智能车载OBD-II诊断终端

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DS小龙哥 发表于 2025/03/30 19:14:31 2025/03/30
【摘要】 本项目基于STM32微控制器，设计一款多功能车载终端，能够读取发动机数据、记录行驶轨迹并通过4G网络上传至管理平台。终端支持本地存储，确保数据在通信中断时仍可保存，满足高可靠性要求。

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1. 项目开发背景

随着汽车电子技术的快速发展，车辆诊断和远程监控成为现代交通管理的重要组成部分。传统车辆诊断依赖专业设备和人工操作，效率低且无法实时监控。智能车载OBD-II诊断终端通过集成OBD-II协议解析、GPS定位和4G通信技术，实现对车辆状态的实时监测、故障诊断和远程数据传输，为交通管理、车队运营和车主维护提供高效解决方案。

近年来，物联网（IoT）技术在汽车领域的应用日益广泛。通过OBD-II接口获取车辆数据，结合云端平台分析，可以优化驾驶行为、预测车辆故障并提升道路安全。此外，政府和企业对车辆监控的需求不断增加，例如物流车队管理、共享汽车运营等，均需要实时获取车辆位置和状态信息。

本项目基于STM32微控制器，设计一款多功能车载终端，能够读取发动机数据、记录行驶轨迹并通过4G网络上传至管理平台。终端支持本地存储，确保数据在通信中断时仍可保存，满足高可靠性要求。

2. 设计实现的功能

（1） OBD-II数据读取：通过ELM327模块解析车辆发动机数据，包括转速、油耗、故障码等，支持标准OBD-II协议（如SAE J1979）。 （2） GPS定位：集成NEO-6M模块，实时获取车辆经纬度、速度和时间信息，支持轨迹记录与回放。 （3） 4G数据传输：通过SIM7600CE模块将车辆数据和位置信息上传至云端平台，支持TCP/IP协议和HTTP/HTTPS通信。 （4） 本地数据存储：使用MicroSD卡存储历史数据，采用FATFS文件系统管理，支持数据导出与分析。 （5） 多模块协同处理：通过双串口分别管理GPS和4G模块，硬件SPI驱动存储模块，确保系统高效运行。

3. 项目硬件模块组成

（1） 主控单元：STM32F103RCT6，基于ARM Cortex-M3内核，提供丰富的外设接口（USART、SPI、GPIO）。 （2） OBD-II诊断模块：ELM327，支持多种通信协议（CAN、KWP2000），通过AT指令集与主控交互。 （3） GPS模块：NEO-6M，支持多卫星系统定位，输出NMEA-0183格式数据。 （4） 4G通信模块：SIM7600CE，支持全球频段，内置TCP/IP协议栈。 （5） 存储模块：MicroSD卡槽，通过SPI接口与主控连接，容量可扩展至32GB。

4. 设计思路

系统设计以STM32为核心，通过模块化架构实现功能划分。主控通过USART1与ELM327通信，发送AT指令请求发动机数据并解析响应；USART2连接NEO-6M，实时解析GPS数据；USART3驱动SIM7600CE，定时上传数据至云端。硬件SPI接口用于读写MicroSD卡，FATFS文件系统提供高效的存储管理。

软件设计采用分层结构：硬件驱动层（串口、SPI初始化）、协议解析层（OBD-II、NMEA）、应用层（数据打包、网络通信）。任务调度基于前后台系统，通过中断处理实时性要求高的操作（如GPS数据接收），主循环处理数据存储和上传逻辑。

为提高可靠性，系统加入看门狗定时器和数据校验机制。若4G网络不可用，数据暂存至SD卡，待网络恢复后重传。

5. 系统功能总结

功能 实现方式 技术指标
OBD-II数据读取 ELM327模块+USART通信 支持5种PID协议，响应时间<100ms
GPS定位 NEO-6M模块+NMEA解析 定位精度2.5m，更新频率1Hz
4G数据传输 SIM7600CE+HTTP POST 支持移动/联通/电信网络，传输间隔可调
本地存储 MicroSD卡+FATFS 最大支持32GB，写入速度1MB/s

