基于汽車OBD接口診斷的硬件模塊設(shè)計與開發(fā)

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，車載電子控制單元數(shù)量日益增多，結(jié)構(gòu)和功能也由簡單變得復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的汽車診斷技術(shù)，已經(jīng)很難滿足汽車高度電子智能化發(fā)展的需求。為了適應(yīng)汽車對診斷功能的增長需求，車載診斷技術(shù)已經(jīng)逐漸和移動互聯(lián)網(wǎng)、智能手機聯(lián)系起來，研究重點轉(zhuǎn)向智能診斷和遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)分析。 本文闡述設(shè)計的OBD硬件模塊安裝于汽車OBD診斷接口上，通過BLE4.0低功耗藍(lán)牙模塊與智能手機無線連接，硬件模塊支持CAN和K線通信接口，實現(xiàn)CAN和K線診斷數(shù)據(jù)到智能手機端的透明轉(zhuǎn)發(fā)。

1 車載診斷總線概述

目前國內(nèi)外汽車發(fā)動機診斷總線主要為K線和CAN總線兩種。K線接口簡單，在某些低端車或早期的車輛上仍以K線作為診斷總線接口

。CAN總線具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力強，實時性和容錯能力強，仲裁功能和優(yōu)先權(quán)等優(yōu)點，應(yīng)用于目前主流車輛的總線網(wǎng)絡(luò)。

文獻[4]報道了一種采用紫外/H2O2技術(shù)處理化學(xué)鍍鎳廢水的方法，處理后的廢水中鎳仍多達(dá)0.43 mg/L，才剛滿足“表2”的要求。

1.1 基于K線的KWP2000協(xié)議

基于K線的診斷協(xié)議一般基于KWP2000(Keyword Protocol 2000)協(xié)議，主要包括ISO14230-1～14230-4，ISO14230-1規(guī)定了KWP2000協(xié)議的物理層規(guī)范(K線、L線)，ISO14230-2

規(guī)定了KWP2000的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，包括報文結(jié)構(gòu)、初始化過程、通訊連接管理、定時參數(shù)和錯誤處理等內(nèi)容。K線的報文包括報文頭、數(shù)據(jù)域和校驗和三部分，其中報文頭包含格式字節(jié)、目標(biāo)地址(可選)、源地址(可選)和附加長度信息(可選)。數(shù)據(jù)域主要承載具體的診斷服務(wù)命令，包括診斷服務(wù)碼和命令數(shù)據(jù)兩部分。最后一個字節(jié)是校驗和，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備完整。

1.2 基于CAN總線的ISO15765協(xié)議

CAN是Controller Area Network 的縮寫，是 ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。1986年德國汽車零部件公司博世開發(fā)出面向CAN汽車總線通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標(biāo)準(zhǔn)化

，目前已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN總線ISO15765協(xié)議與OSI開放式互連系統(tǒng)的分層對應(yīng)關(guān)系。OSI應(yīng)用層由ISO14229-1和ISO15765-3共同定義，網(wǎng)絡(luò)層是由ISO15765-2定義?？偩€數(shù)據(jù)鏈路層由ISO11898-1定義，主要包括：通信機制；數(shù)據(jù)幀；錯誤檢測；幀格式；位定時與同步

。CAN總線幀數(shù)據(jù)按位發(fā)送出去，總線共有5種不同類型的幀，分別是數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀以及幀間隔。

2 OBD硬件模塊功能需求分析

當(dāng)前汽車對外通信接口OBD已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，對汽車的診斷都是基于OBD接口來實現(xiàn)。主流的汽車診斷接口預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)的CAN線或K線接口實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)與外界的交互。智能手機實現(xiàn)短距離無線通信首選藍(lán)牙，所以需要設(shè)計一套硬件系統(tǒng)能接收手機請求的診斷數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN線或K線協(xié)議格式的命令發(fā)送到汽車總線上，同時接收汽車總線命令響應(yīng)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到手機藍(lán)牙。硬件模塊包含CAN和K線通信接口，藍(lán)牙與手機無線通信，預(yù)留OBD硬件接口。

基于OBD接口的硬件模塊是車載發(fā)動機電控與智能手機通信的橋梁，是整個系統(tǒng)實現(xiàn)可靠、易用的關(guān)鍵部件。模塊軟件需要支持基于K線的KWP2000和基于CAN線的ISO15765診斷通信協(xié)議，同時集成藍(lán)牙模塊的收發(fā)協(xié)議棧，實現(xiàn)與智能手機的短距離無線通信。

