基于藍牙的汽車OBD-II電控故障診斷系統※

吉永卿, 龔元明

(上海工程技術大學 汽車工程學院, 上海201620)

?

基于藍牙的汽車OBD-II電控故障診斷系統※

吉永卿, 龔元明

(上海工程技術大學 汽車工程學院, 上海201620)

針對傳統手持式汽車故障診斷設備的不足，為了能夠在線監測和診斷汽車故障，將藍牙( Blue tooth)、CAN ( Controller Area Network) 總線、智能手機三者結合在一起, 構建基于藍牙技術的汽車無線故障診斷系統。該系統能滿足對汽車診斷技術的實時性和移動性的需求，實現對汽車發動機OBD-II的無線故障診斷。本文詳細地描述了構建的技術方案、系統結構、通信協議和軟硬件實現電路。

藍牙;OBD-II;CAN總線;單片機;XC-2234L

引 言

隨著汽車電子控制技術的迅速發展,汽車上各種電子控制單元和設備不斷增加，汽車故障診斷系統也益日趨復雜。傳統式診斷系統有著結構復雜、成本高、不利于攜帶、診斷效率低等缺點，現階段使用最為廣泛的診斷系統是第二代車載診斷系統(the Second On-Board Diagnostics，OBD-II)。本設計采用一種基于藍牙技術及車載自診斷系統的汽車發動機電控無線故障診斷系統。該系統硬件設計簡單、軟件開發難度低、遠程交互容易，能有效克服地域差異，滿足汽車診斷對實時性和移動性的需求。

1 方案設計

1.1 工作原理

基于藍牙技術的汽車OBD-II電控故障診斷系統工作原理如圖1所示。

電控故障診斷系統中，CAN-Bluetooth模塊通過OBD接口(CAN總線)和汽車電子控制單元(簡稱ECU)通信，讀取來自ECU的信息，轉換成藍牙數據發送給具有藍牙功能的智能手機。同樣，手機發送數據信息給CAN-Bluetooth模塊，轉換成CAN報文信息后發送給ECU，實現智能手機和ECU信息的無線交互通信。

圖1 電控故障診斷系統原理

1.2 OBD-II簡介及其接口定義

OBD-II故障診斷標準是開發第二代故障自診斷系統的標準,該標準目前被世界各大汽車制造廠商廣泛支持。支持該標準的汽車的ECU具有監測發動機控制系統和排放系統的能力，當汽車的某個系統發生故障時，便會產生相應的故障代碼。通過一定的程序可以從ECU中獲取故障代碼，這樣就可以準確地確定故障的性質和部位。此外，還增加了范圍廣泛的監測系統，使得對汽車實時工況的監測成為可能。OBD-II系統要監測任何一個與排放有關的部件或系統，重點是監測燃油和空氣測定系統、點火系統、發動機間歇熄火以及廢氣控制輔助裝置故障。OBD-II系統將實時監測汽車零部件及系統故障，以保證汽車在整個使用過程中其排放量不超過排放法規的要求。

OBD接口定義如表1所列。

表1 OBD接口端子定義(16pin母頭)

1.3 藍牙技術

藍牙技術是一種新的短距離無線通信協議, 是一種無線數據與語音通信的開放標準, 目的是以無線的方式取代現有的有線接口。其優勢在于: 具有很強的移植性, 可應用于多種通信場合; 硬件集成應用簡單, 成本低, 實現容易,易于推廣;功耗低, 對人體危害小; 采用擴頻跳頻技術, 抗干擾能力強, 增強了信息傳輸的安全性。汽車系統與藍牙技術相結合，將會給汽車的生產和服務帶來更大的方便。如果進一步與移動電話連接起來，車主可在任何時間、任何地點都能了解汽車的狀況，并給予必要的控制。

1.4 各部分通信方式

CAN-Bluetooth模塊與ECU通過CAN總線進行雙向通信，實時、直接地讀取來自ECU的數據信息。

① CAN-Bluetooth模塊接收來自ECU的數據信息。來自ECU的數據信息為CAN格式的數據報文，CAN-Bluetooth模塊讀取CAN格式的數據幀和對應的CAN ID地址。

