面向車聯(lián)網(wǎng)的車載終端故障診斷系統(tǒng)設計

何感先

（北部灣職業(yè)技術學校，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量不斷增加，以計算機技術、電氣電子技術以及互聯(lián)網(wǎng)技術為代表的高科技技術在汽車上的廣泛應用使汽車的技術構成方面發(fā)生了很大改變。在目前的車聯(lián)網(wǎng)視域下，由于汽車技術集成度的提高和交通流的增加，汽車出現(xiàn)故障的概率也不斷升高，而現(xiàn)有的就車診斷與維修技術已經(jīng)無法滿足車輛故障診斷的需求。為了滿足社會發(fā)展對汽車故障診斷的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術大力發(fā)展汽車遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。

車聯(lián)網(wǎng)技術是指通過車輛上安裝的通信終端從指定的信息平臺上對和車輛有關的信息進行提取和利用，以完成對車輛行駛狀態(tài)的實時監(jiān)管，其是以計算機、傳感器以及網(wǎng)絡等為載體，對汽車的行駛狀態(tài)和道路狀況進行全方位感知，以此來實現(xiàn)車輛與車輛之間、車輛與通信基站之間的無線通信。對基于物聯(lián)網(wǎng)技術的汽車遠程故障診斷技術進行開發(fā)和研究能夠有效提升汽車故障診斷的效率，并同時降低汽車發(fā)動機的維修成本[1]。

1 車載診斷系統(tǒng)整體框架

該文基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所設計的車載終端診斷系統(tǒng)主要是由車載終端和后臺服務器2 個部分組成，其中車載終端系統(tǒng)主要負責采集汽車行駛過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，例如汽車時速、發(fā)動機轉速、油門踏板以及剎車踏板的位置等。在汽車行駛出現(xiàn)故障的情況下，車載終端系統(tǒng)可以及時對故障代碼進行采集[2]。而后臺服務器則主要負責對車載終端采集的數(shù)據(jù)信息進行存儲和計算，并同時提供移動終端和PC 端現(xiàn)實的接口。如此用戶就可以通過后臺服務器來獲取汽車在行駛過程中的相關數(shù)據(jù)，以便對其故障原因進行診斷?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的車載診斷系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的車載終端診斷系統(tǒng)架構

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 微控制器

單片機是車載故障診斷系統(tǒng)的核心模塊，可以對系統(tǒng)進行控制。在選擇單片機的過程中，應以簡單實用和成本低為原則，同時考慮單片機需要同時對多個采集模塊精準、穩(wěn)定地進行 控制，選擇了STM32 系列的F103 單片機。該型號的單片機具有運行穩(wěn)定性高、功耗低以及設計安裝簡單等很多優(yōu)點。STM32 引腳資源分配情況見表1。

表1 STM32F103 單片機引腳分配表

在微控制器電路設計方面，由于整個系統(tǒng)采用模塊化的方式進行繪制，因此主控芯片原理圖部分只顯示了STM32F103 芯片最小系統(tǒng)的連接和芯片引腳詳細的使用情況。而為了避免外界信號干擾控制器，在NRST 引腳上連接了一個對地電容，如此就可以有效防止外界信號對其正常工作產(chǎn)生影響。考慮該型號微控制器芯片內(nèi)部集成的8MHz的RC 振蕩器精度不是很高，在工作過程中可能會引起芯片紊亂，因此該文在設計中加入了晶振電路，并使用8MHz無源晶體振蕩器，通過內(nèi)部頻率來增益控制器，產(chǎn)生的時鐘頻率高達72MHz，晶振電路如圖2 所示。

圖2 晶振電路

2.2 OBD 數(shù)據(jù)采集模塊

車載診斷系統(tǒng)，英文簡稱為OBD，是一種通過汽車電子控制單元來對汽車內(nèi)部數(shù)據(jù)流和故障碼信息進行采集的系統(tǒng)，主要包括汽車怠速時間、實時車速、行駛里程、冷卻液溫度、尾氣排放以及踏板狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息[3]。考慮在車載故障診斷終端運行過程中，OBD 數(shù)據(jù)采集模塊主要是對汽車的各種數(shù)據(jù)和故障碼進行采集，數(shù)據(jù)信息量較大，且采集的頻率較高，為了能夠在最大程度上保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膶崟r性，該文在對OBD 數(shù)據(jù)采集模塊進行設計的過程中，額外增加了一個與主控芯片同型號的STM32 單片機。OBD 數(shù)據(jù)采集模塊的具體工作流程如下：車載故障診斷終端工作時，CAN 通信芯片中的RXD 和TXD 會自動和OBD 數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器RXD、TXD 連接。而另一端，OBD 數(shù)據(jù)采集模塊中的微控制器內(nèi)部的TXD、RXD 會自動和車載終端系統(tǒng)中的微控制器芯片內(nèi)部的RXD、TXD連接，從而實現(xiàn)對汽車行駛過程中數(shù)據(jù)流信息和故障碼的采集與傳輸工作。

