CAN 總線被廣泛應(yīng)用于汽車通信。隨著汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性也相對(duì)增加，同時(shí)對(duì)故障發(fā)生原因也變得越來(lái)越困難，從而極大影響了客戶的用車體驗(yàn)。本文以汽車診斷儀為研究對(duì)象，分別介紹有線式診斷儀、無(wú)線式近距離診斷儀和無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷儀技術(shù)路線所需要的硬件設(shè)備和優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)一步分析汽車診斷技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。架構(gòu)功能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用和探索。

1 前言

隨著對(duì)汽車安全性、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及排放的法規(guī)要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的傳感器應(yīng)用到車輛中，車輛控制系統(tǒng)也變得越來(lái)越復(fù)雜。而各控制系統(tǒng)的電子化、復(fù)雜化在提高車輛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放的同時(shí)[1]，也給汽車模塊間穩(wěn)定通信帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。CAN總線在信息傳輸中具有良好的可靠性[2-3]，因此CAN總線被廣泛應(yīng)用于汽車通信。在汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的今天，電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性也相對(duì)增加，對(duì)故障發(fā)生原因和發(fā)生部位的判斷就變得越來(lái)越困難。故汽車故障診斷技術(shù)己經(jīng)成為汽車故障診斷過(guò)程屮必不可少的工具[4-5]。本文通過(guò)研究有線式診斷儀、無(wú)線式診斷儀以及遠(yuǎn)程式診斷儀這3種不同形式診斷儀硬件的技術(shù)路線，從而為后續(xù)汽車診斷技術(shù)的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用。

2 診斷系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了滿足故障診斷的巨大需求，許多汽車公司、專業(yè)故障診斷研發(fā)公司及高校研究并開發(fā)了多種基于汽車故障的診斷技術(shù)。目前應(yīng)用的汽車故障診斷技術(shù)按照結(jié)構(gòu)和功能可分為3種類型[6]：有線式診斷技術(shù)、無(wú)線式近距離診斷技術(shù)、無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷技術(shù)。

2.1 有線式診斷技術(shù)

有線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 有線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖

2.1.1 實(shí)現(xiàn)原理釋義

診斷儀工作時(shí)，接口電路板將PC機(jī)的請(qǐng)求信號(hào)經(jīng)過(guò)重新編程和電壓轉(zhuǎn)換后發(fā)送給OBDII隨車診斷系統(tǒng)，并將OBDII隨車診斷系統(tǒng)的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換和重新編碼后返回給PC機(jī)。當(dāng)應(yīng)答信號(hào)到達(dá)后，PC機(jī)軟件通過(guò)解碼和運(yùn)算，最終以用戶易于接受的方式顯示。

2.1.2 有線式診斷系統(tǒng)硬件

電腦和單片機(jī)之間需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，需要采用標(biāo)準(zhǔn)接口將兩者連接在一起，另外還需要電平轉(zhuǎn)換模塊將電腦的輸出電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)的相連。目前常用的串口RS232、RS454、IIC、SPI。表1是幾種常用串口的參數(shù)分析。

表1 幾種常用串口的參數(shù)

RS485相較于RS232改進(jìn)后的特點(diǎn)包括以下4點(diǎn)。

1） 電平：RS485接口相較于R232電平低，由于芯片電壓大多是3.3V或者5V左右，因此RS485不易損壞芯片。

2） 傳輸速率：RS485相較于RS232傳輸速率高。在短距離通信時(shí)，RS485最高速率可以達(dá)到35Mb/s，在長(zhǎng)距離通信時(shí)，傳輸速率也可達(dá)100kb/s以上，而RS232傳輸速率只有20kb/s。

3） 抗干擾性：RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

4） 傳輸距離：RS485總線最大傳輸距離可達(dá)1200m，RS232傳輸距離最多不超過(guò)15m，因此RS485傳輸距離更遠(yuǎn)。

CAN總線：由于在汽車、工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備或者汽車處于高溫、振動(dòng)、各種負(fù)荷的工作環(huán)境中，對(duì)通信的穩(wěn)定性要求非常高，并且CAN總線只需要2根線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，減少設(shè)備和汽車上線束的數(shù)量，因此CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域。而IIC和SPI主要應(yīng)用于芯片里面的通信。

CAN收發(fā)器：CAN收發(fā)器的作用是邏輯信號(hào)與差分信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)接收部分的作用是將自總線的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接收電路的接收，轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)并發(fā)送到CAN協(xié)議控制器，數(shù)據(jù)發(fā)送部分是將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)，繼而將數(shù)據(jù)傳遞到總線。

