专利名称：一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法，以 CANopen高层协议作为混合动力汽车总线协议，制定针对混合动力汽车的CANopen故障诊 断通信规范，并将其应用于本诊断系统中，属于混合动力汽车车载故障诊断领域。
背景技术：
随着现代汽车工业的发展，汽车电子化程度日益提高，汽车电子控制系统(燃油 喷射系统、制动防爆死系统、安全气囊等)不断增多，另外混合动力汽车在传统汽车的基础 上增加了蓄电池、电机等设备，技术科技含量比较高，结构更加复杂。这些复杂的系统，使得 汽车的维修变得很困难。为了便于维修与监测，在汽车控制系统的控制器中，一般都设计 有自诊断功能即车载诊断功能。指的是利用车上的诊断设备进行的实时诊断，诊断信息以 故障代码的形式实时的存储存储在存储器中，以及通过点亮故障指示灯通知驾驶员出现故 障。如果驾驶员想详细知道哪个部分发生故障以及发生故障的原因，必须到维修站由维修 人员用故障诊断仪读出故障码，然后对照相应车型维修手册或诊断手册上的故障码表得到 该故障码的具体解释，以及检测故障的步骤和排除故障的方法。为了适应上述需要，有必要 开发一种基于混合动力汽车的车载故障诊断系统，既能够进行整车的监测，又能够使传统 的车载故障诊断系统与故障诊断仪的功能相结合。当故障发生时，车载诊断系统实时的存 储和显示故障报警信息。驾驶员根据故障级别决定处理方法。对于轻微的故障，驾驶员可 以根据故障信息提示自行解决，做到故障的及时排除，防止事故的发生。对于严重故障，需 要维修人员通过本故障诊断系统获得更详细的故障信息，以及时的确定故障发生部位，减 少了维修的复杂程度。近年来，CAN网络已经被广泛地应用在汽车上，将CAN作为标准的车内通信协议也 已经确定下来。但是与开放系统互连模型(OSI) —致，CAN规范只定义了模型的最下面两 层物理层和数据链路层。CANopen作为高层协议，支持各种CAN厂商设备的互用性、互换 性，能够实现在CAN网路中提供标准的、统一的系统通讯模式，并且提供设备功能的描述方 式，执行网络管理等功能。本发明以CANopen协议为混合动力汽车总线协议，制定针对混合 动力汽车的CANopen故障诊断通信规范，一方面探索CANopen在故障诊断系统中的应用，填 补国内空白。另一方面利用CANopen协议的模块化特点，增强系统的灵活性、适应性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有混合动力汽车诊断技术之不足，提出了一种基于 CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统的实现方法。该系统使传统车载故障诊断系统 与故障诊断仪相结合，将故障诊断仪完善的数据通信功能、友好的界面显示与在板故障诊 断的实时性相结合，完成故障信息如故障诊断码、故障描述等的实时采集与显示，以及故障 信息的有效管理。该系统不仅有故障诊断的功能，还有车辆实时信息显示的功能。
本发明采取如下技术方案来实现上述目的一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，其特征在于包括如下模 块1)故障诊断接口，通过诊断接口将车载CANopen网络与信息采集模块相连。2)信息采集模块，用于各个电子控制单元E⑶与主控制模块CANopen网络通讯。3)存储模块，用于存储程序、CANopen通讯协议、车型信息以及故障信息。4)液晶显示模块，用于显示故障指示灯，详细的故障信息及车辆实时数据的监测显不。5)语音报警模块，用于故障信息的声音提示及警报。6)触摸屏及键盘模块，用于显示界面的切换，实现人机交互。7)主控制模块，是整个系统的核心，采用TI公司的ARM926EJ-S内核的 TMS320DM355为主控芯片，该模块通过运行存储模块中的程序和CANopen协议，可接收信息 采集模块的CANopen报文，实现对整车CANopen网络的管理以及对CANopen报文的解析，获 取到故障信息及车辆实时数据，将故障信息放入存储模块，将显示内容送液晶显示模块同 时将故障报警信息送语音报警模块进行声音提示，以及接收触摸屏及键盘模块的人机交互 fn息ο8)电源模块，用于为整个系统供电。本系统通过故障诊断接口与车载CANopen网络系统相连接。存储模块、液晶显示 模块、语音报警模块、触摸屏及键盘模块、信息采集模块分别与主控模块交互连接。基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，根据不同的故障级别，在液晶 显示模块中用不同颜色指示灯闪烁显示。最严重的一类，只要发生一次就触发红色指示灯 闪烁；次严重的一类故障，只有在连续的两次行驶过程中发生才使黄色指示灯闪烁；瞬时 轻微故障，绿色指示灯闪烁。系统检测到严重故障时，通过CANopen网络控制发动机管理系统和自动变速箱控 制模块，限制发动机转速，将车速限制在10km/H。