隨著現(xiàn)代電控技術對汽車組成的滲透，汽車架構的復雜性、集成度和信息化程度日益增強，由此給汽車安全運行帶來了更多隱患，僅靠傳統(tǒng)車內(nèi)資源已很難滿足其安全性需求。

     針對傳統(tǒng)車載診斷系統(tǒng)標識繁雜、實時性差、電磁干擾強等問題，先后有汽車電子研究者提出Telematics設計理念[1]，并將逐漸形成未來汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)發(fā)展的新型模式。2009年，曾銳利、肖云魁等在“汽車遠程故障診斷與維修系統(tǒng)研究”中[2]，提出了車輛遠程故障自診斷系統(tǒng)，通過遠程服務器與車載終端的互聯(lián)，完成車輛的自診斷。2011年，上海交通大學汽車電子研究所張旭、冒曉建等發(fā)表的“汽車遠程診斷系統(tǒng)車載模塊的研究和開發(fā)”中[3]，系統(tǒng)闡述了整個車載模塊遠程診斷系統(tǒng)的架構模式和軟件處理流程，為該方向的研究提供了較全面的參考模型。同年，上汽集團技術中心的彭劍、葉楓等，對車載終端和遠程服務器的相關功能模塊接口作了進一步研究[4]。但以上對車載遠程診斷系統(tǒng)的探索和研究中涉及的相關核心功能及性能評估不夠深入完善，離真正的實踐應用尚存一定距離。
    為此，本文以Telematics為設計理念，提出一種新型的基于QNX車載終端的智能遠程診斷系統(tǒng)方案。引入強實時性的QNX系統(tǒng)為軟件運行平臺，并在此基礎上采用CAN總線和GPS模塊實時采集和處理車輛狀態(tài)信息，通過3G無線網(wǎng)絡完成與遠程服務器的互聯(lián)通信，實現(xiàn)后臺監(jiān)控中心對車輛運行狀態(tài)的全天候實時監(jiān)控，進而保障車輛更快、更安全地運行。
1 系統(tǒng)整體架構
    智能遠程診斷系統(tǒng)主要由診斷終端、通信網(wǎng)絡和遠程服務中心組成。診斷終端作為整套系統(tǒng)的核心處理單元，主要包括CAN收發(fā)器、3G模塊、GPS模塊及SD卡存儲模塊，并且采用微秒級實時性的QNX系統(tǒng)作為軟件平臺。整套系統(tǒng)的指令數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)按一定協(xié)議規(guī)范組包，其核心處理流程如下：
    (1)報文采集：終端通過CAN總線和GPS模塊實時采集、過濾和處理車輛各ECU狀態(tài)信息；
    (2)報文存儲:采集的所有報文信息通過SD卡模塊和緩沖的形式存儲，分別實現(xiàn)對車輛進行本地和遠程診斷；
    (3)報文收發(fā)：診斷終端通過3G網(wǎng)絡與遠程服務器實現(xiàn)互聯(lián),并實時收發(fā)本地和遠程服務器的相關報文，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的遠程動態(tài)監(jiān)控。
其中，診斷終端作為核心處理單元，分別采用CAN總線網(wǎng)絡和3G無線網(wǎng)絡與車輛和遠程服務器互聯(lián)通信。遠程服務中心將關切信息通過配置形式下發(fā)到相關車輛，車輛終端即按照配置信息采集關切信息。同時，遠程服務中心可以實時查看相關車輛的各項運行參數(shù)，并自動分析處理相關信息，將異常情況實時反饋到相關車輛，通過中控臺、語音識別器等模式通知駕駛員。診斷系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

    可見，該設計方案不僅從軟件上保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性，而且采用CAN總線通信、GPS定位系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡等新型技術，實現(xiàn)了一個無縫的本地-遠程互連參考系統(tǒng)，有效增強了輔助駕駛平臺的安全系數(shù)。
2 系統(tǒng)診斷終端
    針對當前車載診斷系統(tǒng)在通信速率和可靠性方面存在的問題，診斷終端采用目前較先進的CAN總線網(wǎng)絡與車輛ECU系統(tǒng)相連，引入3G無線通信模塊與遠程服務器互聯(lián)，實現(xiàn)對車輛各控制單元運行狀態(tài)的全天候遠程無線實時監(jiān)控。
2.1 CAN總線通信邏輯
　　診斷終端與車輛通過CAN總線網(wǎng)絡實現(xiàn)互連，完成遠程指令下發(fā)和各ECU工作狀態(tài)的采集。由于車輛各ECU對CAN總線的性能要求不同，CAN總線根據(jù)傳輸速率劃分為高速CAN和低速CAN，不同速率CAN總線區(qū)域間信號通過網(wǎng)關從一個總線區(qū)域進入到另一個總線區(qū)域，同時以當前CAN網(wǎng)絡區(qū)域為參考，改變信號發(fā)送的優(yōu)先級。
    本系統(tǒng)診斷終端作為一個節(jié)點接入CAN總線診斷系統(tǒng)網(wǎng)關,其信號核心處理流程為:診斷節(jié)點向整個CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)起服務請求，CAN網(wǎng)關經(jīng)識別后向所有CAN網(wǎng)絡的ECU節(jié)點發(fā)送服務請求信息；當網(wǎng)絡中相應的控制器接收到服務請求信息后，立刻返回服務響應，同時與診斷終端建立通信連接。診斷終端與CAN網(wǎng)絡某控制器節(jié)點建立服務請求/響應的示意圖如圖2所示。

