车辆工程毕业设计30汽车在线故障诊断装置及实现

1 编号 密 级 ： 毕 业 设 计 论 文 课 题 名 称 ： 汽车在线故障诊断装置及实现 年 级 专 业 ： 2001 级电力工程及其自动化专业 姓 名 ： 吕 智 指导教员 及专业技术职务 王 放 ： 中国人民 第二炮兵工程学院 解放军 二五 年 六 月 2 指导教员评语 指导教员：（签字） 年 月 日 3 毕业答辩小组评语： 成绩评定： 答辩小组组长：（签字） 组员： 年 月 日 4 摘 要 通过对以 第二代汽车车载微机自诊断系统的原理及其特点 的理论研究，以及对现代解码器技术的状况与发展的分析， 按照美国 SAE 标准 ，利用电子控制电路和一定的电脑软件技术，研制出一套可利用 笔 记本电脑 来实现对 现代汽车车载微机自诊断系统故障 信息进行实时 读取 与清除的技术。 关键词 ： 车载微机自诊断系统 诊断插座 解码器 故障代码 通讯协议 5 目 录 第一章 OBD 系统概述 . 1 1.1 OBD 产生的历史渊源 - 1 1.2 运行参数 - 3 1.2.1. 一般参数 - 3 1.2.2 燃油输出参数 - 5 1.3 OBD 技术状态 - 6 1.4 OBD 系统的主要控制组成 - 7 1.4.1 发动机管理控制 - 7 1.4.2 底盘控制 - 7 1.4.3 安全稳定控制 - 7 1.4.4 舒适性和娱乐通讯控制 - 8 1.5 OBD 系统的原理 - 8 第二章 解码器 . 9 2.1 国内解码器应用现状 - 9 2.2 原厂解码器的提出及其标 准 - 9 第三章 OBD II 系统的软件特性 . 11 3.1 OBD 主要特点 : . 11 3.2 数据传输通讯协议 . 14 6 3.3 数据通讯传输 . 14 3.4 CAN 总线技术 . 15 3.5 检测与诊断系统软件设计 . 16 第四章 OBD II 系统的硬件特性 . 18 4.1 OBD 系统的硬件组成 . 18 4.2 OBD 系统的误诊断 . 19 4.2.1 汽车电控系统故障源 . 19 4.2.2 汽车电控系统故障源主要组成 . 19 4.3 汽车接地技术 . 20 4.4 OBD 系统“盲区” . 21 第五章 OBD 系统车载自诊断与检测的具体实现 . 22 5.1 基于笔记本电脑技术的特点 . 22 5.2 笔记本电脑技术软硬件的实现 . 22 5 3 故障代码的清除 . 26 结 语 . 27 致 谢 . 30 参 考 文 献 . 31 1 前 言 随着现代汽车电控技术的发展 ,根据 SAE 标准要求 ,自 1996 年以后生产的桥车和轻型卡车 (载重为 14000 磅以下 ) 的电控系统都要求配置第二代车载微机自诊断系统 -OBD （它是英文 On_Board Diagnosis） ,并在 2000 年 1月 1日开始所有汽车制造商所生产的轿车及轻型卡车都必须配置 OBD 系统。 OBD 系统的设计初衷是用于监测排气管废气排放质量 ,最后才发展用于检测与诊断电控系统故障。因此可以把 OBD 检测准确地比喻为排气管废气实验 (现在基本上用来取代排气管废气实验 ) 。 OBD 系统最重要的一点就是该系统的设计是为了探测汽车废气排放 HC、 CO 和 NOx 或燃油蒸发污染值是否超过美国联邦试验过程 ( FTP)所规定的废气排放值的 1. 5 倍 ,以及由此而引起电控系统或部件的故障 。这包括发动机随机缺火时引起的 HC 排放量的整体上升 ;催化转换器的净化效率下降到某个限值之下 ;系统探测出密封的燃油系统有空气泄漏 ;EGR 系统的故障引起 NOx 排放量上升 ;某个关键传感器或其他排放控制装置失效等情况。因此 ,本文正是从介绍现代汽车微机自诊断原理及其特点出发 ,主要介绍现代汽车故障及其代码的产生及贮存、故障数据传输及其读取和通讯协议等特性 ,为现代汽车的设计和检测维修提供一个良好的基础。 第一章 OBD 系统概述 1.1 OBD 产生的历史渊源 20世纪 50年代，汽车技术与电子技术开始结合以来 ，电子技术在汽车上的应用范围越来越广，特别是 70年代后，电子技术领域的集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，为汽车提供了速度快捷、功能强大、性能可靠、成本低廉的汽车电子控制系统。汽车电子控制系统极大地提高了汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性，这些汽车电子技术在汽车工业上的广泛应用能够很好地解决全球范围的汽车尾气排放环保问题和能源危机问题。因此，广泛和深入采用电子技术，不仅是汽车制造厂本身为了提高产品的性能和竞争力的迫切需要，也是各国政府和社会支持和倡导，甚至是强制推行的结果。 