汽車診斷技術(shù)概述

李錦 劉夢(mèng) 吳格 周衡 吳建勛

【摘? 要】CAN總線被廣泛應(yīng)用于汽車通信。隨著汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性也相對(duì)增加，同時(shí)對(duì)故障發(fā)生原因也變得越來越困難，從而極大影響了客戶的用車體驗(yàn)。本文以汽車診斷儀為研究對(duì)象，分別介紹有線式診斷儀、無線式近距離診斷儀和無線遠(yuǎn)程式診斷儀技術(shù)路線所需要的硬件設(shè)備和優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)一步分析汽車診斷技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】有線式診斷；無線式近距離診斷；無線遠(yuǎn)程式診斷

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0055-03

【Abstract】CAN bus is widely used in automobile communication. With the increasingly complex structure of the automobile electronic control system，the possibility of failure of the electronic system is also relatively increased. At the same time，it is becoming more and more difficult to find the cause of failure，which greatly affects the customer's experience during the use of the automobile. This paper takes the automobile diagnosis instrument as the research object，introduces the technical route and the required hardware equipment of the wired diagnosis instrument，the wireless short-range diagnosis instrument and the wireless remote diagnosis instrument；The advantages and disadvantages of the three diagnostic techniques are analyzed. The future development trend of automobile diagnosis technology is further analyzed.

【Key words】wired diagnosis；wireless short-range diagnosis；wireless remote diagnosis

1? 前言

隨著對(duì)汽車安全性、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及排放的法規(guī)要求越來越高，越來越多的傳感器應(yīng)用到車輛中，車輛控制系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜。而各控制系統(tǒng)的電子化、復(fù)雜化在提高車輛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放的同時(shí)[1]，也給汽車模塊間穩(wěn)定通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)。CAN總線在信息傳輸中具有良好的可靠性[2-3]，因此CAN總線被廣泛應(yīng)用于汽車通信。在汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的今天，電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性也相對(duì)增加，對(duì)故障發(fā)生原因和發(fā)生部位的判斷就變得越來越困難。故汽車故障診斷技術(shù)己經(jīng)成為汽車故障診斷過程屮必不可少的工具[4-5]。本文通過研究有線式診斷儀、無線式診斷儀以及遠(yuǎn)程式診斷儀這3種不同形式診斷儀硬件的技術(shù)路線，從而為后續(xù)汽車診斷技術(shù)的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用。

2? 診斷系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了滿足故障診斷的巨大需求，許多汽車公司、專業(yè)故障診斷研發(fā)公司及高校研究并開發(fā)了多種基于汽車故障的診斷技術(shù)。目前應(yīng)用的汽車故障診斷技術(shù)按照結(jié)構(gòu)和功能可分為3種類型[6]：有線式診斷技術(shù)、無線式近距離診斷技術(shù)、無線遠(yuǎn)程式診斷技術(shù)。

2.1? 有線式診斷技術(shù)

有線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖1所示。

2.1.1? 實(shí)現(xiàn)原理釋義

診斷儀工作時(shí)，接口電路板將PC機(jī)的請(qǐng)求信號(hào)經(jīng)過重新編程和電壓轉(zhuǎn)換后發(fā)送給OBDII隨車診斷系統(tǒng)，并將OBDII隨車診斷系統(tǒng)的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換和重新編碼后返回給PC機(jī)。當(dāng)應(yīng)答信號(hào)到達(dá)后，PC機(jī)軟件通過解碼和運(yùn)算，最終以用戶易于接受的方式顯示。

2.1.2? 有線式診斷系統(tǒng)硬件

電腦和單片機(jī)之間需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，需要采用標(biāo)準(zhǔn)接口將兩者連接在一起，另外還需要電平轉(zhuǎn)換模塊將電腦的輸出電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)的相連。目前常用的串口RS232、RS454、IIC、SPI。表1是幾種常用串口的參數(shù)分析。

RS485相較于RS232改進(jìn)后的特點(diǎn)包括以下4點(diǎn)。

1）電平：RS485接口相較于R232電平低，由于芯片電壓大多是3.3V或者5V左右，因此RS485不易損壞芯片。

2）傳輸速率：RS485相較于RS232傳輸速率高。在短距離通信時(shí)，RS485最高速率可以達(dá)到35Mb/s，在長距離通信時(shí)，傳輸速率也可達(dá)100kb/s以上，而RS232傳輸速率只有20kb/s。

