黃智宇　蘇小龍　李　銳

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　重慶 400065)

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通用型汽車故障診斷儀在iOS平臺(tái)上的設(shè)計(jì)

黃智宇蘇小龍李銳

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院重慶 400065)

摘要針對(duì)目前汽車故障診斷設(shè)備通常需要單獨(dú)硬件支持并且擴(kuò)展性、便攜性較差等問題，在如今智能手機(jī)日益普及的環(huán)境下，通過分析車載CAN網(wǎng)絡(luò)診斷協(xié)議ISO15765以及UDS統(tǒng)一診斷服務(wù)，提出建立可跨平臺(tái)與車系的診斷數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)藍(lán)牙通信模塊并在此基礎(chǔ)上基于iOS平臺(tái)開發(fā)汽車故障診斷軟件，實(shí)現(xiàn)便攜式的汽車故障診斷。通過在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的汽車故障診斷儀能夠準(zhǔn)確診斷和解析汽車ECU中的故障，實(shí)現(xiàn)不需要額外硬件成本僅利用移動(dòng)終端完成的汽車故障診斷與定位。

關(guān)鍵詞故障診斷UDS服務(wù)iOS平臺(tái)

0引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，CAN總線在車載網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，基于CAN總線的汽車網(wǎng)絡(luò)診斷協(xié)議ISO15765已經(jīng)成為多數(shù)汽車廠商所采用的標(biāo)準(zhǔn)診斷協(xié)議。但是因其協(xié)議的新穎與復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)在基于ISO15765的車載網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)尚不成熟[1]。目前主流的汽車故障診斷工具通常在單片機(jī)或FPGA上開發(fā)而成，導(dǎo)致現(xiàn)在的汽車診斷設(shè)備通常受擴(kuò)展性及便攜性的限制，對(duì)其使用僅限專業(yè)汽車維修人員。隨著移動(dòng)終端的不斷發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械幕竟ぞ?。iOS系統(tǒng)作為領(lǐng)先的移動(dòng)端操作系統(tǒng)，具有良好的用戶體驗(yàn)，友好的開發(fā)環(huán)境，較大的市場(chǎng)占有率，并且其在汽車終端系統(tǒng)的發(fā)展更具生態(tài)友好性。2014年，蘋果公司發(fā)布了車載操作系統(tǒng)CarPl-ay，使得iOS設(shè)備與汽車無縫連接，開發(fā)基于iOS的汽車應(yīng)用更具前瞻性，未來有更多車系支持該車載系統(tǒng)后便可直接安裝應(yīng)用至車載終端進(jìn)行故障診斷。本文通過對(duì)汽車診斷協(xié)議ISO-15765的分析與研究，結(jié)合UDS統(tǒng)一診斷服務(wù)以及設(shè)計(jì)的藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN轉(zhuǎn)接板，在iOS平臺(tái)上開發(fā)出汽車故障診斷儀。診斷儀具有通用性，可以應(yīng)用到所有支持標(biāo)準(zhǔn)診斷協(xié)議ISO15765的汽車中。用戶可以借助裝有本軟件的iOS設(shè)備既可實(shí)時(shí)了解汽車出現(xiàn)的故障，方便對(duì)故障進(jìn)行排查，并作針對(duì)性的保養(yǎng)。