最早的汽 车电控系统是 1968年德国博世公司研制成功的电子控制燃油喷射系统 EFI 2 （ electronic fuel injection），这种系统当时被应用在德国大众汽车公司生产的轿车上，这种燃油喷射系统被称之为博世 K 型（ BOSCH K）。 K型系统通常被称之为机械喷射系统。 在 1974年，德国博世公司与大众公司又联合推出了博世 D型（ BOSCH D）喷射系统。在这个系统里基本实现了全电子控制。它是靠进气管压力传感器来提供进气压力信号，靠霍尔传感器提供转速信号给控制单元 ECU。 ECU通过计算机向喷油嘴提供可变的脉冲时间，从而控制不同工况下的喷油量。这种方式的喷射系统改进后，被奥迪、奔驰、沃尔沃、大众、宝马等车系采用。 1975年，美国凯迪拉克公司在部分车型上开始采用一种喷射系统，这种喷射系统被称之为博世 L型。这种喷油系统不同于 D型之处在于： L型是靠空气流量计来向电脑 ECU提供空气流量信号的（空气流量计可直接产生压降信号，不需换算），同时由车速传感器提供发动机转速信号，电脑整理、计算这些信号后向喷油嘴提供可变脉冲时间，控制喷油量。 到了八十年代，欧、美、日三大轿车生产基地所生产的轿车基本上都采用了燃油喷射系统，同 时都有自己独特的控制方式。但这时，所有的电喷车生产厂都开始考虑节气门负荷率、水温、进气温度对发动机性能的影响。开始利用节气门位置传感器、水温传感器、进气温度传感器等系列传感器信号来修正电脑计算的喷油脉冲时间，使发动机在任何工况下都能获得较为理想的空气、燃油混合物（空燃比 14.7： 1）。有了这样的燃油喷射系统和空气流量系统（ air flow system），使汽车的经济性和动力性得到了保障。 在这个基础上，各汽车生产厂家开始在汽车上采用自动变速箱控制系统（ TCU）、防抱死制动系统（ ABS）、安全气囊电控系 统（ SRS）、巡航控制系统（ CC）、制动防侧滑系统（ ASR）及空气悬挂系统（ AIR SUSPENSION SYSTEM），甚至将空调、音响等附属设施也用计算机进行集成控制。 然而，由于汽车控制的电子化，又带来了新的问题。一方面，汽车电控系统日趋复杂，给汽车维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高；另一方面，电子控制系统的安全容错处理，汽车不能因为电子控制系统自身的突发故障导致汽车失控和不能运行。针对这种情况，汽车电控技术设计人员，在进行汽车电子控制系统设计的同时，增加了故障自诊断功能模 块。它能够在汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成部分的工作情况，如有异常，根据特定的算法判断出具体的故障，并以代码形式存储下来，同时起动相应故障运行模块功能，使有故障的汽车能够被驾驶到修理厂进行维修，维修人员可以利用汽车故障自诊断功能调出故障码，快速对故障进行定位和修复。 因此，从安全性和维修便利的角度来看，汽车电控系统都应配备故障自诊断功能。自 3 1979年美国通用汽车公司率先在其汽车电控系统中采用故障自诊断功能后，世界上的各大汽车厂商纷纷效仿，在各自生产的电控汽车上都配备了故障自诊断功能。故障自诊断功能 ，已经成为了新车出厂和修理厂故障检测不可缺少的重要手段。 经过几十年的发展，故障自诊断模块不仅能够解决汽车电控系统的安全性和存储记忆汽车故障，还能够实时提供汽车各种运行参数。 1.2 运行参数 数据流中的参数有 2 种形式，即数值参数和状态参数。数值参数是有一定单位、一定变化范围的参数，它通常反映出电控装置工作中各部件的工作电压、压力、温度、时间、速度等；状态参数是那些只有 2 种工作状态的参数，如开或关、闭合或断开、高或低、是或否等 ，它通常表示电控装置中的开关和电磁阀等元件的工作状态。 在进行数值分析时，首先应分清读出的各个参数是电控装置中的传感器输送给微机的输入信号，还是微机送出给电控装置执行器的输出指令。输入信号参数可以是状态参数，也可以是数值参数。输出指令参数大部分是状态参数，也有少部分是数值参数。数据流中的参数可以按汽车和发动机的各个系统进行分类，不同类型或不同系统的参数的分析方法各不相同。在进行电控装置故障诊断时，还应当将几种不同类型或不同系统的参数进行综合对照分析。不同厂牌及不同车型的汽车，其电控装置的数据流参数的名称和内 容都不完全相同。 下面 将目前常见汽车电控装置数据流中的各个参数按不同的系统和类型分类，并 简要说明 了 其含义、参数的形式及数值的单位和变化范围。由于不同车型的微机决定了自己的数据参数的内容，因此，在检测某一车型时，下列所有的参数只有部分会在检测仪上显示出来。限于篇幅，只 举了 一些常用的参数 ，并只对一般参数和 燃油输出参数做了较为细致的说明。 1.2.1. 一般参数 所谓一般参数，是指那些会同时影响汽车及发动机的几个不同电控装置的参数，如发动机转速、汽车车速、氧传感器的工作、开环及闭环控制系统的工作、发动机 负荷和电控装置微机总体输出指令系统状态等。