基于MDI汽車故障診斷系統研究與開發

袁欣

（武漢科技大學，武漢 430081）

基于MDI汽車故障診斷系統研究與開發

袁欣

（武漢科技大學，武漢 430081）

針對傳統PC式汽車故障診斷系統的不足，本文提出了一種標準化的PC式汽車故障診斷系統，由標準診斷接口設備和診斷應用軟件組成，硬件選用滿足SAE J2534標準的MDI診斷工具，研究了MDI通信機制和SAE J2534標準內容，優化了系統數據讀取速率，采用架構層次化、功能模塊化的思路，開發了診斷應用軟件。經實車測試及分析，系統可實現對整車電控系統的故障診斷、維修幫助、實時監控和在線刷新，具有良好的通用性和擴展性，對應用標準設備開發具有借鑒意義，為車輛診斷維修提供了有利工具。

車載診斷系統；汽車故障診斷；多功能診斷通信接口；SAE J2534

袁欣

袁欣，女，武漢科技大學電子信息工程專業2012級本科生。

前言

PC式汽車故障診斷系統因為在實時監控、集成處理、功能擴展、遠程診斷等方面的優勢，替代手持式診斷設備成為目前汽車診斷的主流選擇［1］。

然而，不同廠商支持的診斷總線類型、診斷引腳定義和診斷通信協議不盡相同，為滿足各大汽車廠商車輛內部日益增多的ECU（ElectronicControl Unit）診斷任務的要求［2］。因此，筆者提出一種基于MDI（Multiple Diagnostic Interface）的PC式汽車故障診斷系統。

1　系統方案

系統由標準診斷接口設備（MDI診斷工具）和故障診斷軟件兩部分組成。系統的構架如圖1所示。

標準診斷接口設備通過車輛的OBD（On-Broad Diagnosis）接口接入車載網絡，其主要負責筆記本電腦和車輛之間不同數據幀的封裝和信號的轉換。

故障診斷軟件安裝在筆記本電腦上，通過USB線與標準診斷接口設備連接，其主要負責向車輛ECU發送請求指令，處理應答數據；同時筆記本電腦還可以通過互聯網訪問服務器數據庫，完成數據的上傳下載。

2　系統硬件

該系統采用筆記本電腦和標準診斷接口設備的硬件組合。標準診斷接口設備選用通用汽車公司的MDI診斷工具。

MDI診斷工具遵循SAE J2534標準，SAE J2534是用于車輛ECU編程刷新的軟硬件標準。通過滿足SAE J2534標準的接口設備不僅可以實現筆記本電腦和ECU的數據通信，也可以對ECU進行重新編程［3］。同時MDI支持多種主流的車載通信協議，包括KWP2000、CAN總線（ID為11位的標準幀）、CLASS2、UART等［4］。另外，MDI充分的兼容了ISO 22900-1、ISO 22900-2、ISO 22900-3的標準，實現了新興MVCI（Modular Vehicle Communication Interface）軟件構架，具有良好的擴展性。

3　系統通信機制研究

MDI是基于SAE J2534標準設計的診斷工具。其數據處理、鏈路控制和流程控制是由MDI下位機軟件和SAE J2534規定的標準接口函數共同完成。

表1所示為SAE J2534定義的標準接口函數［5］。

表1　SAE J2534定義的標準接口函數

3.1通信過程建立

目前車輛上的電控模塊絕大多數選用K線或CAN總線通信協議，因此汽車故障診斷系統主要針對K線和CAN總線通信協議進行開發，同時保留其他通信協議的接口，易于今后擴展。圖2為調用標準接口函數實現通信過程的流程。

a. 與MDI建立連接：連接成功將返回設備ID。

b. 設置通信協議ID和相應波特率：其中K線的協議ID設置為0x04，波特率設置為10 400kbps；CAN總線的協議ID設置為0x06，波特率設置為50 000kbps。設置成功將返回通道ID。

c. 過濾設置：對于K線，超過一定時間沒有數據交互，則會自動斷開通信。因此需要每3s循環發送測試在線指令“3E”，以保持K線通信在線，同時過濾掉ECU正反饋指令“7E”，避免上位機對反饋數據的頻繁操作，節約資源；對于CAN總線，總線上傳輸著大量數據，通過CANID的過濾，篩選出需要的數據給上位機。

d. 通信初始化：對于K線的ECU，在開始通信之前還需要對其進行初始化。這里選擇快速初始化方式，對應接口函數PassThruIoctl的參數loctlID為0x05。

e. 數據收發：在上述設置成功后，便可直接調用PassThruWriteMsgs和PassThruReadMsgs進行數據的收發。

f. 與MDI斷開連接：在結束診斷后，需要斷開指定協議的通信通道以及與MDI的連接，釋放資源。

3.2通信機制優化

基于KWP2000協議的診斷服務必須遵循一定的時序來進行，ISO 14230-2給出了診斷服務請求響應過程的時序圖以及時序參數P1、P2、P3、P4的嚴格規定［6］。

