由于汽車在生產、售后等環節中都可能涉及診斷，因此供應商提供的解決方案需要覆蓋各個場景所涉及的所有診斷需求，這就意味著每次執行某個操作前首先需要在設備端完成所有模塊的加載，然后通過層層菜單選項完成功能選擇，費時費力，技術門檻高。顯然，這對于部分應用場景(如生產、返工或檢查等等)，高頻次單一的簡易診斷操作來說非常不友好，每次均需花費相對較長的時間。再加上供應商專用診斷設備價格高昂，操作復雜，需要專業人員具備較強的技術背景，從而更進一步對整體工作效率產生影響。本文通過對整車診斷技術的分析與研究，基于嵌入式系統開發了一種便攜式的汽車診斷設備，從而解決上述傳統方案所存在的費時、操作復雜等問題。

　　診斷設備設計思路

　　傳統的汽車診斷一般通過一臺用于操作的手提式電腦及一個由線纜或藍牙等方式與電腦連接的專用診斷頭實現，電腦上通常需要安裝整車廠認可的專用軟件，一方面通過連接在車輛OBD口上的診斷頭向車輛發送相關指令，另一方面則解析從診斷頭傳輸來的車輛反饋報文信息，并顯示為可讀性強的內容格式。這類解決方案包含了診斷可能使用到的全功能模塊，因此不論在硬件設計還是軟件結構上都比較復雜，還必須借助外設電腦進行操作，而且需要一定技術背景的且受過培訓的專業人員才能操作。實際上有很多的診斷場景只涉及少數單一的診斷操作，而且這些操作需要高頻次地執行，這種場景下使用傳統的診斷方法執行效率的非常低下。嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求并預先定義的任務，因此不依賴外設電腦的基于嵌入式系統開發的診斷設備完全可以滿足這類場景的需求，而對應的軟硬件設計也可以得到很大程度的簡化，最終使得設備整體減小體積降低成本，并提高執行效率。作為一個診斷設備，要實現整車診斷，最基本也是最重要的是實現與車輛間報文信息的雙向傳輸及處理。在此基礎上，考慮到對用戶進行信息提示的需求，必須設計聲光外設;考慮到嵌入式系統軟件的更新以及與上位機的通信，需要設計USB接口;考慮到存儲診斷操作記錄的需求，需要設計擴展存儲外設;診斷設備需要支持多種診斷操作，因此需要建立用戶HMI(HumanMachineInterface)借助外設來對功能進行選擇和信息交互，我們選用使用廣泛的手機作為媒介，開發專用APP，通過藍牙功能實現與診斷設備的連接。如圖1所示為傳統汽車診斷解決方案(a)與下文將要介紹的便攜式汽車診斷設備解決方案(b)的整體對比圖。

