由于汽車在生產(chǎn)、售后等環(huán)節(jié)中都可能涉及診斷，因此供應(yīng)商提供的解決方案需要覆蓋各個(gè)場景所涉及的所有診斷需求，這就意味著每次執(zhí)行某個(gè)操作前首先需要在設(shè)備端完成所有模塊的加載，然后通過層層菜單選項(xiàng)完成功能選擇，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，技術(shù)門檻高。顯然，這對于部分應(yīng)用場景(如生產(chǎn)、返工或檢查等等)，高頻次單一的簡易診斷操作來說非常不友好，每次均需花費(fèi)相對較長的時(shí)間。再加上供應(yīng)商專用診斷設(shè)備價(jià)格高昂，操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員具備較強(qiáng)的技術(shù)背景，從而更進(jìn)一步對整體工作效率產(chǎn)生影響。本文通過對整車診斷技術(shù)的分析與研究，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種便攜式的汽車診斷設(shè)備，從而解決上述傳統(tǒng)方案所存在的費(fèi)時(shí)、操作復(fù)雜等問題。

　　診斷設(shè)備設(shè)計(jì)思路

　　傳統(tǒng)的汽車診斷一般通過一臺(tái)用于操作的手提式電腦及一個(gè)由線纜或藍(lán)牙等方式與電腦連接的專用診斷頭實(shí)現(xiàn)，電腦上通常需要安裝整車廠認(rèn)可的專用軟件，一方面通過連接在車輛OBD口上的診斷頭向車輛發(fā)送相關(guān)指令，另一方面則解析從診斷頭傳輸來的車輛反饋報(bào)文信息，并顯示為可讀性強(qiáng)的內(nèi)容格式。這類解決方案包含了診斷可能使用到的全功能模塊，因此不論在硬件設(shè)計(jì)還是軟件結(jié)構(gòu)上都比較復(fù)雜，還必須借助外設(shè)電腦進(jìn)行操作，而且需要一定技術(shù)背景的且受過培訓(xùn)的專業(yè)人員才能操作。實(shí)際上有很多的診斷場景只涉及少數(shù)單一的診斷操作，而且這些操作需要高頻次地執(zhí)行，這種場景下使用傳統(tǒng)的診斷方法執(zhí)行效率的非常低下。嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求并預(yù)先定義的任務(wù)，因此不依賴外設(shè)電腦的基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的診斷設(shè)備完全可以滿足這類場景的需求，而對應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)也可以得到很大程度的簡化，最終使得設(shè)備整體減小體積降低成本，并提高執(zhí)行效率。作為一個(gè)診斷設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)整車診斷，最基本也是最重要的是實(shí)現(xiàn)與車輛間報(bào)文信息的雙向傳輸及處理。在此基礎(chǔ)上，考慮到對用戶進(jìn)行信息提示的需求，必須設(shè)計(jì)聲光外設(shè);考慮到嵌入式系統(tǒng)軟件的更新以及與上位機(jī)的通信，需要設(shè)計(jì)USB接口;考慮到存儲(chǔ)診斷操作記錄的需求，需要設(shè)計(jì)擴(kuò)展存儲(chǔ)外設(shè);診斷設(shè)備需要支持多種診斷操作，因此需要建立用戶HMI(HumanMachineInterface)借助外設(shè)來對功能進(jìn)行選擇和信息交互，我們選用使用廣泛的手機(jī)作為媒介，開發(fā)專用APP，通過藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)與診斷設(shè)備的連接。如圖1所示為傳統(tǒng)汽車診斷解決方案(a)與下文將要介紹的便攜式汽車診斷設(shè)備解決方案(b)的整體對比圖。

