毕业设计（论文）-基于OBD模式的车联网的研究.doc

北华航天工业学院毕业论文 毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目：基于 OBD 模式的车联网的研究 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 车辆工程 作者所在班级： B13141 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2017 年 5 月 31 号 北华航天工业学院教务 北华航天工业学院毕业论文 1 摘 要 对于中国提出的“中国制造 2025”概念，到现在的智能制造在悄然的改变着各行各 业，给汽车技术及行业的发展带来了一个全新的机遇和挑战。如今互联网发展进程加快， 还有移动互联网的发展，对于当今提出的车联网和智能汽车，这将会是值得研究的方向， 而且还会是汽车行业未来一个值得研究的新兴方向。 本文通过查阅大量的文献以及结合自己工作来完成。本文先介绍了 OBD(On-Board Diagnostic)车载诊断系统的发展历史及通信协议标准的分析，详细的介绍了 OBD 设备的 安装与调试，云端运营服务平台的搭建，重点研究了在汽车上安装 OBD 系统而实现的车 联网系统。给汽车安装 OBD 车载诊断系统作为了车与网络的桥梁，汽车业内人士将会广 泛的加以关注。该系统设备采集汽车的 ECU 数据、移动终端(如智能手机 APP)作为人机 界面，如果需要还可以在 OBD 系统里集成 GPS 模块，用此模块获取汽车经纬度数据信息。 然后通过移动通信网络将汽车数据传回到车联网云端服务中心，把车辆状况等数据信息 显示在手机或云端上，用户可以随时掌握车辆的状态信息，实现了汽车数据的可视化。 从而能够更好地掌握车辆信息，为人们提供便捷、安全、舒适的外出服务保障。 关键词: OBD 车载诊断系统 车联网 云端服务中心 桥梁 北华航天工业学院毕业论文 2 Abstract For Chinas Made in China 2025concept,to the present smart manufacturing quietly changing all walks of life, to the automotive industry has brought a new opportunity and challenges. Now the Internet development process is accelerating, as well as the development of mobile Internet, for todays car networking and smart cars, which will be worthy of research direction, but also the future of the automotive industry worthy of a new direction worthy of study. This article by reading a lot of literature and combined with their work to complete. This paper introduces the development history and communication protocol standard of OBD (On-Board Diagnostic) vehicle diagnostic system. It introduces the installation and debugging of OBD equipment and the construction of cloud operation service platform. It focuses on the installation of OBD system Of the car network system. To the car to install OBD vehicle diagnostic system as a bridge between the car and the network, the automotive industry will be a wide range of attention. The system equipment to collect the cars ECU data, mobile terminals (such as smart phones APP) as a man-machine interface, if necessary, can