Telematics车辆终端远程诊断服务设计.doc

Telematics车辆终端远程诊断服务设计孙瑜(上海交通大学软件学院 上海 200240)摘 要：论文研究了基于Telematics技术车辆远程诊断服务在车载终端中的设计工作。首先分析了Telematics车载终端各模块的构成；然后对于车辆诊断服务总体设计进行研究，分别从车载终端的结构、电子和软件各部分进行设计。论文在iMX35芯片架构上进行软硬件设计和实现，最后对远程诊断各模块之间通讯进行验证。通过试验测试和实际应用测试表明，在基于3G无线网络下Telematics车载终端能够正确地与后台服务器进行通讯并执行远程诊断功能。 关键词： Telematics；无线网络；车辆总线；诊断DEVELOPMENT OF A VEHICLE DIAGNOSTIC SERVICE ON TELEMATICS CONTROL UNITSun Yu(School of Software, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240)【Abstract】The vehicle remote diagnostic service on Telematics Control Unit research was proposed in this paper. The paper researches each component of Telematics Control Unit firstly. The remote vehicle diagnostic service overall design was proposed and Telematics Control Units Mechanical, Electronics and Software design are studied. Taking the hardware and software reach with iMX35 chipset as reach stubjet, this paper is a study of telematics control unit communication module realization. Validation tests are shown that the Telematics Control Unit and TSP Server can commination successfully and realize remote diagnostic service via 3G wireless networks.【Key words】Telematics; Wireless Network; Vehicle CAN BUS; Vehicle Diagnostic Service1. 引 言Telematics是由Telecommunication和 Informatics所缩合成，即远程信息服务或无线数据通讯系统, 是一项通讯技术与汽车技术结合产生的一门新兴科技。主要的作用是通过通讯网络为车辆驾驶者提供安防和多样化的信息服务，以及为车辆提供诊断和保养服务。车载终端是实现Telematics各项应用和服务的车载模块，它能够利用内置的GPS设备接收位置信息并通过无线通讯网络与远程服务中心建立双向数据通讯，同时通过车内通讯网络接收各种电子模块的状态信息，远程服务中心即可以随时了解车内各模块工作运行状况。据统计，目前车内各种电子产品分布情况为：动力系统占37%, 车辆安全控制占24%,车辆与悬架系统占16%，娱乐占12%，舒适占11%1，各大汽车生产商也一直在研究和探索各种增加汽车驾驶安全和舒适系数的技术。车辆诊断也成为了一项车辆安全保障的技术，只要通过特定的诊断设备便能够诊断和分析车辆上所有的电子模块工作情况，并且能够解决部分电子模块的故障。 Telematics系统为安装在车上的信息系统交互系统2，该系统通过全球定位系统（GPS）和无线通讯网络，向驾驶员和乘客提供交通信息、安防功能和互联网应用。在Telematics系统上实现的车辆诊断技术则是通过无线通讯网络，实现远程监测车辆异常，实时报告车主车辆的故障和提醒车辆电子模块可能出现的潜在安全风险。Telematics系统中的远程诊断服务，可以减少车厂对汽车保修的成本，同时可以利用统计后的诊断数据进行分析，以提高汽车设计和弥补当前车型在设计上的缺陷；与此同时，也为车主提高了车辆维修和监测的便捷性。2. Telematics系统车辆诊断服务的总体设计2.1车载终端总体框架设计Telematics系统终端的车辆诊断服务总体设计依托CDMA 1X EVDO空中数据传输技术，考虑软硬件实现的可行性，实现车身诊断系统、Telematics系统终端、TSP的车辆远程诊断功能。