基于OBD車輛下線雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)*

胡杰周佼鵬覃雄臻高長(zhǎng)斌

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司）

基于OBD車輛下線雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)*

胡杰1周佼鵬1覃雄臻2高長(zhǎng)斌2

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司）

針對(duì)傳統(tǒng)車輛下線雙怠速排放檢測(cè)中人工難以穩(wěn)定控制發(fā)動(dòng)機(jī)高怠速問題，提出了一種基于車載診斷系統(tǒng)（OBD）控制的發(fā)動(dòng)機(jī)雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制軟件VCI系統(tǒng)、尾氣分析儀及數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制及排放自動(dòng)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)提升了高怠速檢測(cè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，減少了檢測(cè)時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了下線檢測(cè)自動(dòng)化水平。

1 前言

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 18285—2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）的要求，車輛生產(chǎn)下線后需進(jìn)行雙怠速排放檢測(cè)。傳統(tǒng)的人工控制油門踏板方式很難保證高怠速檢測(cè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，導(dǎo)致排放重復(fù)檢測(cè)問題，進(jìn)而影響車輛生產(chǎn)效率。針對(duì)人工進(jìn)行雙怠速排放檢測(cè)存在的問題，本文結(jié)合某汽車企業(yè)的雙怠速排放檢測(cè)需求[1]，開發(fā)出基于OBD的車輛下線雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可提升高怠速檢測(cè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，減少檢測(cè)時(shí)間，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高下線檢測(cè)自動(dòng)化水平。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于OBD的雙怠速排放檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)由雙怠速排放檢測(cè)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器、排放分析儀、自主開發(fā)的車輛通信接口系統(tǒng)（VCI）及雙怠速排放檢測(cè)管理端軟件等組成，如圖1所示。

VCI系統(tǒng)包括主控模塊、K接口電路、CAN（Con?troller Area Network）接口電路、電源模塊等，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間的通信[2]；雙怠速排放檢測(cè)軟件通過VCI系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU建立通信，實(shí)現(xiàn)基于OBD的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制；排放分析儀通過與工控機(jī)上串口進(jìn)行通訊獲得車輛實(shí)時(shí)排放值；檢測(cè)端軟件對(duì)檢測(cè)流程進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)排放檢測(cè)的自動(dòng)化。通過在計(jì)算機(jī)上安裝的排放檢測(cè)系統(tǒng)管理端軟件，可獲取車輛排放檢測(cè)通過率等質(zhì)量數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)車輛生產(chǎn)質(zhì)量提供依據(jù)。

3 診斷協(xié)議分析

目前，該企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊所使用的診斷協(xié)議為基于K線的ISO 14230（KWP 2000）協(xié)議和基于CAN總線的ISO 15765協(xié)議，兩類協(xié)議均參照OSI（Open Sys?tem Interconnection）7層模型制定[3]。在VCI系統(tǒng)開發(fā)時(shí)已對(duì)其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了分析[4]，所以在開發(fā)該檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)只對(duì)應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行分析，特別是其中的數(shù)據(jù)流讀取及輸入/輸出控制服務(wù)。

3.1 K線協(xié)議分析

基于K線的KWP2000應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)流讀取有三類服務(wù)形式，其標(biāo)識(shí)符及定義為：21服務(wù)——本地標(biāo)識(shí)符讀取數(shù)據(jù)流；22服務(wù)——通用標(biāo)識(shí)符讀取數(shù)據(jù)流；2C服務(wù)——?jiǎng)討B(tài)定義標(biāo)識(shí)符讀取數(shù)據(jù)流。在進(jìn)行雙怠速排放檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)只有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度，所以采取21服務(wù)讀取這2項(xiàng)數(shù)據(jù)。

輸入/輸出控制有兩類服務(wù)，其標(biāo)識(shí)符及定義為：30服務(wù)——本地標(biāo)識(shí)符用來對(duì)特殊功能進(jìn)行輸入/輸出控制；2F服務(wù)——通用標(biāo)識(shí)符對(duì)共用功能進(jìn)行輸入/輸出控制[5]。由于雙怠速排放檢測(cè)系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，屬于特殊功能，因此采用30服務(wù)。

3.2 CAN總線協(xié)議分析

基于CAN總線的ISO 15765應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)流讀取有兩類服務(wù)形式，其標(biāo)識(shí)符及定義為：22服務(wù)——本地標(biāo)識(shí)符讀取數(shù)據(jù)流；2C服務(wù)——?jiǎng)討B(tài)定義標(biāo)識(shí)符讀取數(shù)據(jù)流。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與冷卻液溫度讀取時(shí)采用22服務(wù)，但數(shù)值與基于K線的KWP 2000應(yīng)用層協(xié)議的服務(wù)標(biāo)志符不同。

