（动力机械及工程专业论文）基于智能手机的远程汽车故障诊断系统的研发与开发.pdf

摘要 随着汽车电控系统结构的日益复杂，电子系统出现故障的可能性也相对增 加，对故障发生原因和发生部位的判断也变得越来越困难。因此汽车故障诊断 检测仪已经成为汽车故障诊断过程中必不可少的工具，科研人员已开发出多种 基于o b d 的车辆故障诊断系统。本文针对目前车辆故障诊断系统的不足，以及 为满足未来远程化、网络化、智能化的故障诊断需要，研究并开发了一种基于 智能手机平台的远程汽车故障诊断系统。 本文通过对k w p 2 0 0 0 诊断协议的研究，基于o s l 分层模型架构，并根据系 统功能需求，提出了一种由v c i ，智能手机和远程服务器三部分组成的远程汽车 故障诊断系统技术方案。本文的主要研究内容和开发工作主要集中在v c i 系统 软硬件，智能手机诊断程序和远程服务器三个方面。 首先，根据k w p 2 0 0 0 诊断协议物理层、链路层和网络层的要求，对v c i 系统软硬件开展研究，建立了以1 6 位单片机为核心的嵌入式解决方案。通过设 计k 线接口电路和c a n 接口电路来分别实现v c i 和车载网络k 线及c a n 总线 的数据通信，通过集成蓝牙模块来实现v c i 和智能手机的数据通信，并设计单 片机监控程序实现对通信链路和业务逻辑的控制。 其次，基于n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 使用c 语言来开发智能手机诊断软件， 参考分层架构模型，将智能手机诊断软件分成表示层、业务逻辑层、数据访问 层和数据存储与管理层。对每层的原理和实现进行了研究，以及对系统的通信 机制进行了深入研究以解决蓝牙通信延时造成的诊断通信效率低下的问题。 再次，基于移动通信网络和i n t e r n e t 构建了远程诊断系统，通过在i n t e r n e t 上架设服务器，基于远程诊断服务请求和现场状况信息交互来实现远程辅助诊 断。对远程通信实现进行研究，并提出一种有效的远程通信实现方案。此外， 对远程服务端和智能手机端的诊断同步显示问题进行了研究，详细阐述了其实 现原理和相应的软件实现架构。 最后，对v c i 的通信链路、系统通信机制、智能手机诊断软件、p c 数据管 理系统和远程诊断功能进行了测试，其结果表明该系统能够满足实际诊断的功 能和性能需求。 关键词：车载诊断系统，诊断协议，智能手机，远程故障诊断 a b s t r a c t v e h i c l ee l e c t r o n i c sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e xw i t ht h ei n c r e a s i n gp r o b a b i l i t yo ff a i l u r ei ne l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s ，s oi ti sg e t t i n gh a r dt oj u d g et h ef a i l u r e c a u s e sa n df a i l u r ep a r t s t h e r e f o r e ，av e h i c l ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mp l a y sa ne s s e n t i a lr o l ed u r i n gv e h i c l ed i a g n o s i sp r o c e s s a n dr e s e a r c h e r sa l s oh a v em a d eg r e a te f - f o r t so nt h er e s e a r c ho fd e v e l o p i n gt h ev e h i c l ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m sb a s e do no b d ( o n - b o a r dd i a g n o s t i c s ) s y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed e f i c i e n c yo fc u r r e n tv e h i c l e f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，a n dd e v e l o p sar e m o t ev e h i c l ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do n t h es m a r t p h o n ep l a t f o r m ，a i m i n ga tm e e t i n gt h ed e m a n d sf o rar e m o t e ，n e t w o r k e d ， a n di n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mi nt h ef u t u r e a f t