基于邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)的智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)研究與應(yīng)用

林素敏

基于邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)的智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)研究與應(yīng)用

林素敏

（楊凌職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，陜西 咸陽 712100）

根據(jù)汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學中存在的問題，以邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為藍本，開發(fā)設(shè)計出基于單片機控制的車載網(wǎng)絡(luò)智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)，有效解決了汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學設(shè)備落后、設(shè)備與教學內(nèi)容不匹配、故障案例不典型等問題，實現(xiàn)了故障案例講解和實踐操作的有效結(jié)合，提升了教學效果，為解決車載網(wǎng)絡(luò)教學難題提供思路。

邁騰B8；車載網(wǎng)絡(luò)；智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)；實踐操作

隨著汽車電控系統(tǒng)的快速發(fā)展，電控單元之間通信能力的要求越來越高，點對點的連接會使車內(nèi)線束增多，使得通信的可靠性、安全性都受到很大影響。為了減少線束尺寸和質(zhì)量，實現(xiàn)信息共享和快速交換，提高傳輸可靠性，車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生[1]。但是隨著車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，電子設(shè)備也越來越多，導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障診斷越來越困難，使汽車維修技術(shù)人員面臨著極大的挑戰(zhàn)。

目前，汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已成為高職院校汽車檢測與維修專業(yè)的必修課程，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障診斷也被列入全國高職院校學生技能競賽“汽車技術(shù)”賽項的競賽內(nèi)容，越來越被各職業(yè)院校重視。

1 汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學現(xiàn)狀

1.教學內(nèi)容

目前，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學仍是偏向于理論知識的講解，以車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理為主，對系統(tǒng)的檢測方法和維修方案講解比較少，針對實物進行故障排除的講解更少。而車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理等內(nèi)容比較抽象、晦澀難懂，導(dǎo)致學生學習興趣低，學習效果比較差[2]。

2.教學設(shè)備

很多高職院校沒有專門的車載網(wǎng)絡(luò)實訓設(shè)備，只有整車可以進行故障設(shè)置與檢測，但是整車的空間性太差，學生人數(shù)較多，每次只有5、6個學生可以近距離觀看，導(dǎo)致學生的參與度不高。而且汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程采用平行班教學，教學過程中需要多班多次對故障進行設(shè)置、檢測，設(shè)備損壞頻率增大，使維修、維護成本增加；有些院校購買了各種仿真軟件，對于故障的模擬、故障波形和數(shù)據(jù)的顯示都很直觀，但是各種故障和數(shù)據(jù)都是事先導(dǎo)入的，缺乏隨機性，而且仿真軟件費用較高。

3.教學案例

在《國家職業(yè)教育改革實施方案》提出的“三教”改革的影響下，汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程在教法上不斷改進，項目教學法、任務(wù)驅(qū)動法、理實一體法、基于工作過程等教學方法不斷出現(xiàn)，但是這些方法都需要大量的故障案例進行支撐，而真正貼合汽車實際應(yīng)用的故障案例在教學中還比較少。

綜上所述，為了更好地開展汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學，系統(tǒng)化制定課程理實一體化教學內(nèi)容，收集典型教學案例，開發(fā)具有故障設(shè)置功能的智能教學系統(tǒng)勢在必行。

2 邁騰B8車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

邁騰B8車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括動力總線系統(tǒng)、舒適總線系統(tǒng)、信息娛樂總線系統(tǒng)、診斷總線系統(tǒng)、儀表總線系統(tǒng)等幾個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 邁騰B8車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

邁騰B8網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)各控制單元之間采用廣播式傳輸。即每個控制單元都可以發(fā)送信息，不指定接收者，每個控制單元也可以選擇是否需要接收這些信息[3]。網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)由以下部分組成：

1）控制器：集成在電控單元內(nèi)部，可以接收收發(fā)器傳來的信息并經(jīng)過處理傳遞給控制單元微處理器，也可以將電控單元微處理器發(fā)送的信息傳遞給收發(fā)器。

2）收發(fā)器：集成在電控單元內(nèi)部，可以將控制器發(fā)送來的電平信號轉(zhuǎn)化為電壓信號以廣播方式發(fā)送出去，也可以接收發(fā)送來的電壓信號并轉(zhuǎn)化為電平信號發(fā)送到控制器。

3）數(shù)據(jù)傳輸終端：數(shù)據(jù)傳輸兩端各串聯(lián)一個120 Ω的電阻，防止在傳輸終了時數(shù)據(jù)被反射影響信息傳輸，位于模塊J623和J533內(nèi)部。

