基于商用车的集成式诊断服务系统的研究

徐家明 刘双平 牛方兴

摘要：本文提出了一种基于商用车的集成式诊断服务系统。首先，介绍系统要实现的目标和业务需求;其次，系统方案设计采用“操作系统+应用APP”思想，并日从服务网络平台、软件架构、诊断IDS数据库、系统安全四个方面对系统方案进行深入分析;最后，对系统工程实现、系统验证与应用进行详细阐述。从用户应用和反馈情况分析，该系统功能全面、维修指导性强、可扩展性高、界面友好、易于操作。

关键词：集成式诊断服务系统;服务网络平台;软件架构;诊断IDS数据库;可扩展性

引言

随着汽车电气技术的发展，车载电控单元日益增多，如图1所示为典型商用车控制系统网络拓扑，总计有二十多个电控单元。电控系统越来越多，也越来越复杂，随之带来了汽车故障的定位和处理越来越困难。除了一些机械故障以外，出现了更多的电控系统故障，传统的汽车诊断和维修的方法越来越难以满足要求，迫切需要开发一款集成式诊断服务工具。目前现状是诊断服务工具集成度不高、功能不足、不统一，为了解决这些问题，本文提出一种集成式诊断服务系统。

1 系统设计

1.1系统需求

1.1.1目标

系统主要有两条目标如下：

1）建立集成式渗断服务系统：覆盖全部车型、涵盖全部ECU控制器;覆盖全部诊断功能;建立服务网络平台，形成实时在线ECU数据刷写服务;系统具有可扩展性。

2）通过诊断服务系统，引导用户养成良好的诊断习惯：建立丰富的“引导式”故障排查树;建立综合的专家诊断系统;根据车辆电控系统工作原理、特点、经验知识，制定各种诊断策略，再通过递进式、人性化界面，引导用户进行故障排查，培养良好的诊断习惯。

1.1.2业务要求

集成式诊断服务系统需要在功能、用户体验、质量、安全、维护、通用性等几个方面满足用户需求，如表1所示。

1.2系统方案设计

1.2.1服务网络平台

采用“互联网+”理念设计服务网络平台，实现ECU数据在线刷写服務、诊断软件升级、以及远程诊断、诊断回收等功能，如图2所示，该平台由诊断管理及监控网、诊断用户户网、适配器车载网三部分构成，技术特点如下：

1）诊断管理及监控网由服务器与监控平台构成。用于系统数据存放、发布及管理;与用户进行信息交互。

2）诊断用户网以PC机为载体，通过有线或无线方式连接Intemet网与公司内部网络进行信息交互，诸如在线下载ECU数据、软件升级文件、在线上传刷写日志等。

3）适配器车载网由车辆和适配器构成，用于用户与车辆进行信息交互，实现车辆的常规诊断、高级诊断、数据服务以及其它诊断功能等。

1.2.2软件架构

本系统采用基于IDS数据库的层次化与集成化的软件架构设计，如图3所示，设计为6层，分别为：①界面层;②业务逻辑层;③应用协议层;④传输协议层;⑤数据层;⑥共享工具集。

1）界面层

界面层指诊断系统人机交互界面。设计项包括登陆界面、诊断主界面、读取故障界面、数据测量界面、执行器测试界面、功能测试界面、数据刷写界面等各个子界面。这些界面主要实现诊断信息输入、诊断操作、诊断结果输出及显示。

2）业务逻辑层

诊断逻辑层指实现诊断功能的诊断逻辑运算、诊断策略等。位于界面层及应用协议层之间，起承上启下作用：对界面层触发的各类事件进行管理;对界面层输入的信息进行解析、运算及处理，数据以一定格式传输给诊断协议层;对应用协议层传来数据进行解析、运算及处理，向人机界面显示。

3）应用协议层

应用协议层指实现ISO 14229-1、ISO 15765-3、SAE J1939-73、ISO 14230-3、IS0 15031-5五大诊断协办。每种协议软件以动态库的形式封装，由业务逻辑层软件调用。诊断系统覆盖了商用车电控单元的现有非OBD诊断协议和OBD诊断协议。

4）传输协议层

传输协议层指实现ISO 15765-2、SAE J1939-21、ISO 14230-2、IS0 15765-4四大诊断协议。每种协议软件以动态库的形式封装，由应用协议层调用。诊断系统覆盖了商用车电控单元的CAN线和K线通讯协议。

USB驱动/蓝牙驱动指在PC机系统的诊断平台中实现适配器的设备驱动程序。USB驱动，蓝牙驱动以动态库的形式封装，由传输协议层调用，动态库的API接口函数执行SAE J2534标准。

5）数据层

数据层指实现诊断数据存取，数据层由数据模型、数据访问、数据库三部分组成。数据模型定义数据结构及数据相互关系。数据访问指访问数据库的方法集。

6）共享工具集

共享工具集存放通用模块，以使在其它层之间进行分享，其它层直接调用。

统一平台，统一软件架构，系统集成度高、系统成本低。

1.2.3 IDS数据库

诊断离不开数据，需要大量后台数据支持。针对每款电控单元ECU： ECU基本信息、协议数据、故障数据、信号测量数据、执行器测量数据、功能测试数据、记录诊断信息等都是在诊断时所需要的数据。因此诊断数据管理、数据处理、数据安全就很重要。

