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一种基于OBD系统开发的PC汽车诊断系统
胡杰,颜伏伍,田静,王潘,曹凯
武汉工业大学汽车工程学院，湖北武汉，430070，中国，auto_hj@163.com
摘要：本文介绍了汽车故障诊断技术和车载诊断(OBD)系统，并对车载诊断（OBD）系统中广泛使用的几种诊断协议进行了比较分析。针对目前市场上手持故障诊断设备存在的各种问题，提出了一种通用的基于车载诊断（OBD）系统设计的PC汽车故障诊断系统方案。针对几种常用协议中物理层和数据链路层的复杂多样性，设计了通用协议的电平转换电路，并开发了用于协议转换的固化软件。在PC机的基础上，开发了针对车载故障诊断的多功能诊断软件。对各模块在车辆上的性能进行了测试试验，结果表明，该系统通信可靠，诊断结果准确，人机交互性能良好，能够满足车辆维修诊断和新车型开发测试的要求。
关键词:汽车故障诊断;车载诊断;车辆诊断接口;基于PC的诊断软件。
一、汽车诊断系统的背景及意义
为了满足更加严格的排放法规以及人们对汽车经济性、动力性、安全性、舒适性等方面有了更加强烈的要求。与此同时，电子控制技术的应用成为汽车工业快速发展的必然趋势。电子控制技术的广泛应用使得汽车电子控制系统结构变得越来越复杂，从而在汽车故障诊断过程中排查故障的位置及原因变得十分困难。由车辆技术支持数据可知，在汽车故障诊断过程中，故障排查时间往往占比达到70%之多，而故障排除和维护时间仅仅占比30%。由此可见，在汽车电控单元(ECU)的开发过程中增加相应的故障诊断系统，实现车载诊断和离线诊断系统是必不可少的。本文将汽车故障诊断系统与车载诊断（OBD）系统相结合，实现了离线故障诊断。本质上相当于车载自诊断系统的终端设备，起到人机交互的作用。
自20世纪70年代以来，国外汽车故障诊断技术的发展经历了三个主要的阶段。目前广泛应用的故障诊断系统已经发展到第四代：基于PC端的汽车故障诊断技术[1]。从20世纪80年代开始，国内汽车行业开始研究汽车故障诊断技术。由于我国对汽车诊断技术的研究起步较晚，且与国外存在较大的技术差距，因此我国的研究重点在于如何开发专用诊断设备[2~3]。可知，目前我国还缺乏核心的汽车故障诊断技术——汽车故障诊断标准[4]。
目前市场上广泛使用的诊断设备大多是第二代手持式诊断设备，只具备一些基于代码阅读器的扩展功能。主要存在以下几个问题:硬件系统相对固定，难以升级或扩展模块;设备运行速度慢、功能少，不能完全满足车辆的实时诊断和维修需求功能;由于手持设备的内存有限，无法在搜索和解决故障的过程中提供智能故障诊断和修复指导功能；由于缺乏网络连接，网络使用效率低，诊断效率较低。
针对上述背景和目前企业的实际需求，本文提出了一种通用的基于车载诊断（OBD）系统设计的PC端汽车故障诊断系统方案，该系统结合了网络技术和现代故障诊断技术。该系统不仅解决了手持诊断设备的问题，而且迎合了汽车故障诊断技术的新趋势。
二、车载诊断（OBD）系统介绍
车载自诊断（OBD）系统发展最初是为汽车尾气排放控制而设计的诊断系统。自1970年以来，美国环境保护署(EPA)颁布了一系列控制汽车尾气排放相关的法律法规。最初，不同的汽车制造商生产的OBD系统没有统一的标准与规定。因此，它们的数据链路连接器(DLC)、故障诊断代码和通信协议全都是不同的，从而给故障诊断和维修带来极大的不便。
1996年，美国汽车工程师协会SAE、EPA、加州空气资源委员会(CARB)共同制定了OBDⅡ(第二代车载诊断(OBD)系统)[5]系列标准。2008年，中国开始全面实施了第三阶段排放法规，轻型车辆必须配备车载诊断(OBD)系统。与第一代OBD系统相比，OBDⅡ诊断系统的优势体现在:采用统一的数据通信协议和诊断模式;采用统一的16针DLC;采用统一定义的直接转矩;扩大OBD诊断项目的数量与服务质量。
OBDⅡ为不同的汽车制造商提供了统一的检测方法，为开发通用汽车故障诊断系统奠定了基础。OBDⅡ提供了一个统一的数据通信，但是在OBD II标准中不止具有一个通信协议。目前，OBDⅡ应用最广泛的通信协议有以下几种:SAEJ1850(PWM)、SAEJ1850(PVM)、ISO14230 (KWP-2000)、ISO9141、ISO15765-4/SAEJ2480(CAN)[6~10]。从表1可以看出，J1850、ISO9141、KWP2000、can协议的物理层和数据链路层是多种多样的，而它们的应用层协议是统一的。因此，在设计通用的车辆故障诊断系统时变得更加方便快捷。