e rt h es t u d yo ft h eo b d p r o t o c o lk w p 2 0 0 0i sd o n e ，ar e m o t ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mi sp r o p o s e db a s e do n al a y e r e da r c h i t e c t u r a lm o d e lo fo s i ，w h i c hi sa na s s e m b l a g eo fav c i ( v e h i c l ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) ，s m a r t p h o n ea n dar e m o t es e r v e r t h i sp r i m a r yw o r ki nt h i sp a p e ri sf o c u s e do nd e v e l o p i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h ev c i s y s t e m ，d e s i g n i n gt h es m a r t p h o n ed i a g n o s t i c ss o f t w a r e ，a n ds e t t i n gu pt h e r e m o t es e r v e r f i r s t ，t h ep a p e rd e l i b e r a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fav c i ，a n db u i l ta ne m - b e d d e ds y s t e ma p p l y i n go f16 - b i tm c u ，a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fp h y s i c a la n d l i n kl a y e ri nd i a g n o s t i cp r o t o c o lk w p 2 0 0 0 t h eb u i l d i n gw o r ki sc o n s t r u c t e db yt w o p a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，i td e s i g n sak - l i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dac a nb u st or e a l i z e t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hv c ia n di n v e h i c l en e t w o r k s i nt h es e c o n d p a r t , i ti n t e - g r a t e s ab l u e t o o t hm o d u l et or e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hv c ia n d s m a r t p h o n e a tt h es a m et i m e ，as i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rm o n i t o r i n gp r o g r a mi s d e s i g n e dt oc o n t r o lt h ec o m m u n i c a t i o nl i n k sa n db u s i n e s sl o g i c s e c o n d ，r e f e r r i n gt ot h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r em o d e l ，t h es m a r t p h o n ed i a g n o s t i c s s o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do n n e tc o m p a c tf r a m e w o r kb y u s i n gt h ec 群一l a n g u a g e ， a n dd i v i d e di n t of o u rl a y e r si n c l u d i n ga p r e s e n t a t i o nl a y e r , ab u s i n e s sl o g i cl a y e r , a d a t a - a c c e s sl a y e r , a n dal a y e rf o rd a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t t h e r e f o r e , t h e p a p e r i n v e s t i