    針對終端CAN節(jié)點與車輛CAN網(wǎng)絡的互連條件，本系統(tǒng)設計3種采集觸發(fā)方式：
    (1)系統(tǒng)上電:系統(tǒng)上電后,采集通道開始接收總線  上的所有報文。
    (2) 遠程指令：車輛CAN總線系統(tǒng)接收到遠程服務器下發(fā)的特定指令后,將指定報文送入采集通道，收到相應禁止指令后停止采集指定報文；
    (3) 條件觸發(fā)：若總線信號按一定公式計算后為真，則將該信號送入采集通道。
　 診斷終端根據(jù)遠程服務器下發(fā)的配置條件，指定其通信的觸發(fā)方式、采集方式和存儲方式，并將相關報文按指定方式存儲到本地SD卡,或上傳至遠程通信服務器。
    可見,本系統(tǒng)診斷終端采用客戶指定的采集模式，真正做到了系統(tǒng)設計的可擴展性，并在設計早期即可通過CANoe等CAN總線模擬器充分論證方案的可行性，為快速開發(fā)高性能車載診斷終端提供先進的開發(fā)理念和有力的技術保障。
2.2 3G無線通信驅動設計
    智能遠程診斷系統(tǒng)選用新型的3G無線通信模塊UC864，在成本不變的基礎上，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，幾乎封裝了無線通信的所有復雜處理流程，以此作為整個模塊的硬件驅動層，對外僅提供簡單API接口，給上層應用開發(fā)提供了更為人性化的底層驅動環(huán)境，進而有效縮短了3G無線模塊的開發(fā)周期。
    UC864通過串口（UART）與MCU連接通信，其驅動核心處理流程為:首先初始化MCU與UC864相連的物理I/O管腳和相關寄存器，并使能3G模塊；然后通過AD采樣模擬輸出進行開機檢查；最后利用串口連接建立內(nèi)部通信機制。其處理流程主要包括：
    (1)串口初始化：主要對UART相關寄存器和I/O進行初始化，并設置串口通信波特率，開啟串口中斷等；
    (2)串口中斷處理：主要對串口緩存進行監(jiān)控，當收到數(shù)據(jù)時進行中斷接收處理，并給出響應；
    (3)串口收發(fā)：根據(jù)串口通信協(xié)議，把終端相關報文或消息通過串口發(fā)送UC864，同時接受UC864收到的無線信號。
    整個通信邏輯的核心偽代碼如下所示：
    int 3GComProcess（）
     {
　        regInit();                    //相關寄存器初始化
　        uartInit();                          //串口初始化
　        Lock（mutex）；               //獲取串口訪問信號量
　        uartIntEnable();                            //串口中斷使能
　        while(flag)                           //循環(huán)收發(fā)消息
　        {
           If(flag==ERROR)
           break;
           Swtich(cmdType)
           {
　　        case: SENDTYPE
　　        send(info);
　　        break;
　　        case:REVTYPE
　　        receive(info);
           break;
           case:default
           break;
　        }
　        }
　        uartIntDis();                           //串口中斷禁能
　        Unlock(mutex);                                //釋放信號量
　        Return ERROR;
　        }
    從驅動軟件邏輯執(zhí)行流程可見，該設計理念把整個驅動分為軟件驅動和硬件驅動。軟件驅動主要負責與上層應用的接口通信，硬件驅動主要負責底層的信號傳輸，其核心處理過程已被封裝到芯片內(nèi)部。因此，整個邏輯模型以“下層為上層服務”為設計理念，以降低模塊間耦合度，提高應用開發(fā)效率為目標，有效保障了接口的安全性。
    綜上所述，3G無線通信模塊在成本不變的基礎上，將較復雜的協(xié)議棧處理過程集成到芯片內(nèi)部，顯著提高了模塊的獨立性和實用性。另外，本驅動設計以高效率和低耦合為目標，分層設計驅動單元，盡量為開發(fā)者提供簡捷實用的接口,進而縮短3G模塊應用功能的開發(fā)周期。
3 系統(tǒng)遠程服務器端

