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基于OBD、GPS 与3G 技术的车辆远端诊断POC

作者:朱培斌 上海聚星仪器应用工程师    发布时间:2011年08月08日

一、应用需求

目前物流业,客运业,计程车业等行车管理相当不易,不仅有对车辆诊断即时性与行动性的需求,还需要行车监控中心对车辆进行远端诊断,一方面能即时掌握每一台车的即时车况,并在车辆故障发生时,接收的3G网路传来的OBD的故障信息,得以事先协调修车业者并告知故障主因,且能以通讯的方式通知驾驶员如何处理。因此需要构建一个灵活小巧的车载系统以满足上述需求。本文通过搭建原理样机(POC)初步实现了以上需求。

 

二、技术原理
 

2.1  车载系统核心

我们使用NI CompactRIO作为车俩诊断系统的核心。NI CompactRIO是一款高级嵌入式控制和采集系统,基于NI可重新配置I/O(RIO)技术。控制和采集系统厂商广泛使用现场可编程门阵列(FPGA)设备,因为其具有性能优良、可重新配置、规格小巧和工程开发成本低等特点。CompactRIO系统由控制器、机箱(内置FPGA芯片)和采集模块构成。

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1  CRIO嵌入式控制和采集系统

每个CompactRIO I/O模块都具有内置式信号调理功能,包含螺栓端子、BNC或DSUB连接器。通过在模块上集成接线盒,CompactRIO系统大大降低了空间需求和现场布线成本。有各种I/O类型可供选择,如±80 mV热电偶输入、±10V同步采样模拟输入/输出、配有1A电流驱动的24V工业数字I/O、用于编码器的5V调节电源输出的差分/TTL数字输入以及250 Vrm通用数字输入、GPS信号接收和同步模块等。由于可以插入多块模块,因此便于今后系统功能的扩展。

根据系统的应用需求,选用如下硬件(需要指出的是,我们选用的VISN C87模块是聚星仪器自主研发的高性能GPS模块,能够方便的插入机箱):

 1   CRIO型号选择

 

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2.2  车载系统原理

CompactRIO嵌入式系统包含采用PowerPC处理器,具有10/100M网口、USB口等多种接口,可方便的构建系统。控制器上运行VxWorks实时操作系统。用于可靠确定地执行LabVIEW Real-Time应用程序。内置LabVIEW功能有千余种,可用于创建多线程嵌入式系统,使之具有实时采集、分析、数据记录和通信等功能。通过CRIO核心搭建系统的示意框图如下:

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2  车载系统网络结构

 

如图所示,NI CompactRIO核心通过ODB接口、传感器模块和GPS接收模块实时采集测量信息,并通过3G路由器将信息传送到远程的Web服务器(聚星仪器RIO-Mesh),用户程序可以通过该数据实时显示汽车的行驶路线、相关的诊断信息和环境参量,以便控制中心进行远端诊断和记录。
车载系统原理方框图如下,系统通过模块接收ODBII和GPS的信号,并通过3G模块实时上传到行车中心,NI cRIO配合上位机还能接收系统使用者的指令信息进行实时响应。

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3  系统原理方图

2.3  ODBII简介

 

ODBII通过对ODB的改进,已成为目前汽车诊断的统一标准。除了对排放有关的污染控制元件有完全失效的诊断之外,还可针对由于元器件老化或部分失效所引起的排放污染进行诊断。目前已有成熟的ODBII转串口的芯片,价格较低,方便信息采集和降低成本。

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图4  ODBII转RS232模块

 

BODII具有以下特点:
1.统一车种诊断座形状为16PIN。
2.上有数值分析资料传输功能(DATA LINK CONNECTOR简称DLC)。
3.统一各车种相同故障代码及意义。
4.具有行车记录器功能。
5.具有重新显示记忆故障码功能。
6.具有可由仪器直接清除故障码功能。

 

三、 选用产品简介

配有256 MB DRAM2 GB存储的实时控制器

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·         嵌入式控制器运行LabVIEW实时 (Real-Time), 进行确定性控制、数据记录和分析
·         533 MHz处理器, 2 GB非易失性存储介质, 256 MB DDR2内存
·         双以太网端口, 具有配备了远程用户界面的嵌入式Web服务器和文件服务器
·         高速USB主机端口可连接至USB闪存及其它存储设备
·         连接外设的RS232串口; 9 VDC到35 VDC双电源输入
·         操作温度范围: -20°C到55 °C

 

8槽可重配置的嵌入式机箱

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·         8槽机箱,便于扩展

 

VISN GPS C87

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·         灵敏度达 -159dBm;具备32通道卫星信号接收能力;快速定位
·         内置 WAAS/EGNOS/MSAS解调器;支持NMEA0183 V 3.01 数据协议
·         提供区域实时导航服务
·         +5V TTL秒脉冲输出,时钟精度0.1微秒; SMA 接口
·         隔离的工业级数字电压输入
·         集电极开路高速数字输出
·         4 个工业级数字通道的输入输出方向由用户定制;
·         工作温度:-10 到60 摄氏度

 

串行接口——NI 9870

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·         4个RS232 (TIA/EIA-232)串口用于CompactRIO
·         14 b/s至961 kb/s的波特率
·         数据位:5, 6, 7, 8; 结束位:1, 1.5, 2; 控制流:XON/OFF, RTS/CTS, 无
·         各个端口上均配有64 B UART FIFO独立缓冲
·         8到28 VDC外部供电; 包括PC-MF4-PT电缆
·         操作温度范围: -40°C到70°C

 

高密度热电偶采集模块——NI 9213

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·         内置CJC (冷端温度补偿)
·         高速模式适合最高1,200 S/s的采样率 (总计)
·         250 Vrms通道-地面接地安全隔离
·         自动调零通道用于偏移误差补偿
·         24位ADC, 适合最高0.02 °C测量灵敏度
·         支持面向J、K、T、E、N、B、R和S型热电偶
·         6块卡,合计96个通道

 

CAN通信模块——NI 9853
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·         双端口高速CAN模块, 端口1为内部供电, 端口2为外接供电
·         标准的DE9M (DB9)公口连接器, 适用于各个端口
·         Philips SJA1000 CAN控制器和Philips TJA1041 CAN收发器
·         可与任何CompactRIO I/O模块实现硬件同步
·         符合ISO 11898标准, 可用于标准 (11位)和扩展 (29位)任意ID
·         能以1 Mb/s的速率发射/接收所有总线载荷

 

四、 系统POC验证

 

通过以上原理搭建了一套车载原理验证样机,并搭载在汽车上进行测试,如下图所示。

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图5  车载测试样机

 

 

通过试跑,在实验室的PC端可以实时获取车辆状态、地理位置及行驶路线(在Google Map上显示),如下图所示:

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6  PC车况显示端

通过以上测试验证了采用CompactRIO核心的车载远端诊断系统搭建的可行性。且具有以下优点:

1、Compact RIO适合于车载工作环境,工作温度-40℃~70℃,抗振冲击50g,软件上运行Vxworks操作系统,保证程序能够稳定可靠运行。

2、CompactRIO采用直流供电,低功耗(典型值15W),车载场合也可以直接采用直流供电。

3、每个CompactRIO带有处理器和本地存储介质,具备本地存储、数据处理,网络故障自诊断等功能,可以保证数据不丢失以及数据处理的实时性。同时CompactRIO本身是一个开放的开发平台,用户可以自己进行二次开发。

4、灵活、可扩展。由于采集用以太网的组网方式和八槽机箱,因此如果采集参量增加,用户只需要再购买适合CompactRIO的功能模块,即可通过编程添加到现有系统中。