g a t e st h et h e o r ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hl a y e r , e s p e c i a l l yt h ec o m m a n i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h es y s t e m ，a i m i n ga tr e d u c i n gn e g a t i v ee f f e c t sc a u s e db ya d e l a yo fb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n t h i r d ，t h er e m o t ef a u l td i a g n o s i ss e r v e ri sb u i l tu pb a s e do nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka n dt h ei n t e m e tb ys e t t i n gu pt h es e r v e ro nt h ei n t e r n e t o n c et h es m a r t p h o n e m a k e sap r i m a r yr e q u e s tt or e m o t es e r v e r , t h er e m o t es e r v e rw i l lr e s p o n dt ot h i sr e q u e s t i nt h ep r o c e s so fd i a g n o s i s ，i ti sb a s e do ni n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h er e q u e s t sf o r d i a g n o s t i cs e r v i c ea n dt h ei n f o r m a t i o no nt h es i t e h e n c e ，a ne f f e c t i v er e m o t et o m m u n i c a t i o np r o g r a mi sp r o p o s e da n dp e r f o r m e dt of u l f i l lt h er e m o t ef a u l td i a g n o s i s i na d d i t i o n ，af u r t h e rs t u d yf o rt h es y n c h r o n i z a t i o nd i s p l a yb e t w e e nr e m o t es e r v e ra n d s m a r t p h o n ei sd o n eb ye l a b o r a t i n gt h ei m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l ea n df r a m e w o r ko ft h e a s s o c i a t e ds o f t w a r e f i n a l l yt h i sp a p e rv e r i f i e st h es y s t e mb yt e s t i n gt h ev c ic o m m u n i c a t i o nl i n k ，s y s t e mc o m m u n i c a t i o n sm e c h a n i s m ，s m a r t p h o n ed i a g n o s i ss o f t w a r e ，p cd a t am a n a g e - m e n ts y s t e ms o f t w a r ea n dr e m o t ed i a g n o s t i c s t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a n m e e tt h ea c t u a lf u n c t i o n a la n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：o n b o a r dd i a g n o s t i c s ，d i a g n o s t i cp r o t o c o l s ，s m a r t p h o n e ，r e m o t ef a u l t d i a g n o s i s 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 采用化石燃料作为动力的汽车在运行过程中将产生大量的有害气体，这些 有害气体是大气污染物的一个主要来源。随着全球汽车保有量的不断增加，汽 车尾气污染也越来越严重。以目前全球l o 亿辆汽车计算，每年约排出1 1 0 吨 一氧化碳和1 8 1 0 5 吨氮氧化合物，这些有害气体将对人类、植物、动物和整个 自然界的生物链造成严重的危害，也成为汽车行业有待解决的主要问题之一【1 】。 