3 OBD硬件模塊硬件設(shè)計

3.1 硬件模塊系統(tǒng)方案設(shè)計

c.診斷命令數(shù)據(jù)為CAN線或K線診斷協(xié)議命令。

透明傳輸數(shù)據(jù)報文格式如圖4所示。傳輸報文整體分為兩個字段，固定包頭及變長包體。固定包頭包含協(xié)議控制相關(guān)信息，同步頭用于指示報文開始，長度記錄當(dāng)前傳輸報文的字節(jié)長度，命令字為指示當(dāng)前報文類型或功能，錯誤碼為響應(yīng)方返回透明協(xié)議控制相關(guān)的狀態(tài)錯誤碼。變長包體為實際傳輸?shù)脑\斷數(shù)據(jù)，長度根據(jù)實際診斷命令或數(shù)據(jù)變化。

使用的載玻片和蓋玻片必須無劃痕且無灰塵，物鏡前透鏡也須清潔無塵。載玻片與蓋玻片的厚度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。載玻片太厚，聚光器的焦點將落在載玻片內(nèi)，達(dá)不到被檢物體的平面上；使用油鏡頭時，由于物鏡的工作距離很短，甚至無法調(diào)焦，從而看不到或看不清被檢物體。

3.2 電源控制與CAN控制器模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的電源管理與CAN控制器分離設(shè)計方案至少需要兩塊芯片分別實現(xiàn)電源管理和CAN信號的收發(fā)，每塊芯片都要做外圍電路設(shè)計，并且要保證可靠的車載EMC和ESD性能。分離設(shè)計不僅增加硬件設(shè)計成本和復(fù)雜度，而且主控MCU軟件要分別對電源管理芯片和CAN控制器做監(jiān)測與管理，增加軟件復(fù)雜度。為了提高系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性和安全性，本文選用MCZ33904C3EKR2系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片。它集成了電源控制與管理和CAN信號收發(fā)器，并具有局部和總線故障診斷、保護功能以及故障安全操作模式。

2008年，汶川地震，死亡人員數(shù)量為6.9萬人左右。2010年，玉樹地震，死亡人數(shù)也達(dá)0.26萬左右。自然災(zāi)害、大型事故等仍然對人類具有潛在威脅。公眾在突發(fā)事件中，如果具備一些自救、互救技能，或許能使更多生命得到救治，將致殘致死率降至最低。

MCZ33904C3EKR2啟動后穩(wěn)定輸出3.3 V 給主控MCU，同時通過外部PNP擴展電流功能，與MCU共同分擔(dān)功率損耗；通過SPI接口可以配置輔助電源輸出和欠壓保護功能；低功耗模式下具有多個喚醒源，如CAN總線，I/O等。并且兼容ISO11898-5高速CAN接口，支持40 Kb/s至1.0 Mb/s的波特率。

青花釉里紅是在雍正、乾隆期間，開始研燒出青花釉里紅。什么是青花釉里紅，就是將青花、釉里紅兩種釉下顏料，同時彩繪在一件坯體上的裝飾形式就是青花釉里紅。也是在覆蓋一層透明釉，經(jīng)高溫煅燒而成。青花釉里紅改變了青花和釉里紅單色繪畫裝飾，開始兩色結(jié)合。青紅兩色互為映襯，產(chǎn)生出美麗的顏色混合效果。

為了保證車載電源能穩(wěn)定輸入到模塊，VB經(jīng)過電容濾波輸入到MCZ33904C3EKR2芯片，MCZ33904C3EKR2芯片輸出穩(wěn)定電壓VMAIN 3.3V供電主控MCU，主控MCU啟動過程中會通過SPI與MCZ33904C3EKR2通信，根據(jù)系統(tǒng)啟動邏輯配置MCZ33904C3EKR2芯片輸出VAUX來控制藍(lán)牙和K線通信模塊的啟動與否，從而保證系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用來管理通信模塊的上電，進而降低系統(tǒng)功耗。

K線芯片選用MC33660EFR2芯片，提供串行鏈路總線接口。同時藍(lán)牙選用BLE113低功耗藍(lán)牙模塊

，模塊預(yù)留外部可擴展SRAM存儲器，用于數(shù)據(jù)傳輸處理緩存。

3.3 藍(lán)牙模塊設(shè)計

為了降低OBD硬件模塊功耗，藍(lán)牙模塊采用低功耗藍(lán)牙4.0模塊 BLE113。BLE113模塊電源3.3V由系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片MCZ33904C3EKR2引腳VAUX提供，模塊的啟動受主控制器控制。同時模塊通過串口引腳BT_RXD、BT_TXD與主控制器數(shù)據(jù)交互。BT_RESET用于主控制器復(fù)位初始化模塊。硬件預(yù)留BLE113模塊配置文件更新下載接口。