有发动机转速、发动机起动转速、氧传感器工作状态、氧传感器信号穿越参数开环 /闭环、可编程只读码、车速、运行时间等。下面介绍最常用的一般参数。 1 发动机转速 4 读取电控装置数据流时，在检测仪上所显示出来的发动机转速是由电控汽油喷射系统微机 (ECU)或汽车动力系统微机 (PCM)根据发动机点火信号或曲轴位置传感器的脉冲信号计算而得的，它反映了发动机的实际转速。发动机转速的单位一般采用 r/min，其变化范围为 0 至发动机的最高转速。该参数本身并无分析的价值，一般用于对其它参 数进行分析时作为参考基准。 2 发动机起动转速 该参数是发动机起动时由起动机带动的发动机转速，其单位为 r/min，显示的数值范围为 0r/min-800r/min。该参数是发动机微机控制起动喷油量的依据。分析发动机起动转速可以分析其起动困难的故障原因，也可分析发动机的起动性能。 3 氧传感器工作状态 该参数表示由发动机排气管上的氧传感器所测得的排气的浓稀状况。有些双排气管的汽车将这一参数显示为左氧传感器工作状态和右氧传感器工作状态 2 种参数。排 气中的氧气含量取决于进气中混合气的空燃比。氧传感器是测量发动 机混合气浓稀状态的主要传感器。氧传感器必须被加热至 300 以上才能向微机提供正确的信号。而发动机微机必须处于闭环控制状态才能对氧传感器的信号做出反应。 氧传感器工作状态参数的类型依车型而不同，有些车型是以状态参数的形式显示出来，其变化为浓或稀，也有些车型是将它以数值参数的形式显示出来，其数字单位为 mV。浓或稀表示排气的总体状态， mV 表示氧传感器的输出电压。该参数在发动机热车后以中速 (1500r/min-2000r/min)运转时，呈现浓稀的交替变化或输出电压在 100mV-900mV 之间来回变化，每 10s 内的变化次数应大于 8 次 (0.8Hz)。若该参数变化缓慢或不变化或数值异常，则说明氧传感器或微机内的反馈控制 系统有故障。 4 开环或闭环 这是一种状态参数，它表示发动机微机的控制方式是开环还是闭环。在冷车运转中，应显示为开环状态；当发动机达到正常工作温度后，发动机微机对氧传感器的信号有反应时应显示为闭环状态。 有些故障 (通常会显示出故障代码 )会使发动机微机回到开环控制状态。此外，有些车型在怠速运转一段时间后也会回到开环状态，这常常是因为氧传感器在怠速时温度太低所致。对此，可以踩下油门踏板，让发 动机以 快怠速运转来加热氧传感器。如果该参数一直显示为开环状态，快怠速运转后仍不能回到闭环状态，说明氧传感器或发动机燃油系统有故障。 5 5 车速 车速参数是由发动机或自动变速器微机 (ECM， TCM)根据车速传感器的信号计算出的汽车车速数值。车速参数的显示单位有 英里 /h 或 km/h 两种，可以通过调整检测仪来改变。 车速参数是微机控制自动变速器的主要参数，也是进行巡航控制的重要参数。有些带自动变速器的汽车没有车速传感器，此时检测仪上显示的车速为 0。该参数一般作为对自动变速器的其它控制参数进行分析的参考依据。 1.2.2 燃油输出参数 燃油输出参数表示发动机微机对电控燃油喷射系统进行控制的状态，以及向喷油器等执行器送出的控制信号。主要有以下几种。 1 喷油脉冲宽度 喷油脉冲宽度是发动机微机控制喷油器每次喷油的时间长度，是喷油器工作是否正常的最主要指标。该 参数所显示的喷油脉冲宽度数值单位为 ms。该参数显示的数值大，表示喷油器每次打开喷油的时间较长，发动机将获得较浓的混合气；该参数显示的数值小，表示喷油器每次打开喷油的时间较短，发动机将获得较稀的混合气。喷油脉冲宽度没有一个固定的标准，它将随着发动机转速 和负荷的不同而变化。 2 目标空燃比 该参数不是通过测量而得到的发动机实际空燃比，而是发动机微机在闭环控制时根据各种传感器信号计算后得出的应提供的空燃比，微机将依照此参数的大小来控制喷油器的喷油量。 该参数的显示数值一般为 14.7 左右。低于此值表示微机要提供较浓的混合气； 高于此值表示微机要提供较稀的混合气。有些车型以状态参数的方式显示这一参数，其显示内容为浓或稀。 该类参数还有：燃油短期校正系数，燃油长期校正系数，燃油校正学习，燃油校正块，不同步脉冲，功率加浓，节气门全开，溢流清除，减速调 稀，减速断油，加速加浓，起动开关等。 3 节气门位置和怠速控制参数 6 节气门位置和怠速控制参数反映节气门位置及各种怠速控制装置的工作状况。有些参数也表示微机向发动机怠速控制和节气门控制装置发出的指令。主要有以下几种。 节气门开度 ， 怠速空气控制 ， 怠速开关 4 发动机水温和进气温度参数 发动机水温 ， 起动温度 ， 进气温度 5 空气压力和进气量参数 该类参数主要有以下几种。 大气压力 ， 进气管压力 ， 空气流量 6 电气和点火参数 电气和点火参数表示汽车电气系统的状况，它 也包括点火系统送给微机的输入信号及微机输出至点火系统的控制信号。