　　診斷設(shè)備設(shè)計(jì)方案

　　硬件模塊設(shè)計(jì)硬件模塊主要基于STM32單片機(jī)開發(fā)，可與車輛OBD口直接連接，相關(guān)外設(shè)擴(kuò)展模塊包括主電源模塊，離線電源模塊，LED顯示模塊，蜂鳴器發(fā)聲模塊，光耦隔離模塊，USB接口模塊，CAN驅(qū)動(dòng)模塊，藍(lán)牙模塊以及TF卡存儲(chǔ)模塊等。單片機(jī)模塊承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算及信息處理任務(wù)，選用STM32F1系列32位單片機(jī)，采用3.3V供電，程序存儲(chǔ)空間為256KB，主頻最高72MHz，具有體積小、速度快及功耗低等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的程序擴(kuò)展空間，因此可以提高設(shè)備的便攜度及運(yùn)行速率，同時(shí)保證功能的豐富性。系統(tǒng)電源包括主電源模塊和離線電源模塊兩部分，前者主要功能是將12V整車電瓶電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V兩種電壓，分別用于CAN驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)控制電路的供電。而后者直接使用3V紐扣電池，用于離線模式下單片機(jī)低頻時(shí)鐘電路的供電，以保證系統(tǒng)萬年歷時(shí)鐘的運(yùn)行。顯示及發(fā)聲模塊主要用于診斷操作過程中的基本信息交互，采用RGBLED燈和蜂鳴器，通過單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在需要時(shí)通過燈光或聲響對用戶進(jìn)行提示。舉例而言：由于整車診斷操作的前提條件為車輛KL15上電，故需要通過同樣使用單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)的EL357光耦隔離模塊來對整車上電狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，如果檢測到車輛未達(dá)到要求的上電狀態(tài)則通過聲光模塊提醒用戶，直到完成KL15上電操作。在整個(gè)系統(tǒng)以及各項(xiàng)功能的調(diào)試過程中，常常需要通過USB接口與上位機(jī)通信，以顯示相關(guān)調(diào)試信息或軟件更新，對應(yīng)模塊使用USB控制器CH340G并結(jié)合單片機(jī)的USART串口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。診斷設(shè)備與車輛ECU的通訊是通過在整車CAN數(shù)據(jù)總線上傳輸相關(guān)CAN報(bào)文實(shí)現(xiàn)的，因此單片機(jī)的CAN控制器TTL信號必須通過CAN驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足CAN2.0協(xié)議的差分信號，這里選用TJA1050芯片作為驅(qū)動(dòng)模塊主體，并采用5V供電，如圖2所示。在部分使用場景下，診斷設(shè)備需要通過手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備對診斷設(shè)備進(jìn)行操作，因此選用支持藍(lán)牙2.0協(xié)議的HC05標(biāo)準(zhǔn)模塊作為藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊，通過單片機(jī)的USART串口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通信。為了能夠?qū)⒃\斷設(shè)備的操作記錄進(jìn)行離線保存，選用單片機(jī)自帶的SD/TF卡驅(qū)動(dòng)單元SDIO對TF卡驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和編輯，從而將操作過程和結(jié)果實(shí)時(shí)保存在TF卡中。如圖3所示為硬件模塊設(shè)計(jì)最終的整體實(shí)物圖。軟件模塊設(shè)計(jì)軟件模塊主要基于嵌入式C語言編寫，支持CAN2.0A/B協(xié)議和UDS診斷協(xié)議，支持藍(lán)牙2.0通信協(xié)議和USB2.0串口協(xié)議，并支持各種中斷服務(wù)。整個(gè)軟件部分采用柔性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模塊化開發(fā)，以驅(qū)動(dòng)+算法的軟件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，各個(gè)驅(qū)動(dòng)在調(diào)試通過后無需再做更改，而當(dāng)客戶有新增功能需求時(shí)也只需在算法層進(jìn)行相應(yīng)的新增程序編寫即可，大大降低了整個(gè)軟件升級的開發(fā)難度。診斷設(shè)備通電運(yùn)行后，首先進(jìn)行各外設(shè)擴(kuò)展模塊的初始化，完成后確認(rèn)車輛是否已KL15上電，若沒有則通過蜂鳴器進(jìn)行提醒，直到成功上電后LED燈顯示為綠色并常亮。然后向車輛發(fā)送車架號讀取的CAN報(bào)文，以獲取車輛車架號。接下來開始手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備的循環(huán)搜索，找到并連接后，再開始等待手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備傳來的指令。一旦成功接收指令則轉(zhuǎn)入該指令對應(yīng)的子函數(shù)，向車輛發(fā)送相應(yīng)功能的請求報(bào)文，同時(shí)LED燈顯示為藍(lán)燈并不停閃爍。在功能執(zhí)行完畢并通過中斷程序判斷已成功接收到回復(fù)報(bào)文后，對報(bào)文進(jìn)行解析，并根據(jù)實(shí)際需求將診斷結(jié)果傳輸至手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備以進(jìn)行顯示，同時(shí)存儲(chǔ)至TF卡中。最后，LED燈閃爍停止，重新顯示為綠色，一個(gè)功能執(zhí)行完畢，診斷設(shè)備繼續(xù)等待下一個(gè)執(zhí)行指令。以上完整流程用于通過手機(jī)藍(lán)牙連接診斷設(shè)備進(jìn)行功能選擇和對應(yīng)操作的場合，而如果診斷設(shè)備只是用于固定地執(zhí)行某個(gè)單一功能，則可在程序中取消循環(huán)等待外部指令的部分，直接執(zhí)行所需功能對應(yīng)的子函數(shù)，這樣即可以保證設(shè)備的即插即用。手機(jī)端App設(shè)計(jì)手機(jī)端App在安卓系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)，基于ionic框架，選用typescript作為開發(fā)語言。打開App，首先需要設(shè)計(jì)用戶名和密碼登錄和錄入用戶相關(guān)個(gè)人信息的界面，前者用于權(quán)限管理，而后者用于識(shí)別當(dāng)前操作者以在TF卡和手機(jī)log文件中進(jìn)行記錄。登錄及信息錄入成功后，即可進(jìn)入主功能選擇界面，如圖4所示。整個(gè)界面主要分為四個(gè)區(qū)域，包括最上方的藍(lán)牙連接區(qū)，下方的車輛信息及圖標(biāo)顯示區(qū)，主功能選擇區(qū)，以及最下方的工具欄。在藍(lán)牙連接區(qū)中，通過點(diǎn)擊右側(cè)可以選擇需要連接的診斷設(shè)備，連接成功后則會(huì)顯示相應(yīng)設(shè)備的名稱。如果此時(shí)診斷設(shè)備已連接車輛OBD口并準(zhǔn)備就緒(LED燈顯示為綠色并常亮)，則車輛圖標(biāo)上方會(huì)顯示當(dāng)前車輛的車架號。在主功能選擇區(qū)的功能中心可以進(jìn)行診斷功能選擇，點(diǎn)擊對應(yīng)按鍵后實(shí)際會(huì)通過藍(lán)牙發(fā)送相應(yīng)功能指令給診斷設(shè)備，此時(shí)App也將進(jìn)入相關(guān)界面，并根據(jù)診斷設(shè)備傳來的診斷結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)顯示。在最下方的工具欄中，可以查詢歷史診斷日志、幫助信息及用戶信息。

