一種多功能故障診斷儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙文杰，張曉東，李 靜，董建奇

（北奔重汽（北京）汽車研發(fā)有限公司，北京 102308）

隨著整車電控系統(tǒng)的不斷增多，整車電控系統(tǒng)故障診斷各自分離，像發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、防抱死系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等，它們都有各自專用診斷工具，診斷工具品種多，傳輸協(xié)議不一致，連接接口不一致，診斷效率低。為了提高整車電控系統(tǒng)故障診斷效率，解決主機(jī)廠集成診斷的問題，在整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，基于控制器診斷協(xié)議以及主機(jī)廠故障解決經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合系統(tǒng)臺(tái)架、實(shí)車測(cè)試手段，開發(fā)一款診斷功能覆蓋全面、擴(kuò)展性強(qiáng)的多功能診斷儀系統(tǒng)，滿足主機(jī)廠和售后服務(wù)系統(tǒng)診斷需求。

1 整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

首先對(duì)北奔重型載貨汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析。目前北奔重型載貨汽車主要由車身總線和動(dòng)力總線組成。以北奔重型載貨某款車型為例，車身總線主要有組合儀表IC、車載終端TP、駕駛員門模塊TMFTMB、車身控制器CBCU等節(jié)點(diǎn)。動(dòng)力總線主要有發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMS、后處理單元DCU、防抱死系統(tǒng)ABS、變速器單元TCU、緩速器單元RCU等節(jié)點(diǎn)。根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及控制器診斷需求，車身總線、動(dòng)力總線以及部分控制器診斷總線均在整車OBD預(yù)留點(diǎn)位定義口。整車網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 控制器診斷協(xié)議分析

根據(jù)對(duì)不同廠家控制器的診斷協(xié)議調(diào)研，目前控制器的診斷主要有K線診斷和CAN線診斷。

2.1 K線診斷

K線診斷主要采用的是Keyword Protocol 2000（KWP2000）協(xié)議，采用ISO 14230標(biāo)準(zhǔn)。其OSI參考模型如圖2所示。

ISO 14230-1中規(guī)定了K線通信的信號(hào)和電氣特性，包括信號(hào)傳輸電壓、波特率、編碼方式等信息。根據(jù)對(duì)供應(yīng)商控制器診斷協(xié)議調(diào)研，K線采用的波特率為10 400b/s。

圖1 某車型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 KWP2000 OSI參考模型

ISO 14230-2中規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，包括報(bào)文結(jié)構(gòu)、初始化過程、通信連接管理、定時(shí)參數(shù)和錯(cuò)誤處理等內(nèi)容。KWP2000協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)由報(bào)文頭、數(shù)據(jù)字節(jié)以及校驗(yàn)和3部分組成。如圖3所示。

圖3 KWP2000報(bào)文數(shù)據(jù)格式

1）報(bào)文頭。最大由4個(gè)字節(jié)組成：①格式字節(jié)（Fmt）包含了報(bào)文的形式和形態(tài)信息。2個(gè)比特位（A0和A1）給出尋址信息，6個(gè)比特位（L0-L5）給出數(shù)據(jù)字節(jié)。②目標(biāo)地址（Tgt）指明向哪個(gè)通信節(jié)點(diǎn)傳輸信息。③源地址（Src）指出信息來自哪一條通信節(jié)點(diǎn)。④長度（Len）確定有用數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量，最大255個(gè)字節(jié)。目標(biāo)字節(jié)、源地址以及長度字節(jié)都與格式字節(jié)的參數(shù)有關(guān)。

2）數(shù)據(jù)域。每個(gè)報(bào)文可發(fā)送最高255個(gè)字節(jié)的有用數(shù)據(jù)，有用數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)總是服務(wù)標(biāo)識(shí)字節(jié)（Sid），之后緊跟著的是與該服務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)字節(jié)。

3）校驗(yàn)和。除校驗(yàn)和自己之外的報(bào)文中全部字節(jié)的模數(shù)值。

ISO標(biāo)準(zhǔn)中給出了2種初始化方法：5波特率初始化和快速初始化。目前控制器使用的是快速初始化。在快速初始化時(shí)，診斷儀發(fā)送1個(gè)喚醒模式（WuP）。該模式由一個(gè)25 ms的低電平和一個(gè)25 ms的高電平組成。在WuP發(fā)送完后，診斷儀發(fā)送10 400b/s波特率的通信服務(wù)，控制器回復(fù)1個(gè)包括關(guān)鍵字節(jié)在內(nèi)的主動(dòng)應(yīng)答。此后結(jié)束初始化，可以開始常規(guī)通信。如圖4所示。

