OBD汽车诊断系统在汽车检测中的应用
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摘要： obd（On-Board Diagnostics）指汽车车载诊断系统，被用来确定是否由于汽车零部件的故障导致污染物排放超过规定值。本文介绍了汽车车载诊断系统的发展历程，对第二代汽车诊断系统OBDⅡ的系统软硬件组成、工作原理、发展方向等方面作了重点介绍。
Abstract： OBD refers to On-Board Diagnostics， which is used to determine if auto parts failure results in emissions exceeding the specified value. This article describes the development history of the vehicle diagnostic system， and focuses on the hardware and software components， operating principle， and development direction of second-generation diagnostic system （OBD II）.
关键词： OBD；汽车诊断；故障检测
Key words： OBD；vehicle diagnosis；fault diagnosis
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0172-02
0 引言
OBD（On-Board Diagnostics）指车载诊断系统，是一种检测汽车故障的计算机程序系统，是目前常用的汽车诊断技术，主要用来确定是否由于汽车零部件的故障导致污染物排放超过规定值。当系统检测出某一元件或系统出现故障时，提醒驾驶员及时检测，此外也可以协助维修人员查找并排除故障，使得维修人员能够通过人机对话的形式更加快捷和准确地找出汽车的故障原因，大大提高了工作效率，同时有利于延长汽车的使用寿命。汽车诊断系统主要经历了第一代车载诊断系统（OBDⅠ）、第二代车载诊断系统（OBDⅡ）两个阶段，近年来逐渐往OBDⅢ阶段发展，目前最常用的诊断技术为OBDⅡ。本文主要介绍和研究了汽车诊断系统（OBD）的系统软硬件组成、工作原理、发展方向等几个方面。
1 OBDⅡ的系统组成
1.1 OBDⅡ系统硬件组成 OBDⅡ的硬件主要由各传感器、ECU（Electronic Control Unit：电子控制单元）、OBDⅡ连接器插口、故障显示灯、执行器及线路等与发动机废气控制相关的子系统组成。各控制系统的核心ECU之间通过汽车总线共享和交流信息。OBDⅡ由各控制系统的ECU，各传感器，故障指示灯，诊断连接插座（DLC），及汽车总线组成。系统的核心是各个ECU。根据硬件电路要求，如图1所示，系统设计硬件结构采用MC33290芯片作为K线与LPC1768之间的异步串行通信的转换接口，提供半双工与双向的半双工模式的转换和接口电平转换。系统与外部设备连接采用串口蓝牙模块。系统中加入SPI接口的LCD显示模块，实时显示系统的运行状态和获取的数据。
1.2 OBDⅡ系统软件组成 OBDⅡ的软件包括故障诊断控制策略代码和标定，与发动机控制部分一起构成整个发动机控制系统的软件包。软件系统采用分层结构，先将请求帧传递到抽象层，然后发送到ECU。ECU根据请求帧向抽象层发回响应帧，抽象层立刻将数据指针传递到数据链路层，数据链路层将数据存储在结构体中，然后据数据的先后顺序进行数据重组。通过传递函数将数据传到传输层，传输层将数据的缓冲区指针传递给应用层，应用层将数据送到显示模块或者蓝牙模块。
2 OBDⅡ技术应用
OBDⅡ提供了标准输出模块对汽车的发动机和排气后处理系统进行在线监测和诊断。在汽车行驶过程中，各个ECU通过汽车总线不断监控各种传感器、执行机构的输入信息。当系统检测到一个或者多个故障信号并确定为故障后，检查发动机（Check Engine）警告灯或故障指示灯（MIL）点亮，同时发动机电脑将故障信息以故障代码的形式存入存储器。进行故障诊断时，维修人员可以使用诊断仪按照诊断协议的规定，与各个ECU进行对话，从发动机电脑中读出故障代码和其他信息。依照故障码的提示，维修人员可以方便快捷、准确地确定故障的性质和部位。从而有针对性地去检查有关部位、元件和线路，保证快速准确的找出汽车故障。常用的监测内容包括：前氧传感器监测、催化转化器劣化监测和发动机失火监测等，其具体原理如下：