主要有以下几种。 蓄电池电压 ， 5V 基准电压 ， 点火提前角 ， 起动信号 ， 点火控制 ， 爆震 ， 爆震计数 ， 爆震推迟 ， 电气负荷开关 7 排放控制参数 ， 炭罐指令 ， 废气再循环指令 ， 废气再循环温度 ， 空气喷射指令 8 传动系统、电控自动变速器及其它综合参数 传动系统和电控自动变速器参数表示微机向变速器所有执行器发出的指令及来自变速器和传动系统所有传感器的信号，主要有：锁止离合器指令，停车空档开关，脉冲发生器，车速，超速档开关等。 其它综合参数 如：动力转向压力开关，发动机负荷，空调参数等。 1.3 OBD 技术状态 具有 OBD 系统的车辆 ,各电控系统工作情况的好坏 ,直接影响到车辆的正常行驶。为了保证车辆各电控系统的正常工作和检修方便 ,现代汽车电子控制单元 ECU 都设计具有故障自诊断的功能。在汽车使用中 ,它能够对各传感器、执行器和连接线路进行不断地监测 ,当汽车废气排放超过法定规定值和汽车电控系统出现故障时 ,故障指示灯 MIL (如图 2 - 1 7 所示 ) 闪亮告之驾驶员汽车电控系统出现故障或废气排放超标 ,并将故障以代码的形式存储在汽车各系统电控单元 ( ECU ) 中 ,为汽车维修人员诊断和排除故障提供依据。在车辆检修时 ,可通过特定的程序读取存储器中的故障代码 ,检修人员便可根据所读故障代码很快地判断 出 故障的类别和范围 ,查找电控系统的故障部位所在。 为顺利的维修汽车 节省 了 很多 时间 。 1.4 OBD 系统 的 主要控制组成 1.4.1 发动机管理控制 微机对发动机控制的内容主要是燃油喷射 (EFT) 、点火控制 (TSC) 、排放控制 (EAC) 和进气控制等。各传感器将发动机的进气量、进气温度、发动机转速、冷却水温度、油门开度等物理量转变成为电信号 (如电压或电流 ) 输 入到电子控制单元 ECU ,经快速分析、比较和计算后输出信号控制执行器 ,使发动机在各种工况下都具有最佳的燃油供给量和点火时间 ,使发动机具有良好的动力性、经济性和最低的排放污染。 1.4.2 底盘控制 随着汽车行驶速度的提高 ,道路行车密度的增大 ,对汽车行驶安全性能提出更高的要求。电子控制刹车防抱死系统 ABS 和驱动防滑转系统 ASR 以及电子稳定程序 ESP 在汽车上得到了广泛地应用 ,它可以提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力 ,缩短制动距离 ,且能防止驱动过程中驱动轮的滑转。为了减轻驾驶员的劳动强度 ,传统 的手动变速器已被自动变速器 (A/T 或 ECT) 所取代 ,同时广泛应用了动力转向、电控四轮转向和电控悬架装置 (TEMS) 。 1.4.3 安全稳定控制 现代汽车的安全保证控制主要分为被动性安全保证和主动性安全保证。被动性安全保证性能好的汽车 ,一旦车辆发生交通事故 ,能最大限度地减轻乘员的损害程度 ,但它不具备预见性自动减速或停车 ,避免交通事故发生的能力。这类装置主要有电子安全带、安全气囊(SRS) 等。主动性安全保证装置能通过各种传感器和红外线测距仪所获得的信号 ,由电脑控制自动减速或停车 ,从而避免交通事故的发生 。这类装置主要有电子防撞装置和电控自动制动系统。 8 1.4.4 舒适性和娱乐通讯控制 现代汽车的设计都能体现出以人为本的设计思想 ,特别是在轿车方面。汽车全自动空调 ,自动门窗 ,中央门锁 ,自动电动座椅 ,高级音响 ,车载电话 ,电子地图等 ,都离不开电子技术 ,使用电脑控制能使它们很好的组合起来 ,使用更加方便。 1.5 OBD 系统的原理 故障自诊断模块监测的对象是电控汽车上的各种传感器（如：水温传感器）、电子控制系统本身以及各种执行元件（如：继电器），故障判断正是针对上述三种对象进行的。故障自诊断模块共用汽车电子 控制系统的信号输入电路，在汽车运行过程中监测上述三种对象的输入信息， 汽车正常运行时 ,电子控制系统输入和输出信号的电压 (或电流 ) 值都有一定的变化范围 ,当某一信号超出了预设的范围值，并且这一现象在一定的时间内不会消失 (OBD 规定这一现象不超过 2 个驾驶周期 )，故障自诊断模块便判断为这一信号对应的电路或元件出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪表盘上的故障指示灯， 告之驾驶员或汽车维修技术人员检修电控系统故障 。 针对三种监控对象产生的故障，故障自诊断模块采取不同的应急措施 1 当某一传感 器或电路产生了故障后，其信号就不能再作为汽车的控制参数，为了维护汽车的运行，故障自诊断模块便从其程序存储器中调出预先设定的经验值，作为该电路的应急输入参数，保证汽车可以继续工作； 2 当电子控制系统自身产生故障时，故障自诊断模块便触发备用控制回路对汽车进行应急的简单控制，使汽车可以开到修理厂进行维修，这种应急功能就叫故障运行，又称 “跛行 ”功能； 3 当某一执行元件出现可能导致其它元件损坏或严重后果的故障时，为了安全起见，故障自诊断模块采取一定的安全措施，自动停止某些功能的执行，这种功能称为故障保险。