1、車輛在線診斷和實時預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展摘要：開發(fā)車載診斷（OBD）系統(tǒng)的目的是為了正確診斷、檢測車輛的系統(tǒng)錯誤及故障。OBD產(chǎn)生預(yù)警信號傳遞給車輛的操作者以及維修工程師。然而，一旦警告信號產(chǎn)生，大多數(shù)操作者不知道采取什么行動。數(shù)據(jù)采集要依靠維修工程師使用專用工具。基于這樣的實際需求，本文提出了一種新的車輛在線診斷和實時早期預(yù)警系統(tǒng)，以獲取OBD的信號，并傳送到通過GPRS移動通信維修中心的服務(wù)器立即采取行動。本文就硬件和軟件在初步設(shè)計和實施方面進行了討論和測試。擬議系統(tǒng)的測試功能滿足了現(xiàn)在對汽車系統(tǒng)的日益上升的要求。關(guān)鍵詞：OBD系統(tǒng) G3技術(shù) 預(yù)警系統(tǒng)1 簡介現(xiàn)代汽車配備的微處理器或微機檢測所有子

2、系統(tǒng)數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)控制和診斷。車載診斷系統(tǒng)（OBD）1被標準地定義一個為使維護工程師了解車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)情況的，與外部世界溝通的接口。OBD是一個在完整的監(jiān)控系統(tǒng)中通過傳感器和控制引擎連接驅(qū)動器和其他子系統(tǒng)的設(shè)備。此外，一些硬件和軟件的設(shè)計支持OBD的顯示和記錄。OBD的概念最初是在1984年的加州討論的，然后于1988年進入汽車的一個子系統(tǒng)。被稱為OBD I的第一標準,包含了基本的功能：指示燈，診斷故障碼（DTC）的存儲和顯示。然而，不同的公司設(shè)計了不同接口插座，代碼和功能，給維修工程師帶來了混亂。1988年，在加利福尼亞州提出了OBD II。汽車工程師協(xié)會（SAE）為OBD II提出了一個標準的

3、規(guī)范，這是被環(huán)境保護署（EPA）和加州空氣資源委員會（CARB）所承認的。從1996年起，所有車輛的生產(chǎn)按要求必須裝備OBD II。SAE-J1962，2，SAE-J20123 SAE-J18504已經(jīng)為OBD II的安裝發(fā)布了標準和規(guī)范。所有車輛制造商必須遵循制定標準和規(guī)范的這些文件，通過使用統(tǒng)一的接口連接器來設(shè)計檢測儀器。本文把我們的測試集中在OBD II上，隨后簡單地描述OBD。到今天為止， OBD啟動時微處理器內(nèi)存將存儲診斷故障代碼，并顯示“檢查引擎” 5，6。一旦OBD的生成故障信號，車輛應(yīng)該返回到維修中心，通過特定程序，使用適當?shù)脑\斷設(shè)備來讀取OBD信息。維護工程師將按照OBD信息

4、，考慮信息和確定檢查和維護的工作。該程序要司機和工程師通過儀器耐心等待診斷結(jié)果 6，7。數(shù)據(jù)傳遞已經(jīng)進入無線寬帶新時代，包括藍牙，802.11，高頻/超高頻無線電頻和移動通信在內(nèi)的技術(shù)，應(yīng)用在許多不同的研究和開發(fā)方面。藍牙，802.11，低功耗RF不僅在數(shù)據(jù)信息方面，也在寬帶信息發(fā)展方面持續(xù)發(fā)展。然而，其傳輸范圍限制在200米范圍內(nèi)。在所有有限的活動范圍內(nèi)，這是很好的。除了快速，短距離范圍內(nèi)的通信，移動通信和高功率射頻也可用于遠距離大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。高功率射頻覆蓋面廣，這方面是好的，但頻率占用，天線安裝，高頻干擾，信息安全，等等，都是要解決的問題。在所有可行的技術(shù)中，移動通信由于海量的數(shù)據(jù)通信

5、和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流已經(jīng)體現(xiàn)出了非常高的潛力。移動通信已經(jīng)發(fā)展了幾十年。在1990年，第一代（1G）模擬系統(tǒng)和第二代（2G）數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)為廣泛的覆蓋面服務(wù)建立起了一個非常完善的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。今天，移動通信已成為個人生活的設(shè)備。眾所周知，作為2G的GSM數(shù)字數(shù)據(jù)，于2000年投入服務(wù)；作為2.5G GPRS的分組數(shù)據(jù)，于2002年投入服務(wù)。它們通過移動通信使得信息的交換是易取得的和可行的。對于系統(tǒng)供應(yīng)商來說，移動通信增值技術(shù)正在成為一個重要的市場。基于豐富的基礎(chǔ)設(shè)施，和其他解決方案相比，移動通信已體現(xiàn)出了其流動性高，覆蓋面廣，范圍廣，成本低，效率高，容易和其他技術(shù)兼容的特點。任何附加價值的應(yīng)用將不再

