喬美昀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

汽車保有量的持續(xù)快速增長，環(huán)境、交通、能源、安全問題日益凸顯，汽車電子化和新興的車聯(lián)網(wǎng)技術是解決上述問題的重要途徑[1-2]；同時，汽車系統(tǒng)也變得復雜，故障診斷難度增加，對汽車診斷系統(tǒng)要求提高。針對國內外汽車診斷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及Android平臺的優(yōu)勢[3]，本文提出并設計開發(fā)了基于Android平臺的汽車故障診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)架構及工作原理

本文設計的汽車故障診斷系統(tǒng)要求根據(jù)診斷通信協(xié)議獲取車載總線網(wǎng)絡各ECU的故障等數(shù)據(jù)，并設計算法對其進行解析，而且能把解析的結果上傳至服務器進行管理，同時服務器對軟件用戶進行管理。本系統(tǒng)共由車載總線網(wǎng)絡系統(tǒng)、VCI（Vehicle Communication Interface）系統(tǒng)、Android終端軟件、售后診斷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)四大部分組成，其架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

汽車故障診斷系統(tǒng)在工作的過程中，帶有藍牙功能的VCI通過OBDII接口與車載總線網(wǎng)絡相連，根據(jù)診斷通信協(xié)議實現(xiàn)VCI與車載總線網(wǎng)絡的通信；通過藍牙方式實現(xiàn)VCI與Android平臺設備的數(shù)據(jù)通信；Android設備通過WiFi/4G網(wǎng)絡與遠程服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并通過PAD端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對服務器數(shù)據(jù)進行管理。通信鏈路建立后，根據(jù)UDS（統(tǒng)一診斷服務），Android設備發(fā)送對應功能的診斷服務，通過VCI系統(tǒng)的處理，發(fā)送給車載網(wǎng)絡；車載網(wǎng)絡中接收指令的ECU模塊將反饋數(shù)據(jù)并通過VCI系統(tǒng)發(fā)送給Android設備，Android設備利用其強大的處理能力將收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進行處理，然后通過友好的人機交互顯示出來以滿足各種功能需求。

1.2 系統(tǒng)各部分主要功能

車載診斷系統(tǒng)作為車載總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的重要組成部分，通過OBDII接口和網(wǎng)關掛載在車載網(wǎng)絡，與汽車各ECU組成網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的共享，根據(jù)通信協(xié)議實現(xiàn)診斷設備與ECU的通信，完成汽車的故障診斷功能[4]。

通用的Android設備與其他設備的通信方式主要是4G、WiFi、藍牙、USB，無法直接滿足總線通信協(xié)議規(guī)定的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層的要求，因此本文需要研究并選擇VCI系統(tǒng)將車載總線網(wǎng)絡接口信號電平與Android設備通信接口電平進行轉換，以實現(xiàn)車輛與Android設備的通信。VCI系統(tǒng)硬件實現(xiàn)通信鏈路物理層上的連接，VCI系統(tǒng)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信鏈路控制和對硬件系統(tǒng)的管理。其主要的功能有：對VCI系統(tǒng)硬件控制，包括對串口、CAN接口及I/O端口的控制；對車載網(wǎng)絡ECU的通信鏈路控制與維持；對Android設備的通信鏈路控制與維持；K線和CAN總線數(shù)據(jù)報文處理[5]。

同時Android設備與服務器實現(xiàn)信息的交互完成軟件的在線激活、在線自動更新等功能。

售后診斷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包含遠程服務器和訪問服務器的PC數(shù)據(jù)管理端，是本文汽車故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中心，是整個系統(tǒng)的核心組成部分。Android設備通過4G/WiFi通信方式與遠程服務器交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載。

2 系統(tǒng)通信實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)通信方案

本系統(tǒng)通信總體方案如圖2所示。核心通信主要由三部分組成，VCI系統(tǒng)通過CAN模塊與車載CAN網(wǎng)絡實現(xiàn)通信；VCI系統(tǒng)的SCI與藍牙串口模塊相連通過藍牙方式實現(xiàn)與Android設備通信；Android設備通過4G/WiFi方式接入Internet實現(xiàn)與服務器信息的交互。同時，PC管理端通過Internet訪問和管理服務器的信息；Android應用程序在PC上開發(fā)，并通過USB進行調試。

圖2 系統(tǒng)通信總體方案

2.2 系統(tǒng)核心通信實現(xiàn)

2.2.1 車載網(wǎng)絡與VCI通信

汽車的ECU具有自診斷模塊，汽車發(fā)生故障時，自診斷模塊把故障數(shù)據(jù)存儲在EPROM，ECU以節(jié)點的形式搭載在車載網(wǎng)絡上，ECU與外部設備的通信是根據(jù)診斷協(xié)議來實現(xiàn)的。