P1、P2、P3、P4以及診斷系統的通信機制是影響數據讀取實時性的主要因素。協議已經對P1、P2、P3、P4有著嚴格的規定，因此優化診斷系統的通信機制是提高讀取數據實時性的唯一途徑。

不同的診斷服務對通信過程的實時性要求也不同。對于讀取故障碼，清除故障碼，讀取凍結幀，動作測試和讀取模塊信息這些服務，完成診斷服務只需要一次請求應答，對實時性的要求不高；而對于讀數據流服務，需要短時間內連續的請求應答。一次請求應答的時間越短，每次請求時間間隔越小，車輛和發動機運行中各種參數的變化情況反映的就越真實。數據流讀取的實時性對于車輛故障診斷，車輛運行狀態監控有著極為重要的影響。因此，根據不同服務對實時性的要求，需要制定了不同的通信機制。

本文將汽車故障診斷系統的通信過程分為兩種情況來處理。對于實時性要求不高的非數據流服務請求，使用上位機的發送接收函數，一次請求應答即可，如圖3所示；對于實時性要求較高的數據流服務請求，在兩個方面優化了讀數據流的實時性，如圖4所示。

第一，在請求方式上，采用動態定義讀數據流。傳統的讀數據流方式，每條數據流需要一次請求，當選擇的數據流條目較多時，每次讀取需要多次請求，數據響應將會滯后。而采用動態定義讀數據流，將分配的動態ID和所選的數據流PID組合成一個動態定義請求指令（如2C、FE、00 05，其中2C為動態定義服務指令，FE為動態ID，0005為PID），肯定響應后，便可用服務指令“AA01+所分配的動態ID”來讀取數據流，這樣將要讀取的數據流動態組合在一起，當動態定義請求成功后，每次讀取只需要一次請求即可。

第二，在通信過程上，采用循環發送請求。相比于每次都由上位機的發送函數來發送請求，采用MDI循環發送請求，將節省從上位機到MDI的傳輸時間。對于需要反復請求的數據流指令來說，每次請求應答需要的時間縮短，將明顯提高了讀取數據流的實時性。

通過在數據流服務通信過程采用了周期循環發送和動態定義相結合的方法，合理設置循環發送請求周期（T1）和循環接收數據周期（T2），對系統通信機制進行了優化。對某款采用K線通信協議的ECU進行了通信測試，使用示波器檢測到K線讀取數據流時的波形圖。如圖5所示，循環發送的周期約為150ms，發送數據流請求與得到反饋的時間間隔約為45ms，完全滿足對讀取數據流實時性的要求。

4　系統軟件

診斷系統軟件選用Visual Studio 2008平臺，采用C#編寫。使用Microsoft SQL Server數據庫。

根據診斷系統硬件選型和需求分析，采用分層的設計思路，將軟件架構從下到上分為四層：MDI驅動層，數據訪問層，業務邏輯層，表示層。診斷軟件構架如圖6所示。

4.1MDI驅動層

MDI驅動層主要負責標準接口函數的調用，將標準接口函數封裝成18個功能函數，供數據訪問層調用。驅動層實現了數據訪問層和MDI接口函數的隔離。功能函數及描述如表2所示：

表2　MDI功能函數

4.2 數據訪問層

數據訪問層主要負責對MDI數據的發送和接收、數據庫的數據交互以及對服務器數據的上傳和下載。數據訪問層建立在MDI驅動層之上，通過使用MDI驅動層封裝的函數，設計了7個函數接口，供業務邏輯層調用。主要包括：

表3　數據訪問層接口函數

4.3業務邏輯層

業務邏輯層主要負責OBD指令生成，反饋數據解析和診斷數據管理。當用戶通過操作接口給出診斷請求時，業務邏輯層會根據協議規定將請求封裝成標準的OBD數據幀傳遞給數據訪問層；當數據訪問層接收到ECU的反饋數據時，業務邏輯層將從反饋數據中提取有效數據，根據協議規定解析成實際值，通過表示層顯示給用戶。

同時，業務邏輯層負責診斷系統功能的實現，主要包括常規故障診斷功能、維修診斷幫助功能、ECU在線刷新功能、軟件附屬功能四個部分。

常規故障診斷功能包括讀故障碼，清除故障碼，讀凍結幀，讀數據流，動作測試等。通過數據訪問層的發送接收函數完成和ECU的數據交互。

維修診斷幫助功能是通過數據訪問層的MdbRead訪問診斷數據庫，從診斷數據庫中查詢相應的維修幫助手冊內容并顯示。

ECU在線刷新功能是通過數據訪問層的WebUpload和WebDownload完成與服務器的數據上傳下載，通過SendCommand完成對被刷新ECU數據的寫入，在線刷新的流程如圖7所示：