also be integrated in the OBD system GPS module, use this module to obtain car latitude and longitude data. And then through the mobile communication network to the car data back to the car network cloud service center, the vehicle status and other data information displayed in the phone or cloud, the user can always grasp the status of the vehicle information to achieve the car data visualization. Which can better grasp the vehicle information, to provide people with convenient, safe and comfortable out service guarantee. Key words: OBD vehicle diagnostic system； Vehicle Networking； Cloud Service Center； bridge 北华航天工业学院毕业论文 3 目 录 摘 要 .1 ABSTRACT .2 目 录 .3 第 1 章 绪 论 .4 1.1 课题研究的相关背景 .4 1.2 采集车辆数据信息的价值 .5 1.2.1 远程定位救援.5 1.2.2 运输车队调度管理.5 1.2.3 辅助汽车保养.5 1.3 OBD 车联网的研究现状 .6 1.3.1 OBD 车联网国外研究及发展情况 .6 1.3.2 OBD 车联网国内研究及发展情况 .7 第 2 章 OBD 系统 .8 2.1 OBD 系统及通信协议 .8 2.1.1 OBD 系统简介 .8 2.1.2 OBD 通信协议标准 .9 2.2 OBD 故障码 .14 第 3 章 车联网系统 .17 3.1 车联网系统的组成 .17 3.2 显示终端 .17 3.3 OBD 车载终端硬件 .18 3.3.1 OBD 标准接口 .18 3.3.2 OBD 车载终端硬件安装及调试 .19 3.4 云端运营中心 .25 3.4.1 云端服务器环境及软件 .25 3.4.2 云端服务器的搭建.26 3.5 云端平台的监控显示 .31 第 4 章 结束语 .33 4.1 研究工作总结 .33 4.2 本文的不足及展望 .33 致 谢 .35 参考文献 .36 北华航天工业学院毕业论文 4 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题研究的相关背景 在如今互联网技术和电子技术的大发展的时代，人们的生活会变得越来越便捷，会 大大的改变传统的汽车行业。当今社会的进步和经济的不断繁荣发展，人们对车辆的使 用愈加依赖。由于汽车尾气排放的废气对空气的污染很大，可怕的是造成的温室效应对 地球臭氧层的破坏是巨大的。如果能够用一种技术对汽车废气进行监控和采集其他的数 据信息，然后把采集到的数据信息传送到云端服务中心，对车辆的数据信息进行处理分 析，产生数据可视化的图表，让处在云端服务中心的监控人员，能够全面及时的知道汽 车的实时数据信息，比如汽车在行驶过程的路线、汽车的速度、发动机转速、耗油量汽 车状态等情况，更便捷地了解车况信息，能够更好对车辆进行有效的管理。 由于人不能及时知道传统汽车里的数据信息，人与汽车还不能建立信息的联系，要 想实现人与车的互联，对车辆能够更好的进行管理和调度，就必须使用一种技术来获取 汽车的各种实时数据信息。于是就产生了一种适应时代技术发展的车联网的概念。车联 网(Vehicle network)是一项新兴技术，即是将车辆连接到计算机网络，运用现代电子技术 把车辆的数据信息用电信号表示出来，并把这些数据发送到云端服务中心或者其他车辆 管理中心，做成车辆数据库，对未来交通系统的运行安全提供了强有力的保障，与此同 时会大大的提高交通系统的运行效率，从而实现更好地管理车辆。就当今汽车联网的实 现来看，大部分还只是获取汽车的数据信息，通过移动通信网络发送到云端服务中心， 而这只是实现了车与云端服务中心的数据互通。今天，汽车网络是汽车工业技术发展的 重要组成部分，以互联网为主题，汽车网络已成为汽车运输系统行业发展的重要方向， 并且呈现出上升的发展态势，汽车网络是一个很大的潜在市场需求，具有很好的发展前 景。 