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基于OBD,GPS和3G技术的汽车远程在线诊断系统的研究

Jyong Lin,Shih-Chang Chen,Yu-Tsen Shih,and Shi-Huang Chen

摘要

本文提出了一种远程在线诊断系统，该系统车辆基于故障诊断系统（OBD），GPS和3G技术。所提出的系统的主要部分是车载计算机，车辆监控服务器，一车辆状态浏览器。首先,车载计算机可以分别从GPS接收机和OBD接口状态获得车辆的驱动和定位。然后车载计算机将与车辆监控服务器连接，并通过3G网络传输实时车辆系统状态。最后，车辆状态浏览器可以显示远程车辆状态，包括车辆速度，发动机转速，电池电压，发动机冷却液温度，诊断故障码。根据实验结果，所提出的系统可以帮助车队经理和汽车门环了解远程车辆状态。因此，由于车队经理和汽车门环及时发现诊断问题，该系统可以减少车队管理和车辆维修的时间。

关键词：诊断故障代码（DTC），电子控单元（ECU），全球定位系统（全球定位系统），车载诊断（OBD）。

一.介绍

车载诊断（OBD）法规要求乘用车报告诊断信息和标准化的故障码故障检测的OBD系统[ 1 ]，[ 2 ]。早在1985年，加州空气资源委员会（CARB）颁布了一条法令，要求车辆配备OBD系统。其次是欧盟立法对车辆OBD系统的强制安装。台湾（中华民国）环境保护局定在2008年1月还实施了一个台湾市4期汽油车排放标准强制性的规定。因此，从那时起所有的车辆必须配备OBD系统，作为一种从车辆监控控制污染的努力。任何未装本装置的车辆不得发出车牌号上路。由此可以看出，OBD系统在未来将是所有车辆的标准装备。

OBD系统可以监控发动机运行状态。一旦有控制废气的排放的故障元件，OBD系统会打开在汽车仪表盘上的故障指示灯（MIL）（如图1所示），敦促司机立即修理它。废气排放控制元件可以尽快恢复其正常运行以避免驾驶故障车辆不断，因为这会导致更高的燃料消耗和污染排放。当OBD系统检测到一个故障，OBD法规要求车辆的电子控制单元（ECU）保存诊断故障代码（DTC）内存储的故障信息规范。对于OBD扫描工具维修人员能够访问来自ECU的DTC快速准确地确定故障的特征，并且按照提示锁定DTC的位置，在很大程度上缩短了服务时间。此外，OBD可以监控目前的实时行驶状态项目的数量高达80项，包括车速、发动机转速、发动机冷却液温度、电池电压等。

图1发动机故障指示灯的图标

虽然OBD可以缩短车辆的使用时间，但在当下，有关即时性、流动性的车辆诊断需求越来越大。因此，如果DTC可以通过移动通信被传递到服务器是可能的，那么不仅OBD的扫描工具可以读取的消息，而且维修人员也可以查询远程车辆的实时故障信息。因此即时性和流动性的不足可以由这样组成[ 3 ] [ 5 ]。

除了需要关注车载诊断的即时性和流动性，目前的物流行业，公交运输服务商，出租车服务提供商等有一个不容易的任务，就是他们的商业车队的管理。为此，本研究构建了一个远程在线诊断系统，包括一个车载计算机，车辆监控服务器和车辆状态浏览器。

这个远程在线诊断系统是为车队经理能够通过3G网络了解实时的驾驶状态和每辆车上OBD系统的故障诊断代码DTC 。因此，车队经理可以通过移动通信的方式告诉司机如何处理当前的情况。将来，车队经理不仅可以知道其车队的驾驶位置，而且还可以获得每辆车的实时驾驶状态。因此，除了弥补即时性和流动性的不足，商业车队能很大的受益于该系统。

二.系统组成

本文提出的远程在线诊断系统包括三个主要模块，即车载计算机，车辆监控服务器和车辆状态浏览器。图2显示这三个模块的集成配置。如下图2所示，车载计算机负责收集驾驶信息，包括车辆速度，发动机转速，电池电压，发动机冷却液温度，OBD DTC、车辆位置等信息。此信息将被编码处理并且通过3G网络传回车辆监控服务器。这个驾驶信息将被记录为用户的即时或未来检索。实时信息驱动的车辆状态浏览器是远程在线诊断系统专门开发的，允许用户同步浏览的实时信息，如车速、发动机转速、电池电压、发动机冷却液温度、OBD DTC、车辆位置等。下面的三个部分分别描述这三个模块。

