1 引言

　　在美國制造和銷售的所有的小汽車和輕型卡車從1996年1月1號起都必須裝備有車載自動診斷系統(tǒng)（OBD-II）。然而OBD-II主要用于排放系統(tǒng)的診斷，車輛的其他各個子系統(tǒng)能被OBD-II診斷的比較少。雖然這些診斷碼對診斷部分 故障是很有用的，但是這些信息還不足以有效的區(qū)分特定的故障部位。通過接入OBD-II接口的掃描工具能獲得故障碼，但是各個生產(chǎn)廠商提供的手持式掃描工 具與OBD-II通信的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，歐洲和大部分亞洲國家使用ISO9141標(biāo)準(zhǔn)與OBD-II通信，而通用汽車的小汽車和輕型卡車則使用sae j1850 vpwm標(biāo)準(zhǔn)，福特公司采用sae j1850pwm標(biāo)準(zhǔn)。

　　這樣就導(dǎo)致傳統(tǒng)的汽車故障診斷有如下缺點(diǎn)：在不同汽車制造商之 間診斷技術(shù)沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，無疑這會導(dǎo)致車輛的診斷成本大幅增加;故障診斷需要駕駛車輛到特定的修理地點(diǎn)，這導(dǎo)致駕駛者的不方便，也不可能經(jīng)常的進(jìn)行定期的 診斷和維護(hù);一次全面地診斷需要特定的設(shè)備和熟練的技術(shù)員，這會使診斷的成本很高;故障碼提供的信息通常是不足夠精確來指出故障的來源;隨著汽車電子控制 系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，診斷各部分的故障也越來越困難。

　　汽車上各種電子控制單元的數(shù)目不斷增加，連接導(dǎo)線顯著增加，因而提高控制單元間通 訊可靠性和降低導(dǎo)線成本已成為迫切需要解決的問題。為此以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國Bosch公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國際標(biāo)準(zhǔn) （ISO11898）。CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限 制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時收到相同的數(shù)據(jù)。

　　隨著遠(yuǎn)程通訊、總線技術(shù)、基于模型的診斷、電子和嵌入式技術(shù)的進(jìn)步，車輛的故障診斷和監(jiān)控技術(shù)得到很大發(fā)展，使得能夠在車輛行駛的過程中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控。這些技術(shù)的具備和車主們越來越大的興趣使得汽車界也投入了越來越多的精力來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)原理

　　車輛的遠(yuǎn)程故障診斷是一個多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，包含車載故障診斷單元，遠(yuǎn)程車輛信息技術(shù)服務(wù)中心和無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。近來出現(xiàn)了許多相關(guān)的專利和文章。

　　圖1是車輛的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的工作原理圖，車載故障診斷單元和服務(wù)中心通過無線通訊來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷：遠(yuǎn)程服務(wù)中心通過無線網(wǎng)絡(luò)獲得車載故障診斷單元發(fā) 送的狀態(tài)信息，然后通過分析車輛的運(yùn)行參數(shù)和故障碼，遠(yuǎn)程信息技術(shù)服務(wù)中心通知車主故障的嚴(yán)重程度，并提供必要的支持服務(wù)，并安排必要的保養(yǎng)或者建議修理 來解決出現(xiàn)的故障。

　　2.2 功能設(shè)計

　?。?） 車輛能智能化的向遠(yuǎn)程服務(wù)中心提供故障碼，關(guān)鍵傳感器的值和其他相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，并具備獲取下載或者系統(tǒng)軟件升級的能力。

　?。?） 車輛和遠(yuǎn)程服務(wù)中心均具備適當(dāng)人機(jī)接口的先進(jìn)實(shí)時診斷和監(jiān)控模塊。

　?。?） 車輛的遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心具有權(quán)威的專家負(fù)責(zé)復(fù)雜的診斷和監(jiān)控并與駕駛者交流。

　　（4） 保證遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心和相應(yīng)車輛的數(shù)據(jù)通訊以及與駕駛者通話的無線網(wǎng)絡(luò)。

　　從系統(tǒng)原理圖（圖1）分析可以得出：被診斷的車輛通過無線網(wǎng)絡(luò)與車輛信息技術(shù)服務(wù)中心（telematics service providers，tsp）保持通信。車輛信息技術(shù)服務(wù)中心不但可以像傳統(tǒng)ISP一樣提供Internet服務(wù)，還可以提供安全，GPS，客戶關(guān)系管理 等服務(wù)。而且，車輛信息技術(shù)服務(wù)中心還能夠提供專業(yè)的故障診斷專家來為車主提供診斷服務(wù)。診斷專家通過從車載電子系統(tǒng)傳來的故障碼實(shí)時分析車輛的故障程 度。車主也可以通過移動電腦無線上網(wǎng)或者移動電話通過wap來瀏覽車輛信息技術(shù)服務(wù)中心提供的更加具體的故障碼說明，以及其他導(dǎo)航服務(wù)。同時我們的車輛信 息技術(shù)服務(wù)中心還要掌握有以下資源，如車輛制造商數(shù)據(jù)中心，道路拯救車輛以及車輛修理，保養(yǎng)店面等。

