汽車ECU測試系統的研究與實現

莫太平，蔡習文，張明志

（1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，桂林 541004；2.桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院，桂林 541004）

控制器、傳感器和執行器等電子器件被越來越多地運用到汽車上，得益于近年來汽車電子的飛速發展。由于消費者對車輛的可靠性、安全性、舒適性的不斷追求，使得汽車電控系統變得越來越復雜，造成了車內線束劇增和診斷難度不斷加大[1]。為此CAN總線應運而生，成為最受歡迎的現場總線之一，代表汽車車載網絡的主流發展方向。由于它具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實時性強等優點[2]，被汽車制造商越來越多地應用于汽車控制、診斷和通信[3]。因此基于CAN總線的故障診斷越來越重要。為解決故障診斷系統獨立于CAN網絡，造成系統成本增加和內部網絡變得復雜等問題，歐洲汽車廠商推出一種基于CAN總線的診斷系統通信標準ISO15765，它以ISO14229-1定義的服務為基礎，規范了基于CAN總線的診斷服務（UDS on CAN），包括網絡管理、網絡定時、應用層定時等詳細內容，使得該協議的適用性和可操作性更強，而且兼容ISO14230應用層的服務和參數。

本文就是在ISO15765的基礎上，研究和設計了汽車下線管理系統，該系統通過與待測汽車通信，讀取電控系統的故障碼和數據流，來判斷下線汽車的電子器件（包括傳感器和執行器）是否正常，如果不正常，需要進行調整維修，這樣能夠保證汽車的質量。最后還要打印測試結果并保存至數據庫，便于以后的跟蹤和維護。

1 測試系統結構

根據診斷設備和不同層次結構車載網絡的接入位置，大體有3種結構[4]：

（1）診斷設備與服務器（ECU）在同一個網絡，診斷設備與服務器直接相連。

（2）診斷設備通過網關間接與服務器相連。

（3）診斷設備在主網中，而需要診斷的服務器在子網中，診斷設備與服務器的通信通過帶有網關功能的服務器來實現。

由于后面2種屬于遠程故障診斷，在診斷時，需要遠程控制信息，幀資源消耗大。所以本文選擇第一種診斷結構，診斷設備與ECU處于同一個網絡。ISO15765的應用越來越廣泛，因此該系統也是基于該協議設計。系統主要有兩部分：

（1）USB-CAN的標準診斷接口與汽車相連；

（2）USB-CAN的USB端與上位機診斷軟件相連。測試系統的結構如圖1所示。

圖1 測試系統結構圖Fig.1 Testing system structure

USB-CAN總線適配器帶有USB2.0接口和1路CAN接口，可進行雙向傳送，完全不用了解復雜的USB通訊協議。這里它有2個主要功能：

（1）接收上位機的數據，將數據轉換為CAN幀的格式發送給汽車內部的CAN網絡。

（2）接收汽車內部的CAN幀，將CAN幀轉換為上位機可識別的數據。

2 ISO15765協議分析

ISO15765協議是在CAN總線上實現了KWP2000，它把KWP2000應用層的服務移植到CAN總線。參照ISO/OSI模型，它分為4層：物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層。鏈路層采用了ISO11898-1協議[5]，該協議是對CAN2.0B協議的進一步標準化；應用層采用了ISO15765-3協議[6]，該協議完全兼容基于K線的應用層協議14230-3，并加入了CAN總線診斷功能組；網絡層則采用ISO15765-2協議[7]，規定了網絡層協議數據單元（N_PDU）與底層CAN數據幀以及上層KWP2000服務之間的映射關系，并且為長報文的多包數據傳輸過程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復功能。ISO15765的體系結構如圖2所示。

圖2 ISO15765體系結構圖Fig.2 ISO15765 architecture diagram

3 上位機軟件設計

3.1 功能模塊設計

根據需求，可設計出4個功能模塊：下線檢測模塊、系統配置模塊、用戶管理模塊、數據管理模塊。模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊圖Fig.3 Functional module diagram

其中，下線檢測模塊主要是實現汽車ECU的檢測，并將結果保存至數據庫。用戶管理模塊是實現用戶的增加、刪除，秘密的變更，權限的修改。系統配置模塊主要是在下線檢測前，對系統的配置，包括標準值的輸入和修改，VIN和ECU的對應關系，還有底層USB-CAN的比特率的設置。數據管理模塊實現數據的查詢和統計功能。還有其他功能，如打印支持，在需要打印的時候，發揮作用。

3.2 USB-CAN通訊設計

上位機通過調用USB-CAN提供的DLL動態鏈接庫函數，可實現與底層通信，完全不需要理解CAN幀在CAN總線上的傳輸機制。調用VCI_OpenDevice（）打開設備；連接設備成功后，調用VCI_InitCan（）初始化CAN相關參數；上一步完畢之后，通過VCI_Start CAN（）啟動CAN轉換功能，下線檢測系統即可與CAN總線進行數據的發送和接收。在接收來自總線上的數據時，利用VCI_Receive（）獲取接收緩沖區中的數據。如果要發送數據給總線網絡，則在設置好發送的參數和內容后，通過VCI_Transmit（）將數據幀發送到總線上。最后使用VCI_CloseDevice（）關閉與總線網絡的連接，結束通信。函數調用如圖4所示。