② CAN-Bluetooth模塊發送給ECU數據信息。CAN-Bluetooth模塊發送給ECU的數據信息來自手機按鍵命令(如讀故障碼、讀工作參數等)，以無線藍牙信號方式進行通信；通過CAN-Bluetooth模塊應用軟件對來自手機的按鍵命令進行處理，根據設定的通信協議(J1939協議和ISO15765協議等)對數據進行解析，轉換成對應的CAN格式的數據幀，發送給ECU。

③ CAN-Bluetooth模塊發送數據給手機終端。CAN-Bluetooth模塊與手機通信，通過藍牙接口模塊進行無線射頻通信。CAN-Bluetooth模塊將接收的ECU數據(CAN報文格式)轉換成對應的串行數據(包含CAN的ID地址)，發送給手機。通過手機端的應用軟件，根據設定的通信協議(J1939協議和ISO15765協議等)對數據進行解析，顯示來自ECU的數據信息。

④ CAN-Bluetooth模塊接收手機終端數據。CAN-Bluetooth模塊接收的手機端數據即命令請求(藍牙報文格式)，根據設定的通信協議(J1939協議和ISO15765協議等)對命令進行解析，轉換成對應的CAN報文格式的數據，發送給ECU。

1.5 J1939通信協議

J1939協議是美國汽車工程師協會發布的以CAN總線為基礎支持閉環控制的在多個ECU之間高速通信的網絡協議，主要運用于載貨車與客車。本協議與CAN規范有不同之處。例如：在消息路由部分，CAN規范定義不使用節點地址；而在本規范中必須使用節點地址，以防止多個節點使用同一個標示符。另外，J1939協議對仲裁域重新進行了定義。它是以CAN為基礎設計了應用層的上層協議，對汽車內部ECU的地址配置、命名、通信方式，以及報文發送的優先級、數據長度、參數范圍等都作了明確的規定，并對汽車內部各個具體的ECU通信內容作了詳細說明。J1939協議更大程度地發揮了CAN優異的性能，為車輛上的各個電控單元建立基于CAN總線的高速數據傳輸網絡，實現車載各電控單元間的數據共享，從而有效地減少電子線束的數量，有利于提高汽車電控單元的靈活性、可維護性和穩定性。目前，J1939已經成為世界各大車輛部件生產商均支持的重要通信標準。

本電控系統ECU中的J1939協議采用的是CAN規范中的CAN2.0B擴展幀格式，波特率為250 kbps。基于J1939協議的ECU能提供發動機性能監測參數和整車網絡通信，實現整車網絡中多個ECU的數據共享；同時J1939協議支持故障診斷，通過診斷工具可以讀取或清除診斷故障碼。

2 系統設計

2.1 硬件設計

(1) 微控制器外圍電路

英飛凌公司的XC2200系列微控制器提供192～832 KB 的閃存、可選的EEPROM 仿真、最大可達82 KB 的SRAM，而所提供的最大CPU 時鐘頻率為100 MHz。英飛凌公司將閃存從32 KB 增至1.6 MB，RAM 增至138 KB，時鐘頻率提升至128 MHz，通過引腳兼容的MCU 對產品系列進行擴展，從而滿足更高性能要求。為了達到AUTOSAR 標準程序模型中關于獨立于硬件進行軟件開發的要求，微控制器中集成了內存保護單元(MPU)。此外，英飛凌公司還提供了單獨的FlexRay通信控制器，可方便地添加到系統中。

(2) CAN通信接口模塊

圖2是診斷系統中CAN通信接口電路圖。此電路可將汽車OBD-II 接口中CAN 總線上的數據讀取到英飛凌XC2200系列微控制器中，也可以將微控制器中的數據通過該電路發送到汽車的CAN 總線上。

圖2 CAN通信接口電路圖

(3) 藍牙接口電路

本系統采用的藍牙模塊是Modiatek公司專為智能無線數據傳輸而打造的FBT06系列模塊。模塊采用Bluetooth2.1，具有成本低、體積小、收發靈敏度高等優點，支持主從模式軟/硬件設置，有線無線雙AT通道、PIO擴展、ADC采樣。軟件上支持多達37條AT命令以及9條主動上報指令，串口波特率支持1 200～1 382 400 bps，這樣就能將微控制器的串口信號通過藍牙模塊轉化成藍牙信號。帶有藍牙功能的智能手機就能通過藍牙接口接收到傳送出來的數據。藍牙接口電路如圖3所示。

