基于OBD車輛下線雙怠速排放檢測自動控制系統開發*

胡杰周佼鵬覃雄臻高長斌

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司）

基于OBD車輛下線雙怠速排放檢測自動控制系統開發*

胡杰1周佼鵬1覃雄臻2高長斌2

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司）

針對傳統車輛下線雙怠速排放檢測中人工難以穩定控制發動機高怠速問題，提出了一種基于車載診斷系統（OBD）控制的發動機雙怠速排放檢測自動控制系統。該系統由雙怠速排放檢測自動控制軟件VCI系統、尾氣分析儀及數據服務器等組成，可實現發動機轉速的精確控制及排放自動檢測。測試結果表明，該系統提升了高怠速檢測過程中發動機轉速穩定性，減少了檢測時間，降低了工人勞動強度，提高了下線檢測自動化水平。

1 前言

根據標準GB 18285—2005《點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》（雙怠速法及簡易工況法）的要求，車輛生產下線后需進行雙怠速排放檢測。傳統的人工控制油門踏板方式很難保證高怠速檢測過程中發動機轉速穩定性，導致排放重復檢測問題，進而影響車輛生產效率。針對人工進行雙怠速排放檢測存在的問題，本文結合某汽車企業的雙怠速排放檢測需求[1]，開發出基于OBD的車輛下線雙怠速排放檢測自動控制系統。利用該系統可提升高怠速檢測過程中發動機轉速穩定性，減少檢測時間，降低工人勞動強度，提高下線檢測自動化水平。

2 系統方案設計

基于OBD的雙怠速排放檢測自動控制系統由雙怠速排放檢測軟件、數據服務器、排放分析儀、自主開發的車輛通信接口系統（VCI）及雙怠速排放檢測管理端軟件等組成，如圖1所示。

VCI系統包括主控模塊、K接口電路、CAN（Con?troller Area Network）接口電路、電源模塊等，可實現上位機軟件與發動機ECU之間的通信[2]；雙怠速排放檢測軟件通過VCI系統與發動機ECU建立通信，實現基于OBD的發動機轉速控制；排放分析儀通過與工控機上串口進行通訊獲得車輛實時排放值；檢測端軟件對檢測流程進行自動控制，實現排放檢測的自動化。通過在計算機上安裝的排放檢測系統管理端軟件，可獲取車輛排放檢測通過率等質量數據，為評價車輛生產質量提供依據。

3 診斷協議分析

目前，該企業發動機ECU模塊所使用的診斷協議為基于K線的ISO 14230（KWP 2000）協議和基于CAN總線的ISO 15765協議，兩類協議均參照OSI（Open Sys?tem Interconnection）7層模型制定[3]。在VCI系統開發時已對其中的物理層、數據鏈路層、網絡層進行了分析[4]，所以在開發該檢測系統時只對應用層協議進行分析，特別是其中的數據流讀取及輸入/輸出控制服務。

3.1 K線協議分析

基于K線的KWP2000應用層協議的數據流讀取有三類服務形式，其標識符及定義為：21服務——本地標識符讀取數據流；22服務——通用標識符讀取數據流；2C服務——動態定義標識符讀取數據流。在進行雙怠速排放檢測時，由于檢測系統需要的數據只有發動機轉速和冷卻液溫度，所以采取21服務讀取這2項數據。

輸入/輸出控制有兩類服務，其標識符及定義為：30服務——本地標識符用來對特殊功能進行輸入/輸出控制；2F服務——通用標識符對共用功能進行輸入/輸出控制[5]。由于雙怠速排放檢測系統是對發動機轉速進行控制，屬于特殊功能，因此采用30服務。

3.2 CAN總線協議分析

基于CAN總線的ISO 15765應用層協議的數據流讀取有兩類服務形式，其標識符及定義為：22服務——本地標識符讀取數據流；2C服務——動態定義標識符讀取數據流。在進行發動機轉速與冷卻液溫度讀取時采用22服務，但數值與基于K線的KWP 2000應用層協議的服務標志符不同。

輸入/輸出控制服務只有2F服務（使用標識符進行輸入/輸出控制）[6]一類，因此對于發動機控制采用2F服務實現。

4 雙怠速排放檢測系統軟件開發

4.1 檢測端軟件開發

在微軟的Visual Basic 6.0環境下進行檢測系統軟件開發，運用分層設計思想，將檢測端軟件分為用戶接口層、檢測應用層、通訊接口層和數據庫層等4層結構。檢測端軟件構架如圖2所示。

用戶接口層獲取檢測人員輸入的車輛VIN（Vehi?cle Identify Number）碼和引車員信息，輸出排放檢測進度、實時排放值、檢測結果及聯網狀態等信息。檢測系統界面如圖3所示。

檢測應用層功能包括：從用戶接口層獲取車輛信息，通過查詢數據庫獲取檢測標準及通訊協議；控制發動機轉速，讀取數據流信息，根據診斷協議規范對反饋的數據流信息進行解析，轉換成轉速及冷卻液溫度值；與排放分析儀通訊，得到實時排放數據；根據發動機轉速、冷卻液溫度、排放值實現檢測過程的自動控制；上傳檢測結果至生產信息管理系統，完成車輛下線排放檢測。

通訊接口層通過Visual Basic 6.0編譯環境下的MSComm控件與發動機ECU、排放分析儀通訊，完成數據發送與接收以及獲取排放數據。

數據庫層包括本地數據庫和服務器端數據庫。其中，本地數據庫為下線排放檢測系統提供檢測標準值，包括不同排量車型的排放限值、檢測過程所需的轉速控制指令和數據流讀取指令、車輛匹配信息等，為檢測端提供數據支撐。服務器端數據庫主要存儲檢測結果，便于查看車輛下線排放檢測通過率，實現質量管理。