图2远程在线诊断系统的配置

三.车载计算机

本文所提出的车载计算机是最重要的模块。它的功能是获取车辆速度，发动机转速，电池电压信息，发动机冷却液温度、OBD系统中的DTC和GPS信号。车载计算机通过3G网络将这些数字比特流传输回车辆监控服务器。图3是本文所提出的车载计算机的框图。该系统主要由OBD-II RS232适配器、GPS接收器、编码器、3G模块等组成。用户的操作命令包括启动、运行、网络设置等。由于3G模块的多数支持Windows操作系统，为了让系统运行平稳，在论文中提到的车载计算机实际上是通过笔记本电脑与Windows操作平台相连接。

图3车载计算机系统框图

A.OBD-II

在上世纪80年代初，大多数欧洲、美国和日本的汽车制造商已经接收生产装备有OBD系统的喷射发动机汽车以监控运行状态。然而，早期的OBD有一个严重的问题，那就是，这些汽车制造商所生产的OBD系统彼此不兼容。为了努力摆脱不兼容的OBD系统这一缺陷，CARB着手设计一个新的OBD系统。为了与早期阶段所使用的系统区分，这种新制定的制度是称为OBD-II（第二代车载诊断系统）。

OBD-II的最大改进是其标准化，即，只有一组仪器能够对各种车辆进行诊断和扫描。除了对污染排放控制完全失效元素的诊断外，OBD-II能够进一步开展对污染排放从那些时段或哪些部分故障元件的诊断。当电子控制系统电路的信号出现异常，OBD-II诊断，以确定是否这是一个发生故障的部分。这里的异常是正常偏差的范围内，而这种异常现象并没有在规定的时间消失。在这一刻，故障指示灯（MIL）将打开。同时，监视器将保存此故障在ECU存储器中的编码形式。因此保持了的DTC可以可以通过OBD-II扫描工具检索。

车辆和OBD-II扫描工具连接器各可容纳16个触点。16个触点中的9个触点有其固定的功能，其余的触点的功能是留给汽车制造商的自由裁量权[ 6 ]。表1列出了OBD-II触点功能细节。

表1 OBD-II触点功能细节

总共有五码代表OBD-II故障。第一个代码是英文字母表以建立故障系统。剩下的四个码位；第二代码表示故障定制的SAE / ISO或定制的汽车制造商；第三的代码显示了车辆系统的地区；其余两码所代表的故障定义的对象（如图4所示）[ 1 ]。

图4 OBD-II诊断故障代码定义

B.OBD-II RS232适配器

由于市场销售的电脑还没有配备OBD-II接口，所以用一个 OBD-II RS232适配器来实现获得实时的驾驶状态。

OBD-II是国际标准，适用于以下通信协议：SAE J1850 PWM，SAE J1850 VPW，ISO 9141-2，ISO 14230-4 KWP，和ISO 15765-4。成品OBD-II RS232在本文中实现的适配器，显示在图5。在图5中，左侧的端口是连接OBD-II接口，OBD信号可以通过OBD-II在中段RS232适配器和从端口在右侧输出的转换电路被转换成RS232信号。现在计算机能利用RS232接口与OBD-II沟通。

图5 OBD-II RS232适配器

C.全球定位系统接收机

GPS接收机在同一时间可接收从8-12套GPS信号卫星，卫星信号被接收器接收包括：通用协调时间，星历数据，年鉴数据，C/A码，等等。全球定位系统接收、处理和转换信息的时间，纬度，经度，速度，方向，高度，估计位置误差等。

例如，一个句子在GPS信息的句子如下：$GPGGA，55730.367，2238.2122，N，12017.7504，E，1，06，7，133.9，10，M，M，0，0000times;74；其中，各数据的含义解释如下[ 7 ]：

GGA（全球定位系统定位数据）：时间，位置，并解决相关数据的GPS接收机。

55730.367：UTC时间格式，解决了05:57:30 UTC。

2238.2122、N：纬度格式，是北纬度38.2122度的22。

12017.7504、E：经度格式，它是120度17.7504rsquo;东经度。

1：修复质量，测量指标1表明信息已经利用GPS进行修复。

06：跟踪卫星的数量。

7：水平稀释位置：0.5米至99.9米，测量值为7米。

133.9、米：海拔高度平均海平面，测得海拔高度为133.9米。

10、M：大地水准面以上高度1984世界大地测量系统（WGS 84）椭球体，测量高度为10米。

0：自去年差分GPS（DGPS）更新时间，测量值0表明该GPS接收机没有使用DGPS修正。

0000：差分GPS站的ID号。

* 74：校验。

然后，这些数据将被传送到一个地理信息系统（GIS），如研勤科技，公司的人reg;软件，它能够精确定位和显示位置。由于SiRF Star III芯片能够及时准确地接收GPS信号，本文采用GPS接收机与SiRF Star III芯片组安装收集定位信号。