一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断方法，是以CANopen高层协议作 为混合动力汽车总线协议，根据制定的针对混合动力汽车的CANopen故障诊断通信规范， 对混合动力汽车进行车载故障诊断。具体采用如下步骤1)在整个汽车网络中，车载故障诊断系统作为CANopen主站，车载电子控制单元 ECU都为从节点；故障诊断系统中CANopen设备的故障信息存储在对象字典中，每一个标准 的故障码都对应一个对象字典项。当故障发生时，车载诊断系统利用应急报文，该应急报文 中包含当前发生故障的故障信息所存放的对象字典的索引和子索引，去触发一个SDO(服 务数据对象)，来读取此故障所对应对象字典项的故障诊断信息。2)故障诊断系统通过解析SDO报文，获取故障诊断信息。故障信息包括故障码、故 障级别、冻结帧三部分，故障码中包含汽车电控系统代号、故障所在子系统代号、故障代码 等信息。系统会根据故障的级别报警，同时将获取的故障信息存入数据存储管理单元中。3)数据存储管理单元存储有汽车当前正在发生的或最近发生的还未被排除的 故障的信息，过去发生的故障所产生的还未被清除的故障信息，故障所属汽车的子控制系 统和该故障诊断系统的所有故障码以及这些故障码的中英文描述。通过当前故障表、故障码总表、子系统表之间的相互检索，获得故障码的具体描述以及发生故障的电控系统，然后 将故障信息显示。4)故障信息显示单元不仅具有故障信息显示，还可以进行车辆实时数据监测显 示，实时数据的监控是通过CANopen的通讯对象PDO (过程数据对象)来实现，通过对PDO 报文的解析，将汽车内部传感器和执行器的工作电压和状态实时显示。上述步骤中故障信息的显示包括故障指示灯，当前故障码信息，历史故障码信息。上述步骤中在车辆实时数据监测显示界面中，实现了对发动机转速、电动机温度、 电池电压车辆信息的实时数据的监测，对电机电流波形，氧传感器波形采用图形化的显示 方法。与现有的汽车故障诊断系统与方法相比，本发明可以取得如下有益效果，由于采 用了嵌入式微处理器作为主控芯片和7寸液晶触摸屏作为人机交互接口，相对于现有故障 诊断技术中使用的计算机系统，体积小，成本低，更加便于安装与操作。本系统一方面实现 了车载故障诊断的功能，同时可对车辆实时数据进行监测显示。由于基于CANopen协议，在 与各个ECU的通讯时更加高效，诊断通讯更加规范，诊断效果好。另外本系统存储了不同车 型的信息，可以实现车型选择，适用于国内外多种车辆，增加了系统的使用范围。
图1 一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统的网络结构图。图2 —种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法的故障信息 通讯示意图。图3 —种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法故障信息 SDO报文结构。图4 一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法的系统故障 诊断工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明所公开的一种基于CANopen的混合动力 汽车车载故障诊断系统和诊断方法所进一步地说明。实施例1 如图1所示，混合动力汽车需要电机、发动机、中央仪表监控、整车控制器和电池 等部件的协同工作，各个部件都挂接在CAN总线上，但CAN本身并非是一个完整的协议，它 只包括物理层和数据链路层，要进行高效率的通讯还要进一步开发高层协议。CANopen是在 CAN2. O基础上发展起来的应用层通讯协议，是一种公共开放通用的协议，而且精练透明、容 易开发，并且具有可配置性，很容易扩展以构成特定的网络应用。基于这些特点，该混合动 力汽车车载故障诊断系统采用CANopen通讯协议。混合动力汽车内的各个控制系统作为 CANopen网络的节点，通过CAN总线进行数据交换。车载故障诊断系统作为其中的一个节 点，通过CANopen网络和各个节点之间实现通讯，获得总线上的故障信息报文，实现对汽车 上的各个电控系统的监测和故障诊断。为了故障诊断通信，制定了故障诊断系统的CANopen诊断通信规范制定，即利用CANopen应急报文和通讯对象SDO的通信规范的故障诊断。各个电子控制单元分布有多个 传感器和执行机构，移植有CANopen协议从站，故障信息储存在其对象字典中，每一个标准 的故障码都对应一个对象字典项。当其检测到故障时，会发送包含有当前发生故障的故障 信息所存放的对象字典的索引和子索引的CANopen应急报文，去触发一个SDO来读取此故 障所对应对象字典项的故障诊断信息。以汽车中发动机节点发生故障为例，具体通讯示意 图如图2所示。