3）抗干擾性：RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

4）傳輸距離：RS485總線最大傳輸距離可達(dá)1200m，RS232傳輸距離最多不超過15m，因此RS485傳輸距離更遠(yuǎn)。

CAN總線：由于在汽車、工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備或者汽車處于高溫、振動(dòng)、各種負(fù)荷的工作環(huán)境中，對(duì)通信的穩(wěn)定性要求非常高，并且CAN總線只需要2根線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，減少設(shè)備和汽車上線束的數(shù)量，因此CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域。而IIC和SPI主要應(yīng)用于芯片里面的通信。

CAN收發(fā)器：CAN收發(fā)器的作用是邏輯信號(hào)與差分信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)接收部分的作用是將自總線的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)接收電路的接收，轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)并發(fā)送到CAN協(xié)議控制器，數(shù)據(jù)發(fā)送部分是將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)，繼而將數(shù)據(jù)傳遞到總線。

2.1.3? 有線式優(yōu)缺點(diǎn)

有線診斷設(shè)備具有硬件集成度高，能滿足數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、指令控制、二次開發(fā)等一系列需求的特點(diǎn)，由于集成了較多功能，因此其價(jià)格昂貴、體積較大、不利于攜帶、操作復(fù)雜，需要受過專業(yè)培訓(xùn)的人才會(huì)使用，因此主要用于汽車主機(jī)廠和大型4S店。

2.2? 無線式近距離診斷技術(shù)

無線式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖2所示。

2.2.1? 診斷原理

當(dāng)車輛發(fā)生故障時(shí)，首先人為將無線診斷設(shè)備插接在車輛OBD（On-Board Diagnostic）口，然后用手機(jī)/電腦連接無線診斷設(shè)備實(shí)現(xiàn)車機(jī)相連，電腦/手機(jī)通過腳本發(fā)送可以獲取到整車故障狀態(tài)，最后診斷專家對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.2? 無線式近距離診斷系統(tǒng)硬件

目前常用主流的無線診斷技術(shù)主要是通過藍(lán)牙和WIFI去實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備與PC/電腦通信，然而WIFI由于受制于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以及時(shí)延等問題，應(yīng)用受到一定的限制。對(duì)于短距離通信，目前市面上比較成熟的產(chǎn)品有RDS GDS以及市面上開發(fā)的各種無線診斷小盒子，大多都采用藍(lán)牙通信。因藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)在手機(jī)和電腦上有成熟的應(yīng)用，故近距離無線診斷診斷技術(shù)可將藍(lán)牙技術(shù)和診斷相結(jié)合。

藍(lán)牙的連接可以細(xì)分為3個(gè)階段：配對(duì)、連接、數(shù)據(jù)傳輸。

1）配對(duì)階段：實(shí)現(xiàn)連接的前提條件，目前主要通過Bluetooth In Ban的方式連接。

2）連接階段：首先藍(lán)牙模塊要處于“可被發(fā)現(xiàn)”的狀態(tài)，電腦/手機(jī)根據(jù)搜索到的藍(lán)牙設(shè)備名和地址進(jìn)行連接，為了保證安全性藍(lán)牙，設(shè)備之間還需要進(jìn)行安全驗(yàn)證，通常都是通過密碼的方式確認(rèn)安全，通過安全驗(yàn)證之后，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與移動(dòng)端之間的互聯(lián)。

3）數(shù)據(jù)傳輸：實(shí)現(xiàn)設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備互聯(lián)之后，就可以通過調(diào)用不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

2.2.3? 近距離無線診斷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

近距離診斷技術(shù)具有硬件成本低、質(zhì)量輕、集成較為方便的特點(diǎn)。目前功能比較受限，主要用于讀取一些故障碼以及常用的狀態(tài)參數(shù)，另外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也有比較大限制，只能存儲(chǔ)較少的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于需要數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高的問題不適用。

2.3? 無線遠(yuǎn)程式診斷技術(shù)

無線遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意如圖3所示。

2.3.1? 診斷原理

采集設(shè)備可以將整車的故障數(shù)據(jù)通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送云端，最終通過PC等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)在云臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，最后對(duì)故障進(jìn)行分析。

