一種摩托車OBD故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志紅，吳鵬輝，袁 雨，王少博，賀星馳

(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，湖北 武漢 430070；2．武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

為進(jìn)一步優(yōu)化摩托車產(chǎn)業(yè)和推動(dòng)技術(shù)更新，2016年8月環(huán)保部和質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布的《摩托車污染物排放限值及測量方法(中國第四階段)》(GB14622-2016)[1]和《輕便摩托車污染物排放限值及測量方法(中國第四階段)》(GB18176-2016)[2]于2018年7月1日實(shí)施。屆時(shí)所有廠商生產(chǎn)的摩托車必須滿足國四排放標(biāo)準(zhǔn)。摩托車國四排放標(biāo)準(zhǔn)較國三排放標(biāo)準(zhǔn)除了加嚴(yán)了污染物限值、新增了對柴油三輪摩托車顆粒物的污染物控制要求、延長了污染控制裝置耐久性試驗(yàn)里程等外，還規(guī)定所有摩托車都應(yīng)裝備車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostic system,OBD)，監(jiān)測相關(guān)電路的連通性[3]。

美國在1996年就要求輕型汽車和卡車都要安裝OBD-Ⅱ系統(tǒng)[4]，隨后OBD系統(tǒng)也逐漸在摩托車上應(yīng)用。歐盟于2013～2014年正式發(fā)布關(guān)于摩托車整車型式認(rèn)證法規(guī)，該法規(guī)要求摩托車必須安裝OBD故障診斷系統(tǒng)[5-6]。

摩托車國四排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，即將摩托車全面推向電噴系統(tǒng)時(shí)代[7]。滿足國四排放標(biāo)準(zhǔn)的摩托車要求運(yùn)用OBD系統(tǒng)，當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時(shí)，儀表盤上的MIL(malfunction indicator lamp)點(diǎn)亮，警示駕駛員車輛出現(xiàn)故障，然而駕駛員并不了解車輛具體出現(xiàn)的故障原因，給車輛及時(shí)、準(zhǔn)確的維護(hù)帶來諸多不便。為解決以上問題，設(shè)計(jì)了一種摩托車OBD故障診斷系統(tǒng)，診斷終端與摩托車OBD診斷接口對接，通過藍(lán)牙與智能手機(jī)APP端連接，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測摩托車的運(yùn)行狀況，并對摩托車故障碼進(jìn)行解析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)主要是將摩托車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息通過藍(lán)牙傳輸給智能手機(jī)APP端，在手機(jī)APP端將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理和顯示，也可以將數(shù)據(jù)上傳至平臺端，監(jiān)測摩托車的狀況(包括一些傳感器的信息采集以及三元催化轉(zhuǎn)化器的運(yùn)行狀況等)，將分析結(jié)果通過手機(jī)APP反饋給用戶，并建議用戶采取相應(yīng)的措施。

摩托車OBD檢測到部件或系統(tǒng)首次故障，存儲故障碼和凍結(jié)幀，凍結(jié)幀內(nèi)容包括：計(jì)算負(fù)荷值、轉(zhuǎn)速、燃油修正值、車速、冷卻液溫度、進(jìn)氣壓力、燃油壓力、燃油閉環(huán)狀態(tài)等。數(shù)據(jù)流記載了車輛的實(shí)時(shí)信息，MCU(microcontroller unit)每一秒向OBD發(fā)出請求數(shù)據(jù)指令，即手機(jī)APP端信息每秒更新一次。

整個(gè)系統(tǒng)包括藍(lán)牙故障診斷終端、智能手機(jī)APP端和平臺端3部分，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 藍(lán)牙OBD故障診斷終端

2.1 功能實(shí)現(xiàn)

藍(lán)牙OBD故障診斷終端集藍(lán)牙模塊、MCU、OBD接口于一體。摩托車OBD接口與該故障診斷終端的OBD接口連接，并向該終端供電，喚醒MCU和藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊將接收到的來自手機(jī)APP的數(shù)據(jù)請求指令傳輸給MCU，在MCU中將指令解封，并形成OBD協(xié)議幀，通過K/CAN總線傳輸給摩托車OBD系統(tǒng)，OBD系統(tǒng)接受指令，并將存儲的故障碼、凍結(jié)幀和數(shù)據(jù)流通過K/CAN總線傳輸給MCU，經(jīng)過封裝成藍(lán)牙幀通過藍(lán)牙模塊傳輸給手機(jī)APP端。其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙是一種短程無線擴(kuò)頻通信技術(shù)。由于藍(lán)牙信息傳輸可在極端溫度(-40～85℃)條件下進(jìn)行[8]，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、體積小、信息傳輸安全等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車載設(shè)備上[9]。

該藍(lán)牙模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(electronic control unit)通過K/CAN總線進(jìn)行雙向通信，實(shí)時(shí)讀取來自ECU的數(shù)據(jù)信息和接受發(fā)送給ECU的數(shù)據(jù)信息。藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，首先將K/CAN總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并封裝，然后通過發(fā)送端發(fā)出。藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收首先要求診斷終端與智能手機(jī)間必須連接，手機(jī)端接收數(shù)據(jù)并解封，即完成了藍(lán)牙診斷終端與手機(jī)交互通信[10-11]。