4）數(shù)據(jù)傳輸線：為了減少電磁干擾和自身的干擾，傳輸線采用雙絞線，分別為CAN-H線和CAN-L線。兩根線上傳輸?shù)母叩碗妷褐祷コ社R像，這樣傳輸電壓差始終為一個常數(shù)，使得產(chǎn)生的電磁場由于極性相反而互相抵消。

3 車載網(wǎng)絡(luò)智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 開發(fā)思路

在進行故障設(shè)置系統(tǒng)開發(fā)之前，廣泛調(diào)研邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)實際故障案例，根據(jù)教學要求，選取典型案例制定教學內(nèi)容，依據(jù)制定好的教學內(nèi)容開發(fā)故障設(shè)置系統(tǒng)。

通過對典型故障案例進行分析，發(fā)現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因主要分為三類：斷路、接觸不良（或線路虛接）和短路。對于線路中的斷路故障，通常采用在線路當中串聯(lián)一個開關(guān)，開關(guān)的設(shè)置位置既可以放置在傳感器與電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）或執(zhí)行器與ECU的連線上，也可以放置在各控制單元的通訊線路上，如圖2所示；對于線路中短路故障，通常采用跨接線來完成，跨接線可跨接在蓄電池的正極或者負極搭鐵上；對于接觸不良或者虛接的故障，可以采用在電路中串聯(lián)大阻值電阻的方式完成，大阻值電阻起到分壓器的作用，使電路中其他元件的電流變小，從而造成元件工作不正常[4]。

基于以上原理，本故障設(shè)置系統(tǒng)通過在實物平臺線路之間設(shè)置相應(yīng)的控制電路，依據(jù)單片機指令控制繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)實現(xiàn)上述故障點的設(shè)置，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，單片機控制三極管的導(dǎo)通從而控制繼電器的通斷，繼電器控制車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通訊。當未設(shè)置故障時單片機控制P端輸出高電平，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷開，使得繼電器輸出端2和3接通，汽車控制單元正常通訊；當設(shè)置故障時，P端輸出低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器工作，1和2端子接通，信號端與汽車控制單元斷開，失去通訊，從而出現(xiàn)故障。

P－連接設(shè)置故障的單片機；1－連接汽車控制單元；2－信號輸入端；3－接地端子。

其他類型故障的設(shè)置基于以上斷路故障控制電路實現(xiàn)，例如接觸不良或者線路虛接故障的電路設(shè)計如圖4所示，在繼電器的2號端子和3號端子之間串聯(lián)200 Ω電阻（可根據(jù)實際情況更改阻值大小），正常狀態(tài)下，繼電器斷開，輸出端2號端子和3號端子接通，汽車控制單元正常通訊；當繼電器吸合時，線路輸出端由繼電器的3號端子改為1號端子，此時線路串聯(lián)200 Ω電阻，實現(xiàn)線路虛接故障。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于以上設(shè)計思路，故障設(shè)置系統(tǒng)開發(fā)共包括五部分：單片機、繼電器、譯碼處理器、顯示器和故障輸入控制器，其中單片機為核心控制裝置。由故障輸入控制器發(fā)出故障設(shè)置指令，單片機根據(jù)指令通過譯碼處理器發(fā)出故障設(shè)置請求，控制繼電器線路通斷，從而完成故障設(shè)置[5]，如圖5所示。

圖5 故障設(shè)置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)外接于邁騰B8車輛，不破壞整車裝備，當故障設(shè)置系統(tǒng)不工作時，車輛車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制功能正常。當進行故障設(shè)置時，車輛會出現(xiàn)相應(yīng)的故障現(xiàn)象，學生可以使用相應(yīng)的檢測設(shè)備進行故障診斷。

1.故障輸入控制器

故障輸入控制器中故障點的選擇通過按鍵輸入實現(xiàn)，故障設(shè)置信息在顯示屏上顯示。故障設(shè)置輸入采用矩陣鍵盤，如圖6所示，16個按鍵成4行4列排列，4行和4列的電平分別由4個I/O控制，一共需要8個I/O口，采用行列掃描的方式識別按鍵的信息輸入。

圖6 故障設(shè)置輸入方式

2.單片機

每個故障的設(shè)置需要單片機I/O口控制繼電器來實現(xiàn)。另外，還需具備模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analogue to Digitalconversion, AD）采集端口電壓、按鍵輸入識別、顯示屏控制等功能，因此，選用STM32F103 ZET6單片機。由于系統(tǒng)輸入電源電壓為12 V，而單片機電壓為3.3 V，繼電器和部分信號電壓為 5 V，因此，需要設(shè)計將12 V電壓分別轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V的電路。