在全球产业结构转移以及我国经济快速发展的背景下，我国汽车工业得到 了迅猛发展，汽车产量和保有量持续增长，早在2 0 1 0 年已成为全球汽车生产及 消费最大国( 见图1 1 ，图1 2 ) 。据统计，2 0 1 1 年我国汽车产量已达到1 8 4 1 8 9 万辆，销量为1 8 5 0 5 1 万辆，位居世界第一。截止到2 0 11 年8 月国内汽车保有 量己超过一亿辆，预计到2 0 2 0 年，将超过2 亿辆。不断增加的汽车保有量将导 致尾气污染越来越严重，汽车排放污染已经成为我国发展，特别是大中城市发 展过错中不可忽视的重大社会问题【2 】。据统计，在我国大城市大气污染中，汽车 尾气排放量已占大气总污染排放量的8 5 左右，在全球十大空气污染最严重的 城市中，中国城市占七个【3 1 。例如北京2 0 11 年机动车各污染物排放量的分担率 分别为c 08 5 9 、n o x5 6 9 、h c2 3 8 、p m l 0 为4 1 。 图1 1 我国近十年汽车产量 瑚誓雷 4 m 囊誓曩 c u 吣i l ：n 一 他i 4 溉i o 2 8 4 1 一主，、一曙一。o_r口k 武汉理工大学硕十学位论文 蓄面5 _ 0 6 7 缓 2 0 0 22 0 0 3 2 j 4 2 0 3 52 。62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 02 0 11 军 图1 - 2 我国近十年汽车保有量 在汽车不断发展的历程中，采取了各种技术手段来减少有害气体排放，车 载诊断系统( o n b o a r dd i a g n o s t i c s o b d ) 通过在车内电子控制系统内部增设故 障自诊断功能构成一个随车故障诊断系统来实时监测与排放的发动机运行参 数，能够间接减轻车辆尾气污染排放。它随着汽车电子控制技术的发展而逐步 完善，发挥着越来越重要的作用。电子控制技术作为提高汽车经济性、操控性、 舒适性、动力性和安全性的有效方法，广泛地应用在动力总成、车身、底盘及 汽车防盗系统上，发挥着无可替代的作用，是汽车工业发展的必然趋势【4 】。例如， 汽车动力总成电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t e c u ) 通过一系列传感器 来监测动力系统的运行情况，如转速传感器、空气流量传感器、曲轴位置传感 器、压力传感器、温度传感器等，e c u 将根据加速踏板的变化情况，按照预置 的控制策略控制喷油嘴，实现喷油定时和定量控制，以满足最佳空燃比的要求， 实现汽车动力性、经济性和排放性的完美统一【5 】。精确的喷油控制要求汽车必须 采用更多的电子部件，电子部件的增加将导致发动机出现故障的概率相对增大。 当部件出现故障时，发动机无法正常工作，从而影响喷油或者点火或者进气或 者废气再循环等。缸内混合气燃烧无法以最佳状态进行，这将导致尾气中c o 、 n o x 、h c 等有害气体或燃油蒸发排放中的一项或多项超标，严重的情况下甚至 导致发动机无法运行【6 】o 如果发动机长期运行在故障状态下，还可能对发动机的 寿命产生影响。 从2 0 世纪8 0 年代初期到至今，o b d 系统已从第一代( o b d i ) 发展到现 在广泛使用的第二代( o b d i i ) ，目前，第三代o b d 系统( o b d i i i ) 也在研 究和推广中【7 1 。o b d i i 的监测对象是电控汽车上的各种传感器( 如节气门位置 2 武汉理工大学硕十学位沦文 传感器、曲轴位置传感器) 、电子控制系统本身及各种执行组件，它能够及时 发现排放超标并迅速判断故障位置，并提供统一的诊断座、故障码和统一的诊 断模式等供外部设备诊断。通过故障码的指示，诊断人员可以判断故障的部位 和性质，为维修带来方便【8 】。 针对o b d 的重要作用，科研人员对o b d 诊断系统开展了深入的研究，并 取的一定成果。目前，各大厂商已经开发出多种与o b d 配套的诊断系统，并投 入到实际诊断过程中。这些诊断系统主要通过实时读取o b d 的诊断数据，现场 监测汽车的运行状态，并即时显示在显示设备上，为维修人员提供诊断参考。 目前的汽车诊断技术主要集中在本地诊断上。i n t e r n e t 的快速发展给汽车故 障诊断带来了新的机会，利用互联网上大量的故障诊断信息，通过建立在线咨 询的“故障诊断专家系统”，可以实现远程在线故障诊断【9 】。传感器采集到的数 据可以通过网络发送到远程诊断中心，由远程诊断中心对数据进行分析、处理， 最后将处理结果发送到诊断现场帮助故障诊断。可视技术能够使远在千里之外 的诊断人员像在诊断本地一样，对本地诊断人员进行面对面指导，实现远程在 线故障诊断【l 叭。 本课题综合了以上因素研究开发了一种基于w i n d o w s 智能手机平台的远程 汽车故障诊断系统。它不仅能通过本地实时监测汽车运行状况来辅助故障诊断， 而且能将汽车诊断数据和现场状况发送到远程诊断中心由专家进行远程协助诊 断，通过此系统汽车厂商还可以建立汽车故障信息管理平台，为企业故障信息 跟踪、处理及改进生产提供支持。 1 2 汽车故障诊断系统发展现状 与o b d i 相比，o b d i i 执行了更严格的统一标准，对诊断座、故障码和通 信协议进行了统一【i l 】。