3.4 K線驅(qū)動芯片選型與設(shè)計

K線芯片選用恩智浦MC33660EFR2芯片

，MC33660EFR2提供串行鏈路總線接口，在汽車診斷應(yīng)用中提供雙向半雙工通信，滿足標(biāo)準(zhǔn)的ISO K線物理層及鏈路層規(guī)范，并支持診斷系統(tǒng) ISO9141標(biāo)準(zhǔn)定義。

K線模塊原理圖如圖1所示。K線模塊電源VAUX由系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片MCZ33904C3EKR2提供，受主控制器控制，同時MC33660EFR2模塊通過串口引腳K_RXD、K_TXD與主控制器數(shù)據(jù)交互。K線數(shù)據(jù)輸出引腳ISO 與車載總線連接。

4 OBD硬件模塊軟件設(shè)計

4.1 軟件模塊整體方案設(shè)計

OBD硬件模塊軟件整體架構(gòu)圖如圖2所示。主要軟件模塊功能：操作系統(tǒng)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)各軟件功能模塊啟動，運行和調(diào)度，是系統(tǒng)中央調(diào)度模塊；配置管理實現(xiàn)通信相關(guān)參數(shù)的可配置相關(guān)功能，例如CAN和K線通信速率參數(shù)等，最大限度的減少模塊軟件與外部需求耦合；透明轉(zhuǎn)發(fā)管理實現(xiàn)了一種透明轉(zhuǎn)發(fā)的策略，即OBD硬件模塊收到藍(lán)牙診斷數(shù)據(jù)，透明轉(zhuǎn)發(fā)到CAN或K線接口，硬件模塊從CAN或K線接口收到數(shù)據(jù)透明的轉(zhuǎn)發(fā)到藍(lán)牙接口，中間不會增加任何與OBD接口硬件本身相關(guān)信息，從而減少硬件模塊與智能手機端程序的依賴性；BLE藍(lán)牙傳輸層負(fù)責(zé)藍(lán)牙命令數(shù)據(jù)的打包和解包，同時實現(xiàn)傳輸層協(xié)議的時間控制；UDS ON CAN傳輸層遵循ISO15765協(xié)議，負(fù)責(zé)CAN線數(shù)據(jù)的打包和解包，同時實現(xiàn)傳輸層協(xié)議的時間控制；KWP ON K線傳輸層遵循ISO14230協(xié)議，負(fù)責(zé)K線數(shù)據(jù)的打包和解包，同時實現(xiàn)傳輸層協(xié)議的時間控制。SRAM內(nèi)存管理負(fù)責(zé)系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)處理與傳輸時SRAM內(nèi)存的相關(guān)管理；最后軟件模塊還包括底層通信接口相關(guān)驅(qū)動。

4.2 基于藍(lán)牙的透明傳輸協(xié)議設(shè)計

透明轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議策略，即智能手機端請求一次診斷命令，APP按照透明傳輸協(xié)議打包診斷命令數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件模塊，硬件模塊收到后根據(jù)相關(guān)傳輸控制字，解析成CAN線或K線診斷命令，然后傳給模塊的通信協(xié)議棧發(fā)送到汽車總線上。當(dāng)電控收到診斷請求命令并處理完成，返回診斷響應(yīng)數(shù)據(jù)，硬件收到后，按照透明傳輸協(xié)議加入藍(lán)牙傳輸控制字封裝轉(zhuǎn)發(fā)到藍(lán)牙接口。APP收到后去掉透明傳輸協(xié)議控制字，解析診斷響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)智能手機APP對汽車電控的無線診斷。透明傳輸功能數(shù)據(jù)流原理如圖3所示。

4.2.1 數(shù)據(jù)報文格式

模塊采用英飛凌汽車級16位芯片XC2234L作為主控制芯片

，XC2234L是一顆搭載5級流水線的高性能C166SV2中央處理器

。電源管理模塊采用恩智浦MCZ33904C3EKR2 SBC芯片，MCZ33904C3EKR2內(nèi)置增強型CAN接口(ISO11898-2和ISO11898-5)，具有局部和總線故障診斷、保護功能以及故障安全操作模式

。

b.長度=N+1+(1+2+2+1)

a.同步頭為固定字節(jié)0xFD。

4.2.2 協(xié)議規(guī)則

本系統(tǒng)屬于車載應(yīng)用，硬件模塊芯片選型首先滿足汽車級的要求。根據(jù)成本、功能、性能、安全等因素對主控芯片，藍(lán)牙模塊，電源和CAN模塊，K線模塊進行選型，以確保硬件模塊穩(wěn)定可靠和各方面參數(shù)符合汽車級標(biāo)準(zhǔn)。

