基于Internet和3G的汽車遠程診斷數(shù)據(jù)采集技術的研究*

顏伏伍，曹 愷，胡 杰，楊 辰

(武漢理工大學，現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070)

前言

汽車電控化程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標志，而電控化程度越高，汽車故障診斷越困難，有資料統(tǒng)計顯示，當前故障診斷時間為70%左右，故障排除時間僅30%［1］?，F(xiàn)代汽車電子控制單元都具備在線診斷系統(tǒng)(OBD)，它能實時監(jiān)控汽車電子控制系統(tǒng)的工作情況和判別相關故障，并以故障碼的形式記錄［2］。但汽車電控技術發(fā)展迅速，能跟蹤掌握的診斷專家匱乏，汽車服務商經(jīng)常須要尋求廠商技術支持，導致診斷效率降低，維修成本增加。

Internet是全世界最大的互聯(lián)網(wǎng)絡，普通用戶通過網(wǎng)絡服務商可輕松接入，這為汽車診斷數(shù)據(jù)共享提供了方便途徑［3］。而隨著信息技術的發(fā)展，3G網(wǎng)絡全IP化的不斷推進，為克服地域障礙、實現(xiàn)汽車診斷數(shù)據(jù)共享、提供協(xié)同診斷服務的汽車遠程故障診斷技術得到了廣泛的關注和研究［4］。其中通用汽車公司和豐田汽車公司在這一領域已有成功的經(jīng)驗，而國內受網(wǎng)絡基礎和經(jīng)濟技術等條件限制起步較晚。通過建立基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統(tǒng)，著重研究實現(xiàn)汽車遠程診斷的數(shù)據(jù)采集技術和方法，為汽車遠程診斷技術的研究提供數(shù)據(jù)基礎。

1 汽車遠程診斷系統(tǒng)

汽車遠程故障診斷技術是通過本地故障診斷設備讀取汽車故障相關信息，以有線或無線方式傳輸至通信網(wǎng)絡，由遠程故障診斷服務中心管理汽車故障診斷數(shù)據(jù)共享，方便智能診斷系統(tǒng)和診斷專家在遠端實時、高效地進行故障診斷，為遠端客戶提供診斷支持的技術［5］，它具備以下幾點優(yōu)勢。

(1)采用多種網(wǎng)絡組建企業(yè)級診斷監(jiān)測系統(tǒng)，形成標準數(shù)據(jù)庫，有利于數(shù)據(jù)的積累和資源共享。

(2)有利于進行協(xié)同診斷，實現(xiàn)企業(yè)和異地專家的聯(lián)合會診，提高診斷準確性和可靠性。

(3)具有良好的可擴展性，借助計算機技術和網(wǎng)絡通信技術，汽車遠程診斷系統(tǒng)可以靈活擴展。

(4)克服地域差異，滿足對不斷增強的診斷實時性和移動性的需求，減少專家出差次數(shù)，節(jié)約售后成本［6］。

(5)方便實施主動診斷，對車輛進行實時監(jiān)控，預防汽車故障惡化，提供可靠的技術保障［7］。

(6)提供遠程技術教學，提高售后人員技能水平，有效解決故障診斷技術的更新和掌握問題。

通過構建汽車遠程診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對相關技術進行深入研究，該系統(tǒng)包括汽車故障診斷通信裝置、PC與手機診斷客戶端和遠程故障診斷服務中心等部分，如圖1所示。

1.1 汽車故障診斷通信裝置

ECU的大量使用和各種不同的通信協(xié)議得到廣泛應用［8］，導致車載網(wǎng)絡復雜化程度的增加。為解決不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉換，設計了通用型診斷協(xié)議轉換裝置。該裝置以飛思卡爾公司的HCS12系列16位微處理器為主控單元，集成CAN通信控制器;使用車載診斷通信接口芯片MC33290進行K線電平轉換;使用 CAN收發(fā)器芯片 PCA82C250實現(xiàn)CAN控制器到車載網(wǎng)絡的電平轉換和驅動，集成網(wǎng)絡通信協(xié)議;而在上層應用方面，則通過USB、藍牙和3G模塊提供數(shù)據(jù)服務。