圖4 DLL函數調用圖Fig.4 DLL functions calling diagram

3.3 測試流程設計

系統配置完畢后，引車員登錄，身份驗證后，系統進行初始化，進入下線檢測界面，開始汽車故障診斷。檢測流程為

（1）采用Window認證方式啟動檢測程序；

（2）待測汽車進入檢測工位，然后輸入引車員號；

（3）檢測系統掃描汽車的VIN碼，根據VIN調出VSN及相應的數據流標準；

（4）引車員將檢測系統的接口接入車輛診斷接口；

（5）持續檢測水溫，直到水溫合格。由于ECU中可能存在一些軟故障，這些軟故障并不一定是硬件系統本身的問題，而可能是由于歷史的原因而存在。所以在水溫合格后，要首先清除ECU的故障碼，而后讀取的故障碼就可以代表ECU電控系統的硬故障，這些數據可以表明當前的電控系統是否存在問題；

（6）開始診斷，在界面上顯示故障碼和數據流，并存儲數據至后臺數據庫；

（7）檢測完成后，檢測系統綜合所有信息得出結論，若檢測過程中沒有故障碼出現，且檢測到的參數值均在合格的范圍內，則該輛汽車合格，否則為不合格，不合格要返回檢修。最后還要自動打印檢測結果；

（8）檢測系統進入下一輛車的檢測流程。

檢測流程圖如圖5所示。

4 系統測試與結果分析

4.1 實車測試

實車測試所用的車型為某國產車，該車為全新標準用車，內部ECU實現了ISO15765協議，各個電子器件通過CAN總線相連。測試所需條件和相關步驟如下：

（1）車輛保持靜止，全車通電，啟動發動機，其他電子設備根據需要依次打開。

（2）將CAN-USB適配器一端標準診斷插頭（16pin）接入汽車OBD-II接口，發送DiagnosticSessionControl（0x10）服務，使車載診斷網絡處于診斷模式。

（3）發送 ClearDiagnosticInformation（0x14）服務清除故障碼[8]，然后發送其他服務與ECU通信，將響應的數據存入數據緩沖區。

圖5 檢測流程圖Fig.5 Detection flowchart

（4）分析數據緩沖區中的數據，與數據庫的參數信息進行匹配，得出結果并輸出顯示。

圖6顯示了下線檢測系統通過發動機ECU通信后獲得的數據和測試結果。

圖6 測試結果圖Fig.6 Interface of testing result

4.2 結果分析

通過實車測試，可以看出系統能夠讀取故障碼和數據流，顯示數據讀取狀態，并且對測試的故障碼和數據流的不合格個數進行統計，得出合格還是不合格的結論，測試結果正確，達到了測試的目的。而且通過對實際數據進行解析，獲得汽車實時信息，該信息能夠反映汽車電控系統所處的狀況和運行性能，說明所設計的系統在技術和實際應用中是可靠的。

5 結語

本文介紹了診斷測試標準ISO15765的體系結構。在此基礎上，設計了汽車下線管理系統。該系統通過與汽車內部電控系統進行通信，發送相應的診斷請求，接收響應消息幀。通過解析獲取的幀，得到故障碼和數據流，判斷汽車電控系統是不是處在正常工作狀況下。該系統最后部署在某汽車生產線上，對下線汽車進行電控系統檢測，將檢測的數據存入數據庫，便于以后統計和維護，在提高企業生產效率的基礎上，大大增強了汽車的可靠性和安全性。

[1] 劉麗麗，徐皚冬，宋巖，等.車輛通用故障診斷協議的研究與開發[J].計算機工程，2012，38（16）：9-13.

[2] 王桂榮，錢劍敏.CAN總線和基于CAN總線的高層協議[J].計算機測量與控制，2003，11（5）：391-394.

[3] 張宏，詹德凱，林長加.基于CAN總線的汽車故障診斷系統研究與設計[J].汽車工程，2008，30（10）：934-937.

[4] 李銳，王晶瑩，姚燕，等.基于ISO15765的車載CAN網絡診斷設計[J].計算機工程，2012，38（4）：35-36，39.

[5] International Standard Organization（ISO）.Road Vehicles Interchange of Digital Information Controller Area Network （CAN）for High-speed Communication，ISO 11898[S]，1993.

[6] International Organization for Standardization.ISO 15765-3-2004 Road Vehicles-Diagnostics on Controller Area Networks（CAN）-Part3：Implementation of Unified Diagnostic Services （UDS on CAN）[S]，2004.

[7] International Organization for Standardization.ISO 15765-2-2004 Road Vehicles-diagnostics on Controller Area Networks （CAN）-Part2：Network Layer Services[S]，2004.

[8] 顏伏伍，劉陶然，胡杰.汽車故障診斷系統通信協議棧的研究與應用[J].武漢理工大學學報，2011，33（6）：986-990. ■