本诊断服务系统创新设计一套具有自身特点的IDS（Integrated Diagnostic System）数据库。如图4所示，以常规诊断功能为例，每款ECU常规诊断基本包括4个方面内容：读标识、读故障、读冻结帧（读扩展帧）、信号测量，这4个方面的内容通过数据库的形式实现存储，设计4个表（宁段信息）、并且定义表与表之间关联关系，这只需要一次性设计，后续新增ECU数据直接添加，按照关系数据库机制对数据进行管理、访问、存储，更重要的是数据难以被破解，安全性大大提高。

依此类推，其它诊断内容例如执行器测试数据、功能测试数据、诊断信息记录等也都通过诊断IDS数据库机制进行数据管理、访问、存储。

1.2.4系统安全

本系统对诊断安全进行了多角度、全方位设计。系统设置了6个安全点、3个安全面。

6个安全点：①软件安装包，通过软件激活码和使用期限进行管控;②诊断功能，高级诊断功能须要通过安全算法;③ECU刷写，通过授权管控;④业务数据，数据经过加密处理;⑤资源文件，文件经过加密处理;⑥访问算法，全部采用*.dll动态库形式。

3个安全而：①诊断软件与适配器采用“互锁”机制;②诊断数据全部通过IDS数据库进行存储与管理;③只支持“在线”ECU数据刷写，刷写完成后刷写日志上传CRM监控平台。

2系统工程实现

2.1开发语言及环境

采用Microsoft .NET Framework3.5软件开发平台。为了更好的发挥开发语言优势，提高软件开发效率，采用Visual C# 2008与Visual C++ 2008两种语言混合编程，而NET Framework开发平台本身能很好的支持多语言开发。

2.2 系统程序结构

构建的系统在程序设计时以解决方案（ solution）的形式组织，一个解决方案可以包含多个工程（ project），各T程与分层式软件架构中的各逻辑层相对应，详情如表2所示：

2.3诊断软件设计

诊断策略是诊断服务系统的核心，目前本系统设计400个多个诊断策略，并且今后还不断新增和补充，这些诊断策略支撑着系统的质量和用户使用效果。限于文章篇幅，以发动机压缩测试功能为例进行说明。

典型故障现象：发动机怠速抖动。

原理和诊断流程，如图5和图6所示：禁止各缸喷油、启动起动机、测量上止点之前和之后某一角度区间运行所需时间、间接评估每缸转速，通过转速偏差范围评估发动机各缸气密性。若存在漏气，上止点之前活塞运动速度较快;若存在漏气，上止点之后活塞运动速度较慢。

优点：无需机械方面工作，快速评估各缸机械特性。

可檢测故障：检测气缸机械方丽故障（如活塞环磨损）榆测气缸漏气。

依据偏差Δ1～Δ6是否在±5%区间内对气缸气密性进行评估，评估通过人机界面显示诊断结果。

2.4 适配器驱动软件设计

适配器软件主要处理诊断仪和车辆ECU控制器之间的诊断数据，并将诊断数据传输给对应的接收方，根据传输的媒介不同，适配器需要分别处理USB通讯数据和蓝牙通讯数据。如图7所示，USB驱动程序在Windows操作系统中由上层的USB功能驱动和下层的USB总线驱动构成。

1） USB功能驱动负责接收SAE J2534的各种IRP，并将IRP分发给USB总线驱动。

2） USB总线驱动由操作系统提供，负责处理IJSB功能驱动下发的IRP，并完成与诊断适配器的通信。

3 系统验证与应用

3.1台架验证

在台架上进行如下几方而测试：

1）正确性测试，测试结果与实际状态的一致性。

2）操作界面及显示界面的评估，程序界面的评估是基于操作人员考虑，在工作环境中满足操作方面和读取信息方便的原则。

3）测试运行时间。系统响应及实时性测试。系统实时性的要求是要求快速分析数据，达到实时显示。对于提高工作效率和准确快速捕捉故障信息具有重要作用。

3.2实车验证

实车测试主要检测诊断软件是否满足要求，并初步实现各检测功能准确性，确保可靠。实车测试进行功能检测与需求分析是否一致。

1）功能测试主要有：常规功能测试、高级功能测试、数据服务测试、其它功能测试。

2）测试项是否包含齐全。

3）各功能逻辑顺序是否按照设计要求进行。

4）诊断系统能否适应条件较差的工作环境，包括振动的、电子辐射。

5）诊断系统性能检测、设备性能、是否死机、软件是否有假死现象。

3.3 推广应用

该套诊断服务系统在2015年起分批次推向市场，目前有几百家用户在使用。用户给出了该系统集成度高、功能齐全、性能稳定、操作界面直观、方便检测与维修等评价。

4 结论

这套集成式诊断服务系统实现了对ECU故障进行全面、快速、准确诊断和排除;实现了ECU软件和数据安全在线刷写，以及诊断服务软件安全在线升级。该套系统研制成功意义在于：

1）实现商用车电控系统的后市场服务从“人海-苦海战术”到服务“网络化”、“智能化”的根本性改变和大跨越。实现售后服务“三大”提升：①服务时效性提升;②服务质量提升;③用户满意度提升。

2）系统具有良好的兼容性和可扩展性，可以灵活的增加ECU应用APP和诊断功能，通过软件升级的方式应对未来新车型的投放，大大提高了产品生命周期和应用价值。

目前该系统已经在车辆后市场批量投放使用，得到了用户和售后人员的高度认可，取得良好社会反响，具有大范围、大面积推广应用条件和价值。

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