基于商用車的集成式診斷服務系統的研究

徐家明 劉雙平 牛方興

摘要：本文提出了一種基于商用車的集成式診斷服務系統。首先，介紹系統要實現的目標和業務需求;其次，系統方案設計采用“操作系統+應用APP”思想，并日從服務網絡平臺、軟件架構、診斷IDS數據庫、系統安全四個方面對系統方案進行深入分析;最后，對系統工程實現、系統驗證與應用進行詳細闡述。從用戶應用和反饋情況分析，該系統功能全面、維修指導性強、可擴展性高、界面友好、易于操作。

關鍵詞：集成式診斷服務系統;服務網絡平臺;軟件架構;診斷IDS數據庫;可擴展性

引言

隨著汽車電氣技術的發展，車載電控單元日益增多，如圖1所示為典型商用車控制系統網絡拓撲，總計有二十多個電控單元。電控系統越來越多，也越來越復雜，隨之帶來了汽車故障的定位和處理越來越困難。除了一些機械故障以外，出現了更多的電控系統故障，傳統的汽車診斷和維修的方法越來越難以滿足要求，迫切需要開發一款集成式診斷服務工具。目前現狀是診斷服務工具集成度不高、功能不足、不統一，為了解決這些問題，本文提出一種集成式診斷服務系統。

1 系統設計

1.1系統需求

1.1.1目標

系統主要有兩條目標如下：

1）建立集成式滲斷服務系統：覆蓋全部車型、涵蓋全部ECU控制器;覆蓋全部診斷功能;建立服務網絡平臺，形成實時在線ECU數據刷寫服務;系統具有可擴展性。

2）通過診斷服務系統，引導用戶養成良好的診斷習慣：建立豐富的“引導式”故障排查樹;建立綜合的專家診斷系統;根據車輛電控系統工作原理、特點、經驗知識，制定各種診斷策略，再通過遞進式、人性化界面，引導用戶進行故障排查，培養良好的診斷習慣。

1.1.2業務要求

集成式診斷服務系統需要在功能、用戶體驗、質量、安全、維護、通用性等幾個方面滿足用戶需求，如表1所示。

1.2系統方案設計

1.2.1服務網絡平臺

采用“互聯網+”理念設計服務網絡平臺，實現ECU數據在線刷寫服務、診斷軟件升級、以及遠程診斷、診斷回收等功能，如圖2所示，該平臺由診斷管理及監控網、診斷用戶戶網、適配器車載網三部分構成，技術特點如下：

1）診斷管理及監控網由服務器與監控平臺構成。用于系統數據存放、發布及管理;與用戶進行信息交互。

2）診斷用戶網以PC機為載體，通過有線或無線方式連接Intemet網與公司內部網絡進行信息交互，諸如在線下載ECU數據、軟件升級文件、在線上傳刷寫日志等。

3）適配器車載網由車輛和適配器構成，用于用戶與車輛進行信息交互，實現車輛的常規診斷、高級診斷、數據服務以及其它診斷功能等。

1.2.2軟件架構

本系統采用基于IDS數據庫的層次化與集成化的軟件架構設計，如圖3所示，設計為6層，分別為：①界面層;②業務邏輯層;③應用協議層;④傳輸協議層;⑤數據層;⑥共享工具集。

1）界面層

界面層指診斷系統人機交互界面。設計項包括登陸界面、診斷主界面、讀取故障界面、數據測量界面、執行器測試界面、功能測試界面、數據刷寫界面等各個子界面。這些界面主要實現診斷信息輸入、診斷操作、診斷結果輸出及顯示。

2）業務邏輯層

診斷邏輯層指實現診斷功能的診斷邏輯運算、診斷策略等。位于界面層及應用協議層之間，起承上啟下作用：對界面層觸發的各類事件進行管理;對界面層輸入的信息進行解析、運算及處理，數據以一定格式傳輸給診斷協議層;對應用協議層傳來數據進行解析、運算及處理，向人機界面顯示。

3）應用協議層

應用協議層指實現ISO 14229-1、ISO 15765-3、SAE J1939-73、ISO 14230-3、IS0 15031-5五大診斷協辦。每種協議軟件以動態庫的形式封裝，由業務邏輯層軟件調用。診斷系統覆蓋了商用車電控單元的現有非OBD診斷協議和OBD診斷協議。

4）傳輸協議層

傳輸協議層指實現ISO 15765-2、SAE J1939-21、ISO 14230-2、IS0 15765-4四大診斷協議。每種協議軟件以動態庫的形式封裝，由應用協議層調用。診斷系統覆蓋了商用車電控單元的CAN線和K線通訊協議。

USB驅動/藍牙驅動指在PC機系統的診斷平臺中實現適配器的設備驅動程序。USB驅動，藍牙驅動以動態庫的形式封裝，由傳輸協議層調用，動態庫的API接口函數執行SAE J2534標準。

5）數據層

數據層指實現診斷數據存取，數據層由數據模型、數據訪問、數據庫三部分組成。數據模型定義數據結構及數據相互關系。數據訪問指訪問數據庫的方法集。

6）共享工具集

共享工具集存放通用模塊，以使在其它層之間進行分享，其它層直接調用。

統一平臺，統一軟件架構，系統集成度高、系統成本低。

1.2.3 IDS數據庫

診斷離不開數據，需要大量后臺數據支持。針對每款電控單元ECU： ECU基本信息、協議數據、故障數據、信號測量數據、執行器測量數據、功能測試數據、記錄診斷信息等都是在診斷時所需要的數據。因此診斷數據管理、數據處理、數據安全就很重要。