圖4 K線初始化

ISO 14230-3規(guī)定了應(yīng)用層的服務(wù)規(guī)范，包括診斷管理功能組、數(shù)據(jù)傳輸功能組、診斷信息傳輸功能組、輸入/輸出控制功能組、遠(yuǎn)程啟動(dòng)ECU例程功能組、數(shù)據(jù)上載/下載功能組和擴(kuò)展功能組等服務(wù)。

2.2 CAN線診斷

CAN線主要采用的協(xié)議為UDS（Unified diagnostic services）協(xié)議。其OSI參考模型如圖5所示。

基于CAN總線的KWP2000協(xié)議，即ISO15765協(xié)議，其中ISO 15765-1為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，ISO 15765-2對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層，ISO 15765-3對(duì)應(yīng)于應(yīng)用層。在早期的版本中，ISO 15765使用的是ISO 14230的應(yīng)用層，在以后的版本中采用的是ISO 14229的標(biāo)準(zhǔn)。ISO 15765-3規(guī)定了服務(wù)命令的格式，沒有規(guī)定服務(wù)的具體內(nèi)容，ISO 14229-1規(guī)定了服務(wù)的具體內(nèi)容。基于CAN總線的UDS是在ISO 15765-3和ISO 14229-1兩個(gè)相關(guān)的協(xié)議基礎(chǔ)上定義的診斷服務(wù)。

在基于CAN總線的診斷協(xié)議中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用基于ISO 11898的CAN總線底層協(xié)議。調(diào)研的診斷協(xié)議中波特率分為250kb/s和1Mb/s兩種。采用物理尋址的方式。物理地址格式如表1所示。

圖5 UDS OSI參考模型

表1 CAN ID格式

網(wǎng)絡(luò)層15765-2中定義了數(shù)據(jù)的封裝與解封裝、分包和組包、多幀處理等問題。其中數(shù)據(jù)幀分為以下4種情況：單幀（SF）、首幀（FF）、連續(xù)幀（CF）、流控制（FC）。如表2所示。

表2 幀格式

應(yīng)用層采用ISO 14229-1和ISO 14230-3協(xié)議，主要定義了診斷服務(wù)功能，包括診斷服務(wù)管理、數(shù)據(jù)傳輸、輸入輸出控制、啟動(dòng)例程等服務(wù)。

2.3 總結(jié)

經(jīng)過調(diào)研，控制器診斷協(xié)議主要分為CAN線診斷和K線診斷。K線診斷的控制器在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都基本一致，在應(yīng)用層診斷協(xié)議有所差異。CAN線診斷的控制器在波特率和應(yīng)用層診斷協(xié)議有差異，其他基本一致。如表3所示。

在應(yīng)用層協(xié)議中，不同控制器使用的診斷服務(wù)不同，比如K線的控制器在讀取故障碼功能時(shí)，使用的服務(wù)有18（readDiagnosticTroubleCodesByStatus）和13（readDiagnosticTroubleCodes）服務(wù)。CAN線的控制器在讀取故障碼功能時(shí)，使用的服務(wù)有17（readStatusOfDiagnostic TroubleCodes）、19（readDTCInformation）和18（readDiag nosticTroubleCodesByStatus）服務(wù)。各控制器診斷服務(wù)的子服務(wù)也存在較大差別。

表3 控制器診斷協(xié)議匯總

3 診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及控制器診斷協(xié)議的分析，結(jié)合主機(jī)廠實(shí)際診斷需求設(shè)計(jì)診斷系統(tǒng)。

3.1 診斷系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)上述診斷協(xié)議分析，設(shè)計(jì)診斷系統(tǒng)診斷功能如下。

1）系統(tǒng)識(shí)別功能 診斷儀可以識(shí)別不同控制器的軟、硬件版本等信息。

2）讀取/清除故障碼功能 ①讀故障碼：診斷儀可以讀取控制器當(dāng)前故障和歷史故障；②清故障碼：通過診斷儀能夠?qū)崿F(xiàn)歷史故障的清除；③凍結(jié)幀：診斷儀可以讀取控制器故障碼的凍結(jié)幀。

3）執(zhí)行器動(dòng)作測(cè)試 診斷儀可以對(duì)電控單元發(fā)送命令，使其執(zhí)行負(fù)載動(dòng)作，對(duì)負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)。

4）控制器標(biāo)定 診斷儀能對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

5）數(shù)據(jù)流監(jiān)控 診斷儀可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控控制器端口信號(hào)的輸入輸出狀況。