1.2 PC和手機診斷客戶端

手持式汽車故障診斷儀受性能影響，系統(tǒng)運行慢，且無法提供智能診斷和指導，而PC和智能手機式診斷設備依賴強大的硬件配置能有效克服上述問題。在單機模式下，PC和手機診斷客戶端能實現(xiàn)故障碼、凍結幀和數(shù)據(jù)流的讀取以及動作測試和幫助查詢等功能。在聯(lián)網(wǎng)模式下，通過遠程診斷輔助等功能，對故障車輛進行遠程診斷，并對本地技術人員進行指導，必要時比對ECU信息，遠程刷新ECU程序，并歸納最終診斷結果，形成車輛病例，上傳至服務器，以方便統(tǒng)計分析。

1.3 遠程故障診斷服務中心

遠程故障診斷服務中心由專家、數(shù)據(jù)庫服務器、管理服務器和診斷服務器組成，主要負責管理汽車故障診斷網(wǎng)絡，提供遠程診斷數(shù)據(jù)的共享，實現(xiàn)遠程故障智能診斷和專家協(xié)助等。遠程服務中心信息系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)共享服務和智能診斷算法，能更有效地提高設備的穩(wěn)定性和安全性，減少設備維修時間，降低維修成本［9］。

2 汽車遠程診斷數(shù)據(jù)的采集

2.1 汽車診斷數(shù)據(jù)獲取

汽車故障診斷通信裝置負責汽車診斷原始數(shù)據(jù)的獲取，實現(xiàn)診斷軟件和車載網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換。以診斷數(shù)據(jù)流通信為例，其數(shù)據(jù)流采集流程如圖2所示。

當汽車故障診斷通信裝置收到上層應用服務請求后，首先確定工作模式，并確定車載網(wǎng)絡協(xié)議類型;在K線網(wǎng)絡下，先設置波特率、握手時間和報文頭等，再轉發(fā)讀取命令，并對反饋數(shù)據(jù)進行簡單計時和校驗。在CAN總線網(wǎng)絡下，為解決通信雙方的同步問題，須采用流控制管理機制［10］，在首幀數(shù)據(jù)到達后計算數(shù)據(jù)長度，并激活N_Cr超時定時器，同時反饋流控制幀至ECU等待連續(xù)幀數(shù)據(jù)。若在N_Cr時間內，未接受到連續(xù)幀將進行超時處理;否則對接受到的連續(xù)幀進行計數(shù)，并根據(jù)接收方還可接收的連續(xù)幀數(shù)目確定是否再次發(fā)送流控制幀;在接受完成和校驗通過后，對數(shù)據(jù)進行組合，并上傳至上層應用。

2.2 Internet與3G網(wǎng)絡的通信?

文獻［11］中將汽車診斷技術與GPRS無線通信技術相結合，為新一代故障診斷技術提供了有效設計思路;但因受通信速率的影響，其發(fā)展受到限制。3G網(wǎng)絡支持高速數(shù)據(jù)傳輸，而 WCDMA制式與GSM/GPRS保持很好的后向兼容性，具有成熟度好、覆蓋范圍廣和安全性強等特點，已在全球范圍內得到廣泛應用。而且國際標準化組織3GPP針對WCDMA網(wǎng)絡制定了利于其演進的規(guī)范，便于實現(xiàn)3G業(yè)務承載的全面IP分組化［12］。

華為MU509模塊采用貼片式LGA封裝，提供最高上行速率384kbps、下行速率3.6Mbps的分組數(shù)據(jù)業(yè)務，內嵌 TCP/IP協(xié)議，提供 UART與 USB接口，能夠很好地實現(xiàn)Internet與3G網(wǎng)絡互聯(lián)。圖3為診斷數(shù)據(jù)通信流程:在接收到遠程服務指令后，交由主控單元處理;主控單元由圖2所示流程獲取診斷數(shù)據(jù);對數(shù)據(jù)長度進行判斷，確定是否分段發(fā)送，并將各段數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直至傳輸完成。

2.3 遠程傳輸機制

將汽車遠程診斷數(shù)據(jù)分為4類:基礎數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和遠程協(xié)助數(shù)據(jù)，見表1。遠程診斷數(shù)據(jù)具有傳輸數(shù)據(jù)量小、實時性要求一般但可靠性要求高的特點。在傳輸層協(xié)議的選擇上，TCP協(xié)議提供面向連接的服務，相對于UDP協(xié)議，較能保證信息有序無誤的傳輸，有效降低應用層的處理工作量，且通過一定的策略可使其實時性得到保證。因此選擇TCP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。