根据应急报文各部分的定义，应急错误代码和错误寄存器中都有与设备相关的错 误的规定。利用报文中制造商特定错误区域来传送与设备相关的错误信息。应急报文如表 1所示。表1与故障相关应急报文 SDO加速传送最多传输4字节数据，故障码和故障级别要使用3个字节表示，有些 冻结帧数据的长度大于1个字节，所以SDO采用加速传送和分段传送两种传送方式。SDO报 文结构如图3所示。故障码是采用OBD-II标准的故障码格式，故障码和故障级别在报文中的结构如 表2所示。冻结帧数据是指当故障发生时截取的相应电控系统的一些重要运行参数，以供 汽车维修时参考。不同的电控系统，冻结帧数据所代表的参数类型是不同的，由故障码的第 一和第三位来区分，具体对应关系如表3。表2故障诊断码和故障级别结构 Dl 表示故障码的第一个字母的代码，动力系统P为00，车身系统B为01，底盘系 统C为10，网络通信系统U为11。D2、D3、D4、D5 分别表示故障码的第二、第三、第四、第五个数字。G 表示故障级 别，OOH表示最严重的故障，红色故障指示灯闪烁。OlH表示次严重的故障，黄色故障指示灯 闪烁。IOH表示轻微故障，绿色故障指示灯闪烁。表3汽车电控系统与冻结帧数据的对应关系 在对象字典中故障信息存放区位于索引9000-9FFF处，如表4所示，故障信息的具 体分配见附录。故障信息包括故障码、故障级别、冻结帧三部分。表4对象字典中的故障信息分配 PDO用来传输汽车实时数据，优先级比较高，可以事件触发，并且可以被一个节点 发送网络中的多个节点进行接收，尤其是在汽车网络中有利于实现汽车内部重要参数的共享。综上所述改系统利用CANopen应急报文和通讯对象SDO故障诊断规范，利用通讯 对象PDO实时监控规范，利用了 CANopen标准的通信模式，并且可以传输大的数据，有利于 大量诊断数据的传输和整车实时监控。车载故障诊断系统通过分析CANopen报文，从而获得故障诊断信息、汽车实时运 行参数等信息。根据故障的级别点亮相应的故障报警指示灯。分析故障信息，把它们存储 在数据存储管理单元中的当前故障表中，通过一定的分析检索获得故障码的具体描述。将 故障码、故障所属系统、故障描述等信息显示在故障诊断界面中。本发明中故障诊断系统的故障码采用OBD-II标准的定义方式，每一个故障码代表着一个唯一的故障。为了方便存储以及管理这些标准的故障码以及当前的、历史的故障 诊断信息，在数据存储管理单元中分别建立了当前故障表、历史故障表、故障码总表和子系 统表。当前故障表中存储有汽车当前故障所产生的故障码、当前故障发生时间、当前故障的 级别、当前故障发生时的冻结帧数据。历史故障表中存储有历史故障产生的故障码、历史故 障发生时间、历史故障级别、该历史故障码的中文解释、该历史故障码的英文解释、以及该 故障曾经发生时的冻结帧数据。故障码总表中存储有该故障诊断系统的所有故障码以及这 些故障码的中英文描述，包括所有OBD-II标准的故障码以及自定义的一些故障码。OBD-II 标准的故障码由五位组成，每一位代表着不同的含义。部分数据如表5所示。子系统表中 用来存储故障所属汽车的子控制系统。通过当前故障表、故障码总表、子系统表之间的相互 检索，获得故障码的具体描述以及发生故障的电控系统。
表5部分故障码数据表 系统的故障诊断工作流程图如图4所示将车载诊断仪安装在车辆适当位置，方 便驾驶员操作使用。汽车启动运行，诊断装置工作后，诊断系统首先进行一些数据存储管理 单元和CANOpen主站以及网络的初始化的工作。当ECU监测到故障信息后，会发送包含有当 前发生故障的故障信息所存放的对象字典的索引和子索引的CANopen应急报文。当诊断系 统受到应急报文后，会触发一个SDO来读取此故障所对应对象字典项的故障诊断信息。通 过对报文的解析，首先根据故障的级别进行指示灯闪烁报警和语音报警。故障被分为三个 级别A、B、C类。A类故障是最严重的一类，只要发生一次就触发红色指示灯闪烁。B类故 障是次严重的一类故障，只有在连续的两次行驶过程中发生才使黄色指示灯闪烁。C类故 障表示发生一个瞬时轻微故障，绿色指示灯闪烁。在对故障信息进行查询时，通过存储的故 障信息获取具体故障描述以及发生故障的位置，显示当前故障码信息，历史故障码信息。没 有故障发生时，本系统还可以对发动机转速、电动机温度、电池电压信息进行实时的监视显示，对电机电流波形，氧传感器波形一些参量可采用图形化的显示方法。驾驶员或维修人员 可以通过触摸屏或者按键进行界面的切换。
权利要求