輸入/輸出控制服務(wù)只有2F服務(wù)（使用標(biāo)識(shí)符進(jìn)行輸入/輸出控制）[6]一類，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)控制采用2F服務(wù)實(shí)現(xiàn)。

4 雙怠速排放檢測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 檢測(cè)端軟件開發(fā)

在微軟的Visual Basic 6.0環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)，運(yùn)用分層設(shè)計(jì)思想，將檢測(cè)端軟件分為用戶接口層、檢測(cè)應(yīng)用層、通訊接口層和數(shù)據(jù)庫(kù)層等4層結(jié)構(gòu)。檢測(cè)端軟件構(gòu)架如圖2所示。

用戶接口層獲取檢測(cè)人員輸入的車輛VIN（Vehi?cle Identify Number）碼和引車員信息，輸出排放檢測(cè)進(jìn)度、實(shí)時(shí)排放值、檢測(cè)結(jié)果及聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)等信息。檢測(cè)系統(tǒng)界面如圖3所示。

檢測(cè)應(yīng)用層功能包括：從用戶接口層獲取車輛信息，通過查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及通訊協(xié)議；控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，讀取數(shù)據(jù)流信息，根據(jù)診斷協(xié)議規(guī)范對(duì)反饋的數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速及冷卻液溫度值；與排放分析儀通訊，得到實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、排放值實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的自動(dòng)控制；上傳檢測(cè)結(jié)果至生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，完成車輛下線排放檢測(cè)。

通訊接口層通過Visual Basic 6.0編譯環(huán)境下的MSComm控件與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、排放分析儀通訊，完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收以及獲取排放數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)層包括本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)為下線排放檢測(cè)系統(tǒng)提供檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，包括不同排量車型的排放限值、檢測(cè)過程所需的轉(zhuǎn)速控制指令和數(shù)據(jù)流讀取指令、車輛匹配信息等，為檢測(cè)端提供數(shù)據(jù)支撐。服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果，便于查看車輛下線排放檢測(cè)通過率，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理。

4.2 管理端軟件開發(fā)

管理端軟件開發(fā)基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和運(yùn)算，管理端軟件通過數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)接口連接到服務(wù)器。

管理端軟件主要統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果、維護(hù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其構(gòu)架如圖4所示。

用戶交互層包含檢測(cè)數(shù)據(jù)查看統(tǒng)計(jì)模塊及車型排放檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)管理模塊。

應(yīng)用層功能的實(shí)現(xiàn)是在身份認(rèn)證及權(quán)限控制管理模塊下進(jìn)行，以防止不明用戶登入系統(tǒng)進(jìn)行操作。檢測(cè)人員只能使用檢測(cè)結(jié)果查詢與統(tǒng)計(jì)功能，而管理人員在該基礎(chǔ)上還能進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)管理，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)維護(hù)。

數(shù)據(jù)訪問層對(duì)服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，查詢檢測(cè)線上傳的車輛檢測(cè)結(jié)果，獲取檢測(cè)值。

5 雙怠速排放檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該檢測(cè)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、排放分析儀通訊功能及檢測(cè)流程控制。

5.1 系統(tǒng)通訊功能

與排放分析儀的通訊功能實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，檢測(cè)軟件直接通過串口請(qǐng)求排放分析儀的排放數(shù)據(jù)，然后等待接收排放分析儀的反饋數(shù)據(jù)，最終按照通訊協(xié)議解析出CO、HC、λ、CO2、NOx值。

因?yàn)楣た貦C(jī)與車載網(wǎng)絡(luò)電氣系統(tǒng)不同，所以無法實(shí)現(xiàn)直接通信，需要采用VCI系統(tǒng)負(fù)責(zé)工控機(jī)與車載網(wǎng)絡(luò)通信。

工控機(jī)與ECU的通訊流程如圖5所示。

VCI將工控機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)通過K線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片或CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成車載網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別的信號(hào)，同時(shí)將車載總線反饋回來的比特流、字符信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的診斷服務(wù)報(bào)文并傳回給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與車載網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