表1 遠程診斷數(shù)據(jù)分類

系統(tǒng)自定義了數(shù)據(jù)包結構，通過對數(shù)據(jù)長度的識別，使用緩存技術處理，保證數(shù)據(jù)顯示的流暢性。在數(shù)據(jù)傳輸前，客戶端與專家端進行協(xié)議和數(shù)據(jù)采集頻率的協(xié)商，待專家端接受到數(shù)據(jù)后，再分包處理，并以協(xié)商頻率顯示出來，其數(shù)據(jù)傳輸機制如圖4所示。作者在武漢構建汽車故障診斷中心，使用電信寬帶接入Internet，分別與北京、上海、昆明、柳州和汕頭等地聯(lián)合測試遠程協(xié)助診斷，單次時間共計10min，平均傳輸速率為30kb/s，使用流量18Mb，由此說明該機制能很好地適應當前的網(wǎng)絡環(huán)境。

2.4 服務器的設計

汽車遠程診斷系統(tǒng)架構在通信網(wǎng)絡之上，由中心服務器和異地專家組成廣域診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)主要考慮網(wǎng)絡結構確立和服務器性能兩方面。遠程診斷網(wǎng)絡有瀏覽器/服務器(B/S)和客戶機/服務器(C/S)兩種結構模式。C/S模式交互性強、安全性高，承載部分業(yè)務邏輯，有效降低服務器通信開銷和業(yè)務負載。汽車遠程診斷系統(tǒng)要求有很好的交互性和安全性，且須要承載具體的診斷業(yè)務以便單機使用，因此選擇C/S模式進行系統(tǒng)開發(fā)。

服務器利用套接字實現(xiàn)通信，常用套接字模型有選擇模型、異步選擇模型、事件選擇模型、重疊模型和完成端口模型等，其中完成端口模型有更好的伸縮性和更高的數(shù)據(jù)吞吐率，能滿足服務器高性能的要求。服務器的配置為:CPU2.0GHz Xeon、內存4G;客戶機的配置為2.1GHz Xeon、內存1G。在此測試環(huán)境下，模擬并發(fā)8 000個客戶端進行診斷數(shù)據(jù)交互，各種模型性能見表2。完成端口模型在連接數(shù)和吞吐率上明顯優(yōu)于選擇和異步選擇模型，而在內存和CPU的使用上也比事件選擇和重疊模型有較大優(yōu)勢，具備最佳的系統(tǒng)性能。

表2 服務器通信模型測試

3 試驗測試

本文中以國內某汽車廠商全車系車輛為研究對象，設計了汽車故障診斷通信裝置，內部實現(xiàn)K線、CAN總線、USB和藍牙等協(xié)議數(shù)據(jù)的轉換;使用SQL Server 2003搭建數(shù)據(jù)庫，上位機采用C#作為編程語言，使用面向對象方法由各功能模塊分層實現(xiàn)，成功構建了基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統(tǒng)。圖5為PC和手機故障診斷實測截圖。汽車故障診斷通信裝置和標準診斷通信接口相連，通過USB與PC診斷客戶端相連并進行聯(lián)機診斷，使用藍牙與手機診斷客戶端相連，讀取汽車診斷數(shù)據(jù)。

圖6 為PC遠程協(xié)助診斷截圖，遠程專家異地操縱客戶端軟件，查看故障車輛數(shù)據(jù)流。圖7～圖12為由汽車故障診斷通信裝置通過3G網(wǎng)絡傳輸至遠程服務中心后，結合各自坐標再現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理圖(圖中采樣點間隔50ms)，能更加清晰地顯示了車輛數(shù)據(jù)流變化情況。由試驗數(shù)據(jù)分析可知，上述兩種方法均有效實現(xiàn)了汽車遠程故障診斷數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)采集頻率高，能實時、準確地反映出當時車輛實際工作狀況，為實現(xiàn)汽車遠程診斷提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

4 結論

結合計算機、通信和汽車故障診斷等技術，構建了基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統(tǒng)，結合網(wǎng)絡傳輸特性，設計了各個階段的傳輸策略，有效地實現(xiàn)了汽車遠程診斷數(shù)據(jù)的采集。試驗表明，汽車遠程診斷數(shù)據(jù)采集實時性高、數(shù)據(jù)傳輸準確，為遠程診斷專家提供了很好的數(shù)據(jù)支持，方便專家進行汽車遠程診斷，可有效縮短售后服務時間，節(jié)約售后服務成本，提高汽車品牌形象。

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