o b d i i 的出现为不同汽车生产商的汽车提供了统一的检 测方法，为开发通用型的汽车故障诊断系统奠定了基础。为了满足o b d i i 故障 诊断的巨大需求，许多汽车公司、专业故障诊断研发公司及高校研究并开发了 多种基于o b d 的汽车故障诊断系统。目前应用的汽车故障诊断系统按照结构和 功能可分为三种类型： ( 1 ) 故障码读码器； ( 2 ) 手持式专业诊断仪器； ( 3 ) p c 式故障诊断系统。 3 武汉理工大学硕+ 学位沦文 这三种类型都有明显的特征，表1 1 为几种典型产品的对比： 表1 1典型产品对比 类型 厂商型号硬件特征操作系统 ( 1 ) a c g o nc p 9 1 3 5嵌入式单片机解决方案未知 处理器：3 2b i t ，1 6 m h z ( 2 )v e t r o n i xt e c h 2 未知 外部存储：t y p ei ip c m c i a 处理器：3 2b i t ，4 0 0m h za r m 9 ( 2 )l a u n c hx 4 3 1l i n u x 外部存储：c fc a r d m d i ：处理器：i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0m d i ：l i n u x ( 3 )g mg d s p c ：取决于笔记本p c ：w i n d o w s 第一种类型为基于单片机的嵌入式终端。这种终端硬件结构简单，它通过 单片机直接和e c u 通信，读取故障码及汽车状态数据等。受限于单片机处理能 力和存储器容量，这种诊断仪仅能够实现简单的诊断功能，存在监测参数少、 显示范围窄、适用诊断协议少、无法保存诊断信息等缺点，无法满足进一步的 诊断要求。 第二种类型为手持式专业诊断仪器。手持式专业诊断仪器一般建立在a r m 硬件基础上，包含独立r a m 、大容量外部存储器、液晶显示屏和键盘等，一般 基于嵌入式l i n u x 或者w i n d o w sc e 平台设计。强大而完善的硬件配置和易于编 程的操作系统平台使它具有强大的功能和广泛的适用性，但也存在以下不足： ( 1 ) 成本高，手持式专业诊断仪器硬件和软件专门为汽车故障诊断设计， 只适合于专业维修使用，因此价格昂贵： ( 2 ) 体积较大，不便于携带； ( 3 ) 一般不具备网络功能，无法满足远程故障诊断的需要； ( 4 ) 缺乏数据库和文件系统的支持，难以提供完善的数据管理功能。 第三种类型为p c 式故障诊断系统，该系统主要由车辆通信接口( v e h i c l e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e v c i ) 系统和p c 组成，p c 通过v c i 与e c u 通信，由 p c 读取o b d 数据并实现数据解析及显示。该系统基于强大的p c 软硬件平台， 容易实现人性化的操作界面和强大的故障诊断功能，是较全面和专业的诊断方 案，同时p c 还可以连接至互联网，查询故障信息，搜索解决方案。在厂商建立 专门的远程诊断中心的情况下，本地诊断p c 可以通过数据共享、远程语音、视 4 武汉理工大学硕十学位论文 频等方法，在远程诊断中心的协助下实现远程故障诊断。p c 式故障诊断系统的 主要缺点是体积庞大、移动性较差，不便进行外地故障诊断及行车时汽车故障 监测。 远程诊断技术最早应用在医学领域。1 9 8 8 年，美国学者提出了远程医疗的 概念，它包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习等几个部 分。1 9 9 7 年，第一届基于因特网技术的远程诊断研究讨论会议在斯坦福大学和 麻省理工学院的共同推动下召开，会议对远程诊断系统连接开放式体系、诊断 信息规程、传输协议、用户权限及未来技术发展进行了探讨，并确定联合开发 基于i m e r n e t 的远程诊断示范系统【1 2 1 。这个系统很快就得到了b o e i n g 、f o r t 、 s e a g a t e 、i n t e l 等计算机业、仪表业和制造业大公司的支持。 1 9 9 7 年，华中科技大学也开始了远程诊断的理论研究，并将成果运用在汽 轮发电机组状态的远程监测问题中【b 1 。哈尔滨工业大学航天学院热能工程研究 所，在电厂内以大型汽轮发电机组为监测对象建立分布式监测诊断系统，通过 i n t e r n e t 将诊断系统与研究所和大学的诊断中心相连接，实现远程故障诊断。 远程故障诊断系统在汽车领域也得到一定发展，并取得了一些研究成果。 例如，在1 9 8 6 年，美国福特汽车公司开始研发故障诊断支援系统( s e r v i c eb y d i a g n o s i ss y s t e m - - s b d s ) ，该系统与维修企业的计算机终端连接，将车辆诊断 数据通过电话线网络传输到总公司的大型计算机，通过显示器显示诊断结果与 维修方案。1 9 8 6 年，美国通用汽车公司也开发了类似的电脑维修系统( c o r n p u t e r i z e da u t o m o t i v em a i n t e n a n c es y s t e m - - c a m s ) 。