　　結(jié)語

　　本文通過對整車診斷的分析與研究，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種便攜式的汽車診斷設(shè)備，主要包括基于STM32單片機(jī)的硬件模塊，采用柔性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模塊化開發(fā)的軟件模塊，以及基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)端App。相比于傳統(tǒng)的診斷解決方案，本文設(shè)計(jì)的診斷設(shè)備外形小巧、便攜度高，而且成本較低;可以實(shí)現(xiàn)即插即用或通過手機(jī)端App進(jìn)行快速操作和信息交互，非常便捷，對于操作人員來說不需要具備相關(guān)的技術(shù)知識(shí)和資質(zhì)，可以說是零門檻;手機(jī)端信息LOG和TF卡存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)了雙向操作記錄備份，從而具備操作過程和結(jié)果的可追溯性;軟件模塊的開發(fā)方式提供了強(qiáng)大的功能擴(kuò)展性，使得設(shè)備可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行快速功能開發(fā)和定制;由于設(shè)備采用直接報(bào)文形式與車輛ECU進(jìn)行通訊和交互，，因此可以保證執(zhí)行的高效和快速，從而在實(shí)際操作過程中幫助用戶節(jié)省工時(shí)，提高效率。經(jīng)過實(shí)際測試，該診斷設(shè)備對于目前已有功能中包含的高頻次單一診斷操作來說，平均可以節(jié)省70%~80%的時(shí)間。目前基于用戶需求，共開發(fā)了十多項(xiàng)單一診斷功能，如DTC讀取/刪除、運(yùn)輸模式開關(guān)、高壓低壓SOC讀取、整車靜態(tài)電流讀取等等。部分已應(yīng)用在生產(chǎn)、開發(fā)、質(zhì)量檢查等多個(gè)環(huán)節(jié)，得到了良好的用戶反饋和使用黏性。相信隨著功能的不斷擴(kuò)展和優(yōu)化，這個(gè)便攜式診斷設(shè)備可以發(fā)揮越來越大的作用，具有極大的推廣價(jià)值。

　　《便攜式汽車診斷設(shè)備設(shè)計(jì)方案》來源：《汽車與配件》，作者：楊健 潘學(xué)松