程安宇，趙 恬，申 帥

（重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的汽車電子控制單元（electronic control unit，ECU）被應(yīng)用于汽車控制。傳統(tǒng)的診斷方法在診斷的準(zhǔn)確性、使用方便性等方面都難以適應(yīng)現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展［1］，為解決這一問題，汽車廠商在車輛ECU軟件系統(tǒng)中增設(shè)診斷協(xié)議部分。診斷功能的實(shí)現(xiàn)是ECU開發(fā)過程中的重要部分［2］。

CAN總線是目前汽車ECU實(shí)現(xiàn)通信的主要網(wǎng)絡(luò)。因此，基于CAN總線的ECU診斷功能的實(shí)現(xiàn)已成為診斷技術(shù)的必然趨勢。一致性測試是診斷協(xié)議測試的一個(gè)重要方面，是協(xié)議開發(fā)人員首要關(guān)心的問題，它測試診斷協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是否符合協(xié)議規(guī)范。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］在診斷協(xié)議的一致性測試方面測試用例較少，測試不全面，不能驗(yàn)證診斷功能是否符合協(xié)議。

本文根據(jù)某汽車廠商ECU的診斷需求規(guī)范，基于CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765，設(shè)計(jì)了測試方案和測試用例，測試用例涵蓋需求規(guī)范中的所有診斷數(shù)據(jù)，并通過CANoe總線分析軟件中CAPL編程模塊完成。

1 CAN總線的診斷系統(tǒng)分析

CAN總線診斷系統(tǒng)如圖1所示，客戶端向服務(wù)器ECU發(fā)送某服務(wù)的請求報(bào)文，服務(wù)器收到請求報(bào)文，對請求報(bào)文的格式和內(nèi)容進(jìn)行判斷后，發(fā)送響應(yīng)（肯定或否定響應(yīng)）報(bào)文或沒有響應(yīng)。診斷系統(tǒng)通過這種方式完成通信和數(shù)據(jù)的交換。

圖1 CAN總線診斷系統(tǒng)組成Fig 1 Composition of CAN bus diagnostic system

根據(jù)開放系統(tǒng)互連（open system interconnection，OSI）七層參考模型，CAN總線診斷通信系統(tǒng)分為4層，如圖2所示。應(yīng)用層遵循 ISO 14229—1UDS（unified diagnostic services）或ISO 15765—3中診斷服務(wù)的定義。網(wǎng)絡(luò)層遵循ISO 15765—2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?shù)據(jù)鏈路層和物理層遵循ISO 11898—1［4］。

圖2 OSI模型中UDS在CAN總線的實(shí)現(xiàn)Fig 2 Implementation of UDS on CAN bus in OSI model

CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765中，網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供服務(wù)接口，應(yīng)用層通過訪問這些服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層的信息交互［5］。

2 測試方案設(shè)計(jì)

在診斷系統(tǒng)的開發(fā)過程中，診斷協(xié)議棧軟件完成了診斷協(xié)議的一致性測試后，才能將具有診斷功能的ECU應(yīng)用于整車上。診斷協(xié)議棧的測試流程如圖3所示，首先，分析協(xié)議得到測試數(shù)據(jù);然后，將此數(shù)據(jù)用于被測的診斷協(xié)議棧軟件，得到測試輸出;最后，將測試輸出與分析協(xié)議得到的預(yù)期結(jié)果相比較，分析測試結(jié)果的正確與否。如果結(jié)果正確，則測試通過;如果結(jié)果錯(cuò)誤，則修改被測軟件存在的問題，再次測試。

圖3 測試流程Fig 3 Flow chart of test process

2．1 診斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

診斷結(jié)構(gòu)有3種形式:1）客戶端和服務(wù)器在同一網(wǎng)絡(luò)中直接連接;2）客戶端通過網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器連接;3）客戶端和服務(wù)器在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，客戶端與主網(wǎng)絡(luò)連接，主網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)與子網(wǎng)絡(luò)連接。