此外，日本丰田汽车公司也 开发了o a s i se d g ee d m 系统，它基于局域网和广域互联网来实现对诊断设备 和信息通讯功能的控制。 在国内，由于受到网络基础、经济和技术等条件的制约，这一领域起步比 较晚，发展缓慢，但是汽车远程诊断作为一种具有一定技术优势和经济效益的 诊断方法，具有广阔的发展空间。 1 3 研究目的和意义 随着科技的发展，智能手机软硬件变得越来越强大，智能手机在满足人们 基本通信功能的基础上发挥着更多的作用。依赖强大的硬件配置和易于编程的 软件开发环境，智能手机能够满足人们日常生活和工作中的多种需求，将继个 人计算机之后成为人们又一任务处理平台。同时在汽车领域，智能手机也能发 s 武汉理工大学硕十学位论文 挥出独特优势，本文的研究目标是利用智能手机平台对汽车进行故障诊断，其 不仅能提供本地故障诊断功能，而且能够利用移动通信网络实现远程故障诊断。 基于智能手机平台的远程汽车故障诊断系统与前几类故障诊断系统相比的优势 主要有六个方面： ( 1 ) 硬件配置强大决定诊断性能和诊断功能的硬件主要有c p u 、r a m 、 屏幕和外部存储，当前智能手机硬件配置高于手持式专业诊断仪器，能够完全 胜任现在以至未来复杂故障诊断的功能和性能需要。 ( 2 ) 自带通信模块智能手机能够方便的接入g s m 、c d m a 或者3 g 网络， 借助移动通信网络的无线数据业务，智能手机可以随时随地的连接到i n t e m e t ， 实现远程在线故障诊断功能。 ( 3 ) 开发环境友好无论是w i n d o w s 、a n d r o i d 还是l o s 平台，开发人员 都可以使用高级编程语言来开发诊断应用程序，相比于c 或者c + + ，高级语言 的使用极大的提高了开发效率，另外面向对象的语言架构更容易进行诊断软件 功能扩展和系统升级。 ( 4 ) 价格相对便宜智能手机的硬件和系统都不需要专门开发，而且智能 手机的广泛普及使得价格便宜，跟手持式专业诊断仪器和p c 式诊断系统相比具 有明显优势。 ( 5 ) 易于携带智能手机体积小重量轻，容易携带，更适合外地故障诊断 及行车时汽车监测。 ( 6 ) 智能手机普及率高无论是专业诊断人员还是车主都可以利用现有的 智能手机进行故障诊断和车辆运行状态监测，有利于推广和使用。 综合以上因素，本文提出了一种基于智能手机平台的远程汽车故障诊断系 统，它利用智能手机现有的硬件平台和软件开发环境，简化了汽车故障诊断系 统的开发过程，降低了成本，满足了汽车远程故障诊断的需要。 汽车远程故障诊断是未来的发展趋势。基于智能手机平台利用现有的移动 通信网络构建汽车远程故障诊断系统是一次迎合汽车故障诊断技术发展趋势的 有益探索。o b d i i i 系统也正在发展中，o b d i i i 的技术特点就是通过移动通信 网络，卫星或者g p s 将o b d 监测到的车辆实时信息自动发送到相关管理部门， 由管理部门进行远程管理，协助车主解决汽车故障，降低污染排放【h 】。由此可 见基于智能手机平台的远程汽车故障诊断系统也体现出第三代o b d 的技术特 点，是对第三代o b d 的探索和实践。 国内汽车故障诊断技术的研发工作起步较晚，与国外相比有较大的差距， 6 武汉理工大学硕士学位论文 为了提高我国电控汽车的故障诊断技术，必须对诊断标准及诊断实现开展深入 研究，对诊断技术的发展进行实质性探索。国内许多高校和一些汽车厂商也在 汽车故障诊断的研究与开发方面投入大量人力、物力，以期提高国产汽车的智 能化程度，减少汽车维修的难度和成本，所以研制具有自主知识产权的汽车诊 断系统已迫在眉睫，具有重要的应用价值。 1 4 研究内容及技术路线 本文的研究内容是基于智能手机构建远程汽车故障诊断系统，因此本文将 主要对以下四个方面内容做深入研究以解决在构建过程中面临的技术难题： ( 1 ) v c i 系统开发在研究o b d i i 工作原理、诊断标准及通讯协议的基础 上，通过设计v c i 系统来实现智能手机和汽车e c u 的数据通信。它将汽车o b d 的标准接口转换为智能手机支持的数据接口，将o b d 通讯协议转换为智能手机 能处理的信号协议。 ( 2 ) 智能手机诊断软件开发在智能手机终端进行软件开发，设计具有友 好用户界面、操作习惯和完善诊断功能的智能手机端诊断软件。智能手机诊断 软件是实现诊断功能的载体，它通过v c i 与汽车e c u 通信，获取汽车故障代码 及各种传感器信号。在获取到传感器数据后，能够以实时曲线、图表等方式将 信号直观地显示在智能手机屏幕上。同时提供数据储存与管理功能，将诊断数 据存储在智能手机外部存储器中，方便进行数据输出以供后期分析。此外，通 过在智能手机上建立故障码数据库和故障维修帮助数据库，以提供故障码搜索 和故障维修指导功能。 ( 3 ) 智能手机终端与服务器的远程数据通信在分析网络结构和相关协议 的基础上，对远程数据通信进行研究，以实现智能手机客户端与远程服务器的 之间的可靠、稳定数据通信，为远程信息交互提供支持。 ( 4 ) 远程诊断策略研究与远程服务器软件开发在研究诊断协议的基础上， 基于开放式系统互联( o p e l ls y s t e mi n t e r c o n n e c t o s i ) 分层架构，设计服务端软 件，实现远程诊断服务通信和数据处理显示，以及智能手机端和服务器的现场 数据交互。 本系统结构比较复杂，整个系统有由多个软硬件子系统和彼此之间的通信 链路共同组成，这些部分相互独立但又各自分工，共同完成系统功能。