1車載診斷協(xié)議研究

ISO15765診斷協(xié)議于2001年發(fā)布，以O(shè)SI七層模型為基礎(chǔ)，基于CAN總線制定了統(tǒng)一的診斷流程與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線可以滿足電動(dòng)車多節(jié)點(diǎn)，信號(hào)傳輸量大的特點(diǎn)[2]。在ISO-15765的通信模型中，診斷協(xié)議體系分為四層：分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[3]。其中，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)ISO-11898-1標(biāo)準(zhǔn)定義遵循CAN通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)ISO15765-2定義，應(yīng)用層根據(jù)ISO14229-1和ISO15765-3標(biāo)準(zhǔn)中診斷服務(wù)的內(nèi)容定義，并兼容了一些汽車廠商規(guī)范中定義的診斷服務(wù)，具有測(cè)試、檢測(cè)、監(jiān)控、診斷管理等功能。ISO15765的通信模型如圖1所示，診斷儀根據(jù)應(yīng)用層中定義的診斷服務(wù)發(fā)送相應(yīng)的服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接收到來自應(yīng)用層消息后，根據(jù)定義中的分包、組包、位填充和時(shí)間控制等步驟，對(duì)消息流進(jìn)行傳輸控制。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可分為單幀傳輸和多幀傳輸，數(shù)據(jù)鏈路層通過把網(wǎng)絡(luò)層傳來的診斷報(bào)文，經(jīng)過修改打包成能夠在CAN總線上進(jìn)行傳輸?shù)腃AN報(bào)文。

圖1　ISO15765通信模型

2診斷儀系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

診斷儀的核心功能是獲取與解析汽車故障。汽車故障是指由于汽車零件本身或零件之間的配合狀態(tài)發(fā)生異常變化導(dǎo)致汽車不能正常工作的現(xiàn)象[4]。汽車故障主要由于零部件之間的相互作用，從而引起零部件受力、發(fā)熱、變形、磨損、腐蝕等，使汽車在整個(gè)壽命期內(nèi)，故障率由低變高[5]。汽車發(fā)生故障時(shí)，首先要定位汽車的哪一個(gè)部件出現(xiàn)故障，以電動(dòng)汽車為例，電動(dòng)汽車主要有六大部件，分別是：發(fā)電機(jī)控制裝置(GCU)、整車控制系統(tǒng)(HCU)、電機(jī)控制器(IPU)、DCDC、電動(dòng)車充電器(CEM)和電池控制單元(BCU)。在定位出汽車的哪一部件出現(xiàn)故障后，根據(jù)該部件各個(gè)零部件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)判斷出是什么原因?qū)е鹿收系漠a(chǎn)生，最后通過相應(yīng)的維護(hù)方法使汽車故障排除。系統(tǒng)旨在通過開發(fā)一種基于iOS移動(dòng)設(shè)備的汽車故障診斷軟件使得用戶可以方便地獲取汽車出現(xiàn)的故障，同時(shí)維修人員可以快速定位并作出維修決策。具體需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)需求：

1) 構(gòu)建診斷數(shù)據(jù)庫；

2) 完成藍(lán)牙通信模塊的設(shè)計(jì)；

3) 開發(fā)基于iOS平臺(tái)的汽車故障診斷軟件。

2.1系統(tǒng)整體方案

本文所述汽車故障診斷系統(tǒng)主要由藍(lán)牙通信模塊以及iOS上的診斷儀應(yīng)用軟硬件兩部分組成。軟件部分診斷儀應(yīng)用又分為以XML文件構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫模塊、基于ISO15765的應(yīng)用層協(xié)議解析模塊以及UI模塊，系統(tǒng)框架如圖2所示。

診斷系統(tǒng)中自底向上分別是汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙通信模塊、以及iOS設(shè)備。汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中汽車的各ECU部件能夠在汽車出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)相應(yīng)的故障信息進(jìn)行診斷與存儲(chǔ)。藍(lán)牙通信模塊作為中介設(shè)備用于iOS設(shè)備與汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的通信。iOS診斷儀中的XML數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了各車廠相應(yīng)的故障信息，通過獲取到的汽車ECU中的故障信息并進(jìn)行解析后在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配，最后將結(jié)果通過人機(jī)界面提示給用戶。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1) 診斷數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)汽車故障診斷儀的通用性，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時(shí)采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML來構(gòu)建。XML表示的信息獨(dú)立于平臺(tái)，可在任何應(yīng)用與平臺(tái)上讀寫，完成各獨(dú)立系統(tǒng)間的信息交換[6]。通過將各合作車廠提供的故障碼與故障信息對(duì)應(yīng)的故障代碼表，以及包含數(shù)據(jù)標(biāo)示符、數(shù)據(jù)流描述、數(shù)據(jù)換算公式及單位的數(shù)據(jù)流信息說明表，結(jié)合相應(yīng)的車型構(gòu)建XML診斷數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存放在應(yīng)用沙盒目錄下，由于iOS的沙盒機(jī)制，應(yīng)用程序位于文件系統(tǒng)的嚴(yán)格限制部分，其他應(yīng)用程序無法訪問以保證數(shù)據(jù)庫的安全。

