北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計研究

高 燁

（烏魯木齊市機(jī)動車排污管理中心，新疆 烏魯木齊 830000）

2021 年7 月1 日，全國范圍全面實施重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著我國汽車標(biāo)準(zhǔn)全面進(jìn)入國六時代，基本實現(xiàn)與歐美發(fā)達(dá)國家接軌。與國五標(biāo)準(zhǔn)相比，國六標(biāo)準(zhǔn)明確要求“生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)確保所有的發(fā)動機(jī)和車輛都配備了OBD 系統(tǒng)”。OBD 車載診斷系統(tǒng)可在車輛行駛過程中實時診斷車輛當(dāng)前狀態(tài)，及時了解車輛尾氣處理裝置運行情況并改善其可靠性，確定車輛是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)的故障屬于哪種類型，以及這個故障具體出現(xiàn)的位置，并及時向駕駛員發(fā)出故障警告。而北斗定位的優(yōu)點也是顯而易見的，如功耗小、定位精準(zhǔn)度高等。由以上分析可以了解到，研究北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)具有積極意義，需重視從硬件和軟件兩方面進(jìn)行綜合設(shè)計研究。

1 硬件設(shè)計

1.1 衛(wèi)星定位電路設(shè)計

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，硬件設(shè)計分為四個部分，分別為：（1）主控制器（采取的控制核心為STM32F103C8T6，通過USART1與DTU 模塊相連通信；通過USART2 與北斗定位模塊相連通信；通過USART3 與OBD 通信模塊相連通信）。（2）DTU（此部分是車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸單元，其作用與功能很多，主要用來傳輸較小的數(shù)據(jù)，可直接與主控制器通過串口通信。DTU 主要由兩部分構(gòu)成，一部分是數(shù)據(jù)傳輸單元，另一部分是有源天線，有源天線的作用是強(qiáng)化DTU 的信息收發(fā)能力）。（3）北斗衛(wèi)星定位（采用的電路核心是UM220-ⅢN，同時需要外接天線以此將衛(wèi)星信號接收能力增強(qiáng)目的。）（4）OBD 通信模塊（此模塊由三部分組成，第一部分是TL718，是OBD 的接口模塊，第三部分是DLC，其是OBD 系統(tǒng)診斷接口。因汽車通信協(xié)議芯片TL718 的通信電平與汽車診斷協(xié)議的電平存在差異，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。于是就出現(xiàn)了第二部分：J1850、K 線、CAN組合形成的轉(zhuǎn)換電路，起到連接TL718 和DLC 的作用）。在衛(wèi)星定位電路設(shè)計環(huán)節(jié)，首先需要確定電路的核心是UM220-ⅢN，北斗衛(wèi)星定位既支持多系統(tǒng)聯(lián)合定位，也支持單系統(tǒng)獨立定位。在北斗衛(wèi)星定位電路中，需要提供電壓為3.3V，其他的GND 引腳都需要進(jìn)行接地處置，同時還需要給天線提供饋電，用68nH 的電感完成饋電供應(yīng)。為確保整個硬件設(shè)計有穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，還需要重視在部分模塊與地面之間增加放置旁路電容，進(jìn)一步保障電壓的持續(xù)性和穩(wěn)定性。在衛(wèi)星定位電路的整個設(shè)計中，北斗衛(wèi)星定位模塊作為從機(jī)，在與主控制器相連時，前者以串口1 與后者的串口2 相接。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸單元主要是指DTU 部分，此部分的作用是專門將串口數(shù)據(jù)與IP 數(shù)據(jù)之間完成數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換，是一種可以將無限通信網(wǎng)絡(luò)信息完成傳送的設(shè)備。從廣義層面分析，只要是可以完成需要傳送數(shù)據(jù)的鏈路兩端的數(shù)據(jù)的信息模塊都可以直接稱之為數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。DTU 主要由兩部分構(gòu)成，一部分是數(shù)據(jù)傳輸單元，另一部分是有源天線。有源天線的作用是強(qiáng)化DTU 的信息收發(fā)能力。從狹義角度分析，在通信過程中，DTU 主要特指無線通訊中的發(fā)射終端設(shè)備。轉(zhuǎn)換角度思考，從大的層面分析，DTU 數(shù)據(jù)傳輸單元屬于一種模塊，從小的層面分析，DTU 數(shù)據(jù)傳輸單元又可以看作是一種通信設(shè)備。DTU 有四個核心功能，第一個是支持自主供能，可永久在線工作；第二個是支持轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換；第三個是內(nèi)部集成TCP/IP 協(xié)議線；第四個是支持參數(shù)配置，永久保存。DTU 目前在多個行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，主要用來傳輸較小的數(shù)據(jù)，在北斗定位與OBD診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中的DTU 也承擔(dān)傳輸較小數(shù)據(jù)的責(zé)任，可直接與主控制器通過串口通信。