實驗將平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）作為算法性能評價標(biāo)準(zhǔn)。MAE 通過計算預(yù)測的用戶評分與實際的用戶評分之間的偏差度量預(yù)測的準(zhǔn)確性,MAE 越小,推薦質(zhì)量越高。假設(shè)預(yù)測的用戶評分集為{ p1,p 2,…,pn} ，對應(yīng) 實 際 評分集 為{q 1,q 2,…,qn},則MAE 計算公式如式（19）所示：

微課教學(xué)是指利用網(wǎng)絡(luò)平臺進行學(xué)習(xí)，該教學(xué)方法多選擇內(nèi)容豐富且較短的教學(xué)視頻，可以更好的擴充學(xué)生的知識儲備，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。微課教學(xué)主要依賴于互聯(lián)網(wǎng)，不僅打破原有教學(xué)方法時間與空間上的限制，同時還可以加強教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流和互動。

4.2.3 命令字

通過學(xué)習(xí)哈佛課件，我認(rèn)識到在處理這件事情上，存在以下幾點問題：第一，情緒管理存在問題，放任了情緒的發(fā)展，無形中增加了溝通者之間的對抗，給溝通造成了巨大的障礙；第二，總是站在自己的立場看問題，忽略溝通對象的需求，使得自己與他人的交集變小，處理問題的方法也變得更少了；第三，在遇到問題時，一味去指責(zé)他人，而沒認(rèn)識到自身存在的問題。

根據(jù)電控診斷平臺的功能及通信協(xié)議類型，設(shè)計出如表4-1所示的協(xié)議控制字。協(xié)議控制字在報文中占用2個字節(jié)用來指示當(dāng)前數(shù)據(jù)報文的命令類型和配置字。

4.2.4 軟件流程圖

透明傳輸功能軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)軟件首先查詢藍(lán)牙有無接收到數(shù)據(jù)，如果收到則通過解析傳輸協(xié)議命令控制字來區(qū)分是基于CAN線或K線的診斷，然后轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)總線傳輸協(xié)議棧發(fā)送到待診斷的電控單元。軟件查詢電控的診斷響應(yīng)報文，如果在規(guī)定的診斷會話時間內(nèi)接收到響應(yīng)報文，則在響應(yīng)報文上添加對應(yīng)的透明傳輸協(xié)議控制相關(guān)信息通過藍(lán)牙發(fā)送到手機APP；如果在規(guī)定的時間內(nèi)電控單元沒有響應(yīng)數(shù)據(jù)，軟件則返回超時錯誤碼到APP。

5 小結(jié)

本文對OBD硬件模塊進行了硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件模塊設(shè)計重點闡述了電源控制與CAN控制器模塊設(shè)計、藍(lán)牙模塊設(shè)計、K線通信模塊設(shè)計，并對各個模塊的外圍硬件電路做了詳細(xì)設(shè)計。同時針對數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件，本文設(shè)計了一種透明傳輸協(xié)議，在實際車載診斷工程化應(yīng)用中，該協(xié)議能有效的減少OBD藍(lán)牙硬件與應(yīng)用軟件協(xié)議的耦合性，提高了硬件的可擴展性。

根據(jù)近年來我國建筑工程沉降監(jiān)測工作實踐來看，由于監(jiān)測點位、監(jiān)測期數(shù)不斷增加，相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析難度越大，要求越高，主要表現(xiàn)在：(1)沉降現(xiàn)象自身就具有一定的復(fù)雜性；(2)沉降監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)量巨大；(3)沉降數(shù)據(jù)序列變更頻繁；(4)數(shù)據(jù)質(zhì)量較難評定。因此，單純利用Excel配合人工進行數(shù)據(jù)整理，不僅效率低，也極易出現(xiàn)誤差，后期數(shù)據(jù)存儲、管理、查閱也較為不便。對此，隨著現(xiàn)代化計算機技術(shù)的發(fā)展，可利用相關(guān)軟件工具、數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理與管理，切實提高工作效率和質(zhì)量，為監(jiān)測成果調(diào)用提供方便。

未來隨著汽車的普及和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，圍繞汽車的應(yīng)用服務(wù)生態(tài)鏈必將發(fā)展壯大。本文設(shè)計的OBD硬件模塊建立了汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)到智能手機的數(shù)據(jù)通信通道，未來稍作擴展可以建立手機與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信，也即建立了汽車、手機到互聯(lián)網(wǎng)通信通道。伴隨著移動手機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，汽車和手機，再到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用必將是一個巨大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和發(fā)展趨勢。

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