基于KWP2000的PC式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂霞付,楊江寧,陳建,楊晗

(重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

0 引言

目前,要將汽車故障診斷數(shù)據(jù)從ECU(Electronic Control Unit,電子控制單元)中讀出，最主流的途徑就是通過診斷儀來實(shí)現(xiàn)汽車診斷。

便攜式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷儀由于體積小、攜帶方便，一度受到人們追捧；然而隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上電控單元(ECU)所監(jiān)控以及獲取的數(shù)據(jù)越來越多，便攜式的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷儀開始顯現(xiàn)出不能對電控單元進(jìn)行編程、在線查看診斷報(bào)告內(nèi)容和智能化的修理診斷指導(dǎo)等問題，已經(jīng)不能勝任現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的發(fā)展要求。而基于PC機(jī)的診斷系統(tǒng)依靠平臺(tái)強(qiáng)大、高效的數(shù)據(jù)處理能力，逐漸流行起來。

文中采用通信硬件與PC診斷軟件結(jié)合的方式，利用強(qiáng)大的PC機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，對故障診斷軟件采用面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行結(jié)構(gòu)化與模塊化的程序設(shè)計(jì)，通過通信硬件完成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層；結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過PC應(yīng)用診斷軟件，完成應(yīng)用層要求。

1 故障診斷協(xié)議

1.1 KWP2000通信協(xié)議

KWP2000協(xié)議是基于K線的診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)普遍使用，它是針對汽車ECU和診斷設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換而制定。并且對串行通信的通用要求進(jìn)行了規(guī)定。在診斷系統(tǒng)硬件與軟件結(jié)構(gòu)中，通信模塊是重要組成部分之一，決定了通信質(zhì)量的好壞。

1.2 物理層

KWP2000協(xié)議物理層以ISO9141標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，用以實(shí)現(xiàn)診斷服務(wù)，并將總線上電池電壓小于Vb的20%～30%時(shí)定義為邏輯“0”,大于Vb的70%～80%時(shí)定義為“1”。設(shè)計(jì)了K線到RS232轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)物理層串行通信服務(wù)。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要包括兩方面，一方面定義報(bào)文的結(jié)構(gòu)。報(bào)文格式如表1所示。

表1 KWP2000報(bào)文格式定義

幀頭是由3～4個(gè)字節(jié)構(gòu)成，包含報(bào)文的格式、目標(biāo)地址、源地址及數(shù)據(jù)段長度等相關(guān)信息。數(shù)據(jù)段中的第一個(gè)字節(jié)規(guī)定為服務(wù)類型標(biāo)識(shí)碼。完整的數(shù)據(jù)段最大長度是255 Byte，校驗(yàn)字節(jié)插在信息塊的末尾，定義為除校驗(yàn)字節(jié)之外的信息中所有字節(jié)的8位簡單求和。

另一方面，該層建立通信連接時(shí)的一系列服務(wù)操作。在診斷開始之前診斷設(shè)備須對ECU進(jìn)行初始化處理，初始化之后ECU會(huì)返回關(guān)鍵字，而ECU所支持的幀頭和定時(shí)參數(shù)則都包含在關(guān)鍵字里面，例如ECU通信波特率、源地址、幀頭格式等信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于K總線的ISO14230診斷協(xié)議，因此系統(tǒng)診斷實(shí)現(xiàn)和K總線通信的設(shè)計(jì)分別依據(jù)ISO14230協(xié)議中的應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)定。診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為PC診斷軟件模塊和診斷通信硬件模塊兩部分。診斷系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)診斷總體框圖

2.2 基于K總線的通信硬件設(shè)計(jì)

由TL718協(xié)議轉(zhuǎn)換電路、USB通信電路、K線通信電路以及擴(kuò)展功能電路組成的硬件電路原理圖如圖2所示。其中，采用電腦USB接口提供5 V電源供電，汽車ECU提供24 V電源供電。

圖2 通信硬件電路圖

2.3 通信連接軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)環(huán)境利用了Java JDK1.8，多線程編程。首先，開始運(yùn)行主線程則顯示人機(jī)交互界面并識(shí)別出虛擬串口、匹配波特率等信息，用于實(shí)現(xiàn)診斷軟件跟ECU的串口通信。通信連接時(shí)發(fā)送TL718芯片設(shè)置命令與ECU通信連接命令。

2.3.1 TL718芯片設(shè)置流程

(1)發(fā)送ATSP5選擇采用K總線通信協(xié)議；

(2)發(fā)送ATST03設(shè)置ECU應(yīng)答時(shí)間12 ms;

(3)發(fā)送ATSW19設(shè)置TL718空閑等待握手時(shí)間500 ms;

(4)使用ATSH81 10 F1設(shè)置報(bào)文頭，其中10表示發(fā)動(dòng)機(jī)ECU地址。

2.3.2 汽車ECU連接指令

TL718有兩種命令格式：第一種是以AT開頭的內(nèi)部命令；另一種是OBD連接命令(即只包含16進(jìn)制的ASCII碼)。只有發(fā)送OBD命令的時(shí)候，與車輛連接通信。當(dāng)向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送OBD命令10 81時(shí)，開始建立連接通信，其中10是啟動(dòng)通信服務(wù)標(biāo)識(shí)，81是啟動(dòng)通信請求服務(wù)標(biāo)識(shí)，如表2所示。

表2 請求報(bào)文

通信連接流程圖如圖3所示。

圖3 通信連接程序流程圖

連接ECU功能整體程序如下：

private void 連接(object sender, EventArgs e)

{

SerialPort_Configure(); //掃描串口，初始化出口配置函數(shù)

SerialPort_Open(); // 打開串口函數(shù)

Ecu_Connect(); //連接到ECU函數(shù)

}

3 診斷軟件設(shè)計(jì)

3.1 診斷應(yīng)用軟件開發(fā)

診斷軟件貫徹了軟件工程的設(shè)計(jì)原則，分為視圖層、診斷服務(wù)層、串口通信層3個(gè)層次。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件總體架構(gòu)

視圖層提供友好人機(jī)交互界面接口。診斷服務(wù)層通過實(shí)現(xiàn)與診斷數(shù)據(jù)庫之間的交互，提供包括讀取ECU內(nèi)存放的關(guān)于ECU版本相關(guān)信息、汽車故障碼、汽車行程記錄、參數(shù)測量等功能服務(wù)。串口通信層保證診斷軟件與ECU之間的通信。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

通過運(yùn)行汽車診斷系統(tǒng)獲得PC診斷應(yīng)用軟件的診斷界面，診斷結(jié)果界面如圖5所示。

在一開始初始化主界面時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)軟件就已建立與汽車電控單元的通信連接，如圖5(a)所示。通過讀取故障碼功能，在新窗口表格中顯示故障碼的數(shù)量及每個(gè)故障碼的詳細(xì)信息，讀取故障碼之后，可以通過Excel保存于本地文件中，以供之后出現(xiàn)類似故障時(shí)作為參考信息，如圖5(b)所示。在使用清除故障碼功能后，用戶可以繼續(xù)操作其他診斷功能。使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的行駛記錄以及參數(shù)測量功能分別如圖5(c)、(d)所示。

圖5 PC診斷應(yīng)用軟件運(yùn)行界面

4 結(jié)論

此次開發(fā)的PC式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)是某公司針對其EDC17系列新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研制的，可以采集試驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中的數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案可用，診斷數(shù)據(jù)符合實(shí)際工況，診斷結(jié)果滿足用戶需求。

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