2.3 CAN 收發(fā)器

控制器局域網(wǎng)絡簡稱為CAN，主要負責車載故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。該文系統(tǒng)設計采用的是型號為TJA1050 的CAN 收發(fā)器，共計有8 個引腳。在系統(tǒng)通信電路中，CAN 收發(fā)器芯片中的RXD 和TXD 會分別和OBD 模塊中微控制器芯片的CAN 內(nèi)部的RXD 和TXD 連接[4]。因此，在對CAN 收發(fā)器芯片電路進行設計的過程中，可以采取在CAN_H 與接地之間、CAN_L 和接地之間分別并聯(lián)一個大小為30pF 電容的方式，以便提升CAN 收發(fā)器芯片的抗干擾性能。CAN 總線收發(fā)器引腳連接情況見表2。

表2 CAN 總線收發(fā)器引腳連接情況

2.4 定位模塊

該文對車載故障診斷系統(tǒng)中的定位模塊進行設計時，在綜合考慮了使用成本、定位精準度、兼容性以及功耗等因素的基礎上，選擇了型號為ATK-S1216F8-BD 的定位模塊，共計有5 個引腳，每個引腳的具體功能見表3。

表3 ATK-S1216F8-BD 定位模塊引腳功能

2.5 陀螺儀模塊

該文設計的車載終端診斷系統(tǒng)具有車輛故障預警功能，而預警功能的具體實現(xiàn)方式為對汽車行駛加速度數(shù)據(jù)何汽車傾斜角度數(shù)據(jù)進行計算，其中傾斜角度數(shù)據(jù)可以直觀地反映出汽車在行駛過程中是否發(fā)生了側翻，而對傾斜角度數(shù)據(jù)進行檢測的模塊就是陀螺儀模塊[5]。該文在選擇陀螺儀方面，綜合考慮了體積大小、兼容性和檢測精準度等方面因素，最終確定了型號為JY901 的陀螺儀。

2.6 電源模塊

由于該系統(tǒng)設計中使用的元器件較多，且各個元器件的工作電壓大小不一，因此需要對汽車上的供電電壓進行調(diào)節(jié)之后才能輸入系統(tǒng)中[6]?？紤]OBD 接口可以直接采用車載12V 電壓，而例如芯片、陀螺儀以及定位模塊等使用的都是3.3V 電壓，因此該文選擇了ASM1117-3.3 芯片進行電壓轉換。其中STM32F103 芯片使用3.3V 電壓供電，EN引腳連接電壓為4V，用于控制芯片工作狀態(tài)，輸入電壓為12V，經(jīng)過芯片降壓至5V。STM32F103 芯片3.3V 的供電電路如圖3 所示。STM32F103 芯片供電主要是由662K 低壓差線性穩(wěn)壓器組成，其是一種具有高紋波抑制率、低功耗、低壓差以及短路保護等很多優(yōu)點的CMOS 降壓型電壓穩(wěn)壓器。662K 模塊的靜態(tài)偏置電流可以低至8.0μA，使其能夠在輸入和輸出端電壓差極小的情況下將輸出電流提升至300mA，同時還可以保持較好的調(diào)整率。由于STM32F103芯片的電壓輸入端和輸出端之間的電壓差很小，因此也較適合對微型處理器芯片進行供電。STM32F103 芯片3.3V 供電電壓經(jīng)由5V 電壓662K 模塊降壓和穩(wěn)壓操作后，最終輸出穩(wěn)定的3.3V 電壓。

圖3 STM32F103 芯片3.3V 供電電路圖

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 軟件系統(tǒng)整體框架

該文設計的車載終端診斷車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層以及應用層3 個部分組成。其中感知層是系統(tǒng)的終端模塊，主要負采集汽車行駛過程中的數(shù)據(jù)流和故障代碼，能夠通過車載OBD 采集模塊接口將采集到的數(shù)據(jù)信息存儲在ECU 中，并結合系統(tǒng)工作的需要來選擇合適的數(shù)據(jù)處理方案[7]。傳輸層主要負責對數(shù)據(jù)的傳輸工作，不同的傳輸方式使用的場合也是不同的，例如3G 模塊可以實現(xiàn)車載終端與服務器之間的連接，而ZigBee 技術則能夠實現(xiàn)服務器和移動終端設備的連接。應用層主要負責對收集到的數(shù)據(jù)信息進行計算和存儲，并完成用戶端和系統(tǒng)之間的交互。基于車聯(lián)網(wǎng)的車載終端故障診斷系統(tǒng)的軟件設計框架如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能整體框架

3.2 OBD 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計

該文對CAN 總線的參數(shù)進行了重新設定，使OBD 和CAN總線能相互進行通信[8]。具體的設計流程為先對CAN總線時鐘進行配置，然后對CAN 總線寄存器進行配置，在此基礎上對CAN 總線的終端程序進行設定，并同時檢測CAN 是否出現(xiàn)置位。如果發(fā)生置位，則系統(tǒng)會自動發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)信息。OBD 數(shù)據(jù)采集模塊讀取故障碼的部分代碼如下：

4 結語

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在各行各業(yè)中的快速應用，以其為基礎設計的車載終端故障診斷系統(tǒng)能夠對汽車行駛狀態(tài)和駕駛員狀態(tài)進行實時檢測，降低故障發(fā)生的概率，切實保障人員與車輛的行駛安全。由于其具有方便快捷、使用成本低廉等特點，因此得到了廣大用戶的青睞。但從整體上看，當前階段對物聯(lián)網(wǎng)技術的研究與應用依然處于初級階段，在未來仍需要加大研究力度，以便充分發(fā)揮其全部功能。