1、1046第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于机载总线的 PC 式故障诊断系统初探付雅斌 1 王 冬 2 张江涛 1 孙飞虎 3（1.陆军航空兵学院电气教研室，北京 101123 ；2.61267 部队，北京 101123；3.65529 部队，辽阳 111000）摘要：提出了基于机载总线的 PC 式故障诊断系统的设计思路，依据 ISO/OSI 网络模型，将整个系统划分为应用层、协议转换层、物理层，以及应用协议接口和链路物理接口的模块化和层次化体系结构。整个系统由 PC 诊断应用软件、 VCI 盒和机载网络组成，着重阐述了系统的软硬件设计方案。该系统在满足基本的故障诊断功能基础上，兼具数
2、据处理、存储和图形显示功能，具有系统升级及远程诊断扩展的优势。关键词：机载总线；PC 式故障诊断；层次化结构手持式诊断仪由于其便携性、实用性等优势，在保障和维护工作上的使用越来越多，然而随着电控系统越来越复杂多样化，手持式诊断仪由于存在不能实现 ECU(electronic control unit)编程、提供实时智能化的维修诊断指导和诊断报告、扩展远程诊断等缺陷，已不能满足未来故障诊断的发展需求。而基于多功能智能设备( 如 PDA，PC，iphone 等)的诊断系统因其集成处理、扩展性等多方面优势，越来越受到青睐。本文采用 VCI 盒(vehicle communication in-ter
3、face)与 PC 诊断软件结合的方式，充分利用 PC 平台的数据处理及网络扩展优势，实现层次化故障诊断和满足进一步扩展远程故障诊断需求。从网络模型的角度讲，通过 VCI 盒，完成物理层、数据链路层、网络层的数据采集和协议转换功能；通过 PC 应用诊断软件，实现应用层要求；通过人机接口，与 VCI 盒协同完成诊断、测试、监控、分析和存储等功能。1 层次化系统方案设计1.1 机载网络总线拓扑结构故障诊断系统作为机载网络控制系统的一部分，通过诊断接口挂接在机载网络中，与直升机内部的 ECU 一起组网，直升机内部的控制和诊断信息通过总线实现相互传输 1。1.2 系统的功能需求和模块化层次划分设计过程
4、中需要满足现有直升机总线，同时还要考虑到一些老旧的可能淘汰的总线技术。因此，所开发的诊断系统不仅要适用于老旧机型同时要能够适应总线技术发展的要求。除了上述机载网络总线技术的兼容及扩展要求外，还要考虑到数据存储与分析、人机接口的友好性，以及基于Internet 的远程诊断服务的开发需求，本文探讨了新一代基于 PC 的分布式故障诊断系统。结合ISO/OSI 7 层网络参考模型考虑，该诊断系统可以依据网络功能划分为 3 个层次和两个服务接口。如图 1 所示。应用层为机载网络中各个通信控制模块提供有效的诊断服务和协议，并按照统一的应用协议接口规范将其解析为统一格式的数据流。协议转换层针对不同通信总线协
5、议标准，根据应用层协议接口规范，将应用层传递的数据流转换成对应于不同总线协议的数据帧。其基本单位为诊断报文。物理层依照各种通信协议标准实现比特流到特定总线的电信号传输。其基本单元为字节。应用协议接口(API) 的作用是按照 AT 指令/OBD 数据的统一编码规范，完成应用层与协议转换层之间的数据流1047的映射。链路物理接口的作用是通过不同的标志和硬件来完成不同通信协议帧与物理层的信号映射，实现比特流与电信号的转换 2。应用层 服务标识 第七层协议数据单元传输层 报文头 第四层协议数据单元 求报文校验场数据链路层 Layer2PDU物理层应用数据应用应用部分应用协议接口协议部分链接物理接口机载
6、网络电气部分 图 1 基于 OSI 网络模型的诊断系统网络层次结构2 系统总体方案设计根据 ISO/OSI 网络模型的系统网络层次，将整个系统划分为 3 个部分:PC 应用诊断软件、VCI 盒和机载网络。PC 应用诊断软件对应于网络层次中的应用部分，是整个诊断系统的主要部分，采用Visual Basic 6.0 开发。它不仅提供友好的人机接口，实现应用层的诊断功能，而且基于 PC 平台，可以实现基于 Internet 的一体化远程故障诊断体系的搭建，这是开发工作的重点。VCI 盒对应于协议部分和电气部分，是机载自诊断系统与 PC 应用诊断软件的桥梁。通过 VCI 盒将实现对 PC 应用软件提出