然而就在车与云端服务中心通信的形式下，我们就要有一套采集汽车数据信息的设 备，采集汽车上的各传感器和各大系统的数据，然后使用移动通信网络媒介传回到云端 服务中心，对采集到的数据利用计算机技术处理和分析，把这些数据能够充分的使用起 来，做成汽车数据库，极大的发挥数据在实际中产生实用的价值。该系统设备必须要具 备能够实现车辆数据信息的实时采集，并及时地发送到云端，并且要保证云端服务中心 的数据实时更新。 北华航天工业学院毕业论文 5 1.2 采集车辆数据信息的价值 从互联网技术的发展近年来，特别是提出物联网技术，我们可以轻而易举的想象未 来随着汽车网络技术的发展和普及，必然会改变人类出行的服务方式，为人类提供一个 更高效、便捷、功能完善的外出服务，形成一个覆盖全面交通系统的生态网络。收集相 关车辆数据信息，然后对数据进行分析，在实现汽车网络方面具有重要的实践价值。 云 端服务中心收集的车辆数据越多，车辆状况分析越准确。对大量汽车的数据用大数据分 析，在未来的智能交通领域也是具有重要的实用价值，主要有以下 3 个方面的实用价值。 1.2.1 远程定位救援 一个产品不会总是完美的，多少都会有些缺陷。汽车都一样，也会出现故障等问题。 如果车辆行驶过程由于发生故障而抛锚在道路上时，一般情况下，车主会打电话叫救援 车，这种做法是不是不经济，即浪费时间有不方便。 如果能够在汽车上安装一款实时采集车辆数据信息的系统设备，并且能够通过移动 通信网络传输到云端服务平台，维修人员通过访问这样一个平台就可以获取到车辆实时 的数据信息。如果发现车辆出现了故障，还可以看到故障码信息，这么一来，维修人员 就能根据故障码判断汽车故障的原因，并实施合理的求援方案，快速有效的提升救援服 务质量。 1.2.2 运输车队调度管理 为了便捷高效的提高人们出行服务质量，如今诞生了诸多的租车管理系统。租车管 理系统就是掌握了汽车的经纬度信息，速度等实时数据。这些信息在云端里，通过技术 处理实现了车辆数据的可视化功能，能够在云端服务中心地图上进行直观显示。然后再 结合人们出行的相应需求信息，监控人员在云端服务中心通过分析车辆的这些实时数据 和是否有需求信息，然后再合理的调度管理车辆。 1.2.3 辅助汽车保养 人人都想拥有属于自己的一款爱车，都会对自己的爱车进行这样或那样的保养。对 自己的爱车保养，就要全面的了解自己汽车里的数据信息，该车是否存在这样或那样的 健康问题。首先，通过系统设备采集汽车系统的相关数据，比如变速箱、发动机等数据， 北华航天工业学院毕业论文 6 然后通过网络发送到云端服务中心，在对自己的爱车进行维修保养时，维修服务中心的 人员能够根据这些采集到的数据，然后对车辆进行合理的辅助诊断和维修。 然后，在端云服务中心通过长时间收集车辆历史数据记录，然后通过端云服务中心 进行分析和计算后，向业主或车辆运输经理提供车辆维修建议。让车主及时知道汽车的 健康状况，安全的使用车辆。 1.3 OBD 车联网的研究现状 如今车联网的实现方式主要是在车上安装 OBD 系统的接口接入到汽车的 ECU 系统， 获取汽车的数据信息。 1.3.1 OBD 车联网国外研究及发展情况 人类社会进入电气时代以后，在汽车上安装这各种电子设备，就形成了一个很完整 的电子系统体系。汽车上本身就安装有各种各样的传感器，然后对这些传感器运行状态 的诊断，这就是当时汽车中使用的自诊断系统1。不过幸运的是 OBD 自诊断系统可以允 许外部设备通过 OBD 接口和 OBD 通信协议读取车辆内部系统的数据信息。早期的 OBD 系 统主要的目的是监控汽车尾气排放指标是否符合标准。随着汽车技术的发展，OBD 自诊 断系统拥有了自我诊断的能力，汽车的维修人员可以用手持诊断仪设备，连接汽车 OBD 诊断母口读取汽车 ECU 的数据信息，获取汽车发生故障时的状态数据以及汽车故障码信 息，从而利用这些信息分析出故障的具体原因。 OBD 是汽车车载诊断系统的简称，当初的设计它的目的非常简单，车辆在使用过程 中，用来检测汽车尾气排放与其排放控制相关的零部件状态信息2。19 世纪 80 年代的 美国，是 OBD 系统的发源地。美国为了控制汽车尾气排放，美国的加州大气资源局对当 时在加州销售的所有车辆必须装备车载诊断系统进行的规定，此规定于 1980 年开始实施。 这是最早的 OBD 系统，如今称作 OBD-I 系统。当时的 OBD 系统，仅仅包括氧传感器、废 气再循环系统、燃油供给系统和发动机控制这 4 个模块，这是由当时早期的 OBD 系统监 控范围小来决定3。美国在 1998 年为了监管机动车辆的尾气排放情况，当时的美国汽车 工程师协会由此为 OBD 制定了一个整套统一的且方便使用的标准，以此来管理和规范 OBD 系统的使用，这就是 OBD-II 标准4。OBD-II 标准的出台是为了便于对汽车尾气排放 情况的监控，强制要求各生产商采用统一的应用层协议标准，必须能够提供车辆的一些 基本信息以及当前发动机工作状况，包括发动机尾气排放状况5。