2.1.3 有線式優(yōu)缺點(diǎn)

有線診斷設(shè)備具有硬件集成度高，能滿足數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、指令控制、二次開發(fā)等一系列需求的特點(diǎn)，由于集成了較多功能，因此其價(jià)格昂貴、體積較大、不利于攜帶、操作復(fù)雜，需要受過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人才會(huì)使用，因此主要用于汽車主機(jī)廠和大型4S店。

2.2 無(wú)線式近距離診斷技術(shù)

無(wú)線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 無(wú)線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意

2.2.1 診斷原理

當(dāng)車輛發(fā)生故障時(shí)，首先人為將無(wú)線診斷設(shè)備插接在車輛OBD（On-Board Diagnostic） 口，然后用手機(jī)/電腦連接無(wú)線診斷設(shè)備實(shí)現(xiàn)車機(jī)相連，電腦/手機(jī)通過(guò)腳本發(fā)送可以獲取到整車故障狀態(tài)，最后診斷專家對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.2 無(wú)線式近距離診斷系統(tǒng)硬件

目前常用主流的無(wú)線診斷技術(shù)主要是通過(guò)藍(lán)牙和WIFI去實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備與PC/電腦通信，然而WIFI由于受制于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以及時(shí)延等問(wèn)題，應(yīng)用受到一定的限制。對(duì)于短距離通信，目前市面上比較成熟的產(chǎn)品有RDS GDS以及市面上開發(fā)的各種無(wú)線診斷小盒子，大多都采用藍(lán)牙通信。因藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)在手機(jī)和電腦上有成熟的應(yīng)用，故近距離無(wú)線診斷診斷技術(shù)可將藍(lán)牙技術(shù)和診斷相結(jié)合。

藍(lán)牙的連接可以細(xì)分為3個(gè)階段：配對(duì)、連接、數(shù)據(jù)傳輸。

1） 配對(duì)階段：實(shí)現(xiàn)連接的前提條件，目前主要通過(guò)Bluetooth In Ban的方式連接。

2） 連接階段：首先藍(lán)牙模塊要處于“可被發(fā)現(xiàn)”的狀態(tài)，電腦/手機(jī)根據(jù)搜索到的藍(lán)牙設(shè)備名和地址進(jìn)行連接，為了保證安全性藍(lán)牙，設(shè)備之間還需要進(jìn)行安全驗(yàn)證，通常都是通過(guò)密碼的方式確認(rèn)安全，通過(guò)安全驗(yàn)證之后，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與移動(dòng)端之間的互聯(lián)。

3） 數(shù)據(jù)傳輸：實(shí)現(xiàn)設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備互聯(lián)之后，就可以通過(guò)調(diào)用不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

2.2.3 近距離無(wú)線診斷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

近距離診斷技術(shù)具有硬件成本低、質(zhì)量輕、集成較為方便的特點(diǎn)。目前功能比較受限，主要用于讀取一些故障碼以及常用的狀態(tài)參數(shù)，另外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也有比較大限制，只能存儲(chǔ)較少的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于需要數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高的問(wèn)題不適用。

2.3 無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷技術(shù)

無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖

2.3.1 診斷原理

采集設(shè)備可以將整車的故障數(shù)據(jù)通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送云端，最終通過(guò)PC等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)在云臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，最后對(duì)故障進(jìn)行分析。

2.3.2 無(wú)線遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)硬件

遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)最為關(guān)鍵的就是通信模塊，汽車TBOX與汽車通過(guò)CAN bus總線通信，實(shí)現(xiàn)指令與信息的傳遞，從而獲取到包括車輛狀態(tài)、按鍵狀態(tài)等信息以及傳遞控制指令等，通過(guò)音頻連接，實(shí)現(xiàn)雙方共用麥克與喇叭輸出。而與手機(jī)APP連接是通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)以數(shù)據(jù)鏈路的形式進(jìn)行間接通信（雙向），目前常用的無(wú)線通信模塊有以下3種方式。

1） OBD連接T-BOX盒子：將T-BOX盒子插入車輛的OBD口，通過(guò)診斷診斷口讀取車輛的相關(guān)總線數(shù)據(jù)。這種方式不用對(duì)傳統(tǒng)汽車架構(gòu)進(jìn)行更改，使用方便，但是造價(jià)較高，只能讀取一些總線數(shù)據(jù)，不能驅(qū)動(dòng)汽車。目前主要應(yīng)用在汽車廠商錄取數(shù)據(jù)，不利于推廣到個(gè)人用戶。