2.3.2? 無線遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)硬件

遠(yuǎn)程式診斷系統(tǒng)最為關(guān)鍵的就是通信模塊，汽車T-BOX與汽車通過CAN bus總線通信，實(shí)現(xiàn)指令與信息的傳遞，從而獲取到包括車輛狀態(tài)、按鍵狀態(tài)等信息以及傳遞控制指令等，通過音頻連接，實(shí)現(xiàn)雙方共用麥克與喇叭輸出。而與手機(jī)APP連接是通過后臺(tái)系統(tǒng)以數(shù)據(jù)鏈路的形式進(jìn)行間接通信（雙向），目前常用的無線通信模塊有以下3種方式。

1）OBD連接T-BOX盒子：將T-BOX盒子插入車輛的OBD口，通過診斷診斷口讀取車輛的相關(guān)總線數(shù)據(jù)。這種方式不用對(duì)傳統(tǒng)汽車架構(gòu)進(jìn)行更改，使用方便，但是造價(jià)較高，只能讀取一些總線數(shù)據(jù)，不能驅(qū)動(dòng)汽車。目前主要應(yīng)用在汽車廠商錄取數(shù)據(jù)，不利于推廣到個(gè)人用戶。

2）T-BOX加在CAN總線里：將T-BOX作為總線中的一個(gè)可以用于外部聯(lián)網(wǎng)的模塊，這種方式可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空調(diào)、遠(yuǎn)程解鎖等一些基礎(chǔ)功能，但是由于與外部聯(lián)網(wǎng)，因此整車設(shè)計(jì)該架構(gòu)時(shí)需要著重考慮其安全性。

3）T-BOX加在如MOST（Media Oriented System Transport）中：可以實(shí)現(xiàn)與娛樂系統(tǒng)的互聯(lián)，從而通過娛樂系統(tǒng)控制車輛，但是由于設(shè)計(jì)難度大，MOST總線造價(jià)高，應(yīng)用還受到一定的限制，因此推廣顯得不便。

2.3.3? 無線e遠(yuǎn)距離診斷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

遠(yuǎn)距離通信具有可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程分析的特點(diǎn)，其可依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的車輛數(shù)據(jù)來做出專業(yè)判斷，減少專業(yè)技術(shù)人員往返的時(shí)間成本，但是相較于傳統(tǒng)汽車，需要更改架構(gòu)和提高汽車安全等級(jí)，因此前期設(shè)計(jì)的成本會(huì)較高，后續(xù)使用也存在一定的安全隱患。

3? 診斷系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車智能化、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷提高，在多學(xué)科交叉融合的背景下，汽車診斷技術(shù)也向著設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)共享化、信息網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[7-9]。未來汽車診斷技術(shù)將是集問題數(shù)據(jù)采集、問題數(shù)據(jù)分析、問題解決方案于一體，可以實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和解決方案，以便提升問題解決效率，提高車輛在市場(chǎng)售后的表現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)框架如圖4所示。

1）云平臺(tái)：①應(yīng)用商店平臺(tái)主要用于存放各種版本軟件安裝包以及功能升級(jí)安裝包，當(dāng)顧客車輛出現(xiàn)問題或者需要安裝新的功能可以從此處獲得安裝包；②遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)主要用于整車總線相互，實(shí)時(shí)獲取整車總線數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過發(fā)送腳本給到整車獲取所需數(shù)據(jù)，從而可以實(shí)時(shí)獲取車輛故障數(shù)據(jù)，找到問題解決方案，此平臺(tái)著重在采集數(shù)據(jù)和存放數(shù)據(jù)；③專家診斷平臺(tái)主要用于數(shù)據(jù)處理和分析，該系統(tǒng)導(dǎo)入大量實(shí)際案例并且還能不斷地自學(xué)習(xí)升級(jí)，這樣專家系統(tǒng)可以解決80%簡(jiǎn)單的問題，剩余的復(fù)雜問題可以由專家和研發(fā)人員一對(duì)一地分析和解決。此平臺(tái)著重于提供問題的解決方案，并且將解決方案給到顧客、4S店以及相關(guān)的售后人員。

2）空中升級(jí)平臺(tái)：主要負(fù)責(zé)車輛升級(jí)策略、升級(jí)范圍，并通過軟件升級(jí)來修復(fù)一些軟件BUG。

3）手機(jī)：可以實(shí)現(xiàn)車輛安全驗(yàn)證，并且通過手機(jī)APP和云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送診斷/升級(jí)需求[10]。

4）4S店：可以通過云端診斷結(jié)果實(shí)施修理/更換零件的工作。一般4S店著重于硬件的更換和升級(jí)。

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（編輯? 凌? 波）