基于CANoe的汽車診斷工具開發(fā)及應用

龔存昊，段金亮，初洪超（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥　230601）

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基于CANoe的汽車診斷工具開發(fā)及應用

龔存昊，段金亮，初洪超
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥230601）

摘要：近年來隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，各系統(tǒng)電控單元在汽車上的應用日益廣泛，汽車整體性能得到了顯著的提升，進而導致傳統(tǒng)的汽車診斷方式已經(jīng)無法滿足其功能要求。本文以CAN總線診斷協(xié)議為基礎，設計一種基于CANoe開發(fā)環(huán)境工具制作的汽車診斷測試工具。該工具不但可以對CAN總線上的ECU模塊進行診斷測試，同時也為測試人員能夠快速準確地確認ECU模塊的故障原因提供了一種新的途徑，對汽車行業(yè)具有良好的應用前景和非?，F(xiàn)實的意義。

關鍵詞：CANoe；ECU；診斷協(xié)議；測試

隨著人們對汽車動力性、舒適性等要求的不斷提高，信息技術和網(wǎng)絡技術在汽車行業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。越來越多的電控單元、功能不同的傳感器和對應的執(zhí)行機構在汽車中得到了廣泛應用，汽車產(chǎn)品完成了由傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品上升到一個具有多種功能的移動多媒體平臺的過程［1］。

在汽車電子技術不斷發(fā)展的同時，汽車總線技術作為一種計算機網(wǎng)絡技術和工業(yè)現(xiàn)場總線控制技術的結合，成為現(xiàn)代汽車發(fā)展過程中的主要技術成果之一。它的出現(xiàn)不僅使傳統(tǒng)線束得到了精簡，電控單元的功能得到了細化，而且使得汽車可以搭載越來越多的ECU模塊，如TCU、BCM、EMS、ESC等，使得整車網(wǎng)絡的功能日益復雜化。與此同時，在汽車正常的使用過程中，其車況隨著行駛距離的增加而不斷地發(fā)生變化，其可靠性、動力性、安全性也會不斷地下降，故障率顯著提升，對車輛的安全行駛造成了很大的隱患，甚至會直接導致事故的發(fā)生［2］。因此，對于測試人員而言，能通過既定的診斷協(xié)議完成汽車診斷服務功能測試，與此同時能及時和準確地診斷出汽車存在的當前故障，并對其發(fā)生的原因進行合理地排查，成為現(xiàn)代汽車診斷技術的一項重要內容。

1　CAN總線診斷協(xié)議

1.1汽車在線診斷發(fā)展概述

車輛診斷測試系統(tǒng)的研究和開發(fā)最早起于20世紀70年代，在研發(fā)設計汽車診斷測試工具的過程中，研究人員逐漸認識到汽車診斷工具的重要性。在1985年美國加州為第1代的OBD-I（On-Board Diagnostics）立法并在3年后正式開始實施，該診斷系統(tǒng)主要面向于零部件包括氧傳感器、廢氣再循環(huán)閥、供油系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)，但是缺乏統(tǒng)一的故障碼和通信協(xié)議標準。隨后在1989年加州環(huán)保局為第2代的OBD-II（On-Board Diagnostics）立法，增加了對系統(tǒng)的診斷要求，如催化器失效、滅火、蒸汽泄漏等，并且建立了標準化的故障碼和通信協(xié)議標準。從2001年1月1月起，在歐洲等發(fā)達地區(qū)銷售的汽油發(fā)動機汽車都必須裝備在線監(jiān)測發(fā)動機排放的在線診斷系統(tǒng)，并在2004年起，所有生產(chǎn)的柴油發(fā)動機汽車亦必須裝備OBD系統(tǒng)［3-5］。

1.2汽車診斷協(xié)議

在乘用車早期的發(fā)展過程中，汽車診斷主要通過K線進行實現(xiàn)，國際標準化組織先后頒布了基于K線的ISO 9141和ISO 14230診斷協(xié)議。ISO 9141主要定義了整車物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，其中ISO 9141-2定義了OBD（車載診斷）。ISO 14230則定義了協(xié)議的總體框架，不同的供應商可以根據(jù)自己的需要對協(xié)議本身進行完善修訂，設置具體的服務內容和故障代碼。測試人員只有獲得供應商所制定的具體協(xié)議內容后，才能從診斷設備中獲得準確的診斷信息，參照表1。

表1　基于K線各個層的診斷協(xié)議

隨著汽車總線技術的日益發(fā)展，CAN總線技術已經(jīng)在不同的主機廠中得到了廣泛的應用，成為目前汽車最常用的總線技術之一。為了降低診斷系統(tǒng)的成本，解決CAN總線和診斷系統(tǒng)能相互融合等問題，國際標準化組織在21世紀初先后頒布了基于CAN總線的ISO 15765和ISO 14229-1通信診斷協(xié)議。對比K線的通信診斷協(xié)議，ISO 15765和ISO 14229-1協(xié)議整合并兼容了大部分主流的汽車廠商所定義的診斷標準規(guī)范，包括測試、檢查、診斷、通信管理等功能，參照表2。