如：当点 火器出现故障，故障自诊断模块就会切断燃油喷射系统电源，使喷油嘴停止喷油，防止未燃烧混合气体进入排气系统引起爆炸。 从上述基本工作原理分析来看，故障自诊断模块应该包括：监测输入、逻辑运算及控制、程序及数据存储器、备用控制回路、信息和数据驱动输出等模块。 9 第二章 解码器 2.1 国内解码器应用现状 所谓电子解码器，实际上就是一台微处理机，它能够与车上的电子计算机沟通，显示出检测系统在 计算机中所储存的信息，如故障检索等。电子计算机控制着全车电子装置的运行，包括发动机电子控制装置，底盘电子控制装置，安全控制装置， 警报控制装置等，涉及电子监测元件上百种，它们的运行正常与否，都会由电子计算机瞬间判断出来，不需要再 像 十几年前那样，靠人的嗅觉，视觉，听觉和触觉去判断某运行部位是否正常 在汽车后市场领域，故障自诊断技术主要是帮助维修人员快速查找故障和分析汽车运行性能，因此，故障自诊断技术应用水平主要取决于解码器的应用水平。随着汽车保有量的增加以及电子控制系统的日趋复杂，汽车维修工作就越来越繁重和困难，维修行业对解码器的技术要求越来越高，希望解码器能够完全切底地解决任何电控系统故障问题。然而，在国内除了汽车制造厂指定的特 约服务站拥有原厂解码器外，大部分修理厂买不到原厂解码器，远远达不到专业维修水平，满足不了市场上的需求。一些低水平的解码器泛滥于市场，误导了许多修理厂，妨碍了维修行业技术和服务水平的提高。同时由于原厂解码器大多是英文的和大量使用了极其专业的缩写词，对使用者的技术水平要求极高，加上缺乏售前和售后技术服务（因为只有汽车制造厂的特约服务站网络才能享受专业技术培训，特约服务站网络之外的修理厂是没有专业培训机会的），使得那些拥有原厂解码器的修理厂也难充分发挥原厂解码器应有的作用。目前，在维修行业中普遍存在解码器应用水平 严重滞后市场需求的现象，市场迫切需要能够达到原厂专业水平的解码器。 2.2 原厂解码器的提出及其标准 针对维修行业对原厂解码器的迫切需求，国内的解码器市场是没有真正达到原厂技术的国产解码器的，也没有企业在推崇原厂解码器的概念。这是因为， 攻克原厂解码器这一尖端技术对企业的技术要求和资金投入是特别高的 。那么，真正的原厂解码器应该具备哪些标准呢？ 从技术角度来看，原厂解码器必需达到以下指标： 10 1 够自动识别汽车控制电脑的型号和版本 真正达到原厂专业水平的解码器应该能够自动识别当前测试车型控制电脑型号和版本，而 不用人工选择年款、车型、诊断座类型等信息。自动识别控制电脑是原厂解码器最重要的技术环节之一，一旦识别了 ECU 的型号，相应的故障码、清码方法、数据流内容、执行元件、特殊功能等都确定了。 2 能够完全访问汽车控制电脑上开放的存储资源 在汽车故障自诊断系统的设计过程中，预留了很多供外部诊断设备访问的存储单元，这些存储单元存放了反映汽车运行非常重要的数据。外部诊断设备要能够完全访问这些存储资源，必需 100%地按照该车型的诊断通信协议和所有的通信模式进行访问。 3 能够不失真地按照原厂要求显示从汽车控制电脑上获取的数 据 完全按照诊断通信协议获得诊断数据之后，必需按照原厂要求显示这些数据，每一项数据都有严格的显示格式，如：对应不同的数据，它显示的整数位、小数位、单位以及空白位置等都有明确的规定。 4 必需包含四个基本功能： a 读取故障码； b 清除故障码； c 动态数据分析； d 执行元件测试； 这是一个解码器必需具备的四项基本功能，这四项基本功能必需准确和全面。缺 少 任何基本一项功能，都不是完整的解码器。 5.针对特定的车系 /车型支持专业功能 这是专业解码器所必需具备的。除了具备上述四项基本功能外，针对特定的车系 /车 型必需具备深入的专业功能。如：大众 /奥迪车系原厂解码器，除了具备 a.读取故障码； b.清除故障码； c.动态数据分析； d.执行元件测试四项基本功能以外，还应提供系统基本调整（ 00组和非 00组）、自适应匹配（ 00组和非 00组，含防盗电脑及钥匙匹配）、 CODING、单独通道数据、登录系统、传送汽车底盘号等专业功能。 在对汽车故障解码器的研究基础之上，根据其软硬件技术特点，归纳了全球范围汽车诊断技术格局： 1.欧洲技术风格 以博世、西门子公司技术及 ISO标准为 主流，其中一个显著特点是建立诊断通信连 11 接之后必需要保持通信连接 2.美洲技术风格 以美国 SAE（ Society of Automotive Engineer)及 OBDII标准为主流 3.亚洲技术风格 主要是学习和引进欧美汽车故障诊断技术 第三章 OBD II 系统 的 软件 特 性 传统的判定电控汽车故障部位 ,很大程度上取决于检修人员的经验。