供司機(jī)快速做出處理，以保障車輛的運(yùn)行安全。

可見，車載診斷終端與遠(yuǎn)程車輛服務(wù)中心的互聯(lián)和集成，不僅提高了整套診斷系統(tǒng)的智能性、實時性和準(zhǔn)確性，而且有效提高了車輛運(yùn)行的安全性。

表1 SGM與UC864模塊性能指標(biāo)對比

4 實驗結(jié)果及評價

本研究選用飛思卡爾提供的i.MX6Q系列車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)處理器作為硬件平臺，其主要技術(shù)指標(biāo)：1 GHz CPU主頻 ，1 GB×32 DDR3(400 MHz)，32 M×16 bit 并 行 NOR Flash，可擴(kuò)充的NAND Flash接口，LVDS數(shù)字圖形輸出接口，并集成了基于OpenGL ES2.0和OpenVG1.1的GPU圖形硬加速處理單元。軟件平臺采用加拿大哈曼公司開發(fā)的QNX硬實時操作系統(tǒng)，并利用Keil公司的IDE嵌入式開發(fā)套件進(jìn)行邏輯設(shè)計和代碼測試。

采用北汽集團(tuán)某車型CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與本診斷終端互連。測試車輛的ECU單元主要包括發(fā)動機(jī)、天窗、車燈、車門和空調(diào)控制單元，其界面顯示效果如圖4所示。

表2 傳統(tǒng)與現(xiàn)代Telematics模式診斷對比

針對SGM和UC864兩款無線通信模塊傳輸速率進(jìn)行的實驗對比分析結(jié)果如表1所示，當(dāng)其他條件完全相同時，UC864模塊的傳輸速率約為SGM的2倍，數(shù)據(jù)丟失率約為后者的1/3，報文傳輸?shù)膶崟r性也有了一定程度的提升。另外，對傳統(tǒng)診斷模式與Telematics診斷模式進(jìn)行實驗對標(biāo)分析，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。由于終端龐大報文數(shù)據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)到了遠(yuǎn)程服務(wù)中心處理，有效降低了終端CPU的負(fù)載，同時現(xiàn)代Telematics模式診斷的車輛ECU單元數(shù)約為傳統(tǒng)模式的4倍，且其操作模式已經(jīng)完全進(jìn)入了智能化時代。因此，本文所做研究和實驗不僅大膽改變了傳統(tǒng)設(shè)計理念,而且以Telematics模型為核心設(shè)計理念，為未來診斷系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要參考依據(jù)。

以現(xiàn)代車控系統(tǒng)快速向復(fù)雜化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型為背景，以探索車輛診斷安全輔助系統(tǒng)的互連性、實時性和人性化為研究目標(biāo)，設(shè)計了一套以Telematics為核心理念的智能車載3G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。采用以QNX系統(tǒng)為軟件運(yùn)行平臺,進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的實時性和安全性，并通過CAN總線和GPS模塊實時采集車輛狀態(tài)信息。基于UC864模塊設(shè)計的3G遠(yuǎn)程無線互聯(lián)通信驅(qū)動層，實現(xiàn)了對車輛的全天候跟蹤和監(jiān)控。

[1]霍軼玥.上海通用Telematics系統(tǒng)優(yōu)化方案研究與設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[2]曾銳利,肖云魁，周建新,等.汽車遠(yuǎn)程故障診斷與維修系統(tǒng)研究[J].電子測量技術(shù),2009,32(7):129-131.

[3]張旭,冒曉建,王俊席，等.汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)車載模塊的研究和開發(fā)[J].車用發(fā)動機(jī),2011(1):14-17.

[4]彭劍,葉楓,辛兢澤，等.汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷系統(tǒng)的功能設(shè)計和應(yīng)用研究[J].上海汽車,2011，3(1):30-33.