表Ⅰ：OBDⅡ诊断协议的定义
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OSI模型-7层 |
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物理层 |
ISO9141-2 |
SAE J1850 |
ISO14230-1 |
ISO 11898 ISO 15765-4 |
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数据链路层 |
ISO9141-2 |
SAE J1850 |
ISO14230-2 |
ISO 11898 ISO 15765-4 |
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网络层 |
ISO 15765-2 ISO 15765-4 |
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传输层 |
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会话层 |
ISO 15765-4 |
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表示层 |
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应用层 |
SAEJ1979/ ISO15031-5 |
SAEJ1979/ ISO15031-5 |
SAEJ1979/ ISO15031-5 |
SAE J1979/ ISO 15031-5 |
三、车辆故障诊系统架构
针对OBD系统诊断协议的层次性，以及物理层和数据链路层的多样性和应用层的独特性，将系统分为PC端诊断软件、VCI(车载通信接口)系统和车载网络三部分。具体结构可参见图1汽车故障诊断系统的硬件体系结构。
PC诊断软件是诊断系统的主要组成部分。提供了人机交互接口，实现了汽车诊断协议的应用层。此外，它还帮助单一维修站通过互联网连接汽车制造商形成汽车诊断网络，实现资源共享和远程诊断功能。
VCI系统是连接车辆诊断系统和上位机诊断系统的桥梁。它实现了网络与主机之间不同通信协议的转换和数据传输。根据数据流的不同，VCI系统还可以分为三个子功能模块:
- 协议转换功能模块。主要用于车辆网络协议与上位机之间的电平转换，实现整个通信物理层的连接功能 。
- 主机微控制器模块，该模块主要用于分析车载网络数据，并将处理后的信息发送到主机诊断系统。同时，它响应来自主机诊断系统的消息。另一方面，它将实现对部分人机界面的控制，以及相应的数据存储。
- USB桥接模块，该模块主要用于将串行数据流传输到USB数据流，保证上位机诊断系统与上位机微控制器系统之间的通信链路。
车辆网络由控制系统的ECU、传感器、故障指示器、诊断连接和总线组成，系统的核心部件为ECU。当汽车运动时，ECU通过CAN总线对传感器和执行器的输入信息进行实时监控。当检测到一个或多个故障信息并判断为故障时，点亮仪表板上的故障指示器MIL，将故障信息以诊断码的形式存储到存储器中。诊断设备在进行故障诊断时，根据诊断协议与ECUn进行通信，获取存储的故障代码等信息。该系统采用模块化设计理念，可为后续诊断系统的升级和扩展提供帮助。如果要将系统扩展到其他模型或升级到新的诊断协议，只需添加相应协议的传输电路，升级主机微控制器的固化过程，并将相应模块添加到PC诊断系统中即可。从而实现了整个系统的升级。
四、车辆故障诊断系统的硬件系统
该车辆故障诊断系统针对市面上所用的车辆，因此不同的车辆必须支持使用不同的诊断协议。其原因为目前存在不同的诊断协议，相同的模型仍具有不同的生产年份，或者使用来自不同制造商的模型控制器。因此，有必要设计满足各种协议的传输电路，以满足不同模型的不同诊断需求。
