基于OBD车辆下线双怠速排放检测自动控制系统开发*

胡杰周佼鹏覃雄臻高长斌

（1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司）

基于OBD车辆下线双怠速排放检测自动控制系统开发*

胡杰1周佼鹏1覃雄臻2高长斌2

（1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司）

针对传统车辆下线双怠速排放检测中人工难以稳定控制发动机高怠速问题，提出了一种基于车载诊断系统（OBD）控制的发动机双怠速排放检测自动控制系统。该系统由双怠速排放检测自动控制软件VCI系统、尾气分析仪及数据服务器等组成，可实现发动机转速的精确控制及排放自动检测。测试结果表明，该系统提升了高怠速检测过程中发动机转速稳定性，减少了检测时间，降低了工人劳动强度，提高了下线检测自动化水平。

1 前言

根据标准GB 18285—2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》（双怠速法及简易工况法）的要求，车辆生产下线后需进行双怠速排放检测。传统的人工控制油门踏板方式很难保证高怠速检测过程中发动机转速稳定性，导致排放重复检测问题，进而影响车辆生产效率。针对人工进行双怠速排放检测存在的问题，本文结合某汽车企业的双怠速排放检测需求[1]，开发出基于OBD的车辆下线双怠速排放检测自动控制系统。利用该系统可提升高怠速检测过程中发动机转速稳定性，减少检测时间，降低工人劳动强度，提高下线检测自动化水平。

2 系统方案设计

基于OBD的双怠速排放检测自动控制系统由双怠速排放检测软件、数据服务器、排放分析仪、自主开发的车辆通信接口系统（VCI）及双怠速排放检测管理端软件等组成，如图1所示。

VCI系统包括主控模块、K接口电路、CAN（Con⁃troller Area Network）接口电路、电源模块等，可实现上位机软件与发动机ECU之间的通信[2]；双怠速排放检测软件通过VCI系统与发动机ECU建立通信，实现基于OBD的发动机转速控制；排放分析仪通过与工控机上串口进行通讯获得车辆实时排放值；检测端软件对检测流程进行自动控制，实现排放检测的自动化。通过在计算机上安装的排放检测系统管理端软件，可获取车辆排放检测通过率等质量数据，为评价车辆生产质量提供依据。

3 诊断协议分析

目前，该企业发动机ECU模块所使用的诊断协议为基于K线的ISO 14230（KWP 2000）协议和基于CAN总线的ISO 15765协议，两类协议均参照OSI（Open Sys⁃tem Interconnection）7层模型制定[3]。在VCI系统开发时已对其中的物理层、数据链路层、网络层进行了分析[4]，所以在开发该检测系统时只对应用层协议进行分析，特别是其中的数据流读取及输入/输出控制服务。

3.1 K线协议分析

基于K线的KWP2000应用层协议的数据流读取有三类服务形式，其标识符及定义为：21服务——本地标识符读取数据流；22服务——通用标识符读取数据流；2C服务——动态定义标识符读取数据流。在进行双怠速排放检测时，由于检测系统需要的数据只有发动机转速和冷却液温度，所以采取21服务读取这2项数据。

输入/输出控制有两类服务，其标识符及定义为：30服务——本地标识符用来对特殊功能进行输入/输出控制；2F服务——通用标识符对共用功能进行输入/输出控制[5]。由于双怠速排放检测系统是对发动机转速进行控制，属于特殊功能，因此采用30服务。

3.2 CAN总线协议分析

基于CAN总线的ISO 15765应用层协议的数据流读取有两类服务形式，其标识符及定义为：22服务——本地标识符读取数据流；2C服务——动态定义标识符读取数据流。在进行发动机转速与冷却液温度读取时采用22服务，但数值与基于K线的KWP 2000应用层协议的服务标志符不同。

输入/输出控制服务只有2F服务（使用标识符进行输入/输出控制）[6]一类，因此对于发动机控制采用2F服务实现。

4 双怠速排放检测系统软件开发

4.1 检测端软件开发

在微软的Visual Basic 6.0环境下进行检测系统软件开发，运用分层设计思想，将检测端软件分为用户接口层、检测应用层、通讯接口层和数据库层等4层结构。检测端软件构架如图2所示。

用户接口层获取检测人员输入的车辆VIN（Vehi⁃cle Identify Number）码和引车员信息，输出排放检测进度、实时排放值、检测结果及联网状态等信息。检测系统界面如图3所示。

检测应用层功能包括：从用户接口层获取车辆信息，通过查询数据库获取检测标准及通讯协议；控制发动机转速，读取数据流信息，根据诊断协议规范对反馈的数据流信息进行解析，转换成转速及冷却液温度值；与排放分析仪通讯，得到实时排放数据；根据发动机转速、冷却液温度、排放值实现检测过程的自动控制；上传检测结果至生产信息管理系统，完成车辆下线排放检测。

通讯接口层通过Visual Basic 6.0编译环境下的MSComm控件与发动机ECU、排放分析仪通讯，完成数据发送与接收以及获取排放数据。

数据库层包括本地数据库和服务器端数据库。其中，本地数据库为下线排放检测系统提供检测标准值，包括不同排量车型的排放限值、检测过程所需的转速控制指令和数据流读取指令、车辆匹配信息等，为检测端提供数据支撑。服务器端数据库主要存储检测结果，便于查看车辆下线排放检测通过率，实现质量管理。

