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基于OBD協議的Android平臺汽車虛擬儀表設計

來源：電子技術應用2011年第12期

蔡黎1，代妮娜1，鄧明2

1. 重慶三峽學院電子與信息工程學院，重慶 404000； 2. 長安汽車研發中心系統所5室，重慶400023

摘要： 提出了一種基于OBD協議的Android平臺汽車虛擬儀表設計方法。該裝置以連接器硬件和解析OBD數據軟件為核心，連接器硬件讀取OBD接口實時數據,軟件解析相關參數值,最后在Android平臺設備上進行圖形化虛擬儀表顯示。在分析OBD協議關鍵技術后,具體闡述了Android SDK開發環境下軟件的設計方案。按該方案設計的汽車虛擬儀表已經實現，工程實測證明：此種設計方案高效可靠，能夠達到監測汽車運行參數的預期目的。

關鍵詞： 車載診斷系統 Android 汽車虛擬儀表 OBD協議

中圖分類號: TP274
文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2011)12-0083-04

Design of car virtual instrument based on OBD for Android

Cai Li1, Dai Nina1, Deng Ming2

1. Department of Electronic and Information Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China; 2. Room 5 of System Department, Changan Automobile R&D Center, Chongqing 404000, China

Abstract： The car virtual instrument design using OBD protocol is developed for Android. The core of the device is including the hardware for connector and software for analyzing the OBD data. The connector reads the real-time data from the OBD interface, analyzes related parameters by its analysis module, and then displays by a graphical way in the device. The method to achieve the software in the android SDK development environment is elaborated specifically after analyzing the key technology of the OBD protocol. This design of the car visual instrument has been realized. The tests in practice have proved that it is efficient and reliable enough to achieve the desire of monitoring the vehicle operating parameters.

Key words : OBD； Android； car； virtual instrument

    OBD(On Board Diagnostics)即“車載診斷系統”[1]，裝載OBD協議的汽車能夠自動監測汽車各項運行參數，具有很高的安全性。但是受到OBD儀表高額制造成本的制約，絕大部分汽車只支持OBD協議并提供OBD接口，但是未設置OBD車載檢測儀表，因此OBD的各項功能未得到有效發揮。
    Android是一款基于Linux平臺的開源移動通信終端操作系統，由Google公司研發，目前全球長期使用的Android平臺設備約有1 300萬臺。
    本文介紹一種能夠應用在Android設備平臺的OBD汽車虛擬儀表設計方案。
1 系統整體設計
1.1 需求分析
    OBD系統能夠輸出汽車電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)通過車載傳感器獲得的燃油系統、溫度系統、點火系統、動力系統以及廢氣控制輔助裝置系統運行狀態數據，在發生故障的情況下則輸出故障碼。
    基于OBD協議的Android平臺汽車虛擬儀表需要實現的功能是擴展OBD接口功能,與OBD接口通信，解析相關報文數據流，將解析結果以圖形化的方式顯示，如動力監控界面能夠顯示發動機狀態、發動機轉速、當前時速、剩余油量、發動機溫度等。
1.2 整體設計
   用系統工程的方法劃分虛擬儀表設計工作，參照模塊化軟件開發規范，按照以下步驟實現汽車虛擬儀表：
    （1）分析OBD接口，設計硬件連接器，將電平轉換到Android平臺設備可接受的范圍；
    （2）虛擬儀表軟件初始化連接器，讀取輸入信號，解析OBO信號報文并以圖形化的方式顯示。系統子模塊圖如圖1所示。

2 OBD接口
根據ISO DIS 15031-3規范，OBD接口被定義為雙排16針插座,有A、B兩種外形規范，A用于小型乘用車，B用于載重汽車[2]。A型接口一般位于轉向柱和汽車中線之間。16個引腳信號定義如下。
如圖2，插座的02、06、07、10、14 和15號引腳用于傳輸不同的汽車通信協議，通常用其作為診斷通信接口。因為一個型號的汽車只使用一種協議，所以同一型號的汽車，只需要使用其中的一個接線柱。插座01、03、08、09、11、12 和13 未做分配，由車輛制造廠商自行定義。如第4節工程實測中使用的長城CC7130SM00 汽車，將11 腳定義為發動機防盜信號、12定義為ABS(Anti-locked Braking System)車輪防抱死信號、13腳定義為安全氣囊信號。

3 硬件連接器設計
3.1 連接器設計
連接器的作用是將OBD接口輸出信號轉換為Android平臺設備能夠識別的信號并輸入。此處選用ELM電子生產的OBD轉RS232專用芯片ELM327作為連接器主控芯片，連接器一端連接OBD插座，OBD接口16號引腳為芯片供電，OBD信號通過芯片轉換后從數據收發口RXD、TXD輸出。基于ELM327的連接器組成框圖如圖3所示。

3.2 電平轉換
Android平臺設備一般采用無線藍牙、WLAN或有線USB端口進行數據通信，這里選擇USB端口作為信號輸入端口。ELM327輸出的信號范圍是0 V~12 V，Android平臺設備USB端口接收的信號范圍為0 V~5 V，兩者不匹配[3],設計以PL2303芯片為核心的轉換電路完成轉換，電路圖如圖4所示。