(2) 藍(lán)牙通信模塊的設(shè)計(jì)

由于目前的汽車診斷設(shè)備通常是通過數(shù)據(jù)線直接接入汽車OBD接口，導(dǎo)致診斷儀便攜性較差。通過分析目前的短距離通信網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙與WiFi后，充分考慮到汽車環(huán)境下的可行性與iOS設(shè)備的支持后，本文采用藍(lán)牙通信技術(shù)?；谧钚滤{(lán)牙4.0BLE協(xié)議，開發(fā)出用于協(xié)助iOS設(shè)備與汽車網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN模塊。藍(lán)牙通信模塊使用的MCU是STM32F103C8T6，采用SN65HVD230作為CAN收發(fā)器，MAX232作為RS232電平轉(zhuǎn)換器，藍(lán)牙模塊采用CC2540，串口波特率設(shè)定為115 200bps，CAN接口的波特率設(shè)定為250kbps， 系統(tǒng)工作頻率設(shè)定為72MHz。藍(lán)牙通信模塊工作流程為：利用藍(lán)牙模塊與iOS設(shè)備的藍(lán)牙進(jìn)行通信；當(dāng)接收到iOS設(shè)備發(fā)送的藍(lán)牙報(bào)文時(shí)，主控制器將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文并通過CAN通信模塊發(fā)送給汽車CAN網(wǎng)絡(luò)上的各ECU；當(dāng)接收到汽車ECU響應(yīng)的CAN報(bào)文時(shí)，將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙報(bào)文并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給移動(dòng)終端?；诖?，iOS設(shè)備就可以利用藍(lán)牙轉(zhuǎn)CAN設(shè)備實(shí)現(xiàn)與汽車內(nèi)各ECU間接通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車各部件的故障診斷功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　藍(lán)牙通信模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

(3) 診斷功能設(shè)計(jì)

本文在CAN總線UDS診斷標(biāo)準(zhǔn)ISO15765的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出診斷儀的以下幾個(gè)功能，分別是：讀取全部故障碼、讀取當(dāng)前故障碼、讀取歷史故障碼、清除故障碼、讀取版本信息、讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流、寫入車輛識(shí)別碼。

圖4　診斷服務(wù)流程圖

在UDS診斷服務(wù)中規(guī)定，SID(ServiceIdentifier)=0x19的服務(wù)為讀取DTC(DiagnosticTroubleCode)信息診斷服務(wù)。診斷儀可以通過該診斷服務(wù)讀取車輛內(nèi)所有服務(wù)器或一組服務(wù)器存儲(chǔ)的DTC信息[7]。以讀取全部故障碼為例，闡述該診斷服務(wù)實(shí)現(xiàn)過程：依據(jù)SID：0x19服務(wù)對(duì)應(yīng)的子功能0x0A，由客戶端(診斷儀)向ECU發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，ECU返回響應(yīng)報(bào)文?？蛻舳送ㄟ^該響應(yīng)報(bào)文判斷ECU是否仍有連續(xù)幀返回。若有則發(fā)送流控制幀以請(qǐng)求ECU繼續(xù)返回連續(xù)幀；若無則表明ECU已無響應(yīng)報(bào)文，客戶端接收完響應(yīng)報(bào)文后，診斷儀需要從響應(yīng)報(bào)文中提取出DTC和DTC的狀態(tài)。根據(jù)讀取到的DTC與XML數(shù)據(jù)庫中的故障信息進(jìn)行查詢與匹配，解析出每個(gè)DTC對(duì)應(yīng)的解釋，并顯示在診斷儀的人機(jī)交互界面中。診斷儀完成一次診斷服務(wù)過程如圖4所示。

