王丽，赵奕笑，刘琛，胡孟杰
随着新能源汽车的电控系统结构日益复杂，电子系统发生故障的原因和对故障的判断变得更加困难［1］.诊断汽车故障的传统经验方法是通过对故障现象看、问、听、试、嗅等分析判断得出结论，这种方法虽直观但无法准确了解汽车行车电脑的数据状态，很难完成对具有复杂电控系统新能源汽车的故障作出更精确的诊断［2−3］.手持终端式汽车故障检测仪在当前的汽修行业得到了广泛应用，这种检测仪可以采集到汽车的行车电脑数据，但通信方式一般采用蓝牙或USB 接口，其传输速度慢，通信距离不够远［4−6］.新能源汽车的电子控制系统里有多个传感器，采集到的数据量大且数据内容多，因此本文为了提高新能源汽车数据的传输速率，方便用户实时获取诊断信息，设计了一种基于Android 的汽车智能诊断装置，该装置采用CAN 总线对汽车OBD 接口采集数据，通过LTE 4G 网和开发手机APP 实现对数据远程传输和实时查阅.用户通过手机APP 可以快速读取汽车电控系统中的故障，从而缩短了汽车检修的时间.
汽车智能诊断装置主要采用CAN 总线与汽车OBD 接口建立通信，对汽车的数据进行实时采集和处理，采集到的数据通过4G 无线通信网络传输到远程服务器端.手机通过访问服务器获取汽车数据，在智能手机的Android平台上开发汽车智能诊断APP，方便实时查询汽车故障信息.
1.1 诊断装置的设计方案
汽车智能诊断装置的总体设计方案如图1 所示，该装置采用两组CAN 收发器分别与汽车OBD 接口连接，进行数据和控制命令的通信.系统的MCU 主控芯片采用STM32F 32 位ARM Cortex−M3，该芯片集成了CAN 控制器，因此在其CAN 引脚上外设两组CAN 收发器，即可完成CAN 通信.
图1 汽车智能诊断装置的设计方案
由于LTE 模块可接收的串口信号电压低于3.3 V，为了保护芯片不被烧坏，在MCU 和LTE 模块之间设计了电压转换电路.LTE 模块中还设置了装载4G SIM 卡和天线的位置，通过软件将系统的IP 地址设置为云服务器的公网IP.当接上4G 天线，安装好4G SIM 卡后，系统就可以上传数据到云服务器，智能手机通过云服务器获取汽车数据，此时用户在手机APP 上就可以实时查阅.
1.2 汽车OBD 数据采集、处理与无线传输的设计方案
（1）汽 车OBD 接口设计.根 据ISO/DIS 15031−3 规定，汽车故障诊断接口OBD−Ⅱ统一采用梯形的16 针DLC 形式接插件，如图2 所示［7］.其中引脚6 和引脚14 分别是高速 的CAN_H 和CAN_L线，引脚3 和引脚11 分别定义为低速的CAN_H 线和CAN_L 线.
图2 汽车OBD 与CAN 收发器的接口
（2）CAN 收发器采集OBD 数据的设计.在设计中采用两组CAN 收发器采集汽车OBD−Ⅱ接口的汽车数据.如图3 所示，CAN1 的引脚6和引脚7 分别与OBD 的引脚14 与6 连接，CAN2 的引脚6 和引脚7 分别与OBD 的引脚11与引脚3 连接.CAN 总线发送数据给行车电脑，行车电脑接收到数据后会返回车辆信息.
图3 CAN 收发器的电路设计
（3）MCU 主控电路与LTE 组网的电压转换电路设计.MCU 采用STM32 处理器，它的标准晶振是8 MHZ，内置CAN 控制器，因此与CAN 收发器接口设计简单［8］.两 组CAN 收发器将采集的汽车数据通过CAN 接口传输给STM32 主控电路，如图4 所示.
图4 MCU 主控电路
图5 设计的电压转换电路会将主控电路的PA2 和PA3 口输出的串口电压信号从3.3 V转换成1.8 V，并输入到EC20 无线网络模块的TXD 和RXD口，即完成了主控电路与LTE 网络的通信.
图5 LTE 组网的电压转换电路
2.1 OBD 诊断协议ISO15765-4 的通信数据解析
诊断终端通过CAN 总线发送数据的通用格式为：
例如从OBD 口获取到发动机转速，则发送和接收的命令如下：
发送命令中的7DF 为CANID，所有具有诊断功能的行车电脑都会有一个相应的CANID.发送的数据中02 代表数据长度，后面有效字节长度为2，即010C.01 代表服务号，也叫SID，0C 代表参数ID，也叫PID，此处0C 是发动机转速的PID.
行车电脑返回的数据中7E8 为行车电脑的物理ID，也是CANID.CAN 报文数据为：04，代表后续有效字节有4 个.41 是对01 服务的一个应答，所有行车电脑都会在请求数据0x01的基础上加0x40 返回，即0x41.0C 对应请求命令中的0C，代表发动机转速.0B3E 代表转速值，转换为十进制是2 878转，但是实际转速为2 878/4≈719 转.
2.2 基于Android 平台的汽车智能诊断手机APP 设计
通过对汽车智能诊断仪的产品需求进行市场调研和分析，应用Android 开发环境和JAVA 语言开发了一个功能较齐全的汽车智能诊断手机APP 应用软件，在其界面上设计了汽车的常规信息如OBD 协议、当前速度、车架号、故障码、发动机转速、进气温度、进气岐管绝对压力、发动机冷却液温度等，APP 界面设计的主要java 程序如下所示.
为了研究方便，本文应用汽车数据模拟器代替汽车行车电脑，将模拟器的OBD 接口与汽车故障诊断装置相连.模拟器的数据可以通过模拟器的上位机控制界面设置.在汽车故障诊断装置中插入4G 网的SIM卡，就可以将数据传输到远程服务器上，手机通过远程访问服务器，此时APP 上可以实时查看汽车状态数据，如图6 所示.
图6 手机APP 显示的测试数据
设置故障码在车速为0 km/h 的情况下才会上传给系统，因此在系统调试时，需要先把车速降为0 km/h，再在汽车数据模拟器里设置故障码，此时在APP 上能实时查看故障码.对诊断装置测试了10 组数据如表1 所示，模拟器中预先设置的10 组数据都能准确地在APP 上显示，该系统可以实现汽车数据的采集、远程传输和显示，为汽车检修提供了有效的数据支持.
表1 系统测试数据
本文设计的汽车智能诊断系统采用CAN总线采集汽车信息，运用ISO15765−4 诊断协议发送数据，LTE 4G 组网及远程服务器配置完成数据的无线传输，在智能手机的安卓平台上开发应用APP，使用户随时随地都可以查阅汽车的行车数据与故障信息，满足了用户的行车需求.为了研究方便，该系统测试时采集的是汽车数据模拟器中设置的数据，今后在系统改进的测试中将会在汽车行车电脑中采集数据并增加分析功能.
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