总体方案经过反复推敲论证，确定了以飞思卡尔 i.MX系列为Telematics系统终端的主芯片，并选择低成本、高性能的飞思卡尔16位微控制器S12X系列作为终端与车身网络的接口芯片和美国高通公司的QSC6085作为终端网络通信模组的主芯片。终端系统的基本组成是由车身网络接口芯片将车身诊断信息上传到主芯片，再由主芯片进行解析后通过网络通信模组接入空中，将诊断信息上报到TSP。Telematics系统车载终端内部主要模块构成如下图1所示。图1 Telematics系统框图2.2车辆远程诊断服务软件功能需求分析Telematics车载终端远程诊断服务软件的功能主要是实现车辆诊断数据上传到后台TSP，用户可以根据自身车辆不同的情况接收到后台服务人员关于车辆维护保养的建议和以及其他远程诊断的相关服务，具体满足以下几方面功能：（1） 多种远程诊断服务接口Telematics系统终端外部的接口可以有空中、车辆、DVD多媒体播放器，所以提供给用实现Telematics远程诊断的操作方式为与后台、车辆诊断仪、DVD多媒体播放器。（2） 在线同步远程诊断服务当用户在使用车辆过程中，不明白仪表盘上出现的故障代码提示或者发觉车辆有异常但车内却无报警提示，用户可以选择按下Telematics系统终端的电话按键（如：I-Call），当电话通过Telematics终端的网络接入模块（NAD）连接到后台呼叫中心后可以询问故障情况；呼叫中心下发短信通知终端上传车辆的诊断数据，当呼叫中心得到诊断数据后发送到车厂诊断数据库进行比对，然后在线告诉用户当前车辆诊断情况。（3） 异步远程诊断服务Telematics系统终端根据软件预先设定的诊断计划参数，定期向车辆总线获得诊断数据，然后转换成特定的诊断报告；整个诊断数据收集和发送的过程无需用户参与，后台TSP在得到诊断报告后发送到车厂数据库中进行分析，最后用户可以定期得到一份自己使用车辆的诊断报告。（4） 在线配置远程诊断参数基于异步远程诊断服务的基础上，Telematics系统终端可以支持动态更新诊断计划参数；后台TSP可以随时通过空中网络下发远程诊断参数到终端，终端在得到这些参数数据后，经内部检验无错误时，自动更新软件设置。（5） 自动生成错误报告当Telematics系统终端自身在向车身收集诊断数据时出现错误并无法自我修复时，自动生成错误报告并自动上传到后台TSP，后台可根据情况电话通知车主到4S店检修Telematics系统终端是否存在故障；（6） 多种诊断协议考虑不同车厂采用不同的诊断协议，软件设计内部同时支持了UDS和KWP2000两套诊断协议，当在决定生产前只需将不要的诊断协议部分屏蔽掉。3. Telematics车载终端硬件设计3.1 结构设计Telematics系统车载终端一般都安装在车内座椅下或手操箱内，硬件设计结构需要满足体积尽量紧凑、防震、达到车内元器件散热要求；在电子设计上需要满足各种车内元器件实验标准，具有低功耗、抗干扰、低辐射。图2 结构示意图根据图2结构示意图所示，终端系统的结构尺寸是188（长）x100（宽）x36（高）毫米。如果采用塑料外壳，则整个重量大约在250克；如果不同车厂对于散热要求特别高，可以采用金属外壳，则整个重量约在450克。终端的重量不同，将会影响到它在车内的安装位置及是否能满足车厂对于车内器件的震动要求；如安装在车内手操箱中，推荐采用塑料外壳，因为整个手操箱都是采用塑料支撑，重量超过250克的Telematics系统终端将无法满足基本的震动实验要求，对于使用性上将带来很大危险。主板上采用了32Pin的主连接器，主要连接车身系统和DVD多媒体播放器，具体连接信号参考电子设计部分；其他连接器还包括主板上USB连接器、网络接入模块主板上的GSP天线连接器、3G天线连接器。3.2 电子设计Telematics系统车载终端在电子设计上需要满足各种车内元器件实验标准，具有低功耗、抗干扰、低辐射。图3 电子框图根据图3 系统电子框图定义，Telematics系统终端在硬件电子设计中包含以下几个模块：（1） 主芯片i.MX31（2） 车身接口控制芯片S12（3） 网络接入模块（NAD）（4） 高速CAN驱动（5） 低速CAN驱动（6） 电源管理芯片（7） RAM：DDR2 RAM（8） Flash：NANDMC9S12芯片主要功能是负责连接外部设备（车身系统）与内部各个模块之间的通讯以及电源管理3。MX35系列属于系统级芯片(SoC，system on chip)，它在整个Telematics终端中负责所有系统资源的操作、调配、运算；负责数据存储4。