表2　基于CAN總線各個層的診斷協(xié)議

ISO 14229-1協(xié)議在應用層中各個功能單元診斷服務主要包括：診斷和通信管理功能單元、數(shù)據(jù)傳輸功能單元、傳輸存儲的數(shù)據(jù)功能單元、輸入輸出控制功能單元和遠程激活例程功能單元。在此過程中，參照圖1所示，該協(xié)議要求客戶 （Tester）和服務器（ECU）必須有統(tǒng)一的編址且每一個客戶 （Tester）和服務器 （ECU）的地址需是唯一的。

圖1　ISO 14229-1應用層遠程診斷服務

在圖2中，客戶端 （Client）首先需向服務器應用層 （Server）發(fā)出診斷請求指令，當服務器應用層（Server）收到該請求指令后，會根據(jù)具體的情況向客戶端 （Client）發(fā)出相應的肯定或者否定響應，此時客戶端 （Client）需要對回復的結果進行對應的確認接收工作，從而完成一套完整的確認服務工作。這些服務說明并沒有指定具體的應用程序接口，而只是一些獨立于具體實施的主要服務項。

圖2　ISO 14229-1應用層診斷確認服務

ISO15765協(xié)議最初是依據(jù)于ISO/IEC7498和ISO/ IEC 10731協(xié)議的開放互聯(lián)系統(tǒng)基本參考模型所提出和設立的，并再映射到CAN總線通信系統(tǒng)。其中ISO 15765-2協(xié)議主要定義了CAN總線車載診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡層的要求，網(wǎng)絡層的內部操作為實現(xiàn)對等實體間的通信提供了分組、重組和數(shù)據(jù)傳輸流控制方法，其主要任務是傳遞一幀或者大于一幀的數(shù)據(jù)信息。當數(shù)據(jù)內容超過一幀時，會根據(jù)協(xié)議將其內容劃分成多個部分，再將每一個部分通過一個CAN總線標準幀的形式進行發(fā)送，通過對多包數(shù)據(jù)的打包、解包、同步、定時、流控制等操作，保證數(shù)據(jù)能夠可靠地從客戶端（Server）傳遞給客戶 （Client）。

在圖3中，網(wǎng)絡層發(fā)送方A需要將多幀數(shù)據(jù)傳輸給接收方B，由于其發(fā)送方所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度大于一幀，無法使用單幀數(shù)據(jù)傳輸方式，所以首先需要將其發(fā)送的數(shù)據(jù)內容解包成首幀 （FirstFrame）和多幀連續(xù)幀（ConsecutiveFrame）。當網(wǎng)絡層發(fā)送方A成功發(fā)送出首幀后，此時接收方B需要回復相應的流控制幀（FlowControl），當發(fā)送方A確認接收到流控制幀后，會根據(jù)其內容發(fā)送對應的連續(xù)幀。若此時還未將數(shù)據(jù)內容全部發(fā)送完，則需要重復流控制幀和連續(xù)幀的動作，直至發(fā)送方將所有的數(shù)據(jù)內容全部發(fā)送完畢。

基于CAN總線網(wǎng)絡層診斷的ISO 15765-2協(xié)議和早期乘用車基于K線診斷的ISO 14230協(xié)議相比，具有更快的信號傳輸速度和更大的數(shù)據(jù)傳輸長度，并且CAN總線具有完善的通信錯誤診斷處理機制和總線仲裁機制，這對于底層通信錯誤及仲裁處理具有重要的意義。

圖3　ISO 15765-2網(wǎng)絡層多幀數(shù)據(jù)傳輸方式

2　診斷工具開發(fā)

本文所設計開發(fā)的CAN總線診斷工具是基于德國Vector公司研發(fā)的總線開發(fā)環(huán)境工具CANoe，該軟件主要用于汽車總線的開發(fā)設計。CANoe前期針對于CAN總線通信網(wǎng)絡進行建模、仿真、測試和開發(fā)，后來擴展加入了LIN、Flexray、Most等網(wǎng)絡。此外，其具備測試和診斷功能集，可以用來簡化或自動進行測試。使用該功能，可以進行一系列的連續(xù)測試和診斷通信，并自動生成測試報告。

2.1診斷工具總體設計

本文研究的對象是某款搭載四路CAN總線的車型，首先運行CANoe軟件，在Simulation Setup界面中添加信號數(shù)據(jù)庫 （.DBC文件）和環(huán)境變量數(shù)據(jù)庫 （. DBC文件），將整車各路CAN總線所搭載的ECU模塊與數(shù)據(jù)庫中的信息相鏈接，并設置網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，從而建立一個完整模擬的網(wǎng)絡系統(tǒng)測試模型。如圖4所示。