6）數(shù)據(jù)刷寫 診斷儀可以實(shí)現(xiàn)控制器應(yīng)用層數(shù)據(jù)的刷寫。

7）故障維修指導(dǎo) 診斷儀配備整車電控系統(tǒng)故障維修數(shù)據(jù)庫，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，診斷儀可以給出相應(yīng)故障的維修指導(dǎo)，方便用戶排查故障。

3.2 診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)

診斷系統(tǒng)主要由PC軟件和硬件適配器組成。在診斷應(yīng)用模塊中，進(jìn)行控制器診斷參數(shù)（診斷協(xié)議、波特率、診斷方式、適配器參數(shù)等）配置，之后調(diào)用協(xié)議棧模塊進(jìn)行診斷命令請(qǐng)求發(fā)送，硬件驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)適配器發(fā)送報(bào)文與整車網(wǎng)絡(luò)中的控制器進(jìn)行信息交互，診斷響應(yīng)模塊根據(jù)控制器響應(yīng)命令進(jìn)行邏輯處理，之后將信息傳輸給報(bào)文解析模塊并向上層輸出顯示接口，最后界面顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)管理模塊用于用戶權(quán)限、控制器分類、診斷參數(shù)等信息管理。數(shù)據(jù)庫模塊用于診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。維修幫助模塊用于整車電控系統(tǒng)故障維修指導(dǎo)管理。系統(tǒng)框架如圖6所示。

3.3 診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 診斷系統(tǒng)框架

根據(jù)不同控制器的診斷協(xié)議以及診斷功能的設(shè)計(jì)，診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為適配器驅(qū)動(dòng)層、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層、業(yè)務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)顯示層和控制器業(yè)務(wù)顯示層。如圖7所示。

1）適配器驅(qū)動(dòng)層 將適配器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行二次封裝，輸出統(tǒng)一接口供上層調(diào)用。

圖7 軟件架構(gòu)

2）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的各種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)（各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)應(yīng)OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)），為上一層提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)調(diào)用接口。

3）業(yè)務(wù)邏輯層 實(shí)現(xiàn)讀/清故障碼、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)流、執(zhí)行器測(cè)試、參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)刷寫等各種業(yè)務(wù)的通信邏輯，并向上一層輸出顯示結(jié)果。

4）業(yè)務(wù)顯示層 UI設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)的顯示，供上層動(dòng)態(tài)調(diào)用。

5）控制器業(yè)務(wù)顯示層 實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、車型分類、控制器選擇等功能，并根據(jù)配置信息調(diào)用下層接口，顯示控制器診斷功能。

3.4 診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件適配器的主要功能就是對(duì)整車網(wǎng)路中CAN線、K線數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為USB數(shù)據(jù)或WIFI數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

根據(jù)控制器診斷協(xié)議分析以及整車控制器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)適配器。適配器一端通過USB/WIFI方式與上位機(jī)通信，另一端直接連接整車OBD口。適配器收到上位機(jī)發(fā)送的信號(hào)后，控制跳線器電路，將適配器的CAN/K路與所需的整車OBD口的CAN路/K路導(dǎo)通，隨后MCU即可發(fā)送CAN/K數(shù)據(jù)與整車網(wǎng)絡(luò)中的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 診斷系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過臺(tái)架和實(shí)車測(cè)試，多功能診斷儀系統(tǒng)可以根據(jù)需要與整車任意CAN/K網(wǎng)絡(luò)通信。設(shè)計(jì)的多功能診斷儀系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同廠家控制器的診斷功能，可以實(shí)現(xiàn)控制器信息讀取、歷史故障碼清除、故障碼查看、凍結(jié)幀查看、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)、執(zhí)行器動(dòng)作測(cè)試、參數(shù)標(biāo)定、控制器應(yīng)用層程序刷寫等診斷功能。多功能診斷儀系統(tǒng)配備故障維修系統(tǒng)，提供相關(guān)故障維修指導(dǎo)幫助，方便指導(dǎo)用戶快速維修故障。

5 結(jié)論

通過以上方法設(shè)計(jì)的多功能診斷儀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)不同控制器的診斷，實(shí)現(xiàn)北奔全系列車型電控系統(tǒng)的診斷功能。北奔多功能診斷儀系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性，可以快速增加新控制的診斷功能。目前北奔多功能診斷儀系統(tǒng)已經(jīng)批量應(yīng)用于北奔研發(fā)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和售后服務(wù)系統(tǒng)，有效解決了電控系統(tǒng)故障診斷問題，提高故障診斷效率，得到廣大用戶的一致好評(píng)。

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