3iOS平臺(tái)上汽車故障診斷軟件的開發(fā)

iOS系統(tǒng)自出現(xiàn)以來因其簡(jiǎn)單易用的界面、令人驚嘆的功能，以及超強(qiáng)的穩(wěn)定性，贏得了市場(chǎng)的青睞[8]。同時(shí)考慮到目前市場(chǎng)上汽車診斷儀基本需要單獨(dú)購買額外的硬件，開銷昂貴，并且智能手機(jī)已經(jīng)作為日常生活中的主要工具，因此本文基于iOS平臺(tái)使用Xcode開發(fā)iOS平臺(tái)上汽車故障診斷儀。iOS診斷儀基于以下幾個(gè)功能開發(fā)：(1) 連接配對(duì)藍(lán)牙通信;(2) 故障碼的解析與匹配算法設(shè)計(jì);(3) 診斷儀整體界面設(shè)計(jì)。其中藍(lán)牙通信功能采用iOSSDK提供的CoreBluetooth框架開發(fā)，iOS設(shè)備作為主設(shè)備，藍(lán)牙通信模塊作為從設(shè)備。首先從設(shè)備會(huì)廣播自身的信息，包括其UUID以及相應(yīng)的服務(wù)，主設(shè)備收到從設(shè)備的廣播并與之發(fā)起連接后既完成藍(lán)牙的配對(duì)連接，藍(lán)牙報(bào)文的傳輸通過主設(shè)備對(duì)從設(shè)備特定的服務(wù)的特征寫和讀來完成。故障碼的解析與匹配算法用于從ECU中讀取出數(shù)據(jù)后對(duì)具體的故障碼進(jìn)行解析并匹配XML診斷數(shù)據(jù)庫。具體的算法流程如圖5所示，診斷設(shè)備首先通過執(zhí)行讀取故障碼功能，將ECU響應(yīng)的故障碼存放到故障碼鏈表中。再從數(shù)據(jù)庫中找到對(duì)應(yīng)該車廠ECU的故障信息匹配XML文件，利用XML解析器從文件中解析出所有故障碼和中、英文故障信息并存放到故障信息匹配鏈表中。完成上述步驟之后，依次將故障碼鏈表中的故障碼逐條讀取，接著從故障匹配信息鏈表中查找是否有相同的故障碼。若找到相同故障碼，則將該條故障碼對(duì)應(yīng)的中、英文故障信息解析出來并顯示在人機(jī)交互界面從而指導(dǎo)維修人員；若未能找到相同的故障碼，則提示相應(yīng)的錯(cuò)誤。如此循環(huán)執(zhí)行，直到將故障碼鏈表中所有故障碼的故障信息解析出來。

圖5　故障碼解析與匹配流程圖

4系統(tǒng)分析與測(cè)試

4.1系統(tǒng)分析

本文設(shè)計(jì)的汽車故障診斷系統(tǒng)主要由藍(lán)牙通信模塊以及iOS上的診斷儀應(yīng)用軟硬件兩部分組成。其中藍(lán)牙通信模塊采用藍(lán)牙4.0BLE模塊，相對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊其功耗更低，更符合汽車這樣特殊環(huán)境下的實(shí)際需求。藍(lán)牙通信模塊傳輸延遲在3ms左右，最大傳輸距離可達(dá)100米，滿足日常需求。

iOS上的診斷儀基于MVC模式開發(fā)，分離模型、視圖與控制器通過面向?qū)ο蠓治鰧⒐收辖馕雠c匹配算法抽象成一個(gè)API，每一次對(duì)于ECU的數(shù)據(jù)處理僅需要調(diào)用該API即可完成。同時(shí)作為診斷儀的核心部分，故障解析與匹配算法被高度抽象后極大地方便了單元測(cè)試，通過大量的測(cè)試用例實(shí)驗(yàn)，使得軟件的可靠性大大提高。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的故障診斷儀主要實(shí)現(xiàn)汽車故障信息獲取與解析功能，并以友好的用戶界面提示用戶，指導(dǎo)維修人員快速定位故障并完成汽車維修工作。本文基于iOS平臺(tái)開發(fā)，因此測(cè)試平臺(tái)主要包括裝有診斷儀軟件的iOS移動(dòng)終端、藍(lán)牙通信模塊以及汽車ECU部件。在診斷系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試期間，本文基于長(zhǎng)安新能源研究所提供的長(zhǎng)安奔奔電動(dòng)車部件BCU來進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試平臺(tái)實(shí)物連接如圖6所示，其中藍(lán)牙通信模塊接入車身CAN網(wǎng)絡(luò)，并由ECU直接供電。