圖3 藍牙模塊接口電路圖

2.2 CAN-Bluetooth模塊軟件設計

CAN-Bluetooth模塊的藍牙工作在從機模式，手機或平板顯示終端的藍牙工作在主機模式。CAN-Bluetooth模塊與手機顯示終端采用串行數據通信，通信模式為N-8-1格式，1個起始位，8個數據位，1個停止位，無校驗，波特率為115 200 bps。

(1) CAN-Bluetooth模塊應用軟件主要功能

① 把接收到的來自ECU的CAN報文信息轉換成串行格式的數據(包含CAN的ID地址)，發送給顯示終端(手機)。

② 把接收到的來自顯示終端的串行格式的數據，根據設定的通信協議(J1939協議)對命令進行解析，轉換成對應的CAN報文格式的數據。

(2) CAN-Bluetooth模塊應用軟件通信協議

CAN-Bluetooth模塊與顯示終端采用應答模式進行信息交互。顯示終端發送觸控按鈕命令，CAN-Bluetooth模塊響應對應命令。

顯示終端觸控按鈕第1次觸發，發送請求命令，等待收到CAN-Bluetooth模塊命令響應，即收到反饋數據，進行數據解析和顯示，此次任務完成。執行完后再次發送此請求命令，等待收到CAN-Bluetooth模塊命令響應，以此類推。顯示終端觸控按鈕切換到其他功能請求時，必須等待上次任務執行完畢。

系統ECU主要采用兩種通信方式：單幀通信和多幀通信。在監測和整車網絡通信時主要采用單幀通信方式；在診斷時因靈活的故障碼個數是可變的，因此單幀通信與多幀通信結合使用。

在進行故障診斷時，系統ECU發送故障診斷數據幀，主要包含故障類型、故障代碼DTC、參數組編號PGN等。故障類型主要分為當前故障(DMI)和先前故障(DM2)，通過診斷工具可以診斷出系統的故障部件，方便用戶及時排除故障。圖4為系統ECU的通信協議所使用的各種數據幀及參數組。

2.3 顯示終端(手機端或平板)軟件設計

顯示終端顯示的內容：

① 藍牙設備操作按鈕與狀態；

② 系統連接狀態；

③ 監測參數列表與選定，包括發動機轉速、車輛速度、冷卻液溫度、加速踏板狀態、當前轉速下的負荷百分比等；

④ 故障代碼顯示與解釋。

3 操作演示

目前市面上的幾乎絕大部分Android 智能手機和平板電腦都帶有藍牙接口。在手機上安裝APP 軟件后，就能通過藍牙接口來觀察、讀取大量的汽車發動機參數。具體數據讀取方法是：

① 把檢測儀連接到汽車的OBD-II 診斷接口上后，把車發動起來；

圖4 系統ECU的通信協議所使用的各種數據幀及參數組

② 打開手機選擇藍牙功能，進入軟件后掃描設備，會發現我們的藍牙設備，選中相關設備，進行匹配；

③ 正確地執行上面的步驟后，手機和檢測儀就通過藍牙接口連接在一起了，可以在軟件上觀察到OBD-II診斷接口上傳輸的大量汽車狀態的數據，進行實時監測。顯示結果略——編者注。

結 語

基于藍牙的汽車OBD-II電控故障診斷系統，可實現對OBD-II標準的汽車電控單元(如發動機電控單元)進行故障診斷。以英飛凌XC2200系列微控制器為核心，配合適當外圍電路做成的檢測儀，能夠將汽車自診系統的診斷信息實時地傳輸到手機上。這種檢測儀相比那些動輒幾千元的專用檢測儀有價格低、體積小、使用方便的優點，具有大規模推廣的市場前景。

該汽車故障診斷系統，滿足了汽車維修廠使用一個設備支持多車型診斷的需求，不再需要分別購買各車型昂貴的專用診斷設備，從而極大地降低了維修廠的成本；同時，維修人員使用方便，效率大大提高。

[1] 顏伏伍.基于智能手機的汽車遠程故障診斷系統[J].華中科技大學學報：自然科學版，2012(11):125-128.

