基于汽车故障的诊断技术

CAN 总线被广泛应用于汽车通信。随着汽车电控系统结构的日益复杂，电子系统出现故障的可能性也相对增加，同时对故障发生原因也变得越来越困难，从而极大影响了客户的用车体验。本文以汽车诊断仪为研究对象，分别介绍有线式诊断仪、无线式近距离诊断仪和无线远程式诊断仪技术路线所需要的硬件设备和优缺点，并进一步分析汽车诊断技术未来发展趋势。架构功能设计方法进行应用和探索。

1 前言

随着对汽车安全性、发动机油耗及排放的法规要求越来越高，越来越多的传感器应用到车辆中，车辆控制系统也变得越来越复杂。而各控制系统的电子化、复杂化在提高车辆安全性、燃油经济性、动力性以及排放的同时[1]，也给汽车模块间稳定通信带来了巨大的挑战。CAN总线在信息传输中具有良好的可靠性[2-3]，因此CAN总线被广泛应用于汽车通信。在汽车电控系统结构日益复杂的今天，电子系统出现故障的可能性也相对增加，对故障发生原因和发生部位的判断就变得越来越困难。故汽车故障诊断技术己经成为汽车故障诊断过程屮必不可少的工具[4-5]。本文通过研究有线式诊断仪、无线式诊断仪以及远程式诊断仪这3种不同形式诊断仪硬件的技术路线，从而为后续汽车诊断技术的发展起到了一定的指导作用。

2 诊断系统现状

为了满足故障诊断的巨大需求，许多汽车公司、专业故障诊断研发公司及高校研究并开发了多种基于汽车故障的诊断技术。目前应用的汽车故障诊断技术按照结构和功能可分为3种类型[6]：有线式诊断技术、无线式近距离诊断技术、无线远程式诊断技术。

2.1 有线式诊断技术

有线式诊断系统技术架构示意如图1所示。

图1 有线式诊断系统技术架构示意图

2.1.1 实现原理释义

诊断仪工作时，接口电路板将PC机的请求信号经过重新编程和电压转换后发送给OBDII随车诊断系统，并将OBDII随车诊断系统的应答信号经过电压转换和重新编码后返回给PC机。当应答信号到达后，PC机软件通过解码和运算，最终以用户易于接受的方式显示。

2.1.2 有线式诊断系统硬件

电脑和单片机之间需要实现数据的传输和接收，需要采用标准接口将两者连接在一起，另外还需要电平转换模块将电脑的输出电压转换成单片机可用的电压，从而实现电脑与单片机的相连。目前常用的串口RS232、RS454、IIC、SPI。表1是几种常用串口的参数分析。

表1 几种常用串口的参数

RS485相较于RS232改进后的特点包括以下4点。

1） 电平：RS485接口相较于R232电平低，由于芯片电压大多是3.3V或者5V左右，因此RS485不易损坏芯片。

2） 传输速率：RS485相较于RS232传输速率高。在短距离通信时，RS485最高速率可以达到35Mb/s，在长距离通信时，传输速率也可达100kb/s以上，而RS232传输速率只有20kb/s。

3） 抗干扰性：RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4） 传输距离：RS485总线最大传输距离可达1200m，RS232传输距离最多不超过15m，因此RS485传输距离更远。

CAN总线：由于在汽车、工业控制领域，设备或者汽车处于高温、振动、各种负荷的工作环境中，对通信的稳定性要求非常高，并且CAN总线只需要2根线就可以实现数据的传输和接收，减少设备和汽车上线束的数量，因此CAN总线广泛应用于汽车领域和工业控制领域。而IIC和SPI主要应用于芯片里面的通信。

CAN收发器：CAN收发器的作用是逻辑信号与差分信号之间相互转换。数据接收部分的作用是将自总线的差动信号经过数据接收电路的接收，转换成逻辑信号并发送到CAN协议控制器，数据发送部分是将逻辑信号转化成差分信号，继而将数据传递到总线。

2.1.3 有线式优缺点

有线诊断设备具有硬件集成度高，能满足数据采集、数据分析、指令控制、二次开发等一系列需求的特点，由于集成了较多功能，因此其价格昂贵、体积较大、不利于携带、操作复杂，需要受过专业培训的人才会使用，因此主要用于汽车主机厂和大型4S店。

2.2 无线式近距离诊断技术

无线式诊断系统技术架构示意如图2所示。

图2 无线式诊断系统技术架构示意

2.2.1 诊断原理

当车辆发生故障时，首先人为将无线诊断设备插接在车辆OBD（On-Board Diagnostic） 口，然后用手机/电脑连接无线诊断设备实现车机相连，电脑/手机通过脚本发送可以获取到整车故障状态，最后诊断专家对故障数据进行分析。

2.2.2 无线式近距离诊断系统硬件

目前常用主流的无线诊断技术主要是通过蓝牙和WIFI去实现诊断设备与PC/电脑通信，然而WIFI由于受制于网络信号以及时延等问题，应用受到一定的限制。对于短距离通信，目前市面上比较成熟的产品有RDS GDS以及市面上开发的各种无线诊断小盒子，大多都采用蓝牙通信。因蓝牙技术已经在手机和电脑上有成熟的应用，故近距离无线诊断诊断技术可将蓝牙技术和诊断相结合。

蓝牙的连接可以细分为3个阶段：配对、连接、数据传输。

1） 配对阶段：实现连接的前提条件，目前主要通过Bluetooth In Ban的方式连接。

2） 连接阶段：首先蓝牙模块要处于“可被发现”的状态，电脑/手机根据搜索到的蓝牙设备名和地址进行连接，为了保证安全性蓝牙，设备之间还需要进行安全验证，通常都是通过密码的方式确认安全，通过安全验证之后，就可以实现设备与移动端之间的互联。