本文将 采用图1 3 所示的技术路线。 ， k 7 武汉理工大学硕士学位论文 ! ! ! 竺! 兰兰h 兰! 竺竺翌苎h 三塾竺竺竺竺翌苎h 兰! 竺竺翌竺翌苎 物理层测试 链路层网、网络层测 应用层测试l 远程通信测试 图1 - 3 技术路线。 首先在分析系统需求和诊断协议的基础上对整个系统的总体架构进行研究 与设计，采取各部分相互独立但又高效通信的原则确定每个子系统的功能及子 系统之间的通信接口，然后进一步设计每个子系统的架构。本课题研究内容包 括v c i 系统软硬件，智能手机诊断软件和远程诊断功能实现三大部分，对v c i 系统硬件，v c i 系统软件，智能手机诊断软件和远程诊断功能实现进行研究与开 发，最后对系统进行整合。在每个设计阶段都将严格根据功能需求和诊断协议 规定对物理层、数据链路层、网络层、应用层及远程诊断功能进行测试。在整 个系统完成后，在实际网络环境下通过实车进行系统总体测试。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统分析及整体方案设计 本文的研究目标是基于w i n d o w s 智能手机平台，利用移动通信网络实现远 程汽车故障诊断。它不仅能提供本地汽车监测和故障诊断功能，而且还可以把 诊断数据和现场状况实时发送到远程诊断中心，实现远程在线故障诊断，图2 1 是系统总体结构示意图。在本地诊断模式下，智能手机通过蓝牙与v c i 连接， 再通过v c i 与汽车e c u 通信，基于o b d 诊断服务来实现读故障码、清故障码、 读数据流等功能。在远程诊断模式下，智能手机通过2 g 3 g 移动通信网络与架 设在i n t e m e t 上的远程服务器进行数据通信，服务器通过控制智能手机与v c i 通信，由此建立服务器和e c u 的通信链路，然后通过o b d 提供的诊断服务来 进行实现读故障码、清故障码、读数据流等功能，同时将建立服务器和智能手 机的远程交互平台，实现现场状况和人员沟通的信息交互。 2 ( ；或网络 图2 1 系统总体结构 基于智能手机平台的远程汽车故障诊断系统应支持的功能主要有如下几 点： ( 1 ) 提供本地诊断服务在深入研究诊断协议的基础上，通过智能手机与 e c u 进行通信来实现诊断应用层服务，主要包括读故障码、读冻结帧、清故障 虽 绀i 弋多 武汉理工大学硕士学位论文 码、读数据流、动作测试、读e c u 标识信息等功能。这些功能与传统故障诊断 系统无明显差异，但会进一步研究其实现方式以提高诊断性能和诊断效率。 ( 2 ) 提供故障码查询及整合故障维修帮助手册通过一定方式建立故障码 数据库，实现故障码查询和显示功能。通过手机外部存储器存储汽车厂商提供 的故障帮助手册，并进行信息化管理，通过用户界面来提供检索和信息显示， 使诊断人员摆脱沉重的故障帮助手册。 ( 3 ) 生成故障诊断报告记录每次诊断过程中的相关信息，对车辆信息如 车辆图片、视频、车辆唯一标识码及诊断过程数据进行记录，以特定格式保存 形成车辆故障诊断报告，并最终保存到手机外部存储器上。该报告可以被导出 到p c 上进行管理，也可以直接通过手机以无线的方式上传到远程诊断中心，由 远程诊断中心进行管理。 ( 4 ) 诊断数据p c 管理功能自动记录诊断过程中产生的诊断数据，在诊 断完成后以特定格式保存到手机外部存储器上。通过p c 平台的数据管理软件， 提供p c 平台的数据分析和处理支持。 ( 5 ) 远程诊断功能利用2 g 3 g 网络将智能手机接入到i n t e r n e t ，建立与 远程诊断服务器的数据通信，基于智能手机客户端与远程诊断中心的信息共享 和故障诊断服务，由远程诊断中心协助智能手机客户端进行故障诊断。 2 1 诊断协议的研究与分析 诊断协议定义了诊断仪和e c u 之间的通信过程和诊断服务，是实现离线诊 断功能的基础和标准。汽车诊断协议历经几十年的发展，从各自为营到逐渐统 一，到2 0 世纪9 0 年代才逐渐形成了全球汽车工业界广泛认可的统一标准。在 1 9 9 9 年，国际标准化组织下的车载电气电子设备分委员会制定了k w p 2 0 0 0 ( k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 ) 诊断协议，它是目前相对比较完善，并被广泛应用的 一种诊断协议。它对车外诊断仪与车辆e c u ( 例如电控燃油喷射系统、自动变 速箱、防抱死制动、车身控制系统等) 的串行数据通信实现进行规定，提供了 丰富的诊断服务支持【1 5 1 。本文将基于k w p 2 0 0 0 诊断协议来构建远程汽车故障诊 断系统，通过深入分析其体系结构以及各子层的功能和技术特点，为开发v c i 、 智能手机诊断软件和远程服务器端软件提供支持。 k w p 2 0 0 0 最初只支持k 线通信，随着车载网络的不断发展，同一车载网络 e c u 数量的增加及e c u 与外界的数据交换量的增长，由于无法支持网络管理、 1 0 武汉理工大学硕+ 学位论文 通讯速率较低，k 线己无法满足车载网络的通信需求。控制器局域网络( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k - - c a n ) i 约诞生满足了大量数据高速通信的需要，其先天具有非破 坏性的网络仲裁机制、高通信速率和灵活可靠的通信方式等优点，受到汽车厂 商的重视并被应用在汽车控制、诊断和通讯方面【1 6 】。