由于VCI系統(tǒng)支持K-Line、CAN總線的多種診斷協(xié)議，適用于多種車型，針對某一標識符的ECU建立通信鏈路必須通過上位機向VCI發(fā)送指令對其進行初始化。針對采用UDS的某控制器，VCI的初始化過程如下步驟：對VCI診斷芯片進行復位；選擇模塊對應的診斷協(xié)議，設置CAN通信模式的流控制信息，CAN協(xié)議傳輸層要求發(fā)送首幀后，必須接收一個流量控制幀；針對要診斷的控制器設定CAN 11位標準格式ID；設置VCI系統(tǒng)CAN模塊的屏蔽器和過濾器；完成以上設置后，發(fā)送“3E00”維持服務，若控制器反饋數(shù)據(jù)包含3E00+ID，則通信鏈路建立成功。

2.2.2 Android設備與VCI通信

根據(jù)功能需求，要實現(xiàn)藍牙通信，VCI必須具有藍牙功能。VCI系統(tǒng)已具備SCI功能，只需要選擇藍牙串口模塊即可完成通信功能，本項目選擇HC06藍牙串口模塊，其最主要的功能是取代了串口線，把串口轉換為藍牙。

Android設備與VCI的通信就是調用Android藍牙API完成配對，實現(xiàn)通信的過程設置藍牙，通過BluetoothAdapter的getDefaultAdapter（）方法判斷設備是否支持藍牙功能，通過enable（）方法打開藍牙。查找周圍設備，通過調用startDiscovery（）方法搜索設備，搜索完成后會在一個列表頁面顯示所有的藍牙設備名稱和MAC地址以便后面的連接操作。連接設備，獲取一個代表遠程BluetoothDevice的對象調用其 creatRfcommSocketToServiceRecord（UUID）方法獲取一個BluetoothSocket對象；調用其connect（）方法即可實現(xiàn)連接。數(shù)據(jù)傳輸，Android設備從其BluetoothSocket對象中獲取輸出流，其次把字符串數(shù)據(jù)寫入到輸入流，然后VCI獲取其BluetoothSocket對象的輸入流，最后從其輸入流中把數(shù)據(jù)讀取出來，完成數(shù)據(jù)的傳輸[7]。

由于汽車故障診斷系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)都是通過Android設備的藍牙與VCI的藍牙模塊傳輸?shù)模瑢λ{牙通信要求很高。本文從搜索、配對和數(shù)據(jù)傳輸三個方面進行優(yōu)化，解決了通用藍牙的通信過程中搜索設備時間長，無自動配對功能，調用數(shù)據(jù)接收時造成程序假死的問題。

2.2.3 Android設備與服務器通信

Android設備與服務器交互是采用互聯(lián)網(wǎng)上應用最廣泛的HTTP網(wǎng)絡協(xié)議標準，而該協(xié)議的與接入網(wǎng)絡的方式無關，對Android設備4G/WiFi方式接網(wǎng)絡均可，且在編寫程序時必須聲明Internet的權限。

因特網(wǎng)上的每一個資源都具有唯一的標識名稱，被稱為URL（統(tǒng)一資源定位符）地址，這種地址通常是因特網(wǎng)上的一個網(wǎng)址，URLConnection就是URL和應用程序之間的形成通信鏈路的橋梁，通過實例化HttpURLConnection類，并調用其方法即可實現(xiàn)對URL指定應用資源的讀和寫操作[8]。

3 診斷系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)軟件架構

本文開發(fā)的軟件的功能是通過維修人員操作Android設備精確定位和查找汽車的故障。為了符合Android診斷軟件的工作原理和實現(xiàn)其功能，滿足軟件開發(fā)高內聚、低耦合的設計概念，本軟件采用代碼可讀性強、結構清晰的分層設計方案[9]。本軟件從上到下依次分為用戶界面層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層，詳細結構如圖3所示。

圖3 汽車診斷軟件架構

3.2 系統(tǒng)各層設計

3.2.1 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層是接收數(shù)據(jù)的載體層，主要訪問本地數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡訪問服務器管理端的遠程數(shù)據(jù)，通過VCI向車輛網(wǎng)絡中的ECU發(fā)送指令或獲取診斷數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問層獲取的數(shù)據(jù)通過業(yè)務邏輯層處理，同時業(yè)務邏輯層也能向數(shù)據(jù)訪問層發(fā)送數(shù)據(jù)。本軟件數(shù)據(jù)訪問層主要函數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)訪問層接口函數(shù)