本文的診斷結(jié)構(gòu)采用第一種形式，客戶端和服務(wù)器ECU在同一網(wǎng)絡(luò)。如圖4所示，服務(wù)器ECU為核心芯片為STM8的車身控制模塊（body control module，BCM），此外還在其上運(yùn)行診斷協(xié)議棧，其中包括:應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和底層軟件?？蛻舳藶镻C機(jī)，在其上運(yùn)行德國Vector公司的CANoe軟件，通過CAPL編程實(shí)現(xiàn)測試用例來發(fā)送診斷服務(wù)請求，測試用例分為網(wǎng)絡(luò)層測試和應(yīng)用層測試。

圖4 診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of diagnostic system

CAN總線上的數(shù)據(jù)在Trace窗口顯示，以便分析診斷系統(tǒng)通信是否成功和ECU的診斷協(xié)議棧軟件是否符合協(xié)議規(guī)定。

2．2 測試用例設(shè)計(jì)

從軟件測試用例設(shè)計(jì)方法的角度，分為白盒測試和黑盒測試［6］。本文采用黑盒測試，針對軟件的功能需求與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測試。不需考慮程序編碼結(jié)構(gòu)，測試者只需了解程序輸入和輸出間的關(guān)系，或是程序的功能。本文依靠程序功能的需求規(guī)范和診斷協(xié)議確定測試數(shù)據(jù)，判定測試結(jié)果的正確性。

測試用例設(shè)計(jì)時(shí)，需要分析需求規(guī)范，然后確定系統(tǒng)正常的輸入輸出，以驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否正常。由于篇幅限制，這里只列出幾項(xiàng)診斷數(shù)據(jù)，如表1所示，ECU診斷數(shù)據(jù)的定義，支持的SID（service identifier）、各SID對應(yīng)的子功能、如表2所示支持的DID（data identifier）、如表3所示網(wǎng)絡(luò)層時(shí)間參數(shù)值等內(nèi)容。

表1 ECU支持的SID定義Tab 1 Definition of SID supported by ECU

表2 ECU支持的DID定義Tab 2 Definition of DID supported by ECU

表3 網(wǎng)絡(luò)層計(jì)時(shí)器描述Tab 3 Timer description of network layer

測試用例中不僅有正確的輸入，還應(yīng)有錯(cuò)誤的輸入，來驗(yàn)證系統(tǒng)對錯(cuò)誤情況的處理能力。因此，設(shè)計(jì)的測試用例分為正常用例和異常用例。本文測試用例的設(shè)計(jì)根據(jù)診斷協(xié)議ISO 15765和汽車廠商規(guī)定的診斷數(shù)據(jù)。

1）正常用例

正常用例，即客戶端按照正確的報(bào)文格式和預(yù)定的步驟發(fā)送請求報(bào)文，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是否符合協(xié)議和需求規(guī)范。測試要求如下:

a．正常通信下，測試網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)打包，解包和流控制機(jī)制，如（客戶端）發(fā)送單幀、（服務(wù)器）響應(yīng)單幀、發(fā)送多幀、響應(yīng)多幀［7］;

b．測試網(wǎng)絡(luò)層是否能正確識別數(shù)據(jù)解包的錯(cuò)誤情況;

c．測試應(yīng)用層服務(wù)在合法請求下，響應(yīng)報(bào)文格式是否正確，響應(yīng)時(shí)間是否符合需求規(guī)定;

d．測試執(zhí)行應(yīng)用層服務(wù)合法的執(zhí)行順序的情況下，是否實(shí)現(xiàn)了其功能。

2）異常用例

異常用例，即客戶端按照非法的服務(wù)執(zhí)行順序發(fā)送請求報(bào)文，或發(fā)送錯(cuò)誤的報(bào)文格式的請求報(bào)文，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是否符合協(xié)議規(guī)定。測試要求如下:

a．客戶端發(fā)送錯(cuò)誤的N—PDU，測試網(wǎng)絡(luò)層對錯(cuò)誤情況的處理能力;