4.2 管理端软件开发

管理端软件开发基于客户机/服务器结构。数据库服务器对数据进行存储、统计和运算，管理端软件通过数据库驱动接口连接到服务器。

管理端软件主要统计检测结果、维护检测标准，其构架如图4所示。

用户交互层包含检测数据查看统计模块及车型排放检测标准管理模块。

应用层功能的实现是在身份认证及权限控制管理模块下进行，以防止不明用户登入系统进行操作。检测人员只能使用检测结果查询与统计功能，而管理人员在该基础上还能进行检测标准管理，实现检测标准实时维护。

数据访问层对服务器上数据库进行访问，查询检测线上传的车辆检测结果，获取检测值。

5 双怠速排放检测系统实现

该检测系统需实现与发动机ECU、排放分析仪通讯功能及检测流程控制。

5.1 系统通讯功能

与排放分析仪的通讯功能实现较为简单，检测软件直接通过串口请求排放分析仪的排放数据，然后等待接收排放分析仪的反馈数据，最终按照通讯协议解析出CO、HC、λ、CO2、NOx值。

因为工控机与车载网络电气系统不同，所以无法实现直接通信，需要采用VCI系统负责工控机与车载网络通信。

工控机与ECU的通讯流程如图5所示。

VCI将工控机串口发送的数据通过K线数据转换芯片或CAN数据转换芯片转换成车载网络能识别的信号，同时将车载总线反馈回来的比特流、字符信号转化为对应的诊断服务报文并传回给工控机，实现工控机与车载网络之间的通信。

检测过程中需要获取发动机冷却液温度和转速信息，同时要向发动机ECU发送转速控制指令。由于被检车辆的K线或CAN总线采用半双工工作模式，后1条指令必须等待前1条指令反馈结束后才可发送，否则会造成线路上信号干扰，影响数据发送与接收，因此在检测过程中需要研究OBD指令发送与接收策略。

检测开始后先读取发动机数据流，当冷却液温度处于检测标准规定范围并可进行双怠速检测时，将标志位IdleControl置为真，在下一循环时发送怠速控制指令。数据接收则要判断数据帧是否接收完毕，软件采取定时扫描接收缓冲区的方式来判断是否获得完整的数据帧。OBD指令发送与接收策略如图6所示。

对于接收到的完整数据帧，要将其按照不同的指令类型进行处理，以获取发动机运行状态。通讯数据处理逻辑如图7所示。

5.2 检测流程控制

按照该企业排放检测要求确定的系统检测流程如图8所示。

开始检测前需确保发动机工作在正常运转状态，因此先读取发动机冷却液温度，当冷却液温度处于检测规定的87～95℃后发送高怠速指令，待发动机高怠速转速稳定在2 500±100 r/min时，排放值缓冲区开始接收排放检测值，到达规定检测时间后计算排放平均值，判断高怠速检测是否合格。当高怠速检测合格后开始进行怠速排放检测，若检测不合格则进行若干次重新采样。

怠速检测过程同样经过怠速指令发送、等待转速稳定、采样、排放平均值计算、最终检测结果判断等过程。若高怠速排放和怠速排放都合格，则判定为整车排放检测合格；否则检测为不合格，需要对被检车辆的排放系统进行检查维修。

6 双怠速排放检测系统测试

采用所开发检测系统，针对某1.2 L电子节气门车型，采用AVL DiGas 4000排放分析仪、VCI系统等进行排放检测系统双怠速自动控制及人工控制试验。

6.1 双怠速自动控制测试

双怠速自动控制测试的排放数据如图9所示。

由图9可看出，被测试车辆在开始检测10 s后发动机转速即达到了2 500±100 r/min的规定检测条件，在高怠速排放检测期内，发动机转速得到精确控制，一直稳定在该范围内，过量空气系数快速下降，CO及HC的排放值处于检测标准范围内；完成高怠速检测后，发动机快速切换到怠速状态，完成车辆怠速排放检测。通过该测试表明，所开发的检测系统能准确控制发动机转速、获取车辆排放值以及完成排放检测自动控制。

6.2 双怠速人工控制测试

双怠速人工控制测试的排放数据如图10所示。

Development of Vehicle End-of-line Emission Auto Detection System with Double Idle Method Based on OBD

Hu Jie1,Zhou Jiaopeng1,Qin Xiongzhen2,Gao Zhangbin2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology;2.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd）

For the traditional vehicle end-of-line emission detection system which is hard to control engine’s high idle running,we propose an auto emission detect system based on OBD to control the engine’s double idle.The system consists of the emission detect software VCI system,emission analyzer and database server,etc.,which can control the engine’s speed precisely and realize auto detection.The test result shows that the system improves engine speed stability in high idle running detection,reduce detection time and lowers labor intensity,and improves the automation level of end-of-line emission detection.

Vehicle end-of-line,Double idle,Emission detection,Control system,OBD

车辆下线 双怠速 排放检测 控制系统 车载诊断系统

U467.4

A

1000-3703（2015）01-0048-04

国际合作项目(2012DFA11180)、广西科技计划项目(2014BA10089)和中央高校基本科研业务费专项资金（2013-VII-022）资助。