基于OBD—II的故障診斷及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

范黎+周美嬌+張軒雄

摘要：為了迅速地幫助車輛開發(fā)、測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TJA1050CAN收發(fā)器與車輛的OBD接口進行數(shù)據(jù)交互；軟件上下位機采用keil4開發(fā)環(huán)境完成固件開發(fā)，上位機采用C#語言通過串口實時顯示診斷信息和信號值。通過軟硬件協(xié)同工作，最終實現(xiàn)上位機終端界面發(fā)送讀取故障請求或?qū)崟r數(shù)據(jù)流請求時，終端界面會顯示響應(yīng)的回復(fù)值等功能。通過系統(tǒng)測試，證明了該診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確、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：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011006804

0引言

當汽車發(fā)生故障時，有可能導(dǎo)致一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物或燃油蒸發(fā)污染量超過設(shè)定指標，這些有害氣體給人類、動物、植物及整個自然界的生物帶來了極大傷害[1]。OBDII是第二代汽車診斷系統(tǒng)（OnBoardDiagnostics，OBD），用于隨時監(jiān)控發(fā)動機運行狀況和尾氣處理系統(tǒng)工作狀態(tài)并識別排放部件故障。當排放超標時，車內(nèi)的故障燈則會點亮報警，汽車ECU會檢測和存儲相關(guān)故障信息[2]。與第一代診斷系統(tǒng)相比，OBDII標準化了通信協(xié)議和故障碼，也定義了更加嚴格的排放標準，更加便于汽車開發(fā)、測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

車輛故障診斷系統(tǒng)采用型號為STM32F103CBT6的單片機嵌入ISO15765協(xié)議完成車輛的故障診斷和傳感器信息獲取。單片機根據(jù)標準協(xié)議發(fā)送特定的CAN報文到車輛的總線網(wǎng)絡(luò)中，被檢測的車輛收到報文后根據(jù)命令回復(fù)故障代碼（DTC）和數(shù)據(jù)流（RDS）。診斷系統(tǒng)上位機通過串口和下位機通信，解析實際故障信息并實時顯示相關(guān)傳感器的信號值。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

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。存儲方面擁有128K FLASH和多達64K的SRAM，保證了數(shù)據(jù)和程序存儲能力[3]。系統(tǒng)通過芯片倍頻技術(shù)可達到72MHz，非常適用于對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

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

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中的對應(yīng)引腳連接。TJA1050使用5V供電，C4、C5為CAN_H、CAN_L對地匹配電容。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

1.4USB轉(zhuǎn)串口電路

下位機采集的數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)串口方式與主控芯片進行數(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)傳輸過程中的電磁干擾。當與USB口連接成功后點亮D0，PC端上位機系統(tǒng)即可與下位機進行通信。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

下位機單片機STM32F103CBT6的程序設(shè)計使用的keil4軟件平臺采用C語言開發(fā)，主要包括對STM32F103CBT6的初始化，以及故障代碼和實時數(shù)據(jù)流的采集與解析。初始化主要包括延時程序、系統(tǒng)時鐘配置、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)議標準，實現(xiàn)對汽車故障碼和實時數(shù)據(jù)流獲取。圖6為主程序流程。上位機程序設(shè)計使用微軟Visual Studio軟件平臺，采用C#語言開發(fā)，主要包括讀取故障碼、讀取實時數(shù)據(jù)流和清除故障碼3大功能模塊，通過USB串口程序?qū)崿F(xiàn)與下位機的通信，最終顯示故障信息和信號值。

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報文收發(fā)的核心代碼如下：

u8* SendFrame（CanTxMsg* TxMessage，ErrorStatus* err）//定義CAN報文收發(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++）//延時大約1.5s