　　3 軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為兩部分：位于車輛信息技術(shù)服務(wù)中心的專家系統(tǒng)設(shè)計和位于車輛的車載故障診斷單元設(shè)計。

　　3.1 專家系統(tǒng)設(shè)計

　　這部分是位于車輛信息技術(shù)服務(wù)中心的應(yīng)用程序，除了普通的web服務(wù)，GPS服務(wù)，跟蹤服務(wù)等以外，最主要的是能提供故障的專家診斷。這部分功能由專家系統(tǒng)輔助以現(xiàn)場專家來完成。通過專家系統(tǒng)來盡可能快地給車主反饋故障診斷的信息，并提出解決的專家建議。

　　開發(fā)專家系統(tǒng)，首先需要將汽車維修領(lǐng)域?qū)＜业拇罅繉?shí)際維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行匯總和提煉，編成知識庫，構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心部分;然后建立推理機(jī)，推理機(jī)可根據(jù)車載 故障診斷單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，利用知識庫中的知識，按一定策略進(jìn)行推理，從而得出診斷結(jié)果。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　知識庫的建立直接關(guān)系到車輛信息技術(shù)服務(wù)中心服務(wù)質(zhì)量的高低，也影響著車主是否大量采用這個系統(tǒng)，所以收集，整理專家知識的工作特別重要，其難點(diǎn)主要在 于專家知識的收集與表述。因?yàn)楝F(xiàn)在的汽車制造廠商十分繁多，具體的車系更多。雖然現(xiàn)在大部分車輛都提供OBD-II接口，但是從接口中讀出的故障碼的信息 十分有限;各大汽車生產(chǎn)廠商檢測故障用的手持設(shè)備與OBD-II通信的協(xié)議也各不一致，而且得到的故障碼包含的信息大量的是靠維修工人的經(jīng)驗(yàn)來判讀。所以 專家知識的積累與整理顯得十分重要。

　　在歸納知識時要考慮的因素很多， 為了充分利用專家系統(tǒng)的符號推理能力， 凡是能用數(shù)學(xué)公式描述的知識， 均作為具體求解器的方法實(shí)現(xiàn)，其余的作為規(guī)則存儲于知識庫。

　　規(guī)則知識的表示形式為：

　　規(guī)則號 if （前提） then （結(jié)論）

　　前提是一個條件或幾個條件的“and”形式，若是后一種情況，只有在幾個條件都成立時，結(jié)論才被接受。每個條件可以是若干項(xiàng)的“or”形式。

　　以下是一條具體的規(guī)則：

　　rule5：

　　if

　　（1） 收到故障碼：p0201

　?。?） 收到故障碼：p0202

　?。?） 收到故障碼：p0203

　　（4） 收到故障碼：p0204

　?。?） 發(fā)動機(jī)缸數(shù)：8

　　then

　　發(fā)動機(jī)噴油嘴故障嚴(yán)重，需馬上修理。

　　推理機(jī)設(shè)計時本系統(tǒng)采用了兩級es推理控制策略。結(jié)合領(lǐng)域知識，將總體故障分析求解任務(wù)分解為不同的子任務(wù)，如發(fā)動機(jī)故障分析子任務(wù)、輪胎故障診斷子任 務(wù)等。每個子任務(wù)有各自的目標(biāo)求解變量，服從不同的求解方法，彼此之間既相互獨(dú)立又存在著相互聯(lián)系。通過正向推理求解其目標(biāo)變量，并將所求結(jié)果顯示給車主。

　　而汽車故障診斷的各子任務(wù)間是有一定的依賴關(guān)系的，各子任務(wù)的求解是有一定的前提條件的，例如，氣缸噴油嘴子任務(wù)的求解必須在油嘴線路電壓已知 的前提下才能進(jìn)行，因而，各求解器中都設(shè)置了激活條件，只有滿足了這些條件，求解器才能被激活從而進(jìn)行目標(biāo)變量的求解。元級推理機(jī)利用此關(guān)聯(lián)對象集信息按 一定的順序激活相關(guān)的求解器進(jìn)行重新推理。