6. 技术方案

通信协议：

  • OBD-II数据请求使用标准服务模式（如01 0C获取转速），ELM327返回十六进制数据，主控转换为物理值。

  • GPS模块输出NMEA-0183语句（如GPRMC），通过串口中断接收并解析经纬度。

  • 4G模块通过AT指令建立PPP连接，使用MQTT或HTTP协议上传JSON格式数据包。

数据存储：

  • FATFS文件系统支持长文件名和扇区读写，历史数据按日期分文件存储（如20240329.csv）。

低功耗设计：

  • STM32进入睡眠模式时关闭非必要外设，GPS模块可配置为间歇工作模式。

7. 使用的模块技术详情介绍

（1） STM32F103RCT6：

  • 72MHz主频，256KB Flash，48KB RAM，3个USART，2个SPI接口。

  • 支持硬件浮点运算，适合实时数据处理。

（2） ELM327：

  • 支持CAN 11bit/29bit、ISO15765-4等协议，波特率38400bps。

  • 指令示例：ATZ（复位）、010D（请求车速）。

（3） NEO-6M：

  • 50通道GPS接收，冷启动时间27s，功耗45mA。

  • 输出语句：$GPRMC,083559.00,A,2232.1234,N,11401.4567,E,0.0,0.0,290319,,*3F。

（4） SIM7600CE：

  • 支持LTE Cat4（150Mbps下行），内嵌GNSS（可选）。

  • AT指令示例：AT+HTTPPARA="URL","http://api.example.com"。

8. 预期成果

  • 完成硬件PCB设计（四层板，EMC优化）及嵌入式软件开发（Keil MDK环境）。

  • 实现车辆数据实时显示（可通过串口调试助手查看）。

  • 云端平台接收数据并可视化展示（如百度地图轨迹、发动机参数曲线）。

9. 总结

本设计通过整合OBD-II诊断、GPS定位和4G通信技术，构建了一套高性能车载监控系统。模块化硬件设计和分层软件架构保证了扩展性和维护性，可广泛应用于智慧交通、UBI保险等领域。后续可加入AI算法分析驾驶行为，或扩展为车载网关集成更多传感器。



整体代码设计思路

本系统采用模块化分层架构设计，主要分为以下几个层次：

  1. 硬件驱动层：

    • 初始化所有外设接口(USART、SPI、GPIO等)

    • 提供基础通信接口函数

    • 实现看门狗和系统时钟配置

  2. 设备驱动层：

    • OBD-II模块(ELM327)驱动

    • GPS(NEO-6M)模块驱动

    • 4G(SIM7600CE)模块驱动

    • MicroSD卡存储驱动

  3. 协议解析层：

    • OBD-II协议解析(PID参数转换)

    • NMEA-0183协议解析

    • 自定义数据打包协议

  4. 应用逻辑层：

    • 主循环任务调度

    • 数据采集与处理

    • 网络通信管理

    • 本地存储管理

系统采用中断+轮询的工作方式：

  • 串口通信使用中断接收

  • GPS数据实时性要求高，使用独立串口+中断处理

  • 主循环中处理数据打包、存储和上传等非实时任务

完整main.c代码实现

#include "stm32f10x.h"
#include "el327_driver.h"
#include "neo6m_driver.h"
#include "sim7600_driver.h"
#include "sd_card.h"
#include "fatfs.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
​
/* 全局变量定义 */
typedef struct {
    uint16_t engine_rpm;      // 发动机转速(rpm)
    uint8_t throttle_pos;     // 节气门开度(%)
    float fuel_consumption;   // 瞬时油耗(L/100km)
    uint8_t dtc_count;        // 故障码数量
    char dtc_codes[5][6];    // 故障码存储
} VehicleData;
​
typedef struct {
    float latitude;          // 纬度
    float longitude;         // 经度
    float speed;            // 速度(km/h)
    uint8_t satellite_num;  // 卫星数量
    char timestamp[20];     // 时间戳
} GpsData;
​
VehicleData vehicle_data;
GpsData gps_data;
uint8_t system_status = 0;  // 系统状态标志位
char upload_buffer[256];    // 数据上传缓冲区
​
/* 函数声明 */
void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Init(void);
void USART_Init(void);
void SPI_Init(void);
void IWDG_Init(void);
void Data_Collect_Task(void);
void Data_Upload_Task(void);
void Data_Store_Task(void);
void System_Status_Check(void);
​
int main(void)
{
    /* 硬件初始化 */
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();
    USART_Init();
    SPI_Init();
    IWDG_Init();
    
    /* 外设初始化 */
    ELM327_Init();
    NEO6M_Init();
    SIM7600_Init();
    SD_Card_Init();
    
    /* FATFS文件系统挂载 */
    if(f_mount(&SDFatFS, SDPath, 1) != FR_OK) {
        system_status |= 0x01;  // 标记SD卡初始化失败
    }
    
    /* 主循环 */
    while (1)
    {
        /* 喂狗 */
        HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
        
        /* 系统状态检测 */
        System_Status_Check();
        
        /* 数据采集任务 */
        Data_Collect_Task();
        
        /* 数据上传任务 */
        Data_Upload_Task();
        
        /* 数据存储任务 */
        Data_Store_Task();
        
        /* 延时100ms */
        HAL_Delay(100);
    }
}
​
/**
  * @brief 数据采集任务
  */
void Data_Collect_Task(void)
{
    static uint32_t last_obd_time = 0;
    static uint32_t last_gps_time = 0;
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    /* 每500ms采集一次OBD数据 */
    if(current_time - last_obd_time >= 500) {
        vehicle_data.engine_rpm = ELM327_GetRPM();
        vehicle_data.throttle_pos = ELM327_GetThrottlePosition();
        vehicle_data.fuel_consumption = ELM327_GetFuelConsumption();
        vehicle_data.dtc_count = ELM327_GetDTC(vehicle_data.dtc_codes);
        last_obd_time = current_time;
    }
    
