基于迈腾B8轿车车载网络的智能教学故障设置系统研究与应用

林素敏

基于迈腾B8轿车车载网络的智能教学故障设置系统研究与应用

林素敏

（杨凌职业技术学院 机电工程学院，陕西 咸阳 712100）

根据汽车车载网络控制技术课程教学中存在的问题，以迈腾B8轿车车载网络系统为蓝本，开发设计出基于单片机控制的车载网络智能教学故障设置系统，有效解决了汽车车载网络控制技术课程教学设备落后、设备与教学内容不匹配、故障案例不典型等问题，实现了故障案例讲解和实践操作的有效结合，提升了教学效果，为解决车载网络教学难题提供思路。

迈腾B8；车载网络；智能教学故障设置系统；实践操作

随着汽车电控系统的快速发展，电控单元之间通信能力的要求越来越高，点对点的连接会使车内线束增多，使得通信的可靠性、安全性都受到很大影响。为了减少线束尺寸和质量，实现信息共享和快速交换，提高传输可靠性，车载网络应运而生[1]。但是随着车载网络技术的快速发展，车载网络控制系统越来越复杂，电子设备也越来越多，导致车载网络系统的故障诊断越来越困难，使汽车维修技术人员面临着极大的挑战。

目前，汽车车载网络控制技术已成为高职院校汽车检测与维修专业的必修课程，车载网络系统的故障诊断也被列入全国高职院校学生技能竞赛“汽车技术”赛项的竞赛内容，越来越被各职业院校重视。

1 汽车车载网络控制技术课程教学现状

1.教学内容

目前，车载网络技术的教学仍是偏向于理论知识的讲解，以车载网络系统的结构和原理为主，对系统的检测方法和维修方案讲解比较少，针对实物进行故障排除的讲解更少。而车载网络系统的结构和工作原理等内容比较抽象、晦涩难懂，导致学生学习兴趣低，学习效果比较差[2]。

2.教学设备

很多高职院校没有专门的车载网络实训设备，只有整车可以进行故障设置与检测，但是整车的空间性太差，学生人数较多，每次只有5、6个学生可以近距离观看，导致学生的参与度不高。而且汽车车载网络控制技术课程采用平行班教学，教学过程中需要多班多次对故障进行设置、检测，设备损坏频率增大，使维修、维护成本增加；有些院校购买了各种仿真软件，对于故障的模拟、故障波形和数据的显示都很直观，但是各种故障和数据都是事先导入的，缺乏随机性，而且仿真软件费用较高。

3.教学案例

在《国家职业教育改革实施方案》提出的“三教”改革的影响下，汽车车载网络控制技术课程在教法上不断改进，项目教学法、任务驱动法、理实一体法、基于工作过程等教学方法不断出现，但是这些方法都需要大量的故障案例进行支撑，而真正贴合汽车实际应用的故障案例在教学中还比较少。

综上所述，为了更好地开展汽车车载网络控制技术课程教学，系统化制定课程理实一体化教学内容，收集典型教学案例，开发具有故障设置功能的智能教学系统势在必行。

2 迈腾B8车载网络系统结构及原理

迈腾B8车载网络系统包括动力总线系统、舒适总线系统、信息娱乐总线系统、诊断总线系统、仪表总线系统等几个网络系统，如图1所示。

图1 迈腾B8车载网络系统

迈腾B8网络总线系统各控制单元之间采用广播式传输。即每个控制单元都可以发送信息，不指定接收者，每个控制单元也可以选择是否需要接收这些信息[3]。网络总线系统由以下部分组成：

1）控制器：集成在电控单元内部，可以接收收发器传来的信息并经过处理传递给控制单元微处理器，也可以将电控单元微处理器发送的信息传递给收发器。

2）收发器：集成在电控单元内部，可以将控制器发送来的电平信号转化为电压信号以广播方式发送出去，也可以接收发送来的电压信号并转化为电平信号发送到控制器。

3）数据传输终端：数据传输两端各串联一个120 Ω的电阻，防止在传输终了时数据被反射影响信息传输，位于模块J623和J533内部。

4）数据传输线：为了减少电磁干扰和自身的干扰，传输线采用双绞线，分别为CAN-H线和CAN-L线。两根线上传输的高低电压值互成镜像，这样传输电压差始终为一个常数，使得产生的电磁场由于极性相反而互相抵消。

