一种摩托车OBD故障诊断系统设计

王志红，吴鹏辉，袁 雨，王少博，贺星驰

(1．武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2．武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

为进一步优化摩托车产业和推动技术更新，2016年8月环保部和质检总局联合发布的《摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第四阶段)》(GB14622-2016)[1]和《轻便摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第四阶段)》(GB18176-2016)[2]于2018年7月1日实施。届时所有厂商生产的摩托车必须满足国四排放标准。摩托车国四排放标准较国三排放标准除了加严了污染物限值、新增了对柴油三轮摩托车颗粒物的污染物控制要求、延长了污染控制装置耐久性试验里程等外，还规定所有摩托车都应装备车载诊断系统(on-board diagnostic system,OBD)，监测相关电路的连通性[3]。

美国在1996年就要求轻型汽车和卡车都要安装OBD-Ⅱ系统[4]，随后OBD系统也逐渐在摩托车上应用。欧盟于2013～2014年正式发布关于摩托车整车型式认证法规，该法规要求摩托车必须安装OBD故障诊断系统[5-6]。

摩托车国四排放标准的实施，即将摩托车全面推向电喷系统时代[7]。满足国四排放标准的摩托车要求运用OBD系统，当车辆出现故障时，仪表盘上的MIL(malfunction indicator lamp)点亮，警示驾驶员车辆出现故障，然而驾驶员并不了解车辆具体出现的故障原因，给车辆及时、准确的维护带来诸多不便。为解决以上问题，设计了一种摩托车OBD故障诊断系统，诊断终端与摩托车OBD诊断接口对接，通过蓝牙与智能手机APP端连接，可以实时监测摩托车的运行状况，并对摩托车故障码进行解析。

1 系统设计原理

本设计主要是将摩托车运行状态数据和故障信息通过蓝牙传输给智能手机APP端，在手机APP端将数据进行解析处理和显示，也可以将数据上传至平台端，监测摩托车的状况(包括一些传感器的信息采集以及三元催化转化器的运行状况等)，将分析结果通过手机APP反馈给用户，并建议用户采取相应的措施。

摩托车OBD检测到部件或系统首次故障，存储故障码和冻结帧，冻结帧内容包括：计算负荷值、转速、燃油修正值、车速、冷却液温度、进气压力、燃油压力、燃油闭环状态等。数据流记载了车辆的实时信息，MCU(microcontroller unit)每一秒向OBD发出请求数据指令，即手机APP端信息每秒更新一次。

整个系统包括蓝牙故障诊断终端、智能手机APP端和平台端3部分，其系统原理如图1所示。

图1 系统原理图

2 蓝牙OBD故障诊断终端

2.1 功能实现

蓝牙OBD故障诊断终端集蓝牙模块、MCU、OBD接口于一体。摩托车OBD接口与该故障诊断终端的OBD接口连接，并向该终端供电，唤醒MCU和蓝牙模块。蓝牙模块将接收到的来自手机APP的数据请求指令传输给MCU，在MCU中将指令解封，并形成OBD协议帧，通过K/CAN总线传输给摩托车OBD系统，OBD系统接受指令，并将存储的故障码、冻结帧和数据流通过K/CAN总线传输给MCU，经过封装成蓝牙帧通过蓝牙模块传输给手机APP端。其数据转换过程如图2所示。

图2 数据转换过程

2.2 蓝牙模块

蓝牙是一种短程无线扩频通信技术。由于蓝牙信息传输可在极端温度(-40～85℃)条件下进行[8]，具有抗干扰能力强、功耗低、体积小、信息传输安全等优点，目前已经广泛应用于车载设备上[9]。

该蓝牙模块与发动机ECU(electronic control unit)通过K/CAN总线进行双向通信，实时读取来自ECU的数据信息和接受发送给ECU的数据信息。蓝牙数据的接收和发送，首先将K/CAN总线的数据转换并封装，然后通过发送端发出。蓝牙数据的接收首先要求诊断终端与智能手机间必须连接，手机端接收数据并解封，即完成了蓝牙诊断终端与手机交互通信[10-11]。