3.譯碼處理器、鎖存器和顯示屏

本次系統(tǒng)開發(fā)需要一個有兩個輸入端，四個輸出端的譯碼處理器，因此，選取一個 MC74HC139AN二-四譯碼處理器。

鎖存器的作用是將處理器傳輸?shù)芥i存器上的數(shù)據(jù)進行鎖存，以減少處理器的功率損耗。本次選用四個鎖存器，每個鎖存器有八個輸入端子和八個輸出端子。八個輸入端子連接譯碼處理器的4種輸出狀態(tài)，可以得到32種故障狀態(tài)，本系統(tǒng)選擇其中30種。每個輸出端子連接一個繼電器，一個鎖存器可以連接8個繼電器。

顯示器采用LCD 12864，帶中文字庫帶背光，內(nèi)置8182個漢字字庫，128個字符及64×256點陣顯示GDRAM（Graphic Display RAM繪圖區(qū)域），既能進行故障設(shè)置，又能顯示操作內(nèi)容，完全滿足本系統(tǒng)的需求。

4.軟件設(shè)計

故障設(shè)置系統(tǒng)控制電路的軟件控制如圖7所示，應(yīng)用C語言在keil5 軟件上開發(fā)。

圖7 軟件設(shè)計

4 車載網(wǎng)絡(luò)智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)功能測試

1.安全性測試

主要檢測故障設(shè)置系統(tǒng)在使用過程中會不會對師生造成安全危害。檢查內(nèi)容包括：系統(tǒng)在實車上安裝是否牢固、電源電壓是否準確、線路連接有無故障，經(jīng)過測試，系統(tǒng)安全可靠。

2.故障模擬測試

本故障設(shè)置系統(tǒng)可以設(shè)置30個故障點，為保證故障現(xiàn)象和故障數(shù)據(jù)與實車故障的一致性，對30個故障點的故障內(nèi)容進行逐一驗證，驗證過程詳細記錄每個故障點的故障現(xiàn)象、故障數(shù)據(jù)和故障代碼，與實車故障進行比較，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果基本相同[6]，如圖8所示。

5 結(jié)束語

車載網(wǎng)絡(luò)智能教學故障設(shè)置系統(tǒng)以邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為藍本進行開發(fā)研究，實現(xiàn)了車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的清晰化、故障設(shè)置的智能化、故障案例的典型化，有效解決了汽車車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學設(shè)備落后、設(shè)備與教學內(nèi)容不匹配、故障案例不典型等問題，實現(xiàn)了故障案例講解和實踐操作的有效結(jié)合，提高了教學效果，為解決車載網(wǎng)絡(luò)教學難題提供思路。

[1] 崔巍.汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障診斷方法探究[J].河北農(nóng)機,2019(10):28-29.

[2] 陳翔,巫宇權(quán).基于大眾邁騰的汽車CAN總線檢測維修實訓臺開發(fā)設(shè)計[J].汽車世界,2019(20):1.

[3] 黎永鍵,關(guān)偉,簡浩鈞.大眾邁騰轎車CAN總線系統(tǒng)原理與故障檢修[J].公路與汽運,2017(2):21-25.

[4] 李琤,張賢棟,郭順.車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)總線故障研究:以大眾邁騰B8L車型為例[J].湘南學院學報,2020,41 (2):5-10.

[5] 王春光,左維,張建新.基于單片機的數(shù)控機床故障模擬裝置的開發(fā)[J].機電工程技術(shù),2016,45(4):46-48.

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Research and Application of Intelligent Teaching Fault Setting System Based on Magotan B8 Car On-board Network

LIN Sumin

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Yangling Vocational and Technical College, Xianyang 712100, China )

According to the problems existing in the teaching of on-board network control techno- logy course, based on the on-board network system of Magotan B8 car, a fault setting system for on-board network intelligent teaching based on single chip microcomputer control is designed, which effectively solves the problems such as backward teaching equipment of on-board network control technology course,mismatch between teaching equipment and teaching content, atypical fault cases, etc.,realizes the effective combination of fault case explanation and practical operation, improves the teaching effect, and provides ideas for solving the difficult problems of on-board network teaching.

Magotan B8;On-board network;Intelligent teaching fault setting system;Practical operation

U472；G710

A

1671-7988(2023)17-169-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.032

林素敏（1981－），女，碩士，副教授，研究方向為汽車檢測與維修，E-mail:620722779@qq.com。

楊凌職業(yè)技術(shù)學院2021年科技創(chuàng)新項目：基于邁騰B8轎車車載網(wǎng)絡(luò)智能教學系統(tǒng)研究與應(yīng)用（ZK21-51）。