基于OBDⅡ汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

引言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，以及現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多方面技術(shù)的不斷融入，汽車結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，自動化程度越來越高。同時，用戶對汽車的安全性、舒適性的要求也日益提高。因此，需要及時準(zhǔn)確地掌握汽車運(yùn)行狀態(tài)，以發(fā)現(xiàn)故障隱患。汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通過利用汽車設(shè)備采集車輛運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)，再經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，可實現(xiàn)車輛與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心數(shù)據(jù)互通，利用遠(yuǎn)程監(jiān)測中心專家診斷系統(tǒng)對車輛運(yùn)行參數(shù)分析，并經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)反饋到車輛用戶。該系統(tǒng)具有實時性好，故障分析準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點。

OBDⅡ即車載診斷系統(tǒng)（On-Board DiagnosisⅡ），它集成在發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中能夠連續(xù)監(jiān)測影響廢氣排放部件的工作狀態(tài)。OBDⅡ是一個復(fù)雜的自診斷系統(tǒng)，其作用是在車輛尾氣排放超標(biāo)或者出現(xiàn)故障時，向駕駛員報警，同時記錄一個故障代碼(DTC)。借助配套的診斷儀器，維修人員可以讀出OBDⅡ系統(tǒng)保存的故障代碼及其他車輛信息。通過檢索故障代碼表通常可以迅速判斷出故障的位置，為診斷故障節(jié)約大量的人力物力。OBDⅡ目前在車輛上已經(jīng)成為必備裝置。

因此，本系統(tǒng)設(shè)計將汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)測建立在車輛的自診斷基礎(chǔ)之上。一方面通過OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)接口獲取有關(guān)排放、運(yùn)行等車輛自身已有的信息資源，以節(jié)約開發(fā)和運(yùn)行成本；另一方面，對其他關(guān)鍵參數(shù)利用添加傳感器方式獲取。這不僅提高了系統(tǒng)的通用性，也增強(qiáng)了實用價值。

系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)目的在于監(jiān)測車輛運(yùn)行狀態(tài)，并及時診斷出潛在故障或間歇性故障。涉及到電子技術(shù)、無線通訊、汽車診斷技術(shù)、計算機(jī)工程等多方面技術(shù)。總體方案設(shè)計框圖如圖1所示。由于系統(tǒng)對車輛運(yùn)行實時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，而且車輛運(yùn)行中參數(shù)諸多，因此對處理器要求較高。本設(shè)計選用的是TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。

該款DSP主要性能如下：高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，I/O電壓為3.3V，內(nèi)核電壓為1.8V，減小了控制器的功耗；最高CPU時鐘頻率150MHz，通過動態(tài)改變鎖相環(huán)頻率得到，大大提高了控制器的實時控制能力；片內(nèi)具有128K×16位的FLASH存儲器，兩塊4K×16位的單口隨機(jī)存儲器SARAM；兩個事件管理器EVA、EVB；串行外圍接口SPI，兩個串行通信接口SCIA，SCIB，標(biāo)準(zhǔn)UART，改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)ECAN。多通道緩沖串行接口McBSP；16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有兩個采樣保持器等。

系統(tǒng)設(shè)計的主要模塊包括電源電路、時鐘及復(fù)位電路、仿真接口、無線通訊模塊、CPLD時序電路與車載OBDⅡ通訊電路設(shè)計。在此僅介紹DSP通過專用芯片實現(xiàn)與車輛OBDⅡ通訊的方案。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

硬件部分設(shè)計

鑒于車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的多樣性，不同汽車生產(chǎn)企業(yè)所采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有靈活性和通用性，以適應(yīng)對不同車輛的信息提取。因此系統(tǒng)方案選擇基于專用協(xié)議芯片TL718與現(xiàn)有車輛的自診斷系統(tǒng)接口的方式，來采集車輛內(nèi)部參數(shù)信息。TL718與DSP硬件原理圖如圖2（限于篇幅，部分引腳略）。由于二者電平不匹配，所以解決方案采用74LVX4245電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)電路連接。對TL718的控制，選擇DSP的復(fù)用I/O口，通過軟件編程實現(xiàn)控制。其中74LVX4245的T/R引腳通過電平高低的設(shè)置來控制信號傳輸方向。