维修人员只需要拿手 持诊断仪，接入汽车 ECU，就可以读取到车辆的各种数据信息。 北华航天工业学院毕业论文 7 1.3.2 OBD 车联网国内研究及发展情况 OBD 系统技术在我国的起步较晚。我国的国家环保总局于 2005 年 4 月 15 日颁布了 轻型汽车污染排放限值及测量方法(中国、阶段)(GB 183523-2005)，规定全 国国排放法规将于 2007 年 7 月 1 日开始实施，于 2008 年 7 月 1 日开始实施第 1 类汽 车需要装配 OBD 自诊断系统6。我国已经发布了规定 2007 年之后生产和出售的汽车都 必须装备上 OBD 自诊断系统，并符合欧 IV 标准7。我国是个人口大国，拥有 1.37 亿辆 的私家车，并且其中支持的 OBD 标准接口的车辆比例将远远超过 1 亿辆，这是截止到 2013 年底统计出来的8。 对于车载 OBD 系统的的最初设计，连接了汽车故障处理与人，给辅助维修人员带来 福音，方便他们对有故障的车辆进行的诊断和维修。市面上不同品牌的车的 OBD 接口位 置不同，但汽车上 OBD 接口通常都在汽车方向盘下方一个相对比较隐蔽的地方，还是比 较容易找到的。在车上预留 OBD 接口，目的是供给汽车修理厂技师对车辆做维修保养或 车辆发生故障时能够快速找出有故障的地方及故障原因。当今的汽车市场上，有 OBD 的 车载终端的产品，连接汽车母口的 OBD，以获取到汽车的 ECU 数据信息，然后通过在 OBD 内置的蓝牙、移动通信网络等媒介方式传给智能手机，在智能手机打开 APP 等界面的方 式提供给车主查看汽车当前的状况。 北华航天工业学院毕业论文 8 第 2 章 OBD 系统 2.1 OBD 系统及通信协议 2.1.1 OBD 系统简介 OBD 车载自诊断系统是检测汽车是否排放超标的废气的一种技术，对地球的空气质 量加以保护。OBD 车载自诊断系统可以监测到汽车的发动机、催化转化器、颗粒捕集器、 EGR 等数据信息，来判断汽车尾气排放的废气气是否超标。在汽车上使用 OBD 系统的好 处在于检测车主在用车时尾气排放的污染空气质量的有害的废气，是当今汽车尾气排放 管理的最有效手段之一2。OBD 车载诊断系统分为由诊断软件与传感器、执行器、外围 的诊断设备，它们一起共同组成 OBD 车载诊断系统9。OBD 车载诊断系统一旦发现监测 到与汽车尾气排放相关的某些部件发生故障，从而导致汽车排放废气的严重超标，此时 OBD 车载诊断系统就会马上发出警示，在发生故障的相应指示灯或检查发动机警告灯就 会亮起，这时候汽车的动力总成控制模块就会把故障信息存入到存储器，之后再通过解 码器就可以读出汽车的故障代码信息2。 20 世纪的 80 年代诞生了世界上第一代车载自诊断系统(即 OBD-I)，当时的 OBD-I 系统监控范围小。第一代 OBD 自诊断系统在最初的设计，没有太多的技术，也没有自检 的功能，如果汽车哪里出现了故障，仅仅通过适当的技术方式提醒驾驶员。OBD-I 车载 自诊断系统在初期时由于缺乏适用的统一标准，当时汽车使用的故障代码不同，而且也 没有标准的通讯协议等诸多不同特点。由于当时各个汽车生产厂家所生产的不同品牌汽 车甚至同一品牌不同车型之间的诊断系统协议没有达成统一的标准，因此第一代车载自 诊断系统并没有得到广泛的推广10。 第一代车载自诊断系统并没有得到人们广泛的运用。正是因为如此，在 1994 年在美 国就诞生第二代车载自诊断系统(即 OBD-II)，这是全新的另一代车载自诊断系统。第二 代诊断系统功能与第一代自诊断系统相比，它拥有的诊断功能策略会更加的复杂，而且 北华航天工业学院毕业论文 9 诊断系统的功能更健全，所使用的标准会更加规范。随后 OBD-II 很快就成为汽车故障 自诊断的统一的标准。不仅仅在美国有自诊断标准，其他各个国家也开始建立了自己的 汽车自诊断标准，如欧盟的 EOBD(Europe On BoardDiagnosis)标准、日本的 J-OBD 标准、 我国汽车配置的 OBD 系统标准要求类似欧盟 EOBD 标准等。 虽然 OBD-II 车载自诊断系统在对汽车排放起到了明显的控制作用，对汽车的排放还 不能做到及时监测。因此，OBD-III 系统诞生了。OBD-III 系统的进步之处在于增加了新 技术，比如利用无线通信方式来读取发动机、变速器和 ABS 系统 ECU 中的数据，将车辆 识别代码(VIN)、故障码和一些动态数据通过网络自动传送到交通管理部门，这样交通管 理部门可以实时监测所有汽车的运行状态和排放。但是 OBD-系统的应用可能涉及侵犯 用户隐私。所以仍有考察 11。OBD-车载自诊断系统技术估算在不久的时间会得到实 施，会纷纷的被各汽车制造厂商所采用。 