2.3 MCU

MCU是整個(gè)診斷終端的控制核心，它通過相關(guān)程序代碼的執(zhí)行指令，驅(qū)動(dòng)其他各個(gè)模塊完成相應(yīng)的操作，如實(shí)現(xiàn)摩托車OBD與藍(lán)牙通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。協(xié)議的轉(zhuǎn)換是將摩托車OBD接口端的信息加上藍(lán)牙協(xié)議的幀頭和幀尾，進(jìn)行封裝并發(fā)送出去。同時(shí)還將藍(lán)牙接收到的信息進(jìn)行解封，去掉幀頭和幀尾，提取信息并發(fā)送給摩托車OBD。

2.4 OBD接口

OBD接口用于故障診斷終端與摩托車OBD診斷接口的連接與固定，其主要功能是使藍(lán)牙OBD故障診斷終端通過CAN總線或K總線進(jìn)行雙向信息傳遞，可獲取車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可通過手機(jī)APP向車輛發(fā)送指令，同時(shí)還向藍(lán)牙OBD故障診斷終端提供電源。

OBD接口采用標(biāo)準(zhǔn)的16Pin接口，滿足ISO5031-3的要求。在OBD接口的地引腳與屏蔽引腳間添加磁珠L1，可抗高頻噪聲和尖峰干擾，同時(shí)還能吸收靜電脈沖[12]。

摩托車的信息采集同時(shí)支持CAN總線和K總線，以滿足不同通信協(xié)議總線的摩托車。根據(jù)OBD-Ⅱ協(xié)議規(guī)定，CAN總線通信遵循ISO-11898和ISO-15765協(xié)議，K總線通信遵循ISO-9141和ISO-14230(KWP2000)協(xié)議[13]，K/CAN總線電路一端與OBD接口相連，另一端連接MCU。本系統(tǒng)通信協(xié)議采用符合標(biāo)準(zhǔn)的ISO9141-2和ISO15765-4[14]，系統(tǒng)的故障碼識別要求符合ISO5031，診斷數(shù)據(jù)信息滿足ISO15031要求，以便實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP端故障診斷。

3 手機(jī)APP

智能手機(jī)在我國已經(jīng)非常普遍，且智能手機(jī)都支持藍(lán)牙無線通信，這為實(shí)現(xiàn)摩托車實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了良好平臺。

智能手機(jī)APP流程如圖3所示，用戶將診斷終端與摩托車OBD連接后，打開手機(jī)APP，登陸系統(tǒng)，打開藍(lán)牙并與診斷終端連接，手機(jī)APP讀取車輛基本信息，如摩托車型號等。在APP上發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令，藍(lán)牙OBD故障診斷終端通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)APP，并將數(shù)據(jù)解封并分類。

圖3 智能手機(jī)APP流程圖

圖4 手機(jī)APP故障分析實(shí)例

在手機(jī)APP上將數(shù)據(jù)分為故障診斷碼和摩托車基本信息。在故障診斷部分可解讀故障碼，讀取凍結(jié)幀，存儲車輛歷史故障，對車輛給出及時(shí)合理的基本故障診斷，預(yù)防摩托車零部件惡化，圖4為摩托車故障分析實(shí)例。在手機(jī)APP中讀取OBD數(shù)據(jù)流，實(shí)時(shí)顯示車輛運(yùn)行基本信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、扭矩以及車速等，這些數(shù)據(jù)可通過列表、表盤和趨勢圖的形式展現(xiàn)出來，用戶可根據(jù)個(gè)人喜好選擇其中一種表示方式，手機(jī)APP信息顯示界面如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP信息顯示界面圖

此外，手機(jī)APP還具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互功能，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)診斷和車輛狀況的監(jiān)測。即將手機(jī)APP從OBD中獲取的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳給平臺端。摩托車廠商工程師通過用戶上傳的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輔助診斷，提高用戶故障診斷能力。后臺根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)還可遠(yuǎn)程監(jiān)測車輛的基本狀況，判斷摩托車尾氣后處理系統(tǒng)是否失效，平臺端可根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過手機(jī)APP反饋給用戶，并建議用戶做出相關(guān)維護(hù)，如圖6所示。

圖6 手機(jī)APP結(jié)構(gòu)圖

4 平臺端

平臺端是由摩托車生產(chǎn)廠商和監(jiān)管部門共同組成，用戶上傳到平臺端的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，并進(jìn)行預(yù)分析，檢測摩托車是否出現(xiàn)故障，平臺端界面如圖7所示。用戶上傳到平臺端的數(shù)據(jù)由生產(chǎn)廠商和監(jiān)管部門共享。摩托車生產(chǎn)廠商可以根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)對車輛進(jìn)行分析，由專家系統(tǒng)根據(jù)故障碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，并將診斷結(jié)果反饋到手機(jī)APP上。此外，摩托車生產(chǎn)廠商和監(jiān)管部門可以遠(yuǎn)程監(jiān)測摩托車的后處理裝置，判斷是否失效，并給出相應(yīng)的處理建議，然后將結(jié)果和建議發(fā)送至用戶手機(jī)APP端，告知用戶。圖8為平臺端流程圖。

圖7 平臺端界面圖

圖8 平臺端流程圖

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的摩托車OBD故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶可通過智能手機(jī)實(shí)時(shí)查看摩托車運(yùn)行狀況，并可以將數(shù)據(jù)通過手機(jī)無線網(wǎng)傳輸給平臺端。通過對數(shù)據(jù)的解析，車輛生產(chǎn)廠商可實(shí)現(xiàn)對車輛故障碼進(jìn)行專家診斷，監(jiān)管部門可監(jiān)測車輛后處理裝置是否有效。此外，用戶上傳的數(shù)據(jù)也為企業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供了寶貴的資料。