1.3 TL718 外圍電路設(shè)計

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，OBD 診斷模塊起到關(guān)鍵性作用。TL718 在多個領(lǐng)域都有應(yīng)用，如故障診斷儀開發(fā)，總線數(shù)據(jù)監(jiān)聽，教育輔助實驗等。本次應(yīng)用TL718 進(jìn)行外圍電路設(shè)計，主要應(yīng)用的是其故障診斷儀開發(fā)優(yōu)勢。TL718 是OBD 通信模塊與主控制器連接的關(guān)鍵橋梁，其將多種常規(guī)汽車診斷通信協(xié)議集成到一處，主控制器可以通過與TL718相連的串口向OBD 通信模塊發(fā)送查詢命令，由此了解到當(dāng)前車輛實際狀態(tài)。實際流程如下：第一步，主控制器向OBD 通信模塊發(fā)送查詢命令。第二步，TL718 通過串口將命令傳送給OBD 診斷模塊，OBD 診斷完成車輛狀態(tài)探查。第三步，OBD 診斷結(jié)果會自動通過TL718 串口再一次反饋給主控制器。TL718 外圍電路設(shè)計中，已經(jīng)可以確定的是TL718 可以與目前大部分汽車上的控制模塊進(jìn)行通訊連接，完成診斷[1]。與此同時，TL718中的部分指令具有兼容功能，雖然從型號上來看，二者之間并沒有聯(lián)系，但實際上二者之間有一定的兼容性，這非常便于后期的設(shè)置操作，實現(xiàn)最大化利用。此外，在TL718 芯片上，還有部分功能是完全不同的，同時也不具備兼容性能，因此TL718 芯片硬件不可以隨意更換。進(jìn)一步分析TL718 外圍電路設(shè)計思路，可確定電路設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點：一是要確保電源提供的電壓為5V 電壓。同時應(yīng)按照Vmeasure 引腳，作為電源電壓的測量端口；二是要確保TL718 的時鐘信號要由20MHz 晶振Y1 提供；三是要保障電路振蕩的安全性和穩(wěn)定性；四是要將波特率默認(rèn)設(shè)置為38400；五是要確定主控制器可與TL718 相連，且通信的狀態(tài)指示燈應(yīng)放在D7 與D8 位置。

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，主程序設(shè)計非常關(guān)鍵，將直接影響最終的測試結(jié)果，因此需要對主控制器程序的流程全面了解，并一一捋順，由此確定哪里有不適合之處，有效改進(jìn)完善。北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)程序開始后，程序初始化，并向OBD 通信模塊發(fā)送指令，此時程序會做出響應(yīng)，“是否與車輛ECU 建立聯(lián)系？”當(dāng)獲得肯定命令后，程序?qū)⒆詣荧@取車輛狀態(tài)參數(shù)，接著解析獲取的數(shù)據(jù)信息，獲取北斗定位模塊車輛位置參數(shù)，下一步是建立通信鏈路，經(jīng)DTU 發(fā)送數(shù)據(jù)，一個完整的程序流程結(jié)束[2]。若在“是否與車輛ECU建立聯(lián)系？”這個環(huán)節(jié)接收到的是否定信號，那么程序?qū)⒅苯臃祷氐匠绦虺跏蓟癄顟B(tài)，并繼續(xù)發(fā)送OBD命令，繼續(xù)進(jìn)入“是否與車輛ECU 建立聯(lián)系？”循環(huán)，直至獲得肯定命令，按照流程完成整個主控制器程序流程。