2.1.2 OBD 通信协议标准 一般有以下几种通信协议： 2.1.2.1 基于 SAE J1850 总线的诊断通信协议 美国汽车工程师协议于 1994 在第二代诊断系统颁布了 J1850 标准12，J1850 标准 数据总线有低电平状态和高电平两种状态，J1850 标准分为两种数据位编码方法，下面 来讨论这两种编码方法。 (1)SAE J1850 PWM 编码方式 PWM(Pulse Width Modulation)是两条线路传送数据信息的方式是以差分电压方式进 行，被称为脉宽调制方式传输，其传输速率为 41.7Kbps； 针对两个处于由低电平往高电平过程的是第一位，且间隔时间不小于 Tp3 ，处在时 间为 Tp1 之后是由高电平忘低电平下降便，我们可以定义为逻辑”1” ，如图 2-1 所示。 图 2-1 PWM 编码方式逻辑”1” 针对两个处于由低电平往高电平过程的是第一位，且间隔时间不小于 Tp3，处在时 间为 Tp1 之后是由高电平忘低电平下降，我们可以定义为逻辑”0” ，如图 2-2 所示， 。 北华航天工业学院毕业论文 10 图 2-2 PWM 编码方式逻辑”0” (2)SAE J1850 VPM 编码方式 对于 VPW(Variable Pulse Width)的编码方式是采用了单条线路电压信号进行传输 数据的一种方式，称为可变脉宽调试方式传输。用该编码的方式对 OBD-II 系统的通信协 议进行编码，每 Kbps 的最高传输速度是 10.4，最多能挂载 32 个节点，传输距离最长可 达到 40m。 如图 2-3 所示，逻辑”1”可定义为：由高电平往低电平下降的时间间隔为 Tv2 的 为低电平或者由低电平往高电平下降的时间间隔为 Tvl 的为髙电平。 图 2-3 VPW 编码方式逻辑”1” 。 如图 2-4 所示，逻辑”0”可定义为：由高电平往低电平下降的时间间隔为 Tv1 的 为低电平或者由低电平往高电平下降的时间间隔为 Tv2 的为髙电平。 图 2-4 VPW 编码方式逻辑”0” 2.1.2.2 基于 KWP 2000 诊断通信协议 我们来介绍 k 线通信协议，是另一种 OBD-II 标准的通信协议,它是代表 Keyword Protocol 2000,即关键字协议 2000,也是 ISO 标准 ISO 14230 的工作名称。这是 OBD-II 系统的通信协议标准。基于 KWP 2000 的通信协议由三部分组成，第一部分是定义了物理 层。第二部分是对数据链路层的定义。第三部分定义了应用层。 (1)KWP 2000 物理层协议 KWP2000 协议的工作电压支持 12V 和 24V,是由一根具有 2 个正反方向的数据传输线， 能够向 2 个方向进行数据通信。 如图 2-5 所示。在数据的发送者总线上出现的电压小于 VB 的 20%，就定义为逻辑” 0”,这是针对数据的发送者来说；对于接收者总线上的电压小于 VB 的 30%，这是针对数 据的接收者来说。在数据的发送者的总线上出现的电压大于 VB 的 80%，这种情况是针对 北华航天工业学院毕业论文 11 数据的发送者来说；在数据的接受者总线上的电压大于 VB 的 70%，这是针于数据的接收 者来说。 图 2-5 KWP2000 逻辑状态电压 (2)KWP2000 数据链路层 KWP2000 数据链路层具体内容有通信数据格式、通信服务内容、错误处理方法，这 是 ISO14230-2 协议标准对数据链路层进行详细规定13。 1)通信数据结构 k 线的通信信息结构主要由三部分组成，即头部、数据字节和校验和。如表 2-1 所 示。 帧头部通信数据字节校验和 格式目标地址源地址长度服务标示 数据 校验字节 最大 4 个字节最大 255 个字节1 字节 表 2-1 K 线数据结构 2)通信服务内容 要建立通信服务内容比较多，汽车的 ECU 接收到启动服务请求的情况下，检查通信 的参数是否正确，正确就发送数据诊断服务，否则就重启配置参数。k 线的启动通信的 流程如图 2-6 所示： 北华航天工业学院毕业论文 12 图 2-6 通信的启动流程 (3)KWP2000 应用层 ISO14230-3 详细地说明了应用层实现的诊断通信行为，对此应用层共有六个功能组， 我们把六个功能组分为数据通信功能单元、故障诊断管理单元、接收发送功能控制单元、 故障码发送功能单元、远程启动程序单元、上传下载功能单元。 2.1.2.3 基于 CAN 总线的诊断通信协议 (1)CAN 总线的介绍 在汽车上的控制器局域网(CAN)，我们多多少少都有所耳闻，控制器局域网（CAN） 把车上各部分的系统和所有的传感器连成一个局域网的网络，方便对车上系统和传感器 的检查，它也是一种用于串行口的通信协议，能够有效地支持汽车里各系统等的安全， 加强对汽车的实时监控。在通信距离小于 40m 以下的情况下，控制器局域网每秒的通讯 传输可达 1 Mbit。