圖6　系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

測(cè)試步驟如下，選用iPhone4S作為測(cè)試設(shè)備，將通信模塊接入CAN網(wǎng)絡(luò)后使BCU上電，待藍(lán)牙模塊指示燈指示正常后使用iOS設(shè)備配對(duì)連接藍(lán)牙模塊。成功配對(duì)后分別測(cè)試讀取全部故障碼、讀取當(dāng)前故障碼、讀取歷史故障碼、清除故障碼、讀取版本信息、讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流、寫入車輛識(shí)別碼功能。圖7 所示為讀取全部故障碼及讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的結(jié)果。

圖7　故障碼與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

通過對(duì)汽車BCU、HCU部件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，針對(duì)診斷過程中可能出現(xiàn)的丟幀、差錯(cuò)幀、無響應(yīng)等情況分別進(jìn)行相應(yīng)的單元測(cè)試。測(cè)試用例均通過測(cè)試，結(jié)果符合預(yù)期要求，所有測(cè)試的診斷功能均能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備內(nèi)存有限的情況下對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了壓力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在持續(xù)使用各診斷功能的情況下，應(yīng)用所占內(nèi)存保持在10MB左右，程序能良好地運(yùn)行。

5結(jié)語

本文通過對(duì)汽車診斷協(xié)議ISO15765以及UDS統(tǒng)一診斷服務(wù)的研究，充分利用了XML平臺(tái)無關(guān)性的特點(diǎn)，構(gòu)建了汽車故障XML數(shù)據(jù)庫，使得其能同時(shí)應(yīng)用到其他操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了用于移動(dòng)設(shè)備與車身CAN網(wǎng)絡(luò)通信的藍(lán)牙通信模塊。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出iOS汽車故障診斷軟件，軟件采用MVC框架設(shè)計(jì)，進(jìn)行了多輪重構(gòu)，Bug修復(fù)以及版本適配，能夠適配最新的iOS8系統(tǒng)。最后搭建了診斷測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)各功能模塊分別進(jìn)行了單元測(cè)試同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行黑盒測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，各功能模塊均正常工作，系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，具有可靠性與穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的汽車故障儀實(shí)現(xiàn)了一種低成本、方便靈活的汽車診斷工具。

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DESIGNING UNIVERSAL VEHICLE FAULT DIAGNOSIS INSTRUMENTONiOSPLATFORM

Huang ZhiyuSu XiaolongLi Rui

(School of Automation,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

AbstractConsidering the problems that current vehicle fault diagnosis instruments usually need to be supported by sole hardware, and have poorer scalability and portability, etc., we put forward to establish the cross-platform and car series diagnoses database under the environment of increasing popularity of smartphone and by analysing the vehicular CAN network diagnosis protocol ISO15765 and UDS (uniform diagnostic services). We also designed the Bluetooth communication module, and on this basis we developed the vehicle fault diagnosis software based on iOS platform, implemented the portable vehicle fault diagnosis. It was demonstrated through the results of test on experimental platform that the designed vehicle fault diagnosis instrument could accurately diagnose and resolve the faults in car’s ECU, and achieved the vehicle fault diagnosis and positioning without extra hardware cost by only using mobile terminals.

KeywordsFault diagnosisUDSiOS platform

收稿日期：2014-11-15。黃智宇，副教授，主研領(lǐng)域：電動(dòng)車電機(jī)控制技術(shù)。蘇小龍，碩士生。李銳，教授。

中圖分類號(hào)TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.024