b．客戶端超時(shí)發(fā)送診斷請求報(bào)文，測試網(wǎng)絡(luò)層對超時(shí)的處理情況;

c．客戶端發(fā)送無效數(shù)據(jù)幀（除了定義的4種幀類型之外的）或在正常通信時(shí)發(fā)送其它報(bào)文幀打斷正在進(jìn)行的通信過程，測試網(wǎng)絡(luò)層的處理能力;

d．測試應(yīng)用層服務(wù)在非法請求報(bào)文下或非法的服務(wù)執(zhí)行順序時(shí)，能否做出正確的否定響應(yīng)。

3 測試

3．1 測試項(xiàng)執(zhí)行

根據(jù)分析需求規(guī)范的結(jié)果設(shè)計(jì)由DID寫入數(shù)據(jù)執(zhí)行的流程如圖5所示，此流程涉及多個(gè)服務(wù)的執(zhí)行，以及單幀、多幀數(shù)據(jù)的傳輸。以此為例說明設(shè)計(jì)測試項(xiàng)。

首先，ECU的會(huì)話模式只有進(jìn)入非默認(rèn)模式時(shí)，才能進(jìn)行安全訪問請求。安全訪問請求服務(wù)成功執(zhí)行后ECU解鎖，如果ECU未成功解鎖，則由否定報(bào)文判斷失敗的原因，修改請求報(bào)文后再次執(zhí)行安全訪問請求。ECU解鎖成功后由DID讀出ECU中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行由DID寫入數(shù)據(jù)的服務(wù)。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否成功寫入，將由相同的DID讀出和寫入的數(shù)據(jù)相比較，如果讀出和寫入的數(shù)據(jù)相同，證明寫入成功;反之，則不成功。

圖5 由DID寫入數(shù)據(jù)服務(wù)執(zhí)行的流程圖Fig 5 Flow chart excuted by WriteData service

在此流程中，由于數(shù)據(jù)的讀出、寫入涉及了多幀傳輸，所以，在此過程中還應(yīng)測試ECU的網(wǎng)絡(luò)層計(jì)時(shí)器是否遵循需求規(guī)范，如表3所示。

測試執(zhí)行分為網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層測試，結(jié)果如表4與表5所示。

ECU尋址方式為物理尋址，請求和響應(yīng)ID分別為0x766，0x7A6。測試項(xiàng)為客戶端發(fā)送的請求報(bào)文，預(yù)期結(jié)果為分析協(xié)議和需求規(guī)范后得到的ECU應(yīng)做出的反應(yīng)。

測試的請求和響應(yīng)報(bào)文等有關(guān)信息在Trace窗口顯示，以供測試者通過報(bào)文內(nèi)容分析測試結(jié)果。

表4 網(wǎng)絡(luò)層測試結(jié)果Tab 4 Test resurt of network layer

表5 應(yīng)用層測試結(jié)果Tab 5 Test Test result of application layer

表6 BCM診斷功能測試結(jié)果Tab 6 Test results of BCM diagnostic function

3．2 測試結(jié)果分析

測試項(xiàng)執(zhí)行后，通過分析Trace窗口的報(bào)文與預(yù)期結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果。所測試診斷報(bào)文傳輸機(jī)制、診斷服務(wù)、執(zhí)行流程和錯(cuò)誤處理等內(nèi)容符合診斷協(xié)議規(guī)定。部分測試結(jié)果如表6所示。

4 結(jié)束語

本文通過研究分析CAN總線診斷系統(tǒng)，針對一種BCM的診斷需求規(guī)范，依據(jù)CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765設(shè)計(jì)了測試方案和用例，并通過CAPL編程執(zhí)行測試用例。經(jīng)過測試，此BCM診斷協(xié)議棧符合ISO 15765協(xié)議和需求規(guī)定，說明此測試方法能有效地測試診斷功能和診斷協(xié)議的一致性。

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