如图 2-7 所示。 图 2-7 CAN 总线结构 北华航天工业学院毕业论文 13 如图我们可知，CAN 总线连接了车身内的众多 ECU 单元，在对 CAN 总线的数据格式 了解的基础上，可以从 CAN 总线上获取车身内部众多信息数据，比如水温、发动机转速、 故障码、油量、行驶里程等数据信息。 (2)CAN 总线物理层 对于 CAN 总线物理层，它的作用是根据汽车的所有电气属性的特征，并且 CAN 总线 能够实现在不同的多个节点之间进行位信息的实际传输。对于实现 CAN 数据传输有双绞 线、光纤等多种物理介质，其中最常见的物理介质是双绞线15。CAN 总线支持的网络拓 扑有多种结构，如按照几何图形的形状可分为树形拓扑、总线型图拓扑、星形拓扑、环 形拓扑和网状拓扑等 5 种拓扑结构。 CAN 数据传输总线是一种传送信号，它采用的是一种叫做差分电压信号的方法来进 行有效的传输。它有两条信号线（以双绞线为例） ，我们称它们为 CAN_H 和 CAN_L，在静 止的状态下电压均是在 2.5V 左右，在此状态的电压用逻辑”1”来表示，我们称为隐性； 当 CAN_H=3.5V 和 CAN_L=1.5V 的电压值时，用逻辑”0”来表示，我们称为显性16。 CAN 数据传输总线的物理层主要有四个部分组成：物理信号，介质访问单元，介质 接口，总线介质。CAN 总线仲裁方法的基本先决条件有 2 种信号，一种是叫做“隐性” 信号，一种是叫做“显性”信号，即当所有节点都是“隐性”信号时，总线介质就会处 于“隐性”状态；如果有某个节点发送了“显性”位信号，总线即是“显性”电平 17。 (3) CAN 总线数据链路层 CAN 总线数据链路层的主要作用是：在物理层对 CAN 总线数据传输的不可靠的情况 下，就会进行一种可靠传输，即数据链路层的数据，这就保证了 CAN 总线数据传输的可靠 性。要想实现这个目的，发送方要把数据的传输封装成数据帧，并按照一定顺序传输各 个数据帧。由于在物理线路传输的不可靠性，因此发出的数据帧有可能在传输的过程中 发生丢失数据帧或者不可预料的传输问题的情况，这就导致了有错误数据帧传被接收方 接受了。一旦接收方发现接收到的这一帧的数据是错误的，就会告诉发送方传输的数据 是错误的，发送方收到接收方的回复，这时发送方就会重新再发送这一帧数据帧，一直 到接收方能正确的接收这一帧数据为止。只有这样，数据链路层就把一条实际可能存在 出错的链路转变成对网络层来说是一条好像是不出错的链路18。 CAN 网络传输的过程中是以报文方式进行，在传输过程中会不断地向数据添加一些 额外信息，然后再封装成了 4 个不一样数据传输类型的帧，分别是数据帧、远程帧、错 误帧和超载帧的方式继续进行数据传输。 (4)数据帧 数据帧是由 7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应 答场、帧结尾。其中长度可以为 0 的场是数据场。如图 2-8 所示。 北华航天工业学院毕业论文 14 图 2-8 数据场 在 CAN 总线协议中用到了两种不同类型的数据帧格式来进行传输，一种是称为标准 帧格式(CAN2.0A)，另一种则是称为扩展帧格式(CAN2.0B)。标准帧标示符的长度有 11 位标示符，而扩展帧有 29 位标示符，这是 2 种帧格式的不同之处。如图 2-9，2-10 所 示。 图 2-19 标准格式的数据帧 图 2-10 扩展帧格式的数据帧 标志数据帧的起始是帧起始，仅仅是由一个单独存在的“显性”位组成。仲裁场包 括了 2 个，分别是标识符和远程请求标志位。控制场则包括了 4 位数据长度码和两个保 留位。数据场则是数据帧的最重要部分，是要发送的数据。CRC 场包括了一个叫做 CRC 序列，另一个叫做 CRC 界定符。由应答间隙和应答界定符这 2 个组成了应答场。数据帧 是以帧结尾结束，以此结束了数据帧的传输，并且由 7 个“隐性”位组成的标志序列。 (5)远程帧 不单单数据帧有标准格式和扩展格式，而对于远程帧来说，也有格式的标准和格式 的扩展这 2 种，由 6 个不同位场组成的远程帧。数据帧的 RTR 位是“显性” ，而远程帧 的 RTR 位是“隐性”的，这是它们 2 个帧的不同之处。远程帧没有数据场，数据长度代 码的数值为零是没有意义的。 (6)错误帧 北华航天工业学院毕业论文 15 接着介绍错误帧，比较简单，错误帧组成是场的组成。一个场用是在不同站的，并 且还在不同站提供了有错误标志的叠加。另一个场则是有错误数据传输的界定符。 (7)过载帧 最后是过载帧，它的组成包括了两个位场：一个是数据传输过载的标志，另一个则 是数据传输过载的如何界定符。 2.2 OBD 故障码 我们接下来讨论汽车 OBD-II 故障码，由不同数量不一样的字符符号就组成了 OBD- II 故障码，当中即包括有数字，也包括有字母。