7、的诊断服务数据流到满足相应诊断协议标准的电气信号的转换，并通过机载网络与其他的ECU 实现诊断服务功能。机载网络作为系统的网络载体，主要由直升机内部的 ECU，按照相应的网络标准组成局域控制网络。通过各个节点 ECU 上自诊断系统，配合诊断系统实现对直升机的故障诊断。3 VCI盒设计VCI 盒把诊断软件的相关诊断需求通过统一的 API 接口，按照具体协议标准封装成相应的诊断服务请求帧，并将机载总线反馈回来的比特流转化为对应的诊断服务反馈报文，与机载总线通信实现诊断服务。VCI 盒主要由 VCI 盒硬件和软件两部分组成。3.1 VCI 盒硬件设计VCI 盒以 16 位 MCU MC9S12DG1
8、28B 为核心实现硬件设计开发。 MC9S12DG128B 的主频最高可达 40 MHz，片上还集成了许多标准模块，包括两个异步串行通信口 SCI，两个同步串行通信口 SPI， 8 通道输入捕捉 /输出比较定时器等: 基于机载总线的 PC 式故障诊断系统 759A/D 转换模块，1 个 8 通道脉宽调制模块，49 个独立数字 I/O 口( 其中 20 个具有外部中断及唤醒功能)，兼容CAN2.0A/B 协议的 3 个 CAN 模块以及一个内部 I2C 总线；片内拥有 8k 的 RAM，2kB 的EEPROM，128kB 的 Flash EEP-ROM3。VCI 盒硬件设计由 MC9S12DG1
9、28B 核心电路、多种协议1048(SAE J1850PWM/VPW，K Line，CAN)电平转换电路、人机交互接口电路、SD 卡驱动电路、实时时钟电路、蓝牙模块电路、USB 转换电路和电源模块电路等组成。为了提高系统的可靠性，VCI 盒硬件设计采取了很多抗干扰措施。在电源进入系统前加入整流、滤波和稳压电路，以滤除高次谐波，改善电源波形、吸收过压干扰；各种协议转换电路涉及到数字电路信号电平转换，为了抑制电流冲击以及在传输线和供用电源内阻上产生较大的压降，对每个芯片的供电就近加入滤波和去耦电容。3.2 VCI 盒软件设计3.2.1 API 转换接口模块API 转换接口模块主要借鉴 GSM07.
10、05 规范，定义了统一的应用协议接口，将诊断应用软件命令及ECU 反馈报文分为两种：OBD 连接报文，与车辆进行通信，实现具体的诊断服务。内部命令报文，全部以 AT 开头，不与直升机进行通信，用于对 VCI 盒的初始化，如通信协议的设定，报文头的设定等。3.2.2 通信模块通信模块主要包括由相关通信协议(ISO14230，J1850，ISO91412，ISO15765 等)定义的检测仪与ECU 串行通信初始化部分，以及建立在初始化基础之上的由 ISO150315 定义的诊断通信部分。3.2.3 外设处理模块外设模块主要包括人机接口、实时时钟模块和 SD 卡存储模块 3 部分。人机接口用于对 V
11、CI 盒在/离线模式的选择、电源开关和通信状态指示等；实时时钟模块用于在离线模式下，对于诊断数据服务报文记录的时间记录；SD 卡存储模块用于实现在离线模式下，对诊断报文采用 FAT32 文本格式的数据存储。3.2.4 VCI 盒软件流程图图 2 重点描述了 VCI 盒工作过程中的数据流的处理过程：首先进行各个模块的初始化，然后根据 API 转换接口标准对串口 0 中接收到的报文进行解析，如果是 AT 指令，则用于对 VCI 初始化设置( 通信协议类型，报文头字节，目标地址，源地址等)，否则将根据初始化设置组装成标准的诊断报文帧，通过串口 1 经过相应的电平转换电路后发往 ECU；对于从串口 1
12、 接收到的反馈报文则进行逆过程后通过串口 0 发往 PC 应用诊断软件 4。4 PC诊断软件设计PC 诊断软件利用 Visual Basic 6.0 进行编写，采用了层次化的分析构造方法和数据结构抽象以及面向对象设计。整个软件从功能角度划分为 3 个层次:第 1 层为应用接口层，第 2 层为应用诊断层，第 3 层为 RS232 串行通信层。应用接口层的主要功能是实现友好的人机接口，同时实现与后台数据库信息交互。对于人机接口，除了要满足软件本身的人机交互功能要求，还需要做到界面的美观和定制化。应用诊断层则根据诊断及软件本身的具体功能划分为结构化数据管理部分、系统管理部分、ECU 诊断与测试部分和