2.3 MCU

MCU是整个诊断终端的控制核心，它通过相关程序代码的执行指令，驱动其他各个模块完成相应的操作，如实现摩托车OBD与蓝牙通信协议的转换。协议的转换是将摩托车OBD接口端的信息加上蓝牙协议的帧头和帧尾，进行封装并发送出去。同时还将蓝牙接收到的信息进行解封，去掉帧头和帧尾，提取信息并发送给摩托车OBD。

2.4 OBD接口

OBD接口用于故障诊断终端与摩托车OBD诊断接口的连接与固定，其主要功能是使蓝牙OBD故障诊断终端通过CAN总线或K总线进行双向信息传递，可获取车辆的实时数据，也可通过手机APP向车辆发送指令，同时还向蓝牙OBD故障诊断终端提供电源。

OBD接口采用标准的16Pin接口，满足ISO5031-3的要求。在OBD接口的地引脚与屏蔽引脚间添加磁珠L1，可抗高频噪声和尖峰干扰，同时还能吸收静电脉冲[12]。

摩托车的信息采集同时支持CAN总线和K总线，以满足不同通信协议总线的摩托车。根据OBD-Ⅱ协议规定，CAN总线通信遵循ISO-11898和ISO-15765协议，K总线通信遵循ISO-9141和ISO-14230(KWP2000)协议[13]，K/CAN总线电路一端与OBD接口相连，另一端连接MCU。本系统通信协议采用符合标准的ISO9141-2和ISO15765-4[14]，系统的故障码识别要求符合ISO5031，诊断数据信息满足ISO15031要求，以便实现手机APP端故障诊断。

3 手机APP

智能手机在我国已经非常普遍，且智能手机都支持蓝牙无线通信，这为实现摩托车实时监控、故障诊断和远程监控提供了良好平台。

智能手机APP流程如图3所示，用户将诊断终端与摩托车OBD连接后，打开手机APP，登陆系统，打开蓝牙并与诊断终端连接，手机APP读取车辆基本信息，如摩托车型号等。在APP上发送数据请求指令，蓝牙OBD故障诊断终端通过蓝牙将数据传送到手机APP，并将数据解封并分类。

图3 智能手机APP流程图

图4 手机APP故障分析实例

在手机APP上将数据分为故障诊断码和摩托车基本信息。在故障诊断部分可解读故障码，读取冻结帧，存储车辆历史故障，对车辆给出及时合理的基本故障诊断，预防摩托车零部件恶化，图4为摩托车故障分析实例。在手机APP中读取OBD数据流，实时显示车辆运行基本信息，如发动机温度、转速、负荷、扭矩以及车速等，这些数据可通过列表、表盘和趋势图的形式展现出来，用户可根据个人喜好选择其中一种表示方式，手机APP信息显示界面如图5所示。

图5 手机APP信息显示界面图

此外，手机APP还具备远程数据交互功能，实现专家系统诊断和车辆状况的监测。即将手机APP从OBD中获取的数据通过无线网络上传给平台端。摩托车厂商工程师通过用户上传的数据实现远程辅助诊断，提高用户故障诊断能力。后台根据上传的数据还可远程监测车辆的基本状况，判断摩托车尾气后处理系统是否失效，平台端可根据数据处理结果通过手机APP反馈给用户，并建议用户做出相关维护，如图6所示。

图6 手机APP结构图

4 平台端

平台端是由摩托车生产厂商和监管部门共同组成，用户上传到平台端的数据自动保存，并进行预分析，检测摩托车是否出现故障，平台端界面如图7所示。用户上传到平台端的数据由生产厂商和监管部门共享。摩托车生产厂商可以根据上传的数据对车辆进行分析，由专家系统根据故障码实现远程诊断，并将诊断结果反馈到手机APP上。此外，摩托车生产厂商和监管部门可以远程监测摩托车的后处理装置，判断是否失效，并给出相应的处理建议，然后将结果和建议发送至用户手机APP端，告知用户。图8为平台端流程图。

图7 平台端界面图

图8 平台端流程图

5 结论

笔者设计的摩托车OBD故障诊断系统，实现了用户可通过智能手机实时查看摩托车运行状况，并可以将数据通过手机无线网传输给平台端。通过对数据的解析，车辆生产厂商可实现对车辆故障码进行专家诊断，监管部门可监测车辆后处理装置是否有效。此外，用户上传的数据也为企业的技术发展提供了宝贵的资料。