基于汽车 OBD-II 故障码，可以分为以 下两种表示：一种是通用故障码，另一种是专用故障码，通用故障码是所有车辆都使用 的故障码，专用故障码则是汽车生产厂家自己定义的故障码。对车辆进行故障诊断，手 持诊断设备先读取故障码后首先确定故障码是属于哪一类，然后再根据故障码所属的故 障类型进行故障诊断。如果诊断到的故障码以 P、B、C、U 开头，则属于通用故障码， 反之则属于专用故障码。 对汽车 OBD-II 故障码的构成进一步讨论，一般是由五位字母或者数字一起构成。 故障码的第一个字母是由 B、C、P、U 中的一个开头，其后紧跟的其他四位的是数字或 者字母19。我们可以根据 OBD-II 故障码的第一位字母的不同，以此来判断出是车辆的 哪个系统出现了故障。如果以 P 的故障码是电力系统出现故障描述的开始；故障码以 B 开头的则是描述汽车车身系统出现了故障；故障码以 C 开头的是描述底盘系统出现了故 障；以 U 开头的故障码则描述的是网络通信系统出现故障。 由数字 0-3 中的一个数字就构成了 OBD-II 故障码的第 2 位，表示诊断代码类别。 根据故障码的第 2 位中的数字，我们可以区分是采用了通用故障码还是专用故障码。如 表 2-2 所示。 0123 车身系统 (B 开头) 通用故障码通用故障码通用故障码通用故障码 底盘系统 (C 开头) 专用故障码专用故障码专用故障码专用故障码 动力总成系 统(P 开头) 专用故障码专用故障码通用故障码专用故障码 网络通信 (U 开头) 以后使用以后使用P3000-P33FF通用故障码 表 2-2 OBD-II 故障码的区分 北华航天工业学院毕业论文 16 由 09 中 10 个数的任何一个数字，或字母 AF 中的任何一个数字构成了 OBD-II 故障码的第 3 位，表示故障的系统识别。该第 3 位的故障码在多数情况下，我们可以知 道汽车一个重要的情况，那就是告诉我们汽车中的哪个系统出现了故障，方便了维修人 员对汽车故障的解决。如表 2-3 所示。 故障码诊断内容 1、2燃油与进气系统故障 3点火系统或发动机间歇熄灭故障 4废气系统故障 5车速、怠速控制系统故障 6ECU 或执行元件故障 7、8电控变速器控制系统故障 表 2-3 0BD-II 诊断码第 3 位数字代表的含义 最后说说汽车 OBD-II 故障码的第 4、5 位，由 0099 中的数字表示，两位数字一 起组合使用就构成了汽车 OBD-II 故障码的第 4、5 位，第 4、5 位表示汽车制造厂商具 体规定的两位序列代码。如表 2-4 所示。 P0116 电控系统英文代 码： P发动机和变速 器电控系统 C底盘电控系统 B车身电控系统 U网络通信系统 编码企业代号： 0为美国汽车工程 师学会定义的故障 代码；其他 19 为 汽车制造厂自行定 义的故障代码 SAE 定义的系统故障 代码： 1、2燃油与进气 系统故障 3点火系统或发动 机间歇熄灭故障 4废气系统故障 5车速、怠速控制 系统故障 6ECU 与执行元件 系统故障 7、8电控自动变 速器系统故障 原厂编码两位序 列代号：用 00- 99 数字表示 表 2-4 故障码各位数字/字母含义 北华航天工业学院毕业论文 17 第 3 章 车联网系统 3.1 车联网系统的组成 本章介绍车联网系统的组成，重点是介绍云端服务器和智能车载终端 OBD，车联网 系统是指通过在车辆上安装相应的车载终端设备，利用移动通信网络作为传输媒介，将 众多的车辆连接到计算机网络中，实现车辆网络化管理。采集车辆的各种所有工作情况 和动态、静态信息，并发送给云端，实现在云端对车辆的监测和调度。车联网系统分为 三大部分：第一部分是用于在车上安装的车载智能终端；第二部分是用于处理采集和监 测车辆信息的云计算处理平台；第三部分是用于显示车辆数据信息的显示终端。根据不 同行业的需求对不同车辆的不同功能需求自行调整车联网系统，能够有效的监控管理车 辆的调度。如图 3-1 所示， 图 3-1 OBDOBD 车载智能终端结构图 下面分别介绍这 3 大部分： 3.2 显示终端 显示终端手机APP(苹果，安卓等)，手持诊断仪。手持诊断仪如图3-2所示。 北华航天工业学院毕业论文 18 图3-2 手持诊断仪连接车辆的ECU 主要负责：连接汽车OBD的母口，在显示终端上显示OBD系统读取到汽车ECU数据信息， 把读到的汽车数据或者用户的某个行为数据传给云端，让云端进行数据分析，还可以接 收云端的数据请求和输入的控制指令。 3.3 OBD 车载终端硬件 3.3.1 OBD 标准接口 OBD-II 系统采用的的接口是一个统一形状的通用标准接口的倒梯形插座，并且该接 口的编号为 16 针插孔，它还具备有数据传输功能，我们简称为 DLC（Data Link Connector 的简写） 。