4 虛擬儀表軟件設計

   軟件設計平臺選用Java JDK、Eclipse IDE for Java EE Developers和Android SDK共同構建的開發平臺[4]。采用模塊化的設計方法，將虛擬儀表軟件分為通信初始化模塊、OBD數據解析模塊、計算與顯示模塊。
4.1 通信初始化模塊
    通信初始化模塊功能是通過連接器實現OBD插座與Android平臺設備的互聯。
    （1）打開USB通用串行端口，代碼如下：
　　Fd=open("/dev/ttyS0",O_RDWR)；
　　“/dev/ttyS0”為USB端口設備文件，O_RDWR表示可以對USB串端口進行讀寫。
    （2）設定串行通信參數，SAE J1979協議規定，工程實測中使用的長城CC7130SM00 汽車OBD工作波特率為9 600 Kb/s，每一幀數據由8位數據位和1位停止位組成，幀數據中無奇偶校驗位[5]。Android平臺將USB端口當做終端I/O文件管理，其參數設置使用Struct Termios結構體實現：
       Etispeed( ttys0_opt, B9600)；　　        //設置波特率9 600
　   Ttys0_opt.c_cflag|=CS8；　　            //設置8位數據位
　   Ttys0_opt.c_cflag &= ~(PARENB|CSTOPB；
　　                                                      //設置1位停止位，無奇偶校驗位
4.2 OBD報文解析
    報文解析模塊是虛擬儀表的核心，以OBD報文組成為基礎定義其主要工作流程圖如圖5所示。

   （1）模式選擇： SAE J1979 定義了9診斷模式用以獲得不同類型的診斷報文數據，本設計只選用選擇模式2，即獲取動力系統監控數據模式。發送指令“PID$02”到OBD接口，可指定OBD工作在診斷模式2，將當前動力系統監控數據送出。
   （2）發送詢問碼：虛擬儀表軟件通過USB端口發送命令到OBD接口用函數Write ( )實現，關鍵代碼如下：
    CMDbuf=PID$02；
    N= Write ( fd, CMDbuf,)；
　　以上代碼將命令變量CMDbuf中的數據從Android平臺設備輸出到汽車的OBD端口，返回讀取的字節數。運行后，汽車ECU接收數據，OBD接口工作在診斷模式2。
　　（3）讀取信號數據：虛擬儀表軟件通過USB端口讀取OBD接口的數據用函數Read( )實現，關鍵代碼如下：
　　N=Read(fd, Rsbuf, 8)；
　　以上代碼將汽車OBD端口Android平臺設備USB端口的數據讀入結果變量Rsbuf中待解析，返回讀取的字節數。
    （4）從虛擬儀表軟件的健康度考慮，將報文信號分為開關信號和流信號分別進行解析。
    開關信號報文內容為故障碼，對應的程序變量為Logic布爾型，首先建立動力系統的故障碼與主要故障碼映射簡表如表1所示。

   通過查表1實現報文的解析，如待解析的OBD報文中含有“P0196”故障碼，則通過查表可判定故障為發動機機油溫度傳感器線路電壓不正確[6]，此時軟件將發動機故障狀態邏輯變量置1，即用紅色顯示發動機故障。關鍵代碼如下：
　   if((EngStas=1)){
　   MainFm.EngPIC.Color=#33FF00;}
　   else{
　   MainFm.EngPIC.Color=#FF0000;}
　   流信號為數值數據，如發動機轉速。解析的主要工作是進行變量類型轉換：報文中的數值數據為String字符型，應先使用如下代碼轉換為INT整型變量后提交圖形顯示。
　　Int i = Integer.parseInt([String])；
4.3 圖形顯示
   圖形顯示模塊的設計關鍵在于虛擬儀表指針動態顯示效果實現。先用圖像處理軟件Photoshop繪制儀表盤并保存為JPG圖像，添加JLabel控件引用圖像：
   Private URL；
　   IURL=getClass().getResource("Rate.jpg")；
　   JLabel pic=new JLabel(new ImageIcon(IURL))；
　   指針需要呈現的隨相關變量的改變而改變的動態效果，調用AWT (Abstract Window Toolkit) 抽象窗口工具集實現[7]。用DrawLine指令繪制儀表指針，并預先將數值轉化為指針起點終點位置坐標數據。如繪制從起點（X1，Y1）到終點（X2，Y2）直線段的關鍵代碼如下：
   DrawLine(int X1，int Y1，int X2，int Y2)；
5 工程實測
   選用Android平臺設備摩托羅拉ME722，軟件版本Android2.2.2，設置設備為UBS開發模式并預先用三方軟件取得系統Root權限，選用長城CC7130SM00轎車作為實測車輛。使用第3節中設計的連接器連接設備和OBD接口后，運行第4節設計的虛擬儀表軟件。
    虛擬儀表成功讀取汽車動力系統的發動機狀態、轉速、溫度、行駛速度、存油量等參數信息并顯示，顯示結果和汽車儀表盤完全一致，達到設計的預期目的。如圖6、圖7所示。

基于OBD協議的Android平臺汽車虛擬儀表設計方法真實有效，其價格低廉，通用性好,實用性強，達到了預期的設計目標，可以直接用于小型載客汽車或在稍作改造后用于重型汽車或其他支持OBD協議的車輛。
參考文獻
[1] CAVALIER S. Meeting real-time constraints in CAN[C].IEEE Transactions on industrial informatics，2005,1(2):124-135.
[2] 尹玉梅. 基于CAN總線和MiniGUI的虛擬儀表設計[J].電子技術應用,2010,36(2):85-87.
[3] CARLOSENA A, MACUA C. Instrument for the Measurement of the instantaneous frequency[C].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2000,1:1-4.
[4] App Inventor[EB/OL].http://appinventor.googlelabs.com,2010.
[5] 炫麗汽車使用手冊[M].保定:長城汽車股份有限公司,2008.
[6] BOSCH Company. CAN Specification Version2.0[EB/DL].http://www.bosch. Com. Germany.2011.
[7] 蔡體菁.嵌入式GPS/MIMU/磁羅盤組合導航系統[J].儀器儀表學報,2010(12):32-37.

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