    系統(tǒng)遠程服務器端主要由通信服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和Web服務器組成，各服務器的主要功能如下：
    (1)通信服務器主要負責接收車載診斷終端發(fā)送的所有報文信息，并將其轉存到遠程數(shù)據(jù)庫服務器。同時將來自Web服務器的所有指令轉發(fā)到診斷終端；
    (2)數(shù)據(jù)庫服務器用來保存診斷終端所有的采集信息，以及整套系統(tǒng)的用戶管理信息；
    (3)Web服務器可以從數(shù)據(jù)庫服務器或通信服務器獲取特定車輛的各ECU狀態(tài)信息和GPS定位信息，并用Web瀏覽器展示給遠程診斷服務中心客服。
    通信服務器與多個3G終端模塊建立遠程無線連接，并實時接收和解析所有的診斷報文和GPS定位報文，當通信服務器超負載運行時，負載均衡服務器將超出負載的請求轉移給其他通信服務器。數(shù)據(jù)庫服務器包括兩個功能模塊,一個用來保存終端采樣信號數(shù)據(jù)，另一個保存所有車輛的基本配置信息(包括車輛ID、診斷ID、終端DBC)。Web服務器主要通過訪問ASP網(wǎng)頁來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫或遠程通信服務器的訪問，并將所有關切信息分類展示給客服。
    遠程診斷服務器數(shù)據(jù)核心處理流程為：車載診斷終端與通信服務器之間通過TCP/IP方式進行無線通信，通信服務器與Web服務器之間通過數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。用戶可以通過Web瀏覽器與Web服務平臺進行交互，從而實現(xiàn)用戶與診斷車輛ECU的交互，完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、診斷和控制等功能,服務器架構模式如圖3所示。

    通過該處理流程，遠程車輛診斷服務中心可以采集特定車輛的各種CAN總線信號以及GPS車輛定位信號，并將采集到的相關車輛數(shù)據(jù)實時上傳至遠程數(shù)據(jù)庫服務器。車輛運行異常時，相應異常報文將實時上傳到遠程服務器，并通過遠程異常診斷機制，將診斷結果實時反饋到車輛終端，供司機快速做出處理，以保障車輛的運行安全。
    可見，車載診斷終端與遠程車輛服務中心的互聯(lián)和集成，不僅提高了整套診斷系統(tǒng)的智能性、實時性和準確性，而且有效提高了車輛運行的安全性。
4 實驗結果及評價
    本研究選用飛思卡爾提供的i.MX6Q系列車規(guī)標準處理器作為硬件平臺，其主要技術指標：1 GHz CPU主頻，1 GB×32 DDR3(400 MHz)，32 M×16 bit 并行NOR Flash，可擴充的NAND Flash接口，LVDS數(shù)字圖形輸出接口，并集成了基于OpenGL ES2.0和OpenVG1.1的GPU圖形硬加速處理單元。軟件平臺采用加拿大哈曼公司開發(fā)的QNX硬實時操作系統(tǒng)，并利用Keil公司的IDE嵌入式開發(fā)套件進行邏輯設計和代碼測試。
    采用北汽集團某車型CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)與本診斷終端互連。測試車輛的ECU單元主要包括發(fā)動機、天窗、車燈、車門和空調(diào)控制單元，其界面顯示效果如圖4所示。

    針對SGM和UC864兩款無線通信模塊傳輸速率進行的實驗對比分析結果如表1所示，當其他條件完全相同時，UC864模塊的傳輸速率約為SGM的2倍，數(shù)據(jù)丟失率約為后者的1/3，報文傳輸?shù)膶崟r性也有了一定程度的提升。另外，對傳統(tǒng)診斷模式與Telematics診斷模式進行實驗對標分析，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。由于終端龐大報文數(shù)據(jù)負載轉到了遠程服務中心處理，有效降低了終端CPU的負載，同時現(xiàn)代Telematics模式診斷的車輛ECU單元數(shù)約為傳統(tǒng)模式的4倍，且其操作模式已經(jīng)完全進入了智能化時代。因此，本文所做研究和實驗不僅大膽改變了傳統(tǒng)設計理念,而且以Telematics模型為核心設計理念，為未來診斷系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要參考依據(jù)。

    以現(xiàn)代車控系統(tǒng)快速向復雜化、信息化、智能化轉型為背景，以探索車輛診斷安全輔助系統(tǒng)的互連性、實時性和人性化為研究目標，設計了一套以Telematics為核心理念的智能車載3G遠程診斷系統(tǒng)。采用以QNX系統(tǒng)為軟件運行平臺,進一步加強了系統(tǒng)的實時性和安全性，并通過CAN總線和GPS模塊實時采集車輛狀態(tài)信息。基于UC864模塊設計的3G遠程無線互聯(lián)通信驅動層，實現(xiàn)了對車輛的全天候跟蹤和監(jiān)控。
參考文獻
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