圖4CAN總線測試模型

圖5　CAN總線診斷開發(fā)工具控制顯示面板

其次利用Panel Editor界面建立和制作一個圖形化的狀態(tài)顯示和控制面板，用戶可以通過該人機對話的控制和狀態(tài)顯示面板，實時顯示或者更改環(huán)境變量中的值。在圖5中，通過每一個顯示或者控制單元與之前添加的環(huán)境變量數(shù)據(jù)庫中的環(huán)境變量或者信號相匹配，作為其顯示或者控制對象。

最后在診斷工具開發(fā)過程中，編寫相應的顯示面板控制程序?？紤]到CAPL語言是一種類似于C語言的CAN總線編程語言且與CANoe完美兼容，因此利用CAPL語言可以對各個ECU模塊的診斷策略進行編程和控制，以實現(xiàn)各個ECU模塊之間的通信和控制功能。CAPL語言由全局變量、自定義函數(shù)和事件過程組合而成，并且可以在CAPL瀏覽器 （CAPL Brower）中進行程序的編輯、調試工作。CAPL控制程序如圖6所示。

圖6 診斷工具CAPL語言

2.2診斷測試與結果分析

通過USB接口線、串口線將車輛的OBD接口和CANcaseXL總線接口卡相連接，啟動CANoe測試環(huán)境，運行CAN總線測試工具進行在線診斷測試。通過CANoe中的Trace界面便可以實時跟蹤總線上ECU模塊的報文信息。

根據(jù)CAN總線診斷協(xié)議ISO14229-1和ISO15765-2，參見圖7所示，在ECU模塊診斷測試的開始，需要在診斷界面中選擇被測ECU模塊的名稱并設置其相應的會話模式。在獲得會話模式請求的肯定響應之后，就可以根據(jù)ISO14229-1協(xié)議中不同的SID（Service Identifier）和DID（Data Identifier）進行CAN總線應用層診斷測試。

圖7ECU模塊診斷會話控制

在圖8中，利用診斷測試工具讀取TCU當前的故障信息，根據(jù)ISO1575-2協(xié)議，由于當前故障信息較多且無法通過單幀將其全部列出時，則需要測試人員通過該診斷工具的流控制幀策略對故障信息進行控制，使TCU將當前故障信息通過首幀和連續(xù)幀的方式將其全部傳輸給測試人員。測試人員可根據(jù)每個主機廠定義的OBDII故障代碼表對讀取到的故障信息進行編譯，進而分析當前ECU模塊發(fā)生故障的具體原因。

在ECU模塊診斷測試過程中，由于供應商和主機廠之間的協(xié)議，ECU模塊的寫入和某些讀取功能需要在安全訪問通過后方可進行。ECU模塊安全訪問請求必須要在擴展模式 （Extended Session）下進行。測試人員首先需要向ECU模塊請求種子 （Seed），再根據(jù)ECU模塊發(fā)送的種子 （Seed）解析并發(fā)送出相應的鑰匙 （Key），若此鑰匙 （Key）正確，則ECU模塊解鎖，安全訪問通過。在圖9中，依據(jù)上述的安全訪問步驟，可以對TCU單元解鎖，使測試人員可以對其進行安全訪問。

圖8ECU模型當前故障信息

圖9　ECU模塊安全訪問功能

3　總結

本文詳細介紹了CAN總線診斷協(xié)議，并依據(jù)該協(xié)議設計和建立了一種針對于CAN總線的診斷測試開發(fā)工具，且通過具體的實車環(huán)境對該診斷工具的功能性和合理性進行了驗證。利用該診斷工具，可以使測試人員能夠更加直觀方便地對CAN總線上的ECU模塊進行診斷測試和讀取故障信息，對汽車電氣測試有著非?，F(xiàn)實的意義。

參考文獻：

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（編輯楊景）

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0059－04

收稿日期：2016-02-20

作者簡介：龔存昊 （1990-），男，碩士，電器設計工程師。

CAN Bus Diagnostic Tool Development and Application Based On CANoe

GONG Cun-hao，DUAN Jin-liang，CHU Hong-chao
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Abstract：With the rapid development of the automobile industry，the application of ECU module and the performance of the vehicle is increasing.But problems also follows as the traditional vehicle diagnosis method cannot fetch with the function requirement.This paper designs a diagnostic test tool based on CANoe，in accordance with the CAN-bus diagnostic protocol.The tool can not only conduct diagnostic test on ECU module of CAN，but also provide the new way for testers to find ECU module fault reasons quickly.It has a good application prospect and realistic significance for the automotive industry.

Key words：CANoe；ECU；diagnostic protocol；test