3 车载网络智能教学故障设置系统的开发

3.1 开发思路

在进行故障设置系统开发之前，广泛调研迈腾B8轿车车载网络实际故障案例，根据教学要求，选取典型案例制定教学内容，依据制定好的教学内容开发故障设置系统。

通过对典型故障案例进行分析，发现车载网络系统故障产生的原因主要分为三类：断路、接触不良（或线路虚接）和短路。对于线路中的断路故障，通常采用在线路当中串联一个开关，开关的设置位置既可以放置在传感器与电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）或执行器与ECU的连线上，也可以放置在各控制单元的通讯线路上，如图2所示；对于线路中短路故障，通常采用跨接线来完成，跨接线可跨接在蓄电池的正极或者负极搭铁上；对于接触不良或者虚接的故障，可以采用在电路中串联大阻值电阻的方式完成，大阻值电阻起到分压器的作用，使电路中其他元件的电流变小，从而造成元件工作不正常[4]。

基于以上原理，本故障设置系统通过在实物平台线路之间设置相应的控制电路，依据单片机指令控制继电器的导通状态实现上述故障点的设置，如图3和图4所示。

由图3可知，单片机控制三极管的导通从而控制继电器的通断，继电器控制车载网络系统的通讯。当未设置故障时单片机控制P端输出高电平，三极管不导通，继电器断开，使得继电器输出端2和3接通，汽车控制单元正常通讯；当设置故障时，P端输出低电平，三极管导通，继电器工作，1和2端子接通，信号端与汽车控制单元断开，失去通讯，从而出现故障。

P－连接设置故障的单片机；1－连接汽车控制单元；2－信号输入端；3－接地端子。

其他类型故障的设置基于以上断路故障控制电路实现，例如接触不良或者线路虚接故障的电路设计如图4所示，在继电器的2号端子和3号端子之间串联200 Ω电阻（可根据实际情况更改阻值大小），正常状态下，继电器断开，输出端2号端子和3号端子接通，汽车控制单元正常通讯；当继电器吸合时，线路输出端由继电器的3号端子改为1号端子，此时线路串联200 Ω电阻，实现线路虚接故障。

3.2 结构设计

基于以上设计思路，故障设置系统开发共包括五部分：单片机、继电器、译码处理器、显示器和故障输入控制器，其中单片机为核心控制装置。由故障输入控制器发出故障设置指令，单片机根据指令通过译码处理器发出故障设置请求，控制继电器线路通断，从而完成故障设置[5]，如图5所示。

图5 故障设置系统结构

该系统外接于迈腾B8车辆，不破坏整车装备，当故障设置系统不工作时，车辆车载网络系统控制功能正常。当进行故障设置时，车辆会出现相应的故障现象，学生可以使用相应的检测设备进行故障诊断。

1.故障输入控制器

故障输入控制器中故障点的选择通过按键输入实现，故障设置信息在显示屏上显示。故障设置输入采用矩阵键盘，如图6所示，16个按键成4行4列排列，4行和4列的电平分别由4个I/O控制，一共需要8个I/O口，采用行列扫描的方式识别按键的信息输入。

图6 故障设置输入方式

2.单片机

每个故障的设置需要单片机I/O口控制继电器来实现。另外，还需具备模数转换（Analogue to Digitalconversion, AD）采集端口电压、按键输入识别、显示屏控制等功能，因此，选用STM32F103 ZET6单片机。由于系统输入电源电压为12 V，而单片机电压为3.3 V，继电器和部分信号电压为 5 V，因此，需要设计将12 V电压分别转换为5 V和3.3 V的电路。