硬件系统由单片机模块、协议转换模块、串口转换USB模块、数据存储模块、电源转换模块、人机交互模块和信息显示模块组成。硬件系统的总体结构如图1虚线边框所示。单片机是整个硬件系统的核心部分，采用飞思卡尔公司的16位单片机，其具有丰富的通信接口：两个串口、两个CAN接口。其中一个串口与K线相连，另一个串口通过USB转换适配器模块与PC机相连。CAN接口通过专用收发机连接到诊断CAN总线。协议转换模块是ECU与主机微控制器系统之间的通信桥梁。本文设计了四种通信协议;根据4种广泛使用的诊断协议设计其对应的传输电路。数据存储模块采用SD卡，主要用于车辆开发和测试阶段，并存储道路测试的各种参数，它也可以用作行车记录仪。人机交互模块主要用于系统模型的选择和参数设置。信息显示模块用于显示系统状态。
五、车辆故障诊断系统软件系统
以K线汽车诊断系统为例：系统的数据流如图2所示。在车辆故障诊断前，应建立诊断系统与ECU之间的通信。首先，主机系统向VCI系统发送初始化命令。第二，VCI系统完成接收并解码主机的初始化命令后，将初始化命令发送给ECU。第三，当初始化命令成功后，总线将被激活。从而建立了ECU与VCI系统之间的诊断通信，并通过VCI系统定期发送给ECU的握手信号来保持通信。此外，主机系统发送的不同诊断功能命令可以实现不同的诊断功能，如读取故障代码、清除故障代码和读取数据流。诊断完成后，通过发送中断命令中断ECU与VCI系统之间的通信，退出诊断系统。
通过以上分析，我们可以看出该系统可以分为两部分:一是固化主微控制器VCI系统软件;二是计算机诊断软件的开发设计。
5.1主微控制器VCI系统的固化设计
不同协议物理层的转换是通过硬件设计来实现的，而数据链路层的转换则是通过软件的组合来完成的。固化软件主要包括通信管理和诊断服务管理。
通信管理包括通信参数的初始化、协议的选择和诊断协议的初始化以及通信的启动和停止。诊断服务管理包括与OBD相关的诊断服务，如读取故障代码、清除故障代码、读取数据流和运动测试等。固化软件的主要流程如图3所示。
USB
DLC
81
51
41
11
71
61
31
21
积极响应、汽车诊断是活跃的
ECUn
接收命令和积极响应，发送相关数据
接收或检车数据并用图像显示
发送命令
连接成功
参数设置
VCI
PC软件
接收来自ECU的数据并发送到PC端
接收来自PC端的命令并发送到ECU
设置ECU和VCI的连接交流，握手
寻找协议
图2：数据流的传输结构
协议与参数选择
发送相关信息
成功？
发送相关信息
返回诊断信息
诊断功能
返回协议信息
返回错误信息
成功？
协议选择
协议自适应
接收命令
初始化
开始
图3：固化软件的流程图
5.2车辆故障诊断软件设计
诊断软件设计诊断系统是用户与PC机进行通信的用户界面。所以它必须是友好的，易于操作的。上位机诊断软件采用VisualBasic 6.0软件进行开发，数据库采用Access2000设计。诊断软件界面如图所示4所示。Software界面由菜单栏、功能模块选择按钮、功能模块子菜单选项栏、主显示区域和状态栏组成。主机诊断软件的总体功能原理如图5所示。上位机诊断软件由人机界面、数据应用层和数据通信层组成。人机界面为用户提供系统数据监控和操作界面。数据应用层包括系统管理模块、总线数据监控模块、ECU诊断测试模块、统计安全管理模块和数据库。系统管理模块由系统参数设置模块、访问控制模块、操作帮助模块、系统升级扩展模块和打印模块组成。总线数据监控模块对总线上的数据进行监控，必要时对数据进行分析。将对所有的控制器进行自我诊断功能，如:发动机控制器诊断,防抱死制动系统控制器诊断,安全气囊控制器诊断,等等。诊断检测模块包括读取故障代码模块,清除故障代码模块,读取数据流模块,定制数据流模块,冻结数据帧模块,阅读ECU消息模块、车辆测试和功能测试模块,测试操作模块、显示图形数据模块。统计安全管理模块包括数据库管理模块、数据存储管理模块、加密模块、故障解决方案记录模块、数据流存储模块和数据流参考值模块。数据库包括售后区域本地数据库和技术中心数据库。数据通信层包括基础通信、USB驱动和动态链接文件等功能。本文并没有详细讨论所有的功能模块。lt;
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