4.2 管理端軟件開發

管理端軟件開發基于客戶機/服務器結構。數據庫服務器對數據進行存儲、統計和運算，管理端軟件通過數據庫驅動接口連接到服務器。

管理端軟件主要統計檢測結果、維護檢測標準，其構架如圖4所示。

用戶交互層包含檢測數據查看統計模塊及車型排放檢測標準管理模塊。

應用層功能的實現是在身份認證及權限控制管理模塊下進行，以防止不明用戶登入系統進行操作。檢測人員只能使用檢測結果查詢與統計功能，而管理人員在該基礎上還能進行檢測標準管理，實現檢測標準實時維護。

數據訪問層對服務器上數據庫進行訪問，查詢檢測線上傳的車輛檢測結果，獲取檢測值。

5 雙怠速排放檢測系統實現

該檢測系統需實現與發動機ECU、排放分析儀通訊功能及檢測流程控制。

5.1 系統通訊功能

與排放分析儀的通訊功能實現較為簡單，檢測軟件直接通過串口請求排放分析儀的排放數據，然后等待接收排放分析儀的反饋數據，最終按照通訊協議解析出CO、HC、λ、CO2、NOx值。

因為工控機與車載網絡電氣系統不同，所以無法實現直接通信，需要采用VCI系統負責工控機與車載網絡通信。

工控機與ECU的通訊流程如圖5所示。

VCI將工控機串口發送的數據通過K線數據轉換芯片或CAN數據轉換芯片轉換成車載網絡能識別的信號，同時將車載總線反饋回來的比特流、字符信號轉化為對應的診斷服務報文并傳回給工控機，實現工控機與車載網絡之間的通信。

檢測過程中需要獲取發動機冷卻液溫度和轉速信息，同時要向發動機ECU發送轉速控制指令。由于被檢車輛的K線或CAN總線采用半雙工工作模式，后1條指令必須等待前1條指令反饋結束后才可發送，否則會造成線路上信號干擾，影響數據發送與接收，因此在檢測過程中需要研究OBD指令發送與接收策略。

檢測開始后先讀取發動機數據流，當冷卻液溫度處于檢測標準規定范圍并可進行雙怠速檢測時，將標志位IdleControl置為真，在下一循環時發送怠速控制指令。數據接收則要判斷數據幀是否接收完畢，軟件采取定時掃描接收緩沖區的方式來判斷是否獲得完整的數據幀。OBD指令發送與接收策略如圖6所示。

對于接收到的完整數據幀，要將其按照不同的指令類型進行處理，以獲取發動機運行狀態。通訊數據處理邏輯如圖7所示。

5.2 檢測流程控制

按照該企業排放檢測要求確定的系統檢測流程如圖8所示。

開始檢測前需確保發動機工作在正常運轉狀態，因此先讀取發動機冷卻液溫度，當冷卻液溫度處于檢測規定的87～95℃后發送高怠速指令，待發動機高怠速轉速穩定在2 500±100 r/min時，排放值緩沖區開始接收排放檢測值，到達規定檢測時間后計算排放平均值，判斷高怠速檢測是否合格。當高怠速檢測合格后開始進行怠速排放檢測，若檢測不合格則進行若干次重新采樣。

怠速檢測過程同樣經過怠速指令發送、等待轉速穩定、采樣、排放平均值計算、最終檢測結果判斷等過程。若高怠速排放和怠速排放都合格，則判定為整車排放檢測合格；否則檢測為不合格，需要對被檢車輛的排放系統進行檢查維修。

6 雙怠速排放檢測系統測試

采用所開發檢測系統，針對某1.2 L電子節氣門車型，采用AVL DiGas 4000排放分析儀、VCI系統等進行排放檢測系統雙怠速自動控制及人工控制試驗。

6.1 雙怠速自動控制測試

雙怠速自動控制測試的排放數據如圖9所示。

由圖9可看出，被測試車輛在開始檢測10 s后發動機轉速即達到了2 500±100 r/min的規定檢測條件，在高怠速排放檢測期內，發動機轉速得到精確控制，一直穩定在該范圍內，過量空氣系數快速下降，CO及HC的排放值處于檢測標準范圍內；完成高怠速檢測后，發動機快速切換到怠速狀態，完成車輛怠速排放檢測。通過該測試表明，所開發的檢測系統能準確控制發動機轉速、獲取車輛排放值以及完成排放檢測自動控制。

6.2 雙怠速人工控制測試

雙怠速人工控制測試的排放數據如圖10所示。

Development of Vehicle End-of-line Emission Auto Detection System with Double Idle Method Based on OBD

Hu Jie1,Zhou Jiaopeng1,Qin Xiongzhen2,Gao Zhangbin2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology;2.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd）

For the traditional vehicle end-of-line emission detection system which is hard to control engine’s high idle running,we propose an auto emission detect system based on OBD to control the engine’s double idle.The system consists of the emission detect software VCI system,emission analyzer and database server,etc.,which can control the engine’s speed precisely and realize auto detection.The test result shows that the system improves engine speed stability in high idle running detection,reduce detection time and lowers labor intensity,and improves the automation level of end-of-line emission detection.

Vehicle end-of-line,Double idle,Emission detection,Control system,OBD

車輛下線 雙怠速 排放檢測 控制系統 車載診斷系統

U467.4

A

1000-3703（2015）01-0048-04

國際合作項目(2012DFA11180)、廣西科技計劃項目(2014BA10089)和中央高校基本科研業務費專項資金（2013-VII-022）資助。