2.2 OBD 通信程序設(shè)計

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，OBD 通信程序?qū)儆谕ㄐ膨?qū)動程序，具體流程是程序開始后，TL718 將通電啟動，并進(jìn)入初始化界面，嘗試與ECU 建立連接，主控制器會向OBD 通信程序模塊發(fā)送命令讀取狀態(tài)信息，下一步解析TL718 返回的數(shù)據(jù)信息，從而得到車輛的狀態(tài)信息，最后TL718 驅(qū)動程序結(jié)束[3]。其中，主控制器在向OBD 通信程序模塊發(fā)送命令讀取狀態(tài)信息時，也需要完成讀取車輛狀態(tài)信息流程，具體流程如下：第一步是準(zhǔn)備開始，主控制器芯片向OBD 通信模塊發(fā)送讀取車輛狀態(tài)指令，OBD通信程序會做出響應(yīng)“New Date Flage=1？”當(dāng)獲得肯定命令后，程序?qū)⒆詣犹幚鞹L718_buf 的數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論pc=0，一個完整的讀取車輛狀態(tài)信息流程結(jié)束。若在“New Date Flage=1？”這個環(huán)節(jié)得到的是否定信號，那么程序?qū)⒅苯臃祷氐健爸骺刂破餍酒騉BD 通信模塊發(fā)送讀取車輛狀態(tài)指令”這個環(huán)節(jié)并繼續(xù)發(fā)出“New Date Flage=1？”命令，直至獲得肯定命令，并按照流程完成整個讀取車輛狀態(tài)信息流程。OBD 診斷是目前常用的車載故障系統(tǒng)，具體分析OBD 車載診斷系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)中包含的多個模塊并不是同一時期科技產(chǎn)物，因此可以這樣定義OBD 車載診斷系統(tǒng)：多種優(yōu)勢標(biāo)準(zhǔn)的集合。OBD 診斷將這些優(yōu)勢標(biāo)準(zhǔn)集合在一處，在設(shè)計OBD 通信程序時，應(yīng)知道OBD 診斷的最大特征是發(fā)送PID 來請求電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和故障碼，不同的協(xié)議會有不同實現(xiàn)方式，所以還需要注意學(xué)習(xí)不同年代的協(xié)議。

2.3 北斗定位驅(qū)動程序設(shè)計

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，北斗定位驅(qū)動程序流程如下：程序開始后，北斗定位采用的電路核心UM220-ⅢN 進(jìn)入初始化狀態(tài)，接著將打開串口2 接收中斷，并發(fā)出指令“接收新數(shù)據(jù)幀？”當(dāng)獲得肯定命令后，程序?qū)⒆詣雨P(guān)閉串口2接收中斷，并繼續(xù)發(fā)出指令“校驗和驗證？”當(dāng)獲得肯定命令后，程序會自動解析數(shù)據(jù)幀，獲取車輛緯度信息，進(jìn)行位置信息標(biāo)志位置1，整個北斗定位驅(qū)動程序結(jié)束[4]。若在“校驗和驗證？”環(huán)節(jié)獲取的是否定命令，則整個程序會自動返回到UM220 初始化環(huán)節(jié)，繼續(xù)下一步“打開串口2 接收中斷”命令，若此時“接收新數(shù)據(jù)幀？”指令為否定信號，那么程序?qū)⒅苯臃祷刂痢按蜷_串口2 接收中斷”命令環(huán)節(jié)，繼續(xù)發(fā)出“接收新數(shù)據(jù)幀？”指令，直至獲得肯定信號，繼續(xù)下一個環(huán)節(jié)。北斗定位驅(qū)動程序設(shè)計目的是為了定位車輛當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息，所以若程序始終獲取到的都是否定信號，那么此程序會不斷重復(fù)運行，直至最終獲得車輛位置的經(jīng)緯度信息。