2） T-BOX加在CAN總線里：將T-BOX作為總線中的一個(gè)可以用于外部聯(lián)網(wǎng)的模塊，這種方式可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空調(diào)、遠(yuǎn)程解鎖等一些基礎(chǔ)功能，但是由于與外部聯(lián)網(wǎng)，因此整車設(shè)計(jì)該架構(gòu)時(shí)需要著重考慮其安全性。

3） T-BOX加在如MOST（Media Oriented System Transport） 中：可以實(shí)現(xiàn)與娛樂(lè)系統(tǒng)的互聯(lián)，從而通過(guò)娛樂(lè)系統(tǒng)控制車輛，但是由于設(shè)計(jì)難度大，MOST總線造價(jià)高，應(yīng)用還受到一定的限制，因此推廣顯得不便。

2.3.3 無(wú)線e遠(yuǎn)距離診斷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

遠(yuǎn)距離通信具有可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程分析的特點(diǎn)，其可依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的車輛數(shù)據(jù)來(lái)做出專業(yè)判斷，減少專業(yè)技術(shù)人員往返的時(shí)間成本，但是相較于傳統(tǒng)汽車，需要更改架構(gòu)和提高汽車安全等級(jí)，因此前期設(shè)計(jì)的成本會(huì)較高，后續(xù)使用也存在一定的安全隱患。

3 診斷系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車智能化、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷提高，在多學(xué)科交叉融合的背景下，汽車診斷技術(shù)也向著設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)共享化、信息網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[7-9]。未來(lái)汽車診斷技術(shù)將是集問(wèn)題數(shù)據(jù)采集、問(wèn)題數(shù)據(jù)分析、問(wèn)題解決方案于一體，可以實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和解決方案，以便提升問(wèn)題解決效率，提高車輛在市場(chǎng)售后的表現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)框架如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)框架示意圖

1） 云平臺(tái)：①應(yīng)用商店平臺(tái)主要用于存放各種版本軟件安裝包以及功能升級(jí)安裝包，當(dāng)顧客車輛出現(xiàn)問(wèn)題或者需要安裝新的功能可以從此處獲得安裝包；②遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)主要用于整車總線相互，實(shí)時(shí)獲取整車總線數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過(guò)發(fā)送腳本給到整車獲取所需數(shù)據(jù)，從而可以實(shí)時(shí)獲取車輛故障數(shù)據(jù)，找到問(wèn)題解決方案，此平臺(tái)著重在采集數(shù)據(jù)和存放數(shù)據(jù)；③專家診斷平臺(tái)主要用于數(shù)據(jù)處理和分析，該系統(tǒng)導(dǎo)入大量實(shí)際案例并且還能不斷地自學(xué)習(xí)升級(jí)，這樣專家系統(tǒng)可以解決80%簡(jiǎn)單的問(wèn)題，剩余的復(fù)雜問(wèn)題可以由專家和研發(fā)人員一對(duì)一地分析和解決。此平臺(tái)著重于提供問(wèn)題的解決方案，并且將解決方案給到顧客、4S店以及相關(guān)的售后人員。

2） 空中升級(jí)平臺(tái)：主要負(fù)責(zé)車輛升級(jí)策略、升級(jí)范圍，并通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)修復(fù)一些軟件BUG。

3） 手機(jī)：可以實(shí)現(xiàn)車輛安全驗(yàn)證，并且通過(guò)手機(jī)APP和云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送診斷/升級(jí)需求[10]。

4） 4S店：可以通過(guò)云端診斷結(jié)果實(shí)施修理/更換零件的工作。一般4S店著重于硬件的更換和升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳廣. 汽車故障診斷系統(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[2] 程瑤. 基于CAN 的車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（10）：162-165.

[3] 盛祥政. 基于智能手機(jī)的遠(yuǎn)程汽車故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)與開發(fā)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4] 周理忠. 嵌入式汽車遠(yuǎn)程故障診斷儀[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2008.

[5] 史瑋煒. 電控柴油機(jī)便攜式故障診斷儀的研發(fā)[D]. 上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[6] 盛祥政. 基于智能手機(jī)的遠(yuǎn)程汽車故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)與開發(fā)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[7] 王子陽(yáng)，董宇航，郭以勛，等. 國(guó)內(nèi)外汽車診斷技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（11）：156-158.

[8] 楊凱悅. 遠(yuǎn)程汽車狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[9] Hu Jie，Yan Fuwu，Tian Jing，et al． Developing PCBased Automobile Diagnostic System Based on OBD System[C]//Power and energy Egineering Conference，2010：1-5.

[10] 王新. 基于藍(lán)牙技術(shù)的汽車無(wú)線診斷系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2017

編輯：黃飛

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