在现代汽车中 ,汽车电子及电控技术越来越复杂 ,且电控技术含量越来越高 ,单纯依靠经验很难做到在不解体的情况下快速、准确判定车辆的故障所在 ,自诊断系统在这方面给我们提供了很大方面 ,它能在车辆不解体的情况下准确、快速的判定故障部位。现代汽车车载 自诊断系统中均设有故障诊断连接器 ,以供检修人员快速读取故障信息和数据资料 ,以节省维修时间 ,提高工作效率。 3.1 OBD 主要特点 : （ 1） 根据 SAE J1962 标准 ,OBD 系统故障诊断连接器 DLC(Data Link Connector) 采用统一标准的 16引脚诊断插座。并统一安装在驾驶室仪表板下方。其故障诊断连接器引脚如图 3 - 1所示 图 3 - 1 12 故障诊断连接器 其引脚含义 : 端子代号 含义 端子代号 含义 1 供制造厂应用 9 供制造厂应用 2 SAE-J1850资料传输 + 10 SAE-J1850资料传输 - 3 供制造厂应用 11 供制造厂应用 4 车身搭铁 12 供制造厂应用 5 信号回路搭铁 13 供制造厂应用 6 控制器局域网高端 14 控制器局域网低端 ) 7 ISO-9141资料传输 K 15 ISO-9141资料传输 L 8 供制造厂应用 16 接蓄电池正极 单凭经验，通用汽车和轻型卡车使用 SAE J1850 VPW（可变脉冲宽度调制）通讯模式，克莱斯勒和所有欧洲及大部分亚洲进口汽车产品使 用 ISO 9141通讯模式，福特使用 SAE J1850 PWM（脉冲宽度调制）通讯模式。 这其中也有一些变异，比如象凯迪拉克 CATERA，德国欧宝使用欧洲 ISO9141 协议， 在 1996 年和以后的车辆中 ,可通过 OBD- 插头来判断其通讯协议： Pin 2 Pin 6 Pin 7 Pin 10 Pin 14 Pin 15 标 准 必须有 - - 必须有 - - J1850 PWM 必须有 - - - - - J1850 VPW - - 必须有 - - 可能有 ISO9141/14230 - 必须有 - - 必须有 - ISO15765 (CAN) 13 (2) 具有行车记录功能。 检修人员从车辆上读取故障代码 ,只能告知故障的性质和范围。利用 OBD 的行车记录功能 ,能够获得故障车辆行驶过程中的有关数据资料 ,通过与基本数据资料对比 ,便可很快分析出 故障的原因。 (3) 具有连接诊断仪读取和消除故障代码的功能和具有记忆和重新显示故障代码的功能 (4) 采用统一的故障代码 根据 ISO 15031-6(或 SAE J2012,也许到 2008年 10月 1日执行 SAE J1939)标准 ,OBD 统一使用标准的故障代码。其故障代码共由 5位数组成。 OBD 故障代码含义 位数 可能显示的内容 含 义 1 B 车身电控系统 C 底盘电控系统 P 发动机和变速器组成的动力传动系统 U 网络系统 2 0 SAE定 义检测的故障码 1 厂家定义的检测故障码 2 厂家定义的检测故障码 3 保留的故障码 3 1 有关空气和燃油的测量不良 2 有关空气和燃油的测量不良 3 点火系统不良 4 附加排气系统不良 5 速度和怠速控制系统不良 6 电脑输入与输出控制系统不良 7 变速器控制系统不良 8 非 EEC动力传动系统不良 4和 5 01 99 与故障相应的系统器件名称 14 例如： 3.2 数据传输通讯协议 OBD 是美国汽车工程师学会 (SAE) 提出的车载微机自诊断系统 ,即第二代车载自 诊断系统。该系统主要是按照美国环保局 ( EPA) 和美国加州资源协会 (CARA) 对汽车废气排放值标准对废气排放进行监测 ,并作为推荐世界范围统一使用汽车废气排放值的检测标准的微机自诊断系统。 根据 SAE J1962 ,SAE J2012 ,SAE J1930 和 SAE J1978 标准 ,OBD 故障诊断连接插座 ,故障代码 ,结构单元 /系统名称故障代码显示都相应采用统一的标准 ,以便进行废气排放监测和对汽车电控系统的故障检测和诊断。 根据 ISO 15031 - 5 标准 ,OBD 系统使用了 3 个基本的通讯协议 ,即克莱斯勒汽车和所有欧洲产的汽车以及大多数亚洲进口的汽车都使用 ISO 9141 - 2 通讯协议电路 ,而美国通用汽车公司生产的轿车及轻型卡车使用 SAE J1850 VPW(可变的脉冲宽度调节 ) 通讯协议电路 ,福特 ( FORD) 汽车使用 SAE J1850 PWM(脉冲宽度调节 ) 通讯协议电路。 具体的通讯协议电路接 入引脚如图 3 - 1所示。 3.3 数据通讯传输 OBD 数据通讯传输 ,其数据资料传输线采用 ISO 标准和 SAE 标准 , ISO 标准利用引脚 7 和引脚 15 ;而 SAE 标准利用引脚 2 和引脚 10 进行数据资料传输。