3 測試結(jié)果

北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)非常重要，需要多次實際測試，并取均值，才能確定最終設(shè)計的北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)是否有效、可用。汽油機(jī)OBD系統(tǒng)的診斷測試主要分三類進(jìn)行：第一類是零部件測試，第二類是系統(tǒng)測試，第三類是ECM/PCM 測試。

在第一類測試中，OBD 診斷系統(tǒng)將對與尾氣排放相關(guān)部位的零部件進(jìn)行有效測試，可測試的部分較多，主要集中在排氣系統(tǒng)相關(guān)零部件、燃油蒸發(fā)系統(tǒng)相關(guān)零部件等[5]。在第一類零部件測試中，需注意有部分零部件必須要接受檢測，如氧傳感器、碳罐控制閥、ECT 傳感器等。在第二類的系統(tǒng)測試中，必須要做的檢測是失火檢測。即在正常打火后，車輛并沒有按照預(yù)想的一樣成功啟動。經(jīng)過測試分析，失火的主要原因有以下幾種：一是混合氣的濃度超出標(biāo)準(zhǔn)值；二是混合氣的濃度低于標(biāo)準(zhǔn)值；三是氣缸中的壓縮壓力過低。汽油車發(fā)動機(jī)的失火率若超出一定標(biāo)準(zhǔn)范圍，則表示本次系統(tǒng)測試結(jié)果不合格，需要重新測試，并找出引發(fā)測試失敗的具體原因。在第三類的ECM/PCM 測試中，需要檢測汽車發(fā)動機(jī)控制模塊，當(dāng)汽車上顯示ECM/PCM時，說明汽車動力模塊或發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障。發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)由傳感器Sensor、電子控制單元ECU 和執(zhí)行器三部分組成，電子控制單元ECU 在其中承擔(dān)“大腦”的作用，它和普通電腦一樣，由微處理器、存儲器、輸入/輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成。ECM 工作時通過各種傳感器收集發(fā)動機(jī)的各部分工作狀態(tài)信息，由負(fù)責(zé)傳輸?shù)木€路發(fā)送至ECU。在ECU 接收這些信號之后開始逐個分析，從而得知發(fā)動機(jī)各部件功能處于什么樣的狀態(tài)、運作情況如何的信息；存儲器ROM 中存放的程序是經(jīng)過精確計算和大量實驗取得的數(shù)據(jù)MAP 為基礎(chǔ)編寫出來的，這個固有程序在發(fā)動機(jī)工作時，不斷地與采集來的各傳感器的信號進(jìn)行比較和計算，把比較和計算的結(jié)果用來對發(fā)動機(jī)的點火、空燃比、怠速、廢氣再循環(huán)等多項參數(shù)的閉環(huán)控制。

本次實際測試結(jié)果顯示，汽油車診斷接口提供的電源在北斗定位與OBD 診斷的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端運行中是完全可以承擔(dān)支持作用的。汽油車OBD 診斷口的一個引腳將為終端供電，此時電源指示燈正常亮起，車載電源電壓為11.9V，可以確定汽油車處于正常啟動狀態(tài)。

4 總結(jié)

綜上所述，北斗定位和OBD 診斷都有其各自的優(yōu)勢特點，將二者的優(yōu)勢融為一體，不僅能有效解決車輛在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)車載終端監(jiān)測信息單一的問題，同時也將研究出一款基于北斗定位與OBD 診斷優(yōu)勢為一體的車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)，及時有效地監(jiān)測車輛運行狀態(tài)。一套系統(tǒng)需要有硬件和軟件兩方支持，衛(wèi)星定位電路設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸單元、TL718 外圍電路設(shè)計屬于硬件設(shè)計范疇；主程序設(shè)計、OBD 通信程序設(shè)計、北斗定位驅(qū)動程序設(shè)計屬于軟件設(shè)計范疇，同時做好硬件與軟件設(shè)計，才能達(dá)到在車輛行駛過程中實時監(jiān)控車輛狀態(tài)的目的，從而保障車輛尾氣達(dá)標(biāo)上路。