圖2 DSP與TL718連接原理圖

OBDⅡ系統(tǒng)最大的一個特點就是統(tǒng)一了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和診斷模式。但OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)中并不止規(guī)定一種通信協(xié)議，而是統(tǒng)一了應(yīng)用最廣泛的幾種協(xié)議。分別為：CAN，ISO9141，KWP2000，SAEJ1850 PWM和SAEJ1850 VPW。歐洲生產(chǎn)的汽車，以及大多數(shù)亞洲進(jìn)口的汽車大都使用ISO 9141-2通訊協(xié)議電路。而美國通用汽車(GM)公司生產(chǎn)的轎車及輕型卡車使用SAE J1850 VPW通訊協(xié)議電路，福特(FORD)汽車采用SAE J1850 PWM通訊協(xié)議電路。

這里以SJ1850（PWM和VPW）協(xié)議通訊為例，其輔助電路連接如圖3。

圖3 SJ1850協(xié)議通訊輔助電路

由于SAEJ1850的兩種不同協(xié)議需要兩種不同的電壓（VPW需要8V，PWM需要5V）。因此，采用輸出可調(diào)的電壓調(diào)整芯片LM317T。LM317T的輸出電壓由TL718的引腳J1850 Volts 控制。當(dāng)引腳J1850 Volts輸出高電平時，在LM317T的輸出引腳上便可以得到8V的電壓；當(dāng)引腳J1850 Volts輸出低電平時，在LM317的輸出端得到5V的電壓。

1)在使用J1850PWM協(xié)議時采用雙線制，從J1850 BUS+和J1850 BUS-上接收到的信號經(jīng)過比較器LM339A的處理，傳輸?shù)絋L718的PWM in。需要注意的是，由于LM339A為開漏輸出，因此，要在比較器的輸出端得到+5.0V的高電平，需在該引腳添加上拉電阻R40。R46和R51為限流電阻，保護(hù)比較器不會因過流而損壞。

J1850信號的發(fā)送由TL718的4引腳 （對應(yīng)于圖中J1850+） 和14引腳 （對應(yīng)于圖中J1850-）完成。在沒有信號輸出的情況下，總線上保持隱性位。J1850+應(yīng)保持低電平，此時晶體管Q4總是截止的，J1850 BUS+通過R38拉低，J1850 BUS+線處于隱性狀態(tài)。而J1850-應(yīng)保持高電平，此時晶體管Q6導(dǎo)通，J1850 BUS-通過R42拉高，J1850 BUS-線也處于隱性狀態(tài)。此時，J1850 BUS+和J1850 BUS-上的差模電壓為-5V，經(jīng)比較器輸入低電平到PWM in引腳。

反之，J1850+和J1850-都處于顯性時，J1850 BUS+和J1850 BUS-上的差模電壓為+5V，經(jīng)比較器輸入高電平到PWM in引腳。

2) J1850VPW采用一線制。LM339A(U16C)的反向輸入端通過電阻R62和R64分壓，并保持在3.9V。在使用J1850 VPW協(xié)議的情況下，當(dāng)J1850+輸出高電平時，晶體管Q4導(dǎo)通，Q3也導(dǎo)通，傳輸線J1850 BUS+上的電壓便被拉升到約8V，總線便處于顯性位。反之，J1850+輸出低電平時，總線處于隱性位。本系統(tǒng)接口設(shè)計選擇標(biāo)準(zhǔn)接口，相關(guān)診斷接口請參考ISO/DIS 15031–3。

圖4 DSP與TL718通信流程圖 

系統(tǒng)軟件設(shè)計介紹

該系統(tǒng)采用XDS510-USB 2.0仿真器，它可以通過USB接口與PC機(jī)相連，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下通過JTAG仿真接口調(diào)試、燒寫程序。其中，DSP對專用芯片TL718的控制程序流程如圖4所示。

TL718的16引腳BUSY指示當(dāng)前狀態(tài)，如果當(dāng)前狀態(tài)空閑，輸出為低電平，表示可接收新的命令。如果忙則輸出高電平。此外，TL718的15引腳RTS為輸入引腳，其低電平有效，當(dāng)想要中斷當(dāng)前正在處理的OBD命令時，可在該引腳上給低電平指令，同時檢查BUSY引腳狀態(tài)，直到指示TL718已經(jīng)空閑。

結(jié)論

汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)，針對汽車數(shù)量多、移動性強(qiáng)等特點，本系統(tǒng)主要通過高性能DSP對某些關(guān)鍵參數(shù)實施傳感器采集、與車載自診斷系統(tǒng)通訊相結(jié)合的方法，來實現(xiàn)對車輛運(yùn)行參數(shù)的采集。該開發(fā)方案不僅具有適應(yīng)多種協(xié)議車輛的靈活性和通用性，而且降低了開發(fā)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。此外，其存儲參數(shù)也可以為汽車生產(chǎn)企業(yè)、維修服務(wù)企業(yè)提供資料參考。