　　解釋機(jī)制通過與推理機(jī)輸出的數(shù)據(jù)， 回答用戶提出的how、why、what、whether等問題。

　　3.2 車載故障診斷單元軟件設(shè)計

　　車載故障診斷單元主要負(fù)責(zé)車載故障數(shù)據(jù)的讀取，并通過無線網(wǎng)絡(luò)（）將故障碼實(shí)時送到遠(yuǎn)程車輛信息技術(shù)服務(wù)中心，簡單的故障信息，如：一般故障 （不用馬上處理），故障（需馬上修理），嚴(yán)重故障（需請求交通拯救）需要及時反饋給車主（包括以文字的方式反饋到車主車載屏上，更緊急的時候通過語音或者 視頻對話來溝通）。更詳細(xì)的故障情況車主可以通過移動電腦或者移動電話訪問相關(guān)遠(yuǎn)程車輛信息技術(shù)服務(wù)中心的網(wǎng)站來獲取。

　　車載故障診斷單元的主程序在執(zhí)行完初始化功能，再根據(jù)當(dāng)前故障狀態(tài)位的值設(shè)置定時中斷的時間后，然后就進(jìn)入低功耗模式。單元讀取故障碼和其他運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)的傳 輸都放置在中斷程序，中斷結(jié)束立即進(jìn)入低功耗模式。車輛故障狀態(tài)位正常時，可取60min定時中斷一次，調(diào)用crc-16校驗(yàn)計算執(zhí)行庫后，通過無線方式 發(fā)送給遠(yuǎn)程車輛信息技術(shù)服務(wù)中心。在故障狀態(tài)位出現(xiàn)多位數(shù)值為“1”時，縮短定時中斷時間，增加數(shù)據(jù)采樣及發(fā)送頻率。定時中斷程序流程如圖3所示：

　　數(shù)據(jù)接收程序在主程序完成初始化功能后，模塊進(jìn)入等待SPI數(shù)據(jù)工作狀態(tài)。在接收到一個數(shù)據(jù)幀，crc校驗(yàn)（采用查表法實(shí)現(xiàn)，減小微控制器cpu占用時 間）和車輛信息技術(shù)服務(wù)中心id判斷無誤后，送液晶顯示并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以表示各模塊工作正常。當(dāng)某個模塊出現(xiàn)故障時，啟動led閃爍警告或蜂鳴器報 警。程序流程圖如圖4所示。

　　4 硬件設(shè)計

　　4.1 車載故障診斷單元

　　車載故障診斷單元主要由無線模塊（模塊），微控制器（PIC16F874），CAN收發(fā)器（MCP2551），CAN控制器（MCP2510）組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。車載通信協(xié)議統(tǒng)一采用CAN總線。

　　Microchip公司的單片機(jī)PIC16F874采用risc指令系統(tǒng)，哈佛總線結(jié)構(gòu)，低功耗，高速度。內(nèi)部集成了ADC、串行外圍接口 （SPI）和Flash程序存儲器等，具有pwm輸出、lcd驅(qū)動等功能。PIC16F874通過SPI接口可以實(shí)現(xiàn)與CAN控制器MCP2510的無縫 連接。PIC16F874的I/O資源豐富，共有五個I/O口，每個I/O口除了基本用途外還有一些特殊功能。

　　CAN通信模塊由CAN 控制器MCP2510和CAN收發(fā)器MCP2551組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口（最高數(shù) 據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5mb/s），支持CAN2.0a/CAN2.0b協(xié)議。CAN收發(fā)器MCP2551是CAN控制器與物理總線之間的接口，對物理總線 提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，同時它可以增大通信距離，提高CAN的抗干擾能力。

　　考慮到與現(xiàn)有OBD-II接口兼容，我們利用微控制器的串口來完成和OBD-II接口的通信。

　　4.2 車輛信息技術(shù)服務(wù)中心

　　車輛信息技術(shù)服務(wù)中心的硬件設(shè)計符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)即可，主要包括服務(wù)器的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，這部分的硬件設(shè)計限于篇幅不再詳細(xì)論述。

　　5 結(jié)束語

　　本文首先分析了車輛遠(yuǎn)程故障診斷的現(xiàn)狀，指出了傳統(tǒng)車輛故障診斷的缺點(diǎn)。在基于現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先在國內(nèi)提出了基于的車輛信息 技術(shù)服務(wù)概念，包括了車輛故障智能診斷在內(nèi)，將服務(wù)概念延伸到GPS城市導(dǎo)航，車輛跟蹤等各個方面。然后，利用PIC16F874設(shè)計了基于CAN總線的 一種車輛遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計新穎，具備很好的應(yīng)用前景，有關(guān)提供車輛信息技術(shù)服務(wù)（tsp）的網(wǎng)站也在籌建中。