3） 数据传输：实现设备与移动设备互联之后，就可以通过调用不同的函数实现数据的传输和接收。

2.2.3 近距离无线诊断技术优缺点

近距离诊断技术具有硬件成本低、质量轻、集成较为方便的特点。目前功能比较受限，主要用于读取一些故障码以及常用的状态参数，另外数据存储也有比较大限制，只能存储较少的数据，因此对于需要数据量大、复杂度高的问题不适用。

2.3 无线远程式诊断技术

无线远程式诊断系统技术架构示意如图3所示。

图3 无线远程式诊断系统技术架构示意图

2.3.1 诊断原理

采集设备可以将整车的故障数据通过4G/5G网络发送云端，最终通过PC等设备联网在云台获取数据，最后对故障进行分析。

2.3.2 无线远程式诊断系统硬件

远程式诊断系统最为关键的就是通信模块，汽车TBOX与汽车通过CAN bus总线通信，实现指令与信息的传递，从而获取到包括车辆状态、按键状态等信息以及传递控制指令等，通过音频连接，实现双方共用麦克与喇叭输出。而与手机APP连接是通过后台系统以数据链路的形式进行间接通信（双向），目前常用的无线通信模块有以下3种方式。

1） OBD连接T-BOX盒子：将T-BOX盒子插入车辆的OBD口，通过诊断诊断口读取车辆的相关总线数据。这种方式不用对传统汽车架构进行更改，使用方便，但是造价较高，只能读取一些总线数据，不能驱动汽车。目前主要应用在汽车厂商录取数据，不利于推广到个人用户。

2） T-BOX加在CAN总线里：将T-BOX作为总线中的一个可以用于外部联网的模块，这种方式可以远程启动车辆，实现远程空调、远程解锁等一些基础功能，但是由于与外部联网，因此整车设计该架构时需要着重考虑其安全性。

3） T-BOX加在如MOST（Media Oriented System Transport） 中：可以实现与娱乐系统的互联，从而通过娱乐系统控制车辆，但是由于设计难度大，MOST总线造价高，应用还受到一定的限制，因此推广显得不便。

2.3.3 无线e远距离诊断技术优缺点

远距离通信具有可实现远程获取数据和远程分析的特点，其可依据实时获取的车辆数据来做出专业判断，减少专业技术人员往返的时间成本，但是相较于传统汽车，需要更改架构和提高汽车安全等级，因此前期设计的成本会较高，后续使用也存在一定的安全隐患。

3 诊断系统未来发展趋势

随着汽车智能化、物联网、云技术与大数据技术的不断提高，在多学科交叉融合的背景下，汽车诊断技术也向着设备智能化、数据共享化、信息网络化方向发展[7-9]。未来汽车诊断技术将是集问题数据采集、问题数据分析、问题解决方案于一体，可以实时采集、远程获取数据和解决方案，以便提升问题解决效率，提高车辆在市场售后的表现，具体实现框架如图4所示。

图4 实现框架示意图

1） 云平台：①应用商店平台主要用于存放各种版本软件安装包以及功能升级安装包，当顾客车辆出现问题或者需要安装新的功能可以从此处获得安装包；②远程诊断平台主要用于整车总线相互，实时获取整车总线数据，同时也可以通过发送脚本给到整车获取所需数据，从而可以实时获取车辆故障数据，找到问题解决方案，此平台着重在采集数据和存放数据；③专家诊断平台主要用于数据处理和分析，该系统导入大量实际案例并且还能不断地自学习升级，这样专家系统可以解决80%简单的问题，剩余的复杂问题可以由专家和研发人员一对一地分析和解决。此平台着重于提供问题的解决方案，并且将解决方案给到顾客、4S店以及相关的售后人员。

2） 空中升级平台：主要负责车辆升级策略、升级范围，并通过软件升级来修复一些软件BUG。

3） 手机：可以实现车辆安全验证，并且通过手机APP和云平台联网，发送诊断/升级需求[10]。

4） 4S店：可以通过云端诊断结果实施修理/更换零件的工作。一般4S店着重于硬件的更换和升级。

参考文献：

[1] 吴广. 汽车故障诊断系统研究[D]. 长春：吉林大学，2009.

[2] 程瑶. 基于CAN 的车载故障诊断系统设计与实现[J].电子设计工程，2017，25（10）：162-165.

[3] 盛祥政. 基于智能手机的远程汽车故障诊断系统的研发与开发[D]. 武汉：武汉理工大学，2012.

[4] 周理忠. 嵌入式汽车远程故障诊断仪[D]. 杭州：浙江大学，2008.

[5] 史玮炜. 电控柴油机便携式故障诊断仪的研发[D]. 上海：上海工程技术大学，2013.

[6] 盛祥政. 基于智能手机的远程汽车故障诊断系统的研发与开发[D]. 武汉：武汉理工大学，2012.

[7] 王子阳，董宇航，郭以勋，等. 国内外汽车诊断技术发展综述[J]. 内燃机与配件，2018（11）：156-158.

[8] 杨凯悦. 远程汽车状态监控及故障诊断系统的研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[9] Hu Jie，Yan Fuwu，Tian Jing，et al． Developing PCBased Automobile Diagnostic System Based on OBD System[C]//Power and energy Egineering Conference，2010：1-5.

[10] 王新. 基于蓝牙技术的汽车无线诊断系统的研究与实现[D]. 安徽：合肥工业大学，2017