D.编码器

编码器的功能是设计编码和集成GPS信号和OBD数据按照预设传输格式传输。这些数据将被传送到

这些数据通过3G将被传送到车辆监控服务器，使车辆监控服务器所发送的数据进行解码和预先定义的传输格式获取主体车辆的速度、发动机转速、电池电压、发动机冷却液温度、OBD系统的DTC和GPS坐标的车辆位置。

为了应对每秒一次更新频率的GPS接收信号，本文还设定频率在每秒一次获取OBD DTC和实时驱动状态。同时，本文还定义了传输格式如下：车载电脑的ID号| GPS数据| OBD DTC |车辆速度，发动机转速，电池电压，发动机冷却液温度。

为了节约比特传输，本研究获得的只有在GPS信号定位数据传输的DTC，速度，转速，电压，和处理分析后的十进制中温度的GGA内容。例如：车载计算机ID：1043。

从GPS GGA数据：$GPGGA，55730.367，2238.2122，n，12017.7504，电子，1，06，7，133.9，10，0，0000，* 74

DTC：P0123

车速：五十七公里/小时

发动机转速：1649转

电池电压：13.375V

发动机冷却液温度：95℃

由编码器编码后的传输数据有：1043 | $GPGGA，55730.367，2238.2122，N，12017.7504，E，1，06，7，133.9，10，M，M，0，0000times;74 | P0123 | 57，1649，13.375，95。

四. 车辆监控服务器

驾驶信息由车载计算机获得，包括车速、发动机转速、电池电压、发动机冷却液温度、OBD系统的DTC和GPS坐标，进行数字编码，用户检索驱动实时信息或者在将来检索信息通过3G网络发送到车辆监控服务器。车辆监控服务器将从车载计算机上保存驾驶信息进入Access 2003数据库。然后车辆状态浏览器可以检索车辆信息，例如，速度，发动机转速、蓄电池电压、冷却液温度、OBD系统DTC，车辆定位。此外，车辆监控服务器将利用地理信息系统的优势，发送一个根据全球定位系统坐标生成的地图文件。

A. Access 2003数据库

微软Access 2003是一个关系型数据库。它的用户界面简单，操作方便，符合ANSISQL-92标准。由于这个系统是一个原型系统只开发了用于验证系统的可行性配置，因此Access 2003数据库是足够的用于存储该系统的信息。

本文建立了一个数据表名为“diagnosticdata”来代替车辆行驶信息，而字段名称、数据类型和描述如图6所示。其中，主键的字段名称是“onboardcomputerid”和“RecordTime”不能重复。数据表中的经度和纬度是采用格式WGS84 W，精度高达小数点后的第六位数。也就是说，精度可以在约10厘米时，转换成距离。除了上述领域，数据表有更多的领域，进一步覆盖OBD DTC、车速、发动机转速、电池电压和发动机冷却液温度。

图6数据表的详细信息，相关的信息

B.地理信息系统

地理信息系统是集地理、数学、土地测量、计算机科学为一体的科学，是一种用于地理数据的输入、存储、查询、分析和显示的计算机系统。地理信息系统由以下内容组成：地图、空间信息、数据库引擎、分析工具、图形显示技术、运营商、决策者等，其适用范围包括地表以下的可见物体，如交通运输、土地利用、地质勘探等。

PaPaGO! SDK是由研勤科技开发的地理信息系统。

它可以在服务器、台式电脑、掌上电脑执行。

考虑到未来的可扩展性，PaPaGO! SDK采取了措施。本文使用的PaPaGO! SDK搜索引擎查找驱动位置和红星确定并显示（如图7所示），把它转化为一个地图文件并将其发送到车辆状态的浏览器。

图7驱动位置的映射显示

五. 车辆状态的浏览器

车辆状态的浏览器是专门用于远程在线诊断系统，用户可以同时浏览驱动的日期/时间，OBD系统DTC、车速、发动机转速、电池电压、发动机冷却液温度，和驾驶的位置等基本操作。这方面的基本操作是登录车辆监控服务器，选择车辆进行监控，选择浏览实时信息或历史记录。然后可以从驱动的日期/时间，车辆监控服务器接收驱动信息OBD DTC，车速、发动机转速、电池电压、发动机冷却液温度以文本的形式显示和驱动的位置显示在地图的形式在屏幕上（如图8所示）。

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