13、总线监控部分。将使用者的需求转换成具体的功能函数，如结构化数据管理用于对诊断 ECU 的数据库进行读写操作，系统管理用于对软件运行状态进行记录，ECU 诊断与测试用于对具体诊断ECU 实现诊断(读故障码、清故障码、读冻结帧、动作测试和读 ECU 信息) ，总线监控则用于监听诊断过程中的数据流。串行通信协议模块的设计主要应用了层次化构造方法，将数据通信的细节(即报文的涵义)完全屏蔽，按照与 VCI 盒约定好的规范进行发送报文的编码组装和接收报文的解码，1049达到与下层 VCI 盒和上层程序接口较好的鲁棒性。串口通信层采用动态调整接收发送报文间隔时间、循环存储和自动组合报文等手段实现帧时序参数的
14、精确控制，避免发送方和接收方由于速度不匹配出现接收数据溢出现象 5。AT指令处理函数设定你诊断报文参数初始化子函数接收标志位 Switch(n)串口 0 接收新的指令 串口 1 接收新的指令译码校验是否 否是校验报文头及校验字节AT/OBD 指令 响应报文有效创建诊断报文帧是串口 1 发送诊断报文帧串口 0 发送响应报文否 是发送错误响应错误处理结束开始图 2 VCI 盒软件流程图5 结束语1050PC 式故障诊断系统可以稳定可靠地满足当前诊断需求。该系统具有强大的数据存储与分析能力。由于整个系统采用层次化结构设计，PC 诊断软件与 VCI 盒间通过统一的 API 进行连接，具有较好的鲁棒性。
15、如果需要支持新的诊断通信协议，只需要对 VCI 盒进行协议扩容，而 PC 诊断软件仅仅根据新设定的 API 接口进行相应的增加; 而需要增加新机型诊断服务时，对 PC 诊断软件的应用接口层和数据库进行升级即可。由于采用 PC 平台，VB 6.0 具有网络开发接口，可以借用现有的网络平台进行远程诊断服务扩展，只需要对 PC 应用诊断软件进行升级，不需要对 VCI 盒硬件做任何修改。参 考 文 献1 田颖,陈培红,聂圣芳等.电控发动机 ECU 故障诊断仪的开发J ，2005(2):29312 王文.基于 OBDII 的汽车故障诊断仪的研制 J.仪器仪表与检测技术，2007(6):62643 GIU
16、SEPPE G,FABIO P.Multimodal PDA interfaces toassist drivers in monitoring their vehicles4 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法M.北京:清华大学出版社,2004:10985 颜伏伍.PC 式故障诊断系统J.武汉理工大学学报，2011.10PC-style fault diagnosis system based on BusFU Ya-bin1 WANG Dong2 ZHANG Jiang-tao1 SUN Fei-hu3(1. Aviation Electrical Equipment,Army avi
17、ation Institute,Beijing 101123,china；2.No.61267PLA, Beijing101123，China；3.No.65529PLA,LiaoYang city111000，china ) Abstract: PCstyle fault diagnosis system based onboard bus was proposed.According to ISO/OSI network model,thewhole system was divided into application layer,physical layer,modular and h
18、ierarchical system structure of application protocol port and link physical port.The system was composed of PC diagnostic software,VCI boxes,vehicle network.The correspondingsoftware and hardware design were conducted.The vehicle testing indicates that in addition to the basic fault diagnosis,his appa-ratus has the advantages of data processing,storage,graphics display,system upgrades and expansion of remote diagnosis.Key words: bus;PCstyle fault diagnosis;hierarchy structure