[2] 張方偉.藍牙診斷系統的研究[J].汽車電器，2011(7)：9-12.

[3] 李教文.基于TL718的藍牙迷你型OBD汽車信息檢測儀[J].信息技術，2013(9):277-279.

[4] 王良剛．汽油機車載診斷系統的故障診斷策略研究[D]．西安:長安大學，2012.

[5] 劉陶然．PC式汽車故障診斷系統的開發[D]．武漢:武漢理工大學，2011.

[6] 謝軍．汽車故障診斷儀的研究與設計[D]．長沙:中南大學，2011.

[7] Hyun Jeong Y,Shin Kyung L,Oh Cheoni K.Vehicle-generated Data Exchange Protocol for Remote OBD Inspection and Maintenance [C]//Jeju Isl：6th International Conference on Computer Sciences and Convergence Information Technology，2012.

[8] Enriquez J,Bautista A.CANOPNR: CAN-OBD Programmable-expandable Network-enabled Reader for Real-time Tracking of Slippery Road Conditions using Vehicular Parameters [C]//Anchorage：IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems-ITSC，2012.

吉永卿(在讀研究生)，主要研究方向為汽車電子控制技術；襲元明(教授)，主要研究方向為汽車電子控制技術及發動機故障診斷技術。

(責任編輯：蘆瀟靜 收修改稿日期：2014-06-09)

英飛凌與中科院物聯網研究發展中心共同推動物聯網產業升級

英飛凌科技亞太私人有限公司宣布，與總部位于中國無錫的中科院物聯網研究發展中心簽署戰略合作協議，雙方將建立長期、全面的戰略合作伙伴關系，充分利用各自的戰略資源、優質渠道和核心能力，協力開發物聯網相關技術和產品，開展物聯網示范工程。

2014年是物聯網產業的大爆發之年。在國家政策的大力扶持下，中國物聯網已初步形成了完整的產業體系，具備了一定的技術、產業和應用基礎。根據賽迪顧問預測，到2015年，中國物聯網整體市場規模將達到7 500億元，年復合增長率約30%，市場前景巨大。

英飛凌作為創新技術的引領者和物聯網的踐行者，長期致力于在中國推動和提升半導體技術的發展，一如既往地分享和利用其在半導體技術和全球市場發展的實踐經驗。英飛凌在物聯網產業發展上，始終貫徹安全性和高能效兩大核心需求，重點向智能汽車與交通、智能工業(工業4.0)、新能源及智能電網、智能消費類電子產品以及信息通信基礎設施五大領域滲透。

在英飛凌“工業4.0試點基地”項目中，互聯式知識密集型生產創新理念將付諸實踐并投入測試。在英飛凌奧地利工廠，生產將采用信息物理系統，包含高度現代化生產控制與自動化系統。在數據安全與數據完整性水準達到最高等級的前提下，人機互動在試點工廠中將提升至一新的層次。

中科院物聯網研究發展中心主任助理顏苑女士表示：“中科院物聯網研究發展中心自成立以來，始終積極投身于中國物聯網產業的建設和發展，我們相信通過與英飛凌建立戰略伙伴關系，能促進中國物聯網產業的新產品研發和技術創新，為中國客戶提供更優質的半導體解決方案，滿足日益增長的物聯網市場需求。”

OBD-II Electric Control Fault Diagnosis System for Automobiles Based on Bluetooth※

Ji Yongqing, Gong Yuanming

(School of Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)

Aiming at the shortcomings of traditional handheld fault diagnosis devices for automobiles, a wireless automobile fault diagnostics system based on Bluetooth technology is constructed by combining Bluetooth, CAN(Controller Area Network) bus and smart phone so as to monitor and diagnose automobile faults on line. The system can meet the real-time and mobile demands of automobile diagnosis technology, and realize the wireless fault diagnosis of automobile engine OBD-II. This paper elaborates the technical scheme, system structure, communication protocols and software/hardware circuits.

Bluetooth; OBD-II; CAN bus; MCU;XC-2234L

TP399

A