因此c a n 总线成为 k w p 2 0 0 0 另一种通信实现方式，并将具有广阔的发展前景。 2 1 1 基于k 线的k w p 2 0 0 0 协议研究与分析 i s o w d1 4 2 3 0 1 1 4 2 3 0 。4 共同构成基于k 线的k w p 2 0 0 0 协议标准，这些 协议与o s i 模型的对应关系如表2 1 所示。 表2 1k w p 2 0 0 0 协议与o i s 模型的对应关系 o s i 模型k 线c a n 总线 应用层 i s o1 4 2 3 0 3i s o1 5 7 6 5 3 表述层 n an a 会话层n a n a 传输层 n an a 网络层n ai s o1 5 7 6 5 2 数据链路层 i s o1 4 2 3 0 2i s o1 1 8 9 8 1 物理层 i s o1 4 2 3 0 1 ，i s o9 1 4 1 2用户选择 i s o1 4 2 3 0 1 对物理层( k 线、l 线) 进行了规定，它在i s o9 1 4 1 2 的基础 上把数据交换系统的1 2 v 电压系统扩展到2 4 v 电压系统【1 7 】。i s o1 4 2 3 0 2 是数 据链路层协议，它对链路层的报文结构、初始化过程、通讯连接管理、定时参 数和错误处理等内容进行了规定。k 线的报文由报文头、数据域和校验三部分组 成，报文头又由报文格式字节、目标地址( 可选) 、源地址( 可选) 和附加长 度信息( 可选) 共同组成【1 8 】，其具体结构如表2 2 所示。 表2 - 2 基于k 线的k w p 2 0 0 0 报文结构 报文头数据域校验和 f r e t t 舀1 )s r e l )l e n l )s i d 2 )d a t a 2 ) c s 最长4 字节最长2 5 5 字节1 字节 l e n l ) 一可选字节，取决于格式字节f m t 的a 1 a 0 位。 s i d 2 ) - - 服务标识码( s e r v i c ei d ) ，数据域的第1 个字节。 武汉理工大学硕士学位论文 在开始请求诊断服务之前，诊断仪必须先执行e c u 初始化操作，通过接收 e c u 的反馈报文来获取e c u 的源地址、通讯波特率、支持的报文头格式和定时 参数等信息。这些信息包含在e c u 的反馈“关键字”中，如图2 2 所示，“关 键字”为两个字节，低字节中各位的定义如表2 3 所示。 k e y b y t e1 ( l o wb y t e )k e y b y t e2 ( h i g hb y t e ) 工正匝王巫口j 丁 票 工 吁 l 跖 j l s bl 踞 i i s b 图2 - 2 关键字格式 表2 3 关键字低字节中各位的定义 b i t= o= 1 a l 0不支持格式字节中的数据长度信息支持格式字节中的数据长度信息 a l l 不支持附加长度字节支持附加长度字节 h b o 不支持一个字节的报文头 支持一个字节的报文头 h b l不支持在报文头中包含目标地址源地址支持在报文头中包含目标地址源地址 t p o 木) 采用正常定时参数设置 采用扩展定时参数设置 t p l 奉)采用扩展定时参数设置 采用正常定时参数设置 诊断协议规定了两种e c u 初始化方式5 b a u d 初始化和快速初始化，而 且规定了初始化的时序。只有完成初始化后，e c u 才能够响应诊断仪的诊断服 务请求。 i s o1 4 2 3 0 3 作为应用层协议规定了诊断服务的应用实现。诊断服务内容包 括诊断管理功能组、诊断信息传输功能组、数据传输功能组、输入输出控制功 能组、数据上载下载功能组、远程启动e c u 例程功能组和扩展功能组等【1 9 1 。 2 1 2 基于c a n 总线的k w p 2 0 0 0 协议研究与分析 基于c a n 总线的k w p 2 0 0 0 协议由i s o w d1 5 7 6 5 1 1 5 7 6 5 4 组成，这些 协议将k w p 2 0 0 0 的应用层服务移植到c a n 总线上。其中，数据链路层协议为 i s o1 1 8 9 8 1 ，网络层协议为i s o1 5 7 6 5 2 ，应用层协议为i s o1 5 7 6 5 3 。 i s o1 5 7 6 5 2 对网络层协议数据单元( 如表2 4 所示) 与底层c a n 数据帧 和k w p 2 0 0 0 服务之间的映射关系进行了规定。对于长报文多帧数据通信过程中 的同步控制、流控制、顺序控制和错误恢复等功能也提供了支持【2 们。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 表2 4 网络层协议数据单元格式 定义 名称 注释 源地址( s a ) 、目标地址( t a ) 、目标地址格 地址信息 n a 1 i ) 式( t a _ t y p e ) 平远程地址( r a ) 协议控制信息 n _ p c i 2 )包含四种帧格式，见表2 5 数据域 n d a m 3 ) k w p 2 0 0 0 服务- 标识符( s e r v i c ei d ) 服务参数 应用层协议规定了数据结构类型和数据结构的组成。图2 3 显