6、需要任何對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資 8。把OBD發(fā)展成具有移動和實時性的功能時有一些缺陷： （1）OBD信息對于特殊系列車輛仍集中在具體的設(shè)計。如何檢測OBD的信息，并把它翻譯成傳遞協(xié)議和有意義的格式是值得關(guān)注的。 （2）與移動信息融合的通信應(yīng)考慮可供的成熟的技術(shù)。所有OBD信息和DTC在實時操作中應(yīng)該傳輸?shù)骄S護中心附近的服務(wù)器系統(tǒng)。 （3）服務(wù)器系統(tǒng)應(yīng)該能夠把OBD的信息和DTC翻譯成維護工程師看得懂的信息。更多的分析和及時的行動應(yīng)納入服務(wù)器軟件，以提高整體功能和性能8，9。后兩部分可以把我們成熟的制度應(yīng)用在不成熟的修改過程中。在臺灣，到2008年，OBD將成為一個標準和要求。目前OBD設(shè)備是空缺

7、的，只有很少的來自如汽車的研究和測試中心（ARTC）研究所的資源。大部分車輛有不兼容的規(guī)格和通信協(xié)議。本文利用現(xiàn)有的資源來進行測試。從我們的結(jié)果看，對于車輛的在線診斷和實時警告概念的提出可以在不久的將來有助于系統(tǒng)開發(fā)。本文驗證了其可行性和優(yōu)越性。2 G3系統(tǒng)技術(shù)2002年，通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）通過手機的信息傳輸擴展為了一直在線，報告到Internet，并由數(shù)據(jù)量監(jiān)測。在這種情況下，我們研究小組為移動增值技術(shù)8，9的監(jiān)控應(yīng)用開發(fā)了G3技術(shù)。G3技術(shù)是一個集成的GPS， GPRS和GIS，將實時監(jiān)控地面車輛和低空飛行的移動數(shù)據(jù)。圖1 G3技術(shù)在OBD應(yīng)用中的配置GPS系統(tǒng)：以一秒鐘更新一次

8、的頻率，定期接收運動物體的GPS數(shù)據(jù)從而產(chǎn)生GMT時鐘，經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)，海拔，速度，航向，和其它位置信息。GPRS系統(tǒng)：通過移動的GPRS把分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贗nternet的IP地址的服務(wù)器系統(tǒng)。 GIS系統(tǒng)：指顯示與地理信息系統(tǒng)相關(guān)的實時信息，附帶著所有移動物體的精確位置的報告數(shù)據(jù)。 G3技術(shù)采用客戶 - 服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器可以監(jiān)控很多客戶。客戶端的硬件設(shè)計應(yīng)該能夠集成帶有更多的數(shù)據(jù)信息的GPS和GPRS模塊，從而激活其操作Internet的TCP / IP8。G3技術(shù)開發(fā)的客戶端系統(tǒng)，采用ARM的CPU，如圖2所示。兩個COM端口用于GPS模塊的定位數(shù)據(jù)，GPRS模塊用于移動通信。 X數(shù)據(jù)

9、定RAM，ROM和外部數(shù)據(jù)報告。包括4套邏輯，2套模擬和1個8位數(shù)字數(shù)據(jù)格式的外部輸入可以通過G3客戶的硬件提供，這是使用圖2中的ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的。內(nèi)部輸入可能包括車輛編號，GPS定位數(shù)據(jù)和其他。為了滿足這項研究的應(yīng)用要求，診斷故障碼從外部輸入8位數(shù)字格式讀取，并通過G3發(fā)送。G3技術(shù)是為車輛作為監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的。客戶端將接受內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，通過GPRS發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。信息控制和確認是建立在使用CLinux運作系統(tǒng)的ARM CPU上的。圖2 使用ARM CPU的客戶端系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)G3技術(shù)已經(jīng)設(shè)計了用$分組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)字符串被列為：$1GPRS_KGT$2GPRMC，3082908,

10、4A，52259.6952,6N, 712013.3550,8E，937,10309,11050103,1205,2.4,1314$1462A60FFF（1）客戶端ID；（2）GPRS數(shù)據(jù)格式類型;（3）UTC時間;（4）狀態(tài)為：A =數(shù)據(jù)有效;（5）緯度：ddmm.mmmm;（6）N / S指標;（7）經(jīng)度dddmm.mmmm;（8）E / W指標;（9）速度：海里;（10）課程：學(xué)士學(xué)位;（11）日期：DDMMYY;（12）衛(wèi)星;（13）海平面高度：米;（14）模擬，數(shù)字和邏輯輸入，外部數(shù)據(jù)端口（14）被設(shè)計出來，用于處理OBD診斷故障代碼。數(shù)據(jù)傳輸速率為定于9600bps。把OBD和G3