通过 OBD 的 DLC 功能 ,能够采集到该车型各控制系统的有关数据资料。 汽车故障代码及数据的读取是通过一个 RS - 232 接口将 OBD 连接器与汽车通用诊断仪连接 ,使通用诊断仪与汽车建立通讯 ,根据车型及需要选择希望的检测模块 ,接收所需 15 要的诊断数据 ,如图 3 - 2 所示。目前 OBD 技术除用以 监测废气排放值、故障检测与诊断 ,还发展到用因特网进行在线故障诊断。 图 3-2 3.4 CAN总线技术 20世纪 90年代以来，汽车上由电子控制单元 (ECU)控制的部件数量越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架等等。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，车上的 ECU数量越来越多。 因此就需要一种较为高速、可靠的网络传输来实现系统内部间的数据通信。而 CAN总线技术 在现代汽车上的应用，使得车载自诊断系统的工作更加迅速、安全和可靠。 大大提高了 车载自诊断检测系统对数据的读取、分析与 处理。 先进的 CAN总线技术可以称为 车上控制器局域网络 CAN（ Controller Area Network） ，它 是 由德国 BOSCH公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议，按照 ISO有关标准， CAN的拓扑结构为总线式，因此也称为 CAN总线。CAN总线作为车内的控制网络， 每个部件都是网络上的一个节点，通过信息包（ Message）把该节点的状态信息和控制信息发送出去，整车控制器接收这些信息，并发出控制指令到各个节点。车载监测和诊 断系统也是通过 CAN总线得到各部件 状态以及整车的故障信息。网络结构如图 3-2 所示。该汽车上共有 6个节点，车载监测和诊断系统作为其中的一个节点连接在网络上，和各节点之间实现通讯，进行监测和故障诊断。 16 发动机传感器 故障 显示灯 整车控制器 监测和 诊断系统 电池 控制器 其他节点 CAN 总线 图 3-2 网络结构图 3.5 检 测与诊断系统软件设计 软件系统功能可分为数据采集、数据分析和处理、数据显示及警报等部分。其主程序流程如图 3-3所示。在监测和诊断系统中，采用了定时器的机制来进行数据采集处理和显示更新。开机后，启动 4个定时器，每隔一定的时间分别进行串口数据读入、显示数 据更新、车辆状态改变判断和能量流动绘制的处理。串口读入模块将转换器通过串口发来的数据读入缓冲变量中，并分离出各部件状态变量。状态改变判断模块判断当前车辆各部件之间的能量流动关系，得到汽车所处的工况，当出现故障状态时报警。能量流动绘制模块则绘制 各部件 的能量流动状态变化。 图 3-3 检测与诊断系统程序流程图 17 系统检测到的所有信息由 CAN-RS232转换器从汽车总线上接收，通过串口发送给车载微机。转换器程序流程如图 3-4 所示 。 图 3-4 CAN-RS232转接 器程序流程图 主程序根据总线情况不停地向车载微机发送所需要的数据帧。在发送前，先判断缓冲区内数据是否为新接收到的数据，如果为新数据则予以发送。当总线上出现新数据时，立即进入中断程序对相应缓冲区进行更新，更新时先根据 ID判断该信息是否正在被串口发送，如果不是则进行更新，反之则不更新。这样，一方面可避免发送重复信息，另一方面也避免了信息未发送完毕即被更新。 检 测与诊断系统从总线上的信息包得到所有需要的车况信息和故障信息。一帧典型的信息会有一个专属于该信息的 ID号，并包含 1 8个字节的内容。而发送该帧信息的部件信 号就包含在其中。一般而言，每一帧信息都会以一定的周期被发送到总线上。接收到一帧信息后，根据 ID号判断出信息格式，然后解读出信息中所包含的关于该部件的状态信息。汽车各部件的故障信息也被打包在不同的信息帧中进行传送。从故障信息帧中，监测和诊断系统可得到所有部件的故障状况，以及该故障的等级，同时，其自身也会根据部件状态信息对是否发生故障进行判断，并对驾驶者作出提示。 基于 CAN总线设计的车载 检 测和诊断系统，实现了在行车过程中实时 检 测 汽车的运行状况，记录下车辆各部件的状态数据，对车辆故障作出及时的响应和一定分析的目 标。 18 第四章 OBD II 系统 的硬件特性 4.1 OBD 系统的硬件组成 如图 4-1 所示， OBD II 硬件系统主要由各传感器、 电子控制单元 (ECU)、 图 4-1 OBD 系统 硬件 组成 OBD 系统 连接器插口、故障显示灯、执行器及线路等与废气排放控制相关的系统组成 . 目前， OBD 系统对 FTP所规定的废气排放值有 20%_30%还不能探测出来。事实上，为了避免废气排放超标， OBD 系统 的设计可以降低 FTP 规定值，也可设计一些不必 经常监测的电子部件工作状况，如加热催化剂系统或蒸发系统，以提高 OBD 系统的 自诊断能力。