　　診斷設備設計方案

　　硬件模塊設計硬件模塊主要基于STM32單片機開發，可與車輛OBD口直接連接，相關外設擴展模塊包括主電源模塊，離線電源模塊，LED顯示模塊，蜂鳴器發聲模塊，光耦隔離模塊，USB接口模塊，CAN驅動模塊，藍牙模塊以及TF卡存儲模塊等。單片機模塊承擔整個系統的運算及信息處理任務，選用STM32F1系列32位單片機，采用3.3V供電，程序存儲空間為256KB，主頻最高72MHz，具有體積小、速度快及功耗低等特點，同時具有良好的程序擴展空間，因此可以提高設備的便攜度及運行速率，同時保證功能的豐富性。系統電源包括主電源模塊和離線電源模塊兩部分，前者主要功能是將12V整車電瓶電壓轉換為5V和3.3V兩種電壓，分別用于CAN驅動電路和單片機控制電路的供電。而后者直接使用3V紐扣電池，用于離線模式下單片機低頻時鐘電路的供電，以保證系統萬年歷時鐘的運行。顯示及發聲模塊主要用于診斷操作過程中的基本信息交互，采用RGBLED燈和蜂鳴器，通過單片機的I/O口進行驅動，在需要時通過燈光或聲響對用戶進行提示。舉例而言：由于整車診斷操作的前提條件為車輛KL15上電，故需要通過同樣使用單片機I/O口驅動的EL357光耦隔離模塊來對整車上電狀態進行識別，如果檢測到車輛未達到要求的上電狀態則通過聲光模塊提醒用戶，直到完成KL15上電操作。在整個系統以及各項功能的調試過程中，常常需要通過USB接口與上位機通信，以顯示相關調試信息或軟件更新，對應模塊使用USB控制器CH340G并結合單片機的USART串口進行驅動。診斷設備與車輛ECU的通訊是通過在整車CAN數據總線上傳輸相關CAN報文實現的，因此單片機的CAN控制器TTL信號必須通過CAN驅動模塊轉變為滿足CAN2.0協議的差分信號，這里選用TJA1050芯片作為驅動模塊主體，并采用5V供電，如圖2所示。在部分使用場景下，診斷設備需要通過手機藍牙設備對診斷設備進行操作，因此選用支持藍牙2.0協議的HC05標準模塊作為藍牙驅動模塊，通過單片機的USART串口進行驅動，以實現與手機的通信。為了能夠將診斷設備的操作記錄進行離線保存，選用單片機自帶的SD/TF卡驅動單元SDIO對TF卡驅動模塊進行驅動，以實現FAT文件系統的創建和編輯，從而將操作過程和結果實時保存在TF卡中。如圖3所示為硬件模塊設計最終的整體實物圖。軟件模塊設計軟件模塊主要基于嵌入式C語言編寫，支持CAN2.0A/B協議和UDS診斷協議，支持藍牙2.0通信協議和USB2.0串口協議，并支持各種中斷服務。整個軟件部分采用柔性設計方法進行模塊化開發，以驅動+算法的軟件結構為基礎，各個驅動在調試通過后無需再做更改，而當客戶有新增功能需求時也只需在算法層進行相應的新增程序編寫即可，大大降低了整個軟件升級的開發難度。診斷設備通電運行后，首先進行各外設擴展模塊的初始化，完成后確認車輛是否已KL15上電，若沒有則通過蜂鳴器進行提醒，直到成功上電后LED燈顯示為綠色并常亮。然后向車輛發送車架號讀取的CAN報文，以獲取車輛車架號。接下來開始手機藍牙設備的循環搜索，找到并連接后，再開始等待手機藍牙設備傳來的指令。一旦成功接收指令則轉入該指令對應的子函數，向車輛發送相應功能的請求報文，同時LED燈顯示為藍燈并不停閃爍。在功能執行完畢并通過中斷程序判斷已成功接收到回復報文后，對報文進行解析，并根據實際需求將診斷結果傳輸至手機藍牙設備以進行顯示，同時存儲至TF卡中。最后，LED燈閃爍停止，重新顯示為綠色，一個功能執行完畢，診斷設備繼續等待下一個執行指令。以上完整流程用于通過手機藍牙連接診斷設備進行功能選擇和對應操作的場合，而如果診斷設備只是用于固定地執行某個單一功能，則可在程序中取消循環等待外部指令的部分，直接執行所需功能對應的子函數，這樣即可以保證設備的即插即用。手機端App設計手機端App在安卓系統上進行開發，基于ionic框架，選用typescript作為開發語言。打開App，首先需要設計用戶名和密碼登錄和錄入用戶相關個人信息的界面，前者用于權限管理，而后者用于識別當前操作者以在TF卡和手機log文件中進行記錄。登錄及信息錄入成功后，即可進入主功能選擇界面，如圖4所示。整個界面主要分為四個區域，包括最上方的藍牙連接區，下方的車輛信息及圖標顯示區，主功能選擇區，以及最下方的工具欄。在藍牙連接區中，通過點擊右側可以選擇需要連接的診斷設備，連接成功后則會顯示相應設備的名稱。如果此時診斷設備已連接車輛OBD口并準備就緒(LED燈顯示為綠色并常亮)，則車輛圖標上方會顯示當前車輛的車架號。在主功能選擇區的功能中心可以進行診斷功能選擇，點擊對應按鍵后實際會通過藍牙發送相應功能指令給診斷設備，此時App也將進入相關界面，并根據診斷設備傳來的診斷結果進行詳細顯示。在最下方的工具欄中，可以查詢歷史診斷日志、幫助信息及用戶信息。

　　結語

　　本文通過對整車診斷的分析與研究，基于嵌入式系統開發了一種便攜式的汽車診斷設備，主要包括基于STM32單片機的硬件模塊，采用柔性設計方法進行模塊化開發的軟件模塊，以及基于安卓系統的手機端App。相比于傳統的診斷解決方案，本文設計的診斷設備外形小巧、便攜度高，而且成本較低;可以實現即插即用或通過手機端App進行快速操作和信息交互，非常便捷，對于操作人員來說不需要具備相關的技術知識和資質，可以說是零門檻;手機端信息LOG和TF卡存儲實現了雙向操作記錄備份，從而具備操作過程和結果的可追溯性;軟件模塊的開發方式提供了強大的功能擴展性，使得設備可以根據用戶的實際需求進行快速功能開發和定制;由于設備采用直接報文形式與車輛ECU進行通訊和交互，，因此可以保證執行的高效和快速，從而在實際操作過程中幫助用戶節省工時，提高效率。經過實際測試，該診斷設備對于目前已有功能中包含的高頻次單一診斷操作來說，平均可以節省70%~80%的時間。目前基于用戶需求，共開發了十多項單一診斷功能，如DTC讀取/刪除、運輸模式開關、高壓低壓SOC讀取、整車靜態電流讀取等等。部分已應用在生產、開發、質量檢查等多個環節，得到了良好的用戶反饋和使用黏性。相信隨著功能的不斷擴展和優化，這個便攜式診斷設備可以發揮越來越大的作用，具有極大的推廣價值。

　　《便攜式汽車診斷設備設計方案》來源：《汽車與配件》，作者：楊健 潘學松