11、技術(shù)相結(jié)合的難題需要確定的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議。3 OBD規(guī)范與接口1-43.1 OBD的規(guī)格OBD-最初是1988年的加州標準，然后在1996年延伸到美國。隨后，歐洲國家的EOBD和日本的OBD應(yīng)用成為車輛法規(guī)標準。在臺灣，基于OBD II的類似標準將予以公布，并在2008年應(yīng)用于汽車。臺灣的策略將簡化OBD的實施。 OBD的特點是：（1）統(tǒng)一的J1962，16針連接器，（2）統(tǒng)一的DTC含義，（3）數(shù)值分析和數(shù)據(jù)鏈連接器（DLC），（4）存儲和顯示DTC（5）包含車輛記錄能力，（6）DTC的自動清除或復(fù)位功能。DLC連接器統(tǒng)一標準：（1）DLC連接器是一個安裝在驅(qū)動面板下面的16針插座。 （2）

12、DLC有兩種類型的標準，一個是ISO9141-2：7針和15針的國際標準；其他的是SAE-J1850：2針和10針的美國標準。根據(jù)SAE-J2012文件3，OBD-II的DTC由五個字符組成。例如： DTC - P0113，數(shù)據(jù)說明如下： 第一個字符：P =電源列車（包括發(fā)動機，變速箱），B=車身，C=底盤，U=未定義。第一個數(shù)字：0=故障診斷代碼; l或2=車輛制造商使用的診斷故障碼。第二個數(shù)字是DTC組如下： p01xx，P02xx=氧混合比例組; P03xx=火花系統(tǒng)組; P04xx=排氣系統(tǒng)組; p05xx=車輛調(diào)速系統(tǒng)和車輛怠速控制系統(tǒng); P06xx=汽車電控系統(tǒng)和輸出代碼水平; P

13、07xx，P08xx=傳動組; P09xx，p00xx=SAE保持的代碼。3.2 OBD-和RS-232接口規(guī)格4-6在系統(tǒng)架構(gòu)中，汽車OBD的DTC是被解讀和發(fā)送給OBD接頭的。它需要一個適當?shù)碾娐罚袿BD-II DTC轉(zhuǎn)換成RS-232并發(fā)送到G3。根據(jù)OBD規(guī)范和搜索到的技術(shù)文獻，我們設(shè)計和制造的電路用于測試。從OBD到RS-232的電路如圖3所示。根據(jù)GPS標準的數(shù)據(jù)傳輸速率為9600 bps。圖3 OBD到RS-232的轉(zhuǎn)換電路OBD是一般的規(guī)范，它有幾個不同的通信協(xié)議。對于不同車型有不同的通信協(xié)議。在本文中，我們采納了三個OBD的RS232接口集成電路（ELM320，ELM323

14、，ELM322）。三個集成電路的通訊協(xié)議如表1所示。表1 標準通訊協(xié)議3.3 系統(tǒng)集成和測試一些個別的電路測試后，這個倡議的概念是從電路級到系統(tǒng)級綜合而成的。綜合系統(tǒng)會自動讀取來自車輛的DTC并把數(shù)據(jù)發(fā)送給G3的客戶端服務(wù)器。我們使用AT89C51處理器來控制“讀取和存儲”來自車輛DTC的過程，并把OBD數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾3客戶端 10，11。為滿足不同的數(shù)據(jù)源和通信協(xié)議，電路的傳輸周期應(yīng)匹配G3數(shù)據(jù)周期，如圖4所示。在數(shù)據(jù)授權(quán)方面，我們使用一個邏輯信號來劃分數(shù)據(jù)包。 G3在接收到信號后，將通過GPRS傳輸實時數(shù)據(jù)。圖4 數(shù)據(jù)傳輸周期圖5顯示了擬議系統(tǒng)概念的系統(tǒng)集成。 AT89C51啟用時，初始狀態(tài)

15、和數(shù)據(jù)傳輸速率（按要求超過9600bps）被決定，并檢查其數(shù)據(jù)源。如果G3收到了來自O(shè)BD數(shù)據(jù)，EML將命令讀取并把DTC存入微處理器（AT89C51）。最后，在G3系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過GPRS被發(fā)送到服務(wù)器。圖5 把OBD集成進G3的系統(tǒng)G3系統(tǒng)中的可接受的數(shù)據(jù)設(shè)計是為了滿足不同的需求8，9。除了OBD的DTC， G3將用于在智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用中的所有數(shù)據(jù)監(jiān)控。在G3系統(tǒng)里，我們可以通過網(wǎng)絡(luò)在線改變客戶數(shù)據(jù)格式。它提供了靈活性用于不同的數(shù)據(jù)資料格式。在本文中，我們增加了OBD的消息數(shù)據(jù)，包括在每個數(shù)據(jù)包中的汽車ID。車輛ID在搜索和鑒定方面對于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)將是非常重要的。4 系統(tǒng)驗證和測試由