上位機軟件是通過發(fā)送接收函數(shù)實現(xiàn)和VCI系統(tǒng)及ECU數(shù)據(jù)交互的，主要由三個面向VCI驅動層的函數(shù)組成。SendATCommand函數(shù)封裝了藍牙通信的寫緩存函數(shù)和讀緩存函數(shù)，發(fā)送的指令以“AT”字符串開始，主要是與VCI通信，完成VCI系統(tǒng)上電后的初始化及通信鏈路的建立。SendOBDCommand函數(shù)和DataReceive函數(shù)相對應，一個封裝了藍牙的寫緩存函數(shù)，另一個封裝了藍牙的讀緩存函數(shù)，當上位機發(fā)送業(yè)務邏輯層生成的OBD診斷指令后，通過接收函數(shù)接收ECU反饋的數(shù)據(jù)供業(yè)務邏輯層處理。

本診斷系統(tǒng)通過SQlite數(shù)據(jù)庫存儲車型模塊配置信息和故障碼信息，通過Shared Preferences保存唯一的一個用戶信息（用戶名、密碼、激活碼、MAC、激活日期、有效期）用于激活功能。調用設計的SendJ－sonData和ReceiveJsonData方法實現(xiàn)用戶信息的發(fā)送和接收，調用設計的DownloadFile和UploadFile方法用于下載服務器中指定網(wǎng)址的新版本安裝文件和上傳本地診斷記錄等文件至服務器指定位置。

3.2.2 業(yè)務邏輯層

Android診斷軟件業(yè)務邏輯層的主要任務是完成診斷流程的控制和指令生成及反饋數(shù)據(jù)解析。診斷系統(tǒng)最核心的業(yè)務就是發(fā)送指令并接收反饋數(shù)據(jù)，其工作基本流程如圖4所示。Android設備生成診斷指令后，調用發(fā)送函數(shù)發(fā)給VCI系統(tǒng)，VCI系統(tǒng)觸發(fā)中斷，接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給ECU，根據(jù)診斷協(xié)議ECU接收到數(shù)據(jù)并反饋給VCI，存入VCI的藍牙緩存中，VCI通過讀緩存方法將接收數(shù)據(jù)傳給Android設備。

圖4 診斷系統(tǒng)工作基本流程

考慮到VCI系統(tǒng)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)機制，對接收較多的數(shù)據(jù)必須對其進行相對較長的延時，才能保證通信的可靠性和準確性。對具有N個數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)組，采用循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)流指令和循環(huán)接收反饋數(shù)據(jù)的方式；每發(fā)送一條讀數(shù)據(jù)指令，即接收一幀的數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度較短，VCI藍牙模塊的接收和發(fā)送也反應較快，故只需要很短的延時即可保證通信的準確性和可靠性。因此本文的診斷流程控制采用如圖5所示的方案。

圖5 診斷流程控制策略

ECU的診斷協(xié)議中包含很多的診斷服務，與程序功能相關的服務都以變量或常量的形式保存在代碼中；而很多診斷服務又根據(jù)不同的DID（動態(tài)定義的標識符）定義了子服務，而要獲取指定DID的反饋數(shù)據(jù)，需要生成對應子診斷指令步驟如下：根據(jù)功能確定總的服務；根據(jù)要選定的子項目獲取DID；根據(jù)診斷協(xié)議指令的規(guī)定，通過設計通用的算法生成對應服務的請求指令。

ECU接收到指令反饋數(shù)據(jù)經(jīng)VCI系統(tǒng)到Android設備的數(shù)據(jù)是16進制報文的形式；必須通過業(yè)務邏輯層對接收的數(shù)據(jù)解析才能傳遞給界面顯示層。根據(jù)診斷協(xié)議確定接收數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)；根據(jù)協(xié)議對中規(guī)定的參數(shù)定義設計通用的算法換算直觀的結果。

3.2.3 界面顯示層

Android軟件分離了用戶界面顯示的代碼和控制邏輯的Java代碼，不僅便于開發(fā)人員的編寫，也能使程序結構更加清晰。Android應用程序由多個界面組成，為了滿足程序的功能，不同的界面必須能夠實現(xiàn)相互切換，Android程序的界面切換通過實例化Intent來完成。Android程序的任何兩個活動窗體都可以跳轉切換，靈活性很高，方便開發(fā)。

3.3 軟件功能開發(fā)