3.译码处理器、锁存器和显示屏

本次系统开发需要一个有两个输入端，四个输出端的译码处理器，因此，选取一个 MC74HC139AN二-四译码处理器。

锁存器的作用是将处理器传输到锁存器上的数据进行锁存，以减少处理器的功率损耗。本次选用四个锁存器，每个锁存器有八个输入端子和八个输出端子。八个输入端子连接译码处理器的4种输出状态，可以得到32种故障状态，本系统选择其中30种。每个输出端子连接一个继电器，一个锁存器可以连接8个继电器。

显示器采用LCD 12864，带中文字库带背光，内置8182个汉字字库，128个字符及64×256点阵显示GDRAM（Graphic Display RAM绘图区域），既能进行故障设置，又能显示操作内容，完全满足本系统的需求。

4.软件设计

故障设置系统控制电路的软件控制如图7所示，应用C语言在keil5 软件上开发。

图7 软件设计

4 车载网络智能教学故障设置系统功能测试

1.安全性测试

主要检测故障设置系统在使用过程中会不会对师生造成安全危害。检查内容包括：系统在实车上安装是否牢固、电源电压是否准确、线路连接有无故障，经过测试，系统安全可靠。

2.故障模拟测试

本故障设置系统可以设置30个故障点，为保证故障现象和故障数据与实车故障的一致性，对30个故障点的故障内容进行逐一验证，验证过程详细记录每个故障点的故障现象、故障数据和故障代码，与实车故障进行比较，发现测试结果基本相同[6]，如图8所示。

5 结束语

车载网络智能教学故障设置系统以迈腾B8轿车车载网络系统为蓝本进行开发研究，实现了车载网络系统结构的清晰化、故障设置的智能化、故障案例的典型化，有效解决了汽车车载网络控制技术课程教学设备落后、设备与教学内容不匹配、故障案例不典型等问题，实现了故障案例讲解和实践操作的有效结合，提高了教学效果，为解决车载网络教学难题提供思路。

[1] 崔巍.汽车车载网络系统故障诊断方法探究[J].河北农机,2019(10):28-29.

[2] 陈翔,巫宇权.基于大众迈腾的汽车CAN总线检测维修实训台开发设计[J].汽车世界,2019(20):1.

[3] 黎永键,关伟,简浩钧.大众迈腾轿车CAN总线系统原理与故障检修[J].公路与汽运,2017(2):21-25.

[4] 李琤,张贤栋,郭顺.车载网络数据总线故障研究:以大众迈腾B8L车型为例[J].湘南学院学报,2020,41 (2):5-10.

[5] 王春光,左维,张建新.基于单片机的数控机床故障模拟装置的开发[J].机电工程技术,2016,45(4):46-48.

[6] 李小龙,魏建平.汽车LIN总线故障案例分析:以迈腾B8舒适系统LIN总线为例[J].内燃机与配件,2022 (3):54-57.

Research and Application of Intelligent Teaching Fault Setting System Based on Magotan B8 Car On-board Network

LIN Sumin

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Yangling Vocational and Technical College, Xianyang 712100, China )

According to the problems existing in the teaching of on-board network control techno- logy course, based on the on-board network system of Magotan B8 car, a fault setting system for on-board network intelligent teaching based on single chip microcomputer control is designed, which effectively solves the problems such as backward teaching equipment of on-board network control technology course,mismatch between teaching equipment and teaching content, atypical fault cases, etc.,realizes the effective combination of fault case explanation and practical operation, improves the teaching effect, and provides ideas for solving the difficult problems of on-board network teaching.

Magotan B8;On-board network;Intelligent teaching fault setting system;Practical operation

U472；G710

A

1671-7988(2023)17-169-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.032

林素敏（1981－），女，硕士，副教授，研究方向为汽车检测与维修，E-mail:620722779@qq.com。

杨凌职业技术学院2021年科技创新项目：基于迈腾B8轿车车载网络智能教学系统研究与应用（ZK21-51）。