軟件附屬功能包括軟件激活，用戶認證，密碼修改，軟件升級，診斷報告生成等。

4.4表示層

表示層主要負責數據的顯示和用戶操作接口的提供。如圖8所示，用戶界面主要包括狀態顯示區，主工作區和導航區三部分。狀態顯示區負責所選診斷功能、車型模塊及MDI連接狀態等狀態的顯示；主工作區負責用戶操作和結果顯示；導航區可以實現不同界面之間的切換和軟件的退出。

5　系統測試及結果分析

以某車輛（其電控模塊包括ECU，BCM，ABS，SDM，EPS，IPC等六個核心電控模塊）為測試對象，MDI診斷工具通過車輛OBD接口連入車載網絡，測試人員通過PC端的診斷軟件進行故障診斷功能測試和模塊刷新功能測試。

5.1故障診斷功能測試

車輛故障燈常亮，讀到故障碼P0031，描述為上游氧傳感器加熱電路對地短路，初步判斷為上游氧傳感器故障，如圖9所示；讀取上游氧傳感器電壓數據流，發現電壓值曲線不變，意味著上游氧傳感器并未工作。根據軟件的維修診斷幫助逐步排查，更換上游氧傳感器后，重新讀取上游氧傳感器電壓數據流，電壓值在正常范圍波動，恢復正常，如圖10所示。清除故障碼，故障燈熄滅，故障排除。

5.2在線刷新功能測試

車輛的發動機控制模塊標定數據需要更新時，使用軟件的在線刷新功能，可在ECU不拆卸的情況，將更新的標定數據寫入發動機控制模塊。刷新功能測試界面如圖11所示。整個刷新過程僅用時約15分鐘，相比傳統的更換電控模塊和拆卸回廠更新，大大節約了時間和成本。

6　結論

基于MDI的汽車故障診斷系統硬件選用滿足SAE J2534標準的診斷接口工具，兼容主流的車載網絡通信協議，具有良好的通用性；軟件采用架構層次化、功能模塊化的開發思路，具有良好的擴展性；對系統通信機制進行了研究和優化，實現了基于通用診斷通信接口裝置的PC式汽車故障診斷系統的開發，對應用標準設備開發具有一定借鑒意義。

通過測試分析可知，該汽車故障診斷系統的數據讀取頻率高，響應速度快，不僅能夠滿足診斷任務，還可以實時監控車輛及發動機的運行狀況，此外還具備維修診斷幫助和電控模塊在線刷新功能，為車輛的診斷維修提供了有利的工具。

［1］顏伏伍， 王攀， 胡杰， 等. 基于車載總線的PC式汽車故障診斷系統［J］. 武漢理工大學學報， 2011，33（5）：758-762.

［2］郭剛， 王勵明， 盧明.基于MVCI、ODX的診斷標準研究［J］. 制造業自動化， 2010， 32（12）：15-16.

［3］胡杰， 盛祥政， 李洪飛， 等. 基于智能手機的汽車故障診斷系統的研究與開發［J］.汽車技術， 2011，9：4-10.

［4］蔡浩， 汽車故障診斷系統的設計與開發［M］.上海：上海交通大學， 2009.

［5］SAE J2534-1， Surface Vehicle Recommended Practice［S］. 2004.

［6］ISO/WD14230-2， Road vehicles diagnostic system keyword protocol 2000 data Link［S］.1997.

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周躍鋼：

基于MDI和SAE J2534協議的車載診斷系統的研究，實現乘用車電控系統故障診斷、維修診斷、實時監控和ECU在線刷新，對整車故障診斷系統的開發具有參考意義。

The Research and Development of Vehicle Fault Diagnostic System Based on MDI

YUAN Xin
（Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， 430081， China）

For the deficiencies of traditional PC-based vehicle fault diagnostic system， this paper proposes a kind of standardized PC-based vehicle fault diagnostic system which by the standardized diagnostic interface device and diagnostic application software， selects the MDI diagnostic device which conformed to SAE J2534 standard， studies the communication mechanism of MDI and SAE J2534 standard content， optimizes the data read rate， develops the diagnostic application software using the ideas of hierarchical architecture and function modularization. Through vehicle testing and analysis， this system allows the fault diagnosis， maintenance help， real-time monitoring and online refresh for vehicle electronic control system， has a good versatility and scalability， has a reference for developing standardized diagnostic device and provides the favorable tools for Vehicle Diagnosis and Maintenance.

On-Broad Diagnostic System； Vehicle Fault Detection； Multiple Diagnostic Interface；SAE J2534

U472.9

A

1005-2550（2015）03-0017-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.004

2015-01-12