    /* GPS数据通过中断实时更新，此处只做检查 */
    if(current_time - last_gps_time >= 1000) {
        if(NEO6M_IsDataReady()) {
            gps_data = NEO6M_GetData();
        }
        last_gps_time = current_time;
    }
}
​
/**
  * @brief 数据上传任务
  */
void Data_Upload_Task(void)
{
    static uint32_t last_upload_time = 0;
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    /* 每5秒尝试上传一次数据 */
    if(current_time - last_upload_time >= 5000) {
        /* 检查4G模块状态 */
        if(SIM7600_IsNetworkReady()) {
            /* 格式化JSON数据 */
            snprintf(upload_buffer, sizeof(upload_buffer),
                "{\"time\":\"%s\",\"lat\":%.6f,\"lng\":%.6f,\"speed\":%.1f,"
                "\"rpm\":%d,\"throttle\":%d,\"fuel\":%.2f,\"dtc\":%d}",
                gps_data.timestamp, gps_data.latitude, gps_data.longitude,
                gps_data.speed, vehicle_data.engine_rpm, vehicle_data.throttle_pos,
                vehicle_data.fuel_consumption, vehicle_data.dtc_count);
            
            /* 通过HTTP POST上传 */
            if(SIM7600_HTTP_Post("http://api.example.com/data", upload_buffer)) {
                system_status &= ~(0x02);  // 清除上传失败标志
            } else {
                system_status |= 0x02;     // 标记上传失败
            }
        }
        last_upload_time = current_time;
    }
}
​
/**
  * @brief 数据存储任务
  */
void Data_Store_Task(void)
{
    static uint32_t last_store_time = 0;
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    FIL file;
    FRESULT res;
    char filename[20];
    char store_buffer[128];
    
    /* 每分钟存储一次数据 */
    if(current_time - last_store_time >= 60000) {
        /* 按日期生成文件名 */
        snprintf(filename, sizeof(filename), "%s.csv", gps_data.timestamp);
        
        /* 打开或创建文件 */
        res = f_open(&file, filename, FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE);
        if(res == FR_OK) {
            /* 移动到文件末尾 */
            f_lseek(&file, f_size(&file));
            
            /* 格式化存储数据 */
            snprintf(store_buffer, sizeof(store_buffer),
                "%s,%.6f,%.6f,%.1f,%d,%d,%.2f,%d\n",
                gps_data.timestamp, gps_data.latitude, gps_data.longitude,
                gps_data.speed, vehicle_data.engine_rpm, vehicle_data.throttle_pos,
                vehicle_data.fuel_consumption, vehicle_data.dtc_count);
            
            /* 写入文件 */
            UINT bytes_written;
            f_write(&file, store_buffer, strlen(store_buffer), &bytes_written);
            
            /* 关闭文件 */
            f_close(&file);
            
            last_store_time = current_time;
        }
    }
}
​
/**
  * @brief 系统状态检测
  */
void System_Status_Check(void)
{
    static uint32_t last_check_time = 0;
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    /* 每10秒检查一次系统状态 */
    if(current_time - last_check_time >= 10000) {
        /* 检查GPS信号 */
        if(gps_data.satellite_num < 3) {
            system_status |= 0x04;  // GPS信号弱
        } else {
            system_status &= ~(0x04);
        }
        
        /* 检查4G模块 */
        if(!SIM7600_IsAlive()) {
            SIM7600_Reset();
        }
        
        last_check_time = current_time;
    }
}
​
/* 硬件初始化函数实现 */
void SystemClock_Config(void)
{
    // 时钟配置代码(根据实际硬件设计)
}
​
void GPIO_Init(void)
{
    // GPIO初始化代码
}
​
void USART_Init(void)
{
    // 串口初始化代码(USART1-ELM327, USART2-GPS, USART3-4G)
}
​
void SPI_Init(void)
{
    // SPI初始化代码(用于SD卡)
}
​
void IWDG_Init(void)
{
    // 独立看门狗初始化
}
​
/* 中断处理函数 */
void USART2_IRQHandler(void)
{
    // GPS数据接收中断处理
    NEO6M_IRQHandler();
}

代码设计特点说明

  1. 模块化设计：

    • 各功能模块(ELM327、NEO6M等)有独立的驱动文件

    • 主程序通过清晰定义的接口与各模块交互

  2. 任务调度策略：

    • 不同任务采用不同的执行频率：

      • 数据采集：500ms

      • 数据上传：5s

      • 数据存储：60s

      • 状态检测：10s

  3. 错误处理机制：

    • 使用system_status标志位记录系统状态

    • 关键外设有看门狗和复位机制

    • 网络异常时数据自动本地存储

  4. 数据流设计：

    • 原始数据采集 → 协议解析 → 格式化处理 → 存储/上传

    • GPS数据通过中断实时接收，确保时效性

  5. 资源优化：

    • 使用snprintf安全格式化字符串

    • 合理规划全局变量和局部变量

    • 避免在中断中进行复杂处理

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