考虑到Telematics系统各种服务都需要及时响应性，论文设计RAM数据存储采用DDR2，因为 DDR2与DDR相比在内存模块速度相同的情况下，可以提供相当于DDR内存两倍的带宽，它可以实现并行存取，在每次存取中处理4个数据而不是两个数据。 同样，对于静态数据存储也许要采用高写入、高擦除 的NAND FLASH5-6。 网络接入模块（NAD）处理所有的音频信号，麦克风声音的输入直接进入NAD后再由NAD输出到外部扬声器。安全气囊报警信号作为一个I/O信号直接输入到车身接口控制芯片S12，如果车辆发生撞车事件，紧急呼救电话服务由主芯片i.MX35自动发起。系统同时配备高速和低速CAN驱动，用来满足从车辆的动力传动系统和车身系统不同ECU的诊断信息数据。3.3 电源管理设计Telematics系统终端硬件电源管理的任务是由车身控制芯片S12上电源控制逻辑模块处理，电源管理分为3种模式，如下图4所示：图4 电源管理模式（1） 正常工作模式：所有模块都处于全供电状态；（2） 省电工作模式：当车辆处在熄火阶段为了节省整车电流消耗，Telematics系统终端将主芯片i.MX35电源供电切断；只保留车身控制芯片S12晶振电流和网络接入模块（NAD）供电电流。（3） 休眠模式：当车辆常时间处于停止状态，如车主将车辆长期停放在停车场中并不需要Telematics服务，系统终端仅保留车身控制芯片S12晶振电流。4. Telematics车载终端软件设计4.1 软件开发模式介绍软件开发采用基于宿主机、目标机（Load box）和开发板（Development Board）体系的开发模式（如图5所示），系统中宿主机位Inter X86处理器，而目标板是ARM1136JF-S内核处理器，所以必须采用交叉编译的方式。图5交叉编译环境示意图论文采用的交叉开发环境为开源软件GNU工具链，主要由下列交叉工具链组成7：（1） GNU Binuntils：用于操作二进制文件的使用程序集合，包括诸如ar、as、objdump、objcoy等使用程序；（2） GCC：GNU的 C和C+编译器，利用gcc命令可同时编译并链接C和C+程序，然后用汇编语言的编译器as编译成目标代码；（3） uClibc:所有用户使用程序都将链接到的精简的C库，避免使用任何C库函数的内核和其他应用程序，它可以在没有该库的情况下进行编译；（4） gbd：GNU的C和C+调试软件程序的工具，它能在程序运行时观察程序的内部结构和内存使用情况，可以设置断点以程序在指定的代码行上停止执行，还支持但不执行等。4.2 远程诊断服务软件设计实现Telematics系统车载终端车辆诊断服务软件模块需要由CAN物理层驱动（CAN Physical Layer Driver）、诊断通讯平台包括在线诊断测试仪应用（Communication Platform including Diagnostic Onboard Tester）、远程诊断应用模块（Remote Diagnostic Application）、网络连接管理处理模块（Connection Management）、网络接入模块（NAD）和其他Telematics服务应用处理模块一起协作完成（如图6所示）。图6Telematics系统终端远程诊断模块软件框图4.3 远程诊断服务软件通讯模块设计图7主模块通讯流程图主芯片i.MX35和车身控制接口S12之间的通讯流程如图7所示，S12上的车辆在线诊断仪处理模块（DOBT）负责处理向车身CAN总线发送报文，并从CAN总线上接收关诊断信息。车辆在线诊断仪处理模块（DOBT）得到需要上传的诊断数据后需要通过在S12上的代理接口模块（DOBT-Proxy S12）访问IPC上传到主芯片i.MX上，当诊断测试代理接口模块（DOBT-Proxy IMX）得到相关数据后可以上传到诊断脚本程序中形成车辆诊断报告；同样，当i.MX从网络接入模块（NAD）接收到后台TSP发送的更新的远程诊断最新参数配置或者远程诊断请求的数据后也需要访问IPC经过S12代理接口模块最后下发到车辆在线诊断仪处理模块（DOBT）执行相应的诊断工作。在IMX诊断测试代理接口模块（DOBT-Proxy IMX）上得到的诊断数据需要经过脚本应用程序(Script API)向脚本翻译引擎（Script Engine）发送数据和请求，i.MX主程序最后将脚本翻译引擎（Script Engine）的诊断报告通过网络接入模块（NAD）发送到空中由后台TSP接收。5. 结 论本文研究实现基于3G EVDO技术的Telematics系统车载终端上远程诊断软件的详细设计与实现步骤，完成了Telematics系统终端上主芯片、车身接口芯片等模块的电路设计；利用Linux操作系统提供的IPC通讯机