任何 OBD-II 系统的标准检测仪器都可以通过这个接口读取汽车的 ECU 数据，如汽车发生故障的故障码、仪表盘数据、安全相关数据。对于 OBD-II 系统协 议标准，不同汽车厂商针对 OBD-II 系统制定了不一样的协议标准，并且由于汽车厂商对 于 OBD-II 系统协议的保护，部分协议的数据并没有向大众公开，这部分的协议我们称为 私有协议数据。如果想使用汽车的私有协议数据，得由该汽车厂商的授权才能访问和使 用私有协议数据。一般汽车上的 OBD-II 系统接口安装在驾驶员方向盘下方的位置、而 且还接近驾驶员膝盖处相对隐蔽的一个地方，其 OBD-II 标准接口分布见图 3-3。 北华航天工业学院毕业论文 19 图 3-3 OBD-II 标准接口 各个针脚功能定义如下： (1)数据传输线。第 2 针和第 10 针为符合 SAE J1962 标准的数据传输线：第 7 针和 第 15 针为符合 ISO 9141 标准的数据线。 (2)电源线。第 16 针为蓄电池正极，第 4 针为车身地线(即搭铁)，第 5 针为信号地 线。 (3)自定义线。其他针没有明确规定，由厂家自行定义功能。 3.3.2 OBD 车载终端硬件安装及调试 主要职责： 1)连接汽车ECU，读取汽车CAN总线的数据； 2)接收外置传感器的信号； 3)可以接受来自智能手机和云端发出的控制指令，如开关门、鸣笛等。 OBD 设备结构，如图 3-4 所示。 北华航天工业学院毕业论文 20 图 3-4 OBD 设备的结构 各模块说明： 控制模块：有专业车用 ARM 微处理器(STM32)组成，负责协调各应用模块实现本产品 所需的各种应用功能(开关门，自动锁车)。 电源模块：接收输入的电源是 9-36V，输出各种本产品需要的各种电压，此模块还 具备检测输入电压功能，实现外部电压实时监测。 通讯模块：实现与后台系统的实时无线通讯功能，将车辆当前的状态上报云端，并 接收云端的控制指令进行开门、关门、灯闪、车辆租用和还车功能 定位模块：通过全球卫星定位系统实现对车辆的实时定位功能。采集车辆当前位置。 存储模块：存储车载设备的各种设置信息、实时采集的位置信息和状态信息(行驶里 程、开门状态、大灯状态、ACC 状态等)、接收并存储各种控制信息和订单信息。 OBD 通讯接口：具备通过车载 OBD 接口采集车辆的各种状态信息，并发送控制指令 控制车辆开关门、鸣笛等。 CAN 总线接口：具备专用 CAN 总线扩展接口，可以通过车载其他总线对车辆进行信 息采集和控制操作。 包括： OBD 连接线，物联网卡，Smartbox 主机，通信天线，定位天线。 试验车采用的北汽某款的新能源电动汽车作为测试车，其 OBD 故障诊断接口在方向 盘下，靠近门的位置。首先连接上汽车的 OBD 母口，如图 3-5 所示 北华航天工业学院毕业论文 21 图 3-5 连接汽车 OBD 母口 接着插入物联网卡如 3-6 所示： 图 3-6 物联网卡的放置 定位天线的作用是与卫星建立通信，获取车辆的经纬度信息，通信天线的作用是把 经纬度通过移动通信网络发回到后台，由此可以在后台知道车辆的地理位置。定位天线 和通信天线的安装，如图 3-7 所示 图 3-7 定位天线和通信天线 整体的安装效果，如图 3-8 所示 北华航天工业学院毕业论文 22 图 3-8 OBD 设备安装完整的效果 至此，相应的硬件安装准备完成，稍等一会，等通信灯和定位灯都亮起了，就可以 在后台看到车辆在线。可以读取车辆的信息，如电量，返回车辆的地理位置信息给云端， 同时还可以接收云端后台对车辆发出的控制请求指令，如开关车门、鸣笛等动作。 3.4.1.2 车载终端在云端后台不能显示的的原因及解决方法： 1.通信灯不亮的解决 (1)物联网卡是否重新激活： 在别的车辆安装此套设备时，插入物联网卡前，要告诉后台的人员，让后台的人员 先把卡激活，激活后再插入设备中，稍等一会，看看通信的灯是否亮起 。灯还不亮，就 接着换另一种解决方法。 注：物联网卡有 13 为数字，只有流量，不能拨打电话和发短信，普通的手机卡有 11 位 数字，既可以拨打电话，又可以发短信。 (2)设备出厂时的 IP 与新服务器冲突 设备出厂时烧写的 IP 与原来的服务器已经做好了绑定，若更换了服务器，新的服务 器就不能与设备互相进行通信，因为设备一直都在向旧的服务器请求通信，而设备一直 得不到旧服务器回复，设备就这样一直重复着。而换上新服务器后，新服务器向设备发 出的请求得不到回复，因此设备就不能与新服务器之间相互通信，就会造成通信灯不亮。 所以解决设备与服务器冲突的方法就得改设备的 IP，有 3 中方法可以改：后台，发 北华航天工业学院毕业论文 23 短信，重新烧写 IP。面对这种情况，后台是不能解决了，只能选择发短信或重新烧写 IP。下面介绍重新烧写 IP: 准备