本汽車故障診斷系統(tǒng)由故障診斷、系統(tǒng)設置兩大功能組成，其方案如圖6所示。由于故障診斷系統(tǒng)的通用性，在實現(xiàn)子診斷功能之前，需根據(jù)待診斷車型的信息先選擇車型、排量、上市年份，然后選擇單個模塊進入子功能或選擇全車診斷功能。對單個模塊的診斷分為診斷故障代碼、數(shù)據(jù)實時顯示、動作測試、模塊信息識別四大功能。對系統(tǒng)的設置主要是通過Android設備與服務器的交互，實現(xiàn)在線激活、修改密碼、在線更新三大功能。

圖6 汽車診斷系統(tǒng)功能架構方案

本文設計的診斷故障代碼功能主要包含讀取故障碼、清除故障碼、讀取凍結幀功能。根據(jù)UDS協(xié)議中讀故障碼功能為19服務，發(fā)送診斷指令然后接收數(shù)據(jù)，根據(jù)ISO15031-6協(xié)議對故障碼解析。

為精確判斷故障的位置，本軟件根據(jù)診斷經(jīng)驗將每個ECU電控系統(tǒng)又分為一些子系統(tǒng)。根據(jù)UDS協(xié)議，22服務是通過標識符讀數(shù)據(jù)；此服務允許診斷儀從一個或多個數(shù)據(jù)標識符的ECU中請求的數(shù)據(jù)記錄的數(shù)值。針對汽車實時運行的數(shù)據(jù)，選取某項數(shù)據(jù)，采用循環(huán)發(fā)送讀單個數(shù)據(jù)流指令并接收數(shù)據(jù)解析的控制策略，繪制數(shù)據(jù)流的實時曲線。

本軟開發(fā)了動作測試功能。其主要是實現(xiàn)對車輛執(zhí)行器的控制。一方面，通過該功能對車輛實現(xiàn)短時的調整，判斷執(zhí)行器是否發(fā)生故障；另一方面，通過該功能用移動設備實現(xiàn)對車輛的遠程控制。

ECU作為汽車電子供應商的一種產(chǎn)品，根據(jù)生產(chǎn)商的相關規(guī)定，模塊中有包含的零件號、硬件版本號、軟件號、軟件版本號的屬性信息。通過讀取模塊信息可以識別模塊，為車輛模塊的更換和刷寫提供指導和幫助。

全車診斷功能是本診斷系統(tǒng)重要的功能，也是4S店維修技師最常用的功能，通過簡單的操作可以讀取整車的故障碼，方便快捷。全車診斷的實質是讀取故障碼和清除故障碼。

由于本文開發(fā)的軟件具有讀取車輛信息和操控車輛的功能，涉及到車輛的信息安全，必須對軟件用戶進行嚴格的權限管理。本文開發(fā)了激活功能其策略是：只有在售后診斷軟件PC管理端添加授權的用戶才能使用該軟件；一個授權用戶只能在一臺Android設備上應用。

本文設計的汽車故障診斷軟件，隨著車型的添加，功能的不斷完善，性能的優(yōu)化，軟件也需要不斷的更新。更新設計流程是軟件啟動時檢測軟件是否是最新版本，用戶可以根據(jù)需要選擇是否更新。

4 診斷系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)測試平臺

系統(tǒng)集成測試平臺由本地診斷實車測試平臺和遠程測試平臺組成。本地測試平臺由診斷的車輛、帶藍牙模塊的VCI盒子和Android設備組成；遠程功能測試平臺由帶4G或WiFi的Android設備、開啟的遠程服務器和售后診斷軟件數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PC端組成。由測試場景模擬用戶客戶端，調用動態(tài)庫接口單元測試用例，配置文件設置連接用戶服務端，以返回的結果和測試數(shù)據(jù)為準，分析是否達到用戶目標要求。

4.2 系統(tǒng)測試與分析

針對某一車型的7個電控模塊對軟件的各個功能進行了反復的測試，測試結果的部分截圖如圖7、圖8、圖9、圖 10所示，并對測試結果進行了分析，該軟件各功能設計開發(fā)正確，且性能可靠，并逐步在某企業(yè)4S店投入使用。

圖7 系統(tǒng)各功能測試結果

圖8 系統(tǒng)各功能測試結果

圖9 系統(tǒng)各功能測試結果

圖10 發(fā)動機測試數(shù)據(jù)

5 結束語

本文設計了一種基于Android平臺的汽車故障診斷系統(tǒng)的總體方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)的核心通信，開發(fā)診斷系統(tǒng)軟件，并對軟件進行了集成測試。該系統(tǒng)通用性好、功能強大、開發(fā)準確、性能穩(wěn)定可靠，可以滿足售后4S維修技師的需求，且在某公司4S店逐步投入市場。