16、于擬議的制度已經(jīng)建立，我們必須做如下驗證和測試。對于最初的測試，我們使用一臺筆記本電腦通過RS-232接口來輸出命令。為了測試方便，該研究采用本田CR-V2003作為測試車。其OBD通訊協(xié)議是ISO-9141-2，ELM323電路是適用的。圖6沒有顯示從這款車回應(yīng)的診斷數(shù)據(jù)。該命令“ATZ”，“0100”和“0101”是初始設(shè)置和顯示著基本信息。命令“03”是請求DTC，它由于沒有DTC，所以顯示“NO DATA”。圖6 汽車無診斷數(shù)據(jù)為了驗證傳輸電路的檢測能力，我們特意激活DTC和選擇 “進氣的溫度電路高輸入”測試。當我們拔下連接器，如圖 7所示，“檢查引擎”的指示燈將被打開。圖7 進氣溫度

17、傳感器為了驗證數(shù)據(jù)的正確性，我們使用 “I-Chin科技有限公司”的ICM2000診斷產(chǎn)品，并將比較結(jié)果展示在圖8和圖 9中。圖8 ICM2000 診斷結(jié)果圖9 OBD系統(tǒng)的DTC信息最后，我們使用擬議的系統(tǒng)來檢測的OBD數(shù)據(jù)并進行實時發(fā)送。圖9便是結(jié)果，DTC是“0113”。據(jù)ELM323文件， “0113”是指“P0113”。它得到了成功的驗證且與ICM2000結(jié)果相同。汽車維護后，DTC是清楚明確的，并且命令“04”的產(chǎn)生是為了清除DTC。5 服務(wù)器軟件設(shè)計在G3系統(tǒng)架構(gòu)中，服務(wù)器將不斷從客戶端接收實時數(shù)據(jù)。我們可以得到實時位置數(shù)據(jù)和DTC。它可以顯示各種從選擇數(shù)據(jù)庫的DTC。此外，所有

18、的收集的數(shù)據(jù)將被存儲到數(shù)據(jù)庫中。在服務(wù)器PC上，我們可以建立一個包括汽車類型及其相應(yīng)的OBD協(xié)議的龐大的數(shù)據(jù)庫。當服務(wù)器接收到OBD DTC，很容易和快速地找到汽車的問題。在本文中，服務(wù)器的軟件設(shè)計將集中在OBD的在線診斷和實時的早期預(yù)警系統(tǒng)。這是很容易識別OBD數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹７?wù)器程序上的數(shù)據(jù)是所有傳輸數(shù)據(jù)。當我們接收到數(shù)據(jù)，它將會通過程序被處理，來比較數(shù)據(jù)庫從而實現(xiàn)識別和診斷。在數(shù)據(jù)字符串中的第一個數(shù)據(jù)是汽車的ID。數(shù)據(jù)庫將通過汽車ID來選擇OBD協(xié)議并實時確認其含義。圖10是服務(wù)器中的OBD DTC程序窗口，該服務(wù)器包括汽車數(shù)據(jù)，OBD DTC，OBD數(shù)據(jù)的含義，日期，UTC時間和位

19、置（經(jīng)度和緯度）。因為數(shù)據(jù)串是固定的，我們可以開發(fā)更強大的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的顯示。圖10 在服務(wù)器中的OBD DTC程序窗口對于在線診斷和實時報告系統(tǒng)的集成方面，服務(wù)器系統(tǒng)的的硬件和軟件功能如圖11所示。服務(wù)器系統(tǒng)必須包含DTC的專家診斷系統(tǒng)從而實現(xiàn)決策的制定和功能的運行。在本文中，一些基本的專業(yè)知識建立成一個數(shù)據(jù)庫來進行初步測試。據(jù)維修工程師的經(jīng)驗，擬議的服務(wù)器軟件產(chǎn)生一個粗略的建議，為維護工程師的下一步行動提出建議。圖11服務(wù)器系統(tǒng)流程圖及其顯示車輛GPS定位數(shù)據(jù)將通過G3系統(tǒng)發(fā)送出去并清晰地顯示在GIS系統(tǒng)上。此信息可能會保持一個良好的位置意識和追蹤到車輛。在作出專業(yè)決定后，車輛狀況將分為危急或非危急情況。為了提醒維修工程師，附有接收數(shù)據(jù)的聲音信號將顯示在GIS系統(tǒng)的屏幕上。危急故障模式：車輛可能有一個來自O(shè)BD信息的致命的錯誤，不得不停下來，并