本診斷服務系統創新設計一套具有自身特點的IDS（Integrated Diagnostic System）數據庫。如圖4所示，以常規診斷功能為例，每款ECU常規診斷基本包括4個方面內容：讀標識、讀故障、讀凍結幀（讀擴展幀）、信號測量，這4個方面的內容通過數據庫的形式實現存儲，設計4個表（寧段信息）、并且定義表與表之間關聯關系，這只需要一次性設計，后續新增ECU數據直接添加，按照關系數據庫機制對數據進行管理、訪問、存儲，更重要的是數據難以被破解，安全性大大提高。

依此類推，其它診斷內容例如執行器測試數據、功能測試數據、診斷信息記錄等也都通過診斷IDS數據庫機制進行數據管理、訪問、存儲。

1.2.4系統安全

本系統對診斷安全進行了多角度、全方位設計。系統設置了6個安全點、3個安全面。

6個安全點：①軟件安裝包，通過軟件激活碼和使用期限進行管控;②診斷功能，高級診斷功能須要通過安全算法;③ECU刷寫，通過授權管控;④業務數據，數據經過加密處理;⑤資源文件，文件經過加密處理;⑥訪問算法，全部采用*.dll動態庫形式。

3個安全而：①診斷軟件與適配器采用“互鎖”機制;②診斷數據全部通過IDS數據庫進行存儲與管理;③只支持“在線”ECU數據刷寫，刷寫完成后刷寫日志上傳CRM監控平臺。

2系統工程實現

2.1開發語言及環境

采用Microsoft .NET Framework3.5軟件開發平臺。為了更好的發揮開發語言優勢，提高軟件開發效率，采用Visual C# 2008與Visual C++ 2008兩種語言混合編程，而NET Framework開發平臺本身能很好的支持多語言開發。

2.2 系統程序結構

構建的系統在程序設計時以解決方案（ solution）的形式組織，一個解決方案可以包含多個工程（ project），各T程與分層式軟件架構中的各邏輯層相對應，詳情如表2所示：

2.3診斷軟件設計

診斷策略是診斷服務系統的核心，目前本系統設計400個多個診斷策略，并且今后還不斷新增和補充，這些診斷策略支撐著系統的質量和用戶使用效果。限于文章篇幅，以發動機壓縮測試功能為例進行說明。

典型故障現象：發動機怠速抖動。

原理和診斷流程，如圖5和圖6所示：禁止各缸噴油、啟動起動機、測量上止點之前和之后某一角度區間運行所需時間、間接評估每缸轉速，通過轉速偏差范圍評估發動機各缸氣密性。若存在漏氣，上止點之前活塞運動速度較快;若存在漏氣，上止點之后活塞運動速度較慢。

優點：無需機械方面工作，快速評估各缸機械特性。

可檢測故障：檢測氣缸機械方麗故障（如活塞環磨損）榆測氣缸漏氣。

依據偏差Δ1～Δ6是否在±5%區間內對氣缸氣密性進行評估，評估通過人機界面顯示診斷結果。

2.4 適配器驅動軟件設計

適配器軟件主要處理診斷儀和車輛ECU控制器之間的診斷數據，并將診斷數據傳輸給對應的接收方，根據傳輸的媒介不同，適配器需要分別處理USB通訊數據和藍牙通訊數據。如圖7所示，USB驅動程序在Windows操作系統中由上層的USB功能驅動和下層的USB總線驅動構成。

1） USB功能驅動負責接收SAE J2534的各種IRP，并將IRP分發給USB總線驅動。

2） USB總線驅動由操作系統提供，負責處理IJSB功能驅動下發的IRP，并完成與診斷適配器的通信。

3 系統驗證與應用

3.1臺架驗證

在臺架上進行如下幾方而測試：

1）正確性測試，測試結果與實際狀態的一致性。

2）操作界面及顯示界面的評估，程序界面的評估是基于操作人員考慮，在工作環境中滿足操作方面和讀取信息方便的原則。

3）測試運行時間。系統響應及實時性測試。系統實時性的要求是要求快速分析數據，達到實時顯示。對于提高工作效率和準確快速捕捉故障信息具有重要作用。

3.2實車驗證

實車測試主要檢測診斷軟件是否滿足要求，并初步實現各檢測功能準確性，確保可靠。實車測試進行功能檢測與需求分析是否一致。

1）功能測試主要有：常規功能測試、高級功能測試、數據服務測試、其它功能測試。

2）測試項是否包含齊全。

3）各功能邏輯順序是否按照設計要求進行。

4）診斷系統能否適應條件較差的工作環境，包括振動的、電子輻射。

5）診斷系統性能檢測、設備性能、是否死機、軟件是否有假死現象。

3.3 推廣應用

該套診斷服務系統在2015年起分批次推向市場，目前有幾百家用戶在使用。用戶給出了該系統集成度高、功能齊全、性能穩定、操作界面直觀、方便檢測與維修等評價。

4 結論

這套集成式診斷服務系統實現了對ECU故障進行全面、快速、準確診斷和排除;實現了ECU軟件和數據安全在線刷寫，以及診斷服務軟件安全在線升級。該套系統研制成功意義在于：

1）實現商用車電控系統的后市場服務從“人海-苦海戰術”到服務“網絡化”、“智能化”的根本性改變和大跨越。實現售后服務“三大”提升：①服務時效性提升;②服務質量提升;③用戶滿意度提升。

2）系統具有良好的兼容性和可擴展性，可以靈活的增加ECU應用APP和診斷功能，通過軟件升級的方式應對未來新車型的投放，大大提高了產品生命周期和應用價值。

目前該系統已經在車輛后市場批量投放使用，得到了用戶和售后人員的高度認可，取得良好社會反響，具有大范圍、大面積推廣應用條件和價值。

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