檢測(cè)過程中需要獲取發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和轉(zhuǎn)速信息，同時(shí)要向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送轉(zhuǎn)速控制指令。由于被檢車輛的K線或CAN總線采用半雙工工作模式，后1條指令必須等待前1條指令反饋結(jié)束后才可發(fā)送，否則會(huì)造成線路上信號(hào)干擾，影響數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，因此在檢測(cè)過程中需要研究OBD指令發(fā)送與接收策略。

檢測(cè)開始后先讀取發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流，當(dāng)冷卻液溫度處于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍并可進(jìn)行雙怠速檢測(cè)時(shí)，將標(biāo)志位IdleControl置為真，在下一循環(huán)時(shí)發(fā)送怠速控制指令。數(shù)據(jù)接收則要判斷數(shù)據(jù)幀是否接收完畢，軟件采取定時(shí)掃描接收緩沖區(qū)的方式來判斷是否獲得完整的數(shù)據(jù)幀。OBD指令發(fā)送與接收策略如圖6所示。

對(duì)于接收到的完整數(shù)據(jù)幀，要將其按照不同的指令類型進(jìn)行處理，以獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通訊數(shù)據(jù)處理邏輯如圖7所示。

5.2 檢測(cè)流程控制

按照該企業(yè)排放檢測(cè)要求確定的系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖8所示。

開始檢測(cè)前需確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此先讀取發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，當(dāng)冷卻液溫度處于檢測(cè)規(guī)定的87～95℃后發(fā)送高怠速指令，待發(fā)動(dòng)機(jī)高怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 500±100 r/min時(shí)，排放值緩沖區(qū)開始接收排放檢測(cè)值，到達(dá)規(guī)定檢測(cè)時(shí)間后計(jì)算排放平均值，判斷高怠速檢測(cè)是否合格。當(dāng)高怠速檢測(cè)合格后開始進(jìn)行怠速排放檢測(cè)，若檢測(cè)不合格則進(jìn)行若干次重新采樣。

怠速檢測(cè)過程同樣經(jīng)過怠速指令發(fā)送、等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、采樣、排放平均值計(jì)算、最終檢測(cè)結(jié)果判斷等過程。若高怠速排放和怠速排放都合格，則判定為整車排放檢測(cè)合格；否則檢測(cè)為不合格，需要對(duì)被檢車輛的排放系統(tǒng)進(jìn)行檢查維修。

6 雙怠速排放檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

采用所開發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)某1.2 L電子節(jié)氣門車型，采用AVL DiGas 4000排放分析儀、VCI系統(tǒng)等進(jìn)行排放檢測(cè)系統(tǒng)雙怠速自動(dòng)控制及人工控制試驗(yàn)。

6.1 雙怠速自動(dòng)控制測(cè)試

雙怠速自動(dòng)控制測(cè)試的排放數(shù)據(jù)如圖9所示。

由圖9可看出，被測(cè)試車輛在開始檢測(cè)10 s后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即達(dá)到了2 500±100 r/min的規(guī)定檢測(cè)條件，在高怠速排放檢測(cè)期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到精確控制，一直穩(wěn)定在該范圍內(nèi)，過量空氣系數(shù)快速下降，CO及HC的排放值處于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；完成高怠速檢測(cè)后，發(fā)動(dòng)機(jī)快速切換到怠速狀態(tài)，完成車輛怠速排放檢測(cè)。通過該測(cè)試表明，所開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、獲取車輛排放值以及完成排放檢測(cè)自動(dòng)控制。

6.2 雙怠速人工控制測(cè)試

雙怠速人工控制測(cè)試的排放數(shù)據(jù)如圖10所示。

Development of Vehicle End-of-line Emission Auto Detection System with Double Idle Method Based on OBD

Hu Jie1,Zhou Jiaopeng1,Qin Xiongzhen2,Gao Zhangbin2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology;2.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd）

For the traditional vehicle end-of-line emission detection system which is hard to control engine’s high idle running,we propose an auto emission detect system based on OBD to control the engine’s double idle.The system consists of the emission detect software VCI system,emission analyzer and database server,etc.,which can control the engine’s speed precisely and realize auto detection.The test result shows that the system improves engine speed stability in high idle running detection,reduce detection time and lowers labor intensity,and improves the automation level of end-of-line emission detection.

Vehicle end-of-line,Double idle,Emission detection,Control system,OBD

車輛下線 雙怠速 排放檢測(cè) 控制系統(tǒng) 車載診斷系統(tǒng)

U467.4

A

1000-3703（2015）01-0048-04

國(guó)際合作項(xiàng)目(2012DFA11180)、廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014BA10089)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2013-VII-022）資助。