目前， OBD 系统 的设计所包含的系统部件或电子元件已经发展到 64 个。当然如果不考虑成本因素， OBD 系统可以设计成能探测汽车内部所有系统和部件。因此， OBD 系统检 测功能主要由成本、系统安全复杂性和使用寿命等因素所决定，其中系统安全复杂性和成本是两个最重要的因素。 19 4.2 OBD 系统的误诊断 在通常情况下， OBD 系统 能够监测电控系统所有电子控制部件工作工况，这是最理想的状况。但实践表明 , 随着汽车使 用年限和电子系统复杂化的不断增加， OBD 系统 能监测出发生在汽车电控系统内部的故障机率则不断减小。一方面由于汽车使用年限的增加，汽车电子元器件开始磨损（老化）或损坏，但其磨损或损坏值尚未达到 OBD 系统 所规定的标准值 , OBD 系统 不能诊断出系统的性能恶化状况；另一方面，由于汽车电子系统复杂化的增加，汽车电子元件（或部件）在车上的振动、噪声和电磁等干扰现象不断增加，对车载微机工作产生一定程度的干扰，影响其控制程序的正常运行，造成汽车性能不断恶化，但是这一现象还未达到破坏的程度， OBD 系统 还不能识别 出系统性能恶化状况，这时故障显示灯不闪亮。当 OBD 系统 “意识 ”到系统故障发生时，汽车电控系统或运行性能已严重恶化。 4.2.1 汽车电控系统故障源 根据欧洲国际发动机汽车检测委员会 CITA(International Motor Vehicle Inspection Committee) 2000 年委托德国亚琛工业大学汽车研究所进行的一次汽车电子控制系统周期性检测总结报告，从 1995 年至 1999 年，对欧洲 142 300 辆汽车进行的电子及电路控制系统故障调查统计数据显示， 1.5%（ 2 134 辆 ）的故障发生在 ABS；有 1.2%（ 1 707 辆）的故障发生在安全气囊；有 5.3%（ 7 542 辆）的故障发生在发动机传感器，另有 2.9%（ 4 126 辆）的故障发生在其它传感器；有 6%（ 8 538 辆）的故障发生在警报系统； 2%（ 2 846 辆）的故障发生的在电子控制单元。在所有汽车发生的故障中，电子系统发生的故障率比机械系统还要高，且随着电子复杂程度的增加，其故障发生的趋势更大。调查报告还显示，当汽车电控系统发生故障时，故障指示灯不闪亮的机率是 11.8%。 4.2.2 汽车电控系统故障源主要 组成 （ 1） 电子连接及布线 汽车电控系统的电子连接及布线 , 包括导线与插座、导线与各电子部件、导线与各传感器和导线与各执行器之间的连接与布线。汽车电控系统所有连接部件都是处在高温、振动等恶劣 环境下，其电子连接及布线技术的好坏直接影响到电控系统的控制质量 。实际中 ,汽车电器除受湿度、温度、灰尘、水、泥砂和油污影响外，由于电子连接及布线技术不良，汽车运行中产生振动而带来的电磁波及噪声干扰也是影响 OBD 系统 的一个主要因素。如汽车电子器件由于振动产生的加速度可高达 20g；发动机起动时电压变化非常大（可能会从 12V 降 到 8V）；汽油机用点火线圈产生的电压可能会超过 20KV等，从而在电子设备中产生电磁干扰。电机、线圈、继电器、电磁阀等设备在工作或开关时产生的电感通常也会给临近的电子控制单元或电气导线产生电磁干扰；另外还有交流发电机的波纹电压、汽车扬声器和无线电装置等电磁波对微机工 作产生的干扰，以及由蓄电池连接多种载荷而引起的地电位变化等干扰 ，因此，电控系统的电子连接及布线技术的好坏直接影响到 OBD 系统 的自诊断效率。 20 （ 2） 传感器质量和执行器性能 汽车电控系统的故障自诊断能力的大小很大程度上取决于传感器提供的信号质量 。在汽车电控系统中，有相当大比例的故障发生在传感器上。在实际中，造成传感器故障的原因一方面是传感器制造质量问题，另一方面是连接方式对传感器的信号质量会产生很大的影响。由传感器造成的故障，主要有传感器及其导线的故障、由于不正确安装产生颠倒的传感器信号、故障信号的偏移、传感器信号的噪声和漂移。由于这些传感器故障及其传感器产生的噪声偏移和漂移对电子控制单元或汽车动力控制器产生一个附加值，从而带来较大的影响。试验表明， OBD 系统 的能力与汽车电控系统中执行器（如电机、继电器及制动装置等）的性能有很大关系。由于电子 控制单元对执行器进行的是实时控制操作，控制信号是输出信号，因此要实行对执行器的工作情况进行监视或诊断，一般需要增设故障诊断电路。即电子控制单元向执行器发出一个控制信号，执行器要有一条专用电路来向电子控制单元反馈其执行情况。因此，执行器反应的延迟时间长短将直接影响到汽车运行性能，尤其是对汽车行驶状况的控制。如果执行器反应的延迟时间越长，相应地汽车动力控制性能越差， OBD 系统 越不易被激活，故障指示灯也不闪亮， OBD 系统 越易处于 “误诊 ”状况。 4.3 汽车接地技术