{

if （CANRXMAIL == SUCCESS） break；

}

*err = CANRXMAIL；

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

}

ISO15764協(xié)議有標準幀和擴展幀兩種不同的CAN報文，標準幀的標識符ID為0X7DF，擴展幀的標識符ID為0X18DB33F1，其算法和格式相同。表1為標準幀CAN報文的傳輸格式，其中PCI表示協(xié)議控制字節(jié)數(shù)量，MODE為請求模式，PID為讀取數(shù)據(jù)流的參數(shù)標志，PCI、MODE和PID組成CAN報文的數(shù)據(jù)域[7]。不同的PID對應(yīng)讀取不同的數(shù)據(jù)流條目，例如0x0C代表讀取發(fā)動機轉(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)總共實現(xiàn)了16條數(shù)據(jù)實時值的讀取。然后，根據(jù)返回的CAN報文的PID進行數(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

上位機采用C#語言通過串口實時顯示診斷信息和信號值。C#使用SerilPort類，可以方便地實現(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)傳輸過程中丟失。Read（）和Write（）函數(shù)實現(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)試及實驗結(jié)果

系統(tǒng)硬件使用PADS畫出系統(tǒng)的PCD線路板后進行打樣，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中，然后進行軟件調(diào)試。實物如圖8所示。

圖8系統(tǒng)實物圖

實驗環(huán)境采用ECU模擬器模擬OBDII系統(tǒng)的ISO157654協(xié)議，通過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)動后，選擇正確的COM口，故障診斷界面上的狀態(tài)燈會變成綠色。圖9、圖10分別為讀取故障碼和讀取實時數(shù)據(jù)流的測試結(jié)果。由結(jié)果可以看出，汽車發(fā)生故障的原因為燃油量穩(wěn)壓控制電路開路、渦輪增壓渦輪機超速。測試、開發(fā)人員則可以通過響應(yīng)的回復(fù)值來迅速定位汽車故障原因，對相關(guān)硬件進行排查。還可以讀取實時數(shù)據(jù)值，獲取汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣溫度、計算負荷值和發(fā)動機冷卻溫度等實時數(shù)據(jù)，幫助測試和開發(fā)人員獲取車輛排放數(shù)據(jù)。對相應(yīng)的硬件檢測完成后，可以通過清除故障碼按鈕，對汽車內(nèi)部的故障碼進行清除。

通過5組實驗測試進行對比，響應(yīng)的回復(fù)值均顯示正確，而且響應(yīng)時間都在5s內(nèi)，滿足了設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)及時獲取響應(yīng)的回復(fù)值等功能。

4結(jié)語

基于OBDII的故障診斷及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過各種功能測試，可以迅速獲取車輛實時排放數(shù)據(jù)并定位汽車故障原因。相比于市場上造價高、體積大的一些原廠汽車故障檢測儀，本文設(shè)計的系統(tǒng)造價低廉、響應(yīng)速度快，具有廣闊的市場前景。

參考文獻參考文獻：

[1]劉揚，郭建斌.汽車對生態(tài)環(huán)境的分析研究與前景判斷[J].環(huán)境保護與經(jīng)濟循環(huán)，2008（9）：4446，50.

[2]HERPEL N，SONG Y，SIMONOTLION F，et al.Trends in automotive communication systems[J].Proceedings of IEEE，2005，92（6）：12041223.

[3]STMicrorelecttonics.STM322 reference maunual[Z].2016：6061.

[4]劉純虎，付斌，盛慶華.基于STM32的微型USBCAN適配器開發(fā)[J].計算機測量與控制，2013（4）：996998.

[5]蔡磊.基于STM32F103芯片的USB接口的研究與實現(xiàn)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

[6]孟磊.基于OBDⅡ的車載遠程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[7]Road vehiclesdiagnosetics on controller area network （CAN）Part4： requirement for emissionsrelated system[S].ISO57654，2005.

[8]王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2009（8）：3740.

[9]陳思敏.基于USB通信設(shè)備類的虛擬串口的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2013.

責任編輯（責任編輯：黃健）endprint