2.1 监测前氧传感器 带有OBD系统的机动车装有两个氧传感器，它们分别安装在催化转化器前后两端。前氧传感器收集发动机尾气信息并反馈给电控单元，后氧传感器配合前氧传感器一同监测催化转化器。
氧传感器将发动机尾气中的氧气浓度转化成电压信号，反馈给电控单元。OBD系统通过监测氧传感器电压信号的范围、响应速度、跳变时间等信息，判断氧传感器是否工作正常。
机动车的氧传感器一般在空燃比λ=1处发生阶跃。在稳定工况下，当λ1时，电压为100～250mV，当电控单元进入闭环控制后，氧传感器信号电压在100～900mV之间不断波动，如图2（a）所示。
如果氧传感器电压信号响应速度越来越低，表现为动态响应的电压趋于平缓，如图2（b）所示。当响应速度超过了OBD标定的参数时，则电控单元将会判定氧传感器劣化。
2.2 监测催化转化器劣化 电控单元通过不断地调整发动机喷油量和进气量，确保空燃比始终在理论值附近。但由于系统响应延迟导致实际空燃比总是在理论值上波动，因此发动机排出的尾气中的氧气含量也随着空燃比的变化而变化。当催化器正常运行时，前氧传感器监测未经过催化器处理的尾气，它的电压波动十分剧烈，而后氧传感器由于在催化器下游，它监测到的尾气氧气含量相对稳定，所以它的电压波动比较平缓，如图3（a）所示。
当催化器严重劣化或失效时，尾气得不到有效的净化，后氧传感器的电压波动将变得剧烈，电压信号的波形趋于前氧传感器，如图3（b）所示。这时，电控单元就会判断催化器无法正常运作。
2.3 监测发动机转速 发动机转速为发动机曲轴每分钟的回转数，发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。发动机在怠速时候转速一般可以达到700r/min，正常运行时候可以带到3000r/min。
发动机转速的测量通常采用转速传感器，与飞轮上面的信号齿相对应来进行。其方式有很多种，常用的有转速钳模式、点火线圈脉冲、汽车振动分析测量、光电传感器测量等方式。但由于新型轿车的发动机封闭性比较强，无法靠近点火脉冲线圈，采用点火线圈脉冲方式测量已不适用，而转速钳方式需要打开发动机盖进行测量，同时也容易损坏，对于压燃式发动机无法适应。振动的测量方式针对振动微弱的V6发动机会出现测量不准确，高速时振动检测有干扰影响等问题，同时这2种方式均需要打开汽车前端机盖，操作繁琐，安全系数较低。因此用这些常用的检测发动机转速都比较繁杂并且不稳定。
然而，OBD-Ⅱ技术可通过向OBD汽车诊断协议芯片发送相应指令，协议芯片接收指令后转换成单个字节的16进制数据发送到车辆电脑数据总线（OBD命令实际是被嵌入到数据消息包内后发送到数据总线上的），因此，OBD-Ⅱ能够在发动机的运行状况中持续不断地读取其转速，实现汽车发动机转速的高精度测量，并与汽车表盘同步，同时配有TTL输出，串口输出，其测量方式比其他方式简洁，方便，更准确，而且响应时间快，且能够连接尾气分析仪和上位机等。
因此在汽车双怠速法（静态测量）和工况法（利用底盘测功机模拟路况测量）中，OBD-Ⅱ通过读取发动机转速来监控汽车尾气，并有严格的排放针对性，当汽车排放的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物或燃油蒸发污染量超过设定的标准，就会马上发出警报。当系统出现故障时，故障（MIL）灯或检查发动机（Check Engine）警告灯亮，同时动力总成控制模块（PCM）将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从发动机电脑PCM中读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。
3 OBD发展方向
随着汽车标定技术的进一步提高，ECU和驾驶仪表通信的进一步完善，汽车仪表设计制造的进一步合理，OBD也将会进一步发展，具体可以可能包括以下两个方面：①故障码将进一步准确、具体，单一故障码将只会涉及更小的软、硬件范围；②当OBD报警时，仪表显示将不仅仅是故障显示灯，同时将显示故障码，以及简洁的故障信息文字说明，以便给故障原因判断入维修准备带来更大的方便。
4 结束语
本文介绍了汽车诊断系统OBD的发展历程，重点对OBDⅡ的软硬件组成和通信协议、工作原理、发展方向等几个方面进行了分析。随着人类社会的进一步发展和各种高科技技术的发展，汽车诊断系统也将不断得到完善和提高，这将不仅有助于社会环保能力的提高，同时也对汽车产业升级具有积极的推动作用。
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