一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，其特征在于包括1)故障诊断接口，通过诊断接口将车载CANopen网络与信息采集模块相连；2)信息采集模块，用于各个电子控制单元ECU与主控制模块CANopen网络通讯；3)存储模块，用于存储程序、CANopen通讯协议、车型信息以及故障信息；4)液晶显示模块，用于显示故障指示灯，详细的故障信息及车辆实时数据的监测显示；5)语音报警模块，用于故障信息的声音提示及警报；6)触摸屏及键盘模块，用于显示界面的切换，实现人机交互；7)主控制模块，是整个系统的核心，采用TI公司的ARM926EJ S内核的TMS320DM355为主控芯片，该模块通过运行存储模块中的程序和CANopen协议，可接收信息采集模块的CANopen报文，实现对整车CANopen网络的管理以及对CANopen报文的解析，获取到故障信息及车辆实时数据，将故障信息放入存储模块，将显示内容送液晶显示模块同时将故障报警信息送语音报警模块进行声音提示，以及接收触摸屏及键盘模块的人机交互信息；8)电源模块，用于为整个系统供电；本系统通过故障诊断接口与车载CANopen网络系统相连接。存储模块、液晶显示模块、语音报警模块、触摸屏及键盘模块、信息采集模块分别与主控模块交互连接。
2.根据权利要求1所述的基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，其特征在 于根据不同的故障级别，在液晶显示模块中，故障显示界面中不同颜色指示灯分别闪烁。 最严重的一类，只要发生一次就触发红色指示灯闪烁；次严重的一类故障，只有在连续的两 次行驶过程中发生才使黄色指示灯闪烁；瞬时轻微故障，绿色指示灯闪烁。
3.根据权利要求1所述的基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，其特征在 于系统检测到严重故障时，通过CANopen网络控制发动机管理系统和自动变速箱控制模 块，限制发动机转速，将车速限制在10km/H。
4.一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断方法，其特征在于包括以CANopen 高层协议作为混合动力汽车总线协议，根据制定的针对混合动力汽车的CANopen故障诊断 通信规范，对混合动力汽车进行车载故障诊断；具体采用如下步骤1)在整个汽车网络中，车载故障诊断系统作为CANopen主站，车载电子控制单元E⑶都 为从节点；故障诊断系统中CANopen设备的故障信息存储在对象字典中，每一个标准的故 障码都对应一个对象字典项；当故障发生时，车载诊断系统利用应急报文，该应急报文中包 含当前发生故障的故障信息所存放的对象字典的索引和子索引，去触发一个SDO(服务数 据对象)，来读取此故障所对应对象字典项的故障诊断信息；2)故障诊断系统通过解析SDO报文，获取故障诊断信息；故障信息包括故障码、故障级 别、冻结帧三部分，故障码中包含汽车电控系统代号、故障所在子系统代号、故障代码；系统 会根据故障的级别报警，同时将获取的故障信息存入数据存储管理单元中；3)数据存储管理单元存储有汽车当前正在发生的或最近发生的还未被排除的故障 的信息，过去发生的故障所产生的还未被清除的故障信息，故障所属汽车的子控制系统和 该故障诊断系统的所有故障码以及这些故障码的中英文描述；通过当前故障表、故障码总 表、子系统表之间的相互检索，获得故障码的具体描述以及发生故障的电控系统，然后将故 障信息显示；4)故障信息显示单元不仅具有故障信息显示，还可以进行车辆实时数据监测显示，实 时数据的监控是通过CANopen的通讯对象PDO来实现，通过对PDO报文的解析，将汽车内部 传感器和执行器的工作电压和状态实时显示。
5.根据权利要求4所述的一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断方法，其特 征在于所述步骤4)中故障信息的显示包括故障指示灯，当前故障码信息，历史故障码信 肩、ο
6.根据权利要求4或5所述的一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断方法， 其特征在于所述步骤4)中在车辆实时数据监测显示界面中，对发动机转速、电动机温度、 电池电压车辆信息可以实现实时数据的监测，对电机电流波形，氧传感器波形采用图形化 的现实方法。
全文摘要
本发明公开了一种基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统和诊断方法，属于汽车故障诊断故障领域。基于CANopen的混合动力汽车车载故障诊断系统，包括故障诊断接口、信息采集模块、存储模块、液晶显示模块、语音报警模块、触摸屏及键盘模块、主控制模块和电源模块。在故障发生时，作为CANopen主站的该诊断系统利用应急报文去触发一个SDO(服务数据对象)读取故障所对应对象字典项的故障诊断信息，分析故障信息，把它们存储在故障信息管理单元中，同时将故障信息显示在故障诊断界面中。本发明完成了故障信息和车辆实时数据的实时采集与显示，以及故障信息的有效管理。
文档编号G05B23/02GK101923348SQ20101023326
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者余春暄, 张明杰, 赵伟 申请人:北京工业大学