基于CAN-ECU的汽車自動化故障診斷測試系統研究

何醫天

1.上海交通大學自動化學院 上海市 200030 2.采埃孚（中國）投資有限公司 上海市 201615

1 引言

ECU軟件在現代車輛的車身、動力、底盤與安全系統中的廣泛應用，使汽車的故障診斷和測試更加復雜化。為了改善傳統車輛ECU診斷系統開發方式的缺點，本文使用Vector CANdelaStudio與CANoe，建立ECU診斷功能數據庫，在CANoe環境中加載ODX檔案，建立虛擬ECU的診斷功能，幫助汽車制造商、系統供貨商及車輛維修商，縮短開發時程，節省生產成本，提高汽車維護、維修效率。

2 自動測試系統設計

2.1 自動測試系統架構設計

在完成車輛網絡診斷功能測試開發工具的應用規劃后，先規劃出“ECU診斷伺服功能自動測試機”開發的輸入格式，并建立輸入工具、設定或編輯軟件功能，以及輸出報告檔案的整體架構，以利開發人員進行ECU 診斷服務測試軟件的研發。首先，根據OEM 或系統供貨商提供的ECU 診斷服務功能規格文件（ECU diagnostic requirements spec.，簡稱RS），通過CANdelaStudio 產生ODX 與ODX-C 檔案，并搭配ECU 診斷測試規格文件（ECU diagnostic services testing spec.，簡稱TS），在CANoe開發工具環境內，建構虛擬ECU 與診斷測試器的診斷服務功能以及診斷服務自動測試功能。在CANoe整合開發環境中，通過仿真實際網絡通訊的方式，執行ECU診斷伺服自動測試軟件；依序完成所有測試項目后，產生ECU診斷功能測試報告。本文采取的車輛網絡ECU診斷功能測試架構詳如圖1所示，ECU診斷伺服功能自動測試機開發的規格需求則整理如表1所示。

表1 車輛網絡ECU 診斷功能測試規格需求表

2.2 功能模塊設計

2.2.1 使用CANdelaStudio編輯診斷描述文件

CANdelaStudio（圖2）為Vector（車用網絡軟件開發公司）的產品，開發人員可以根據OEM 提供診斷需求規格（RS）文件，建立ECU 診斷功能，并產生ODX 2.0.1 格式的診斷描述檔案，提供Vector CANoe使用，以進行ECU診斷功能及診斷測試器的模擬測試。

圖2 CANdelaStudio 編輯環境

2.2.2 建立ECU診斷功能文件

首先，在工作窗口中的主選單中，選擇File選單中的New 選項，根據OEM 提供ECU診斷功能需求規格，選擇CANdelaStudio內建的UDSonCANExample 或KWPonCAN-Example 的診斷文件樣板（圖3），作為建立符合OEM 規格的ECU診斷功能描述文件的基本架構。

圖3 建立ECU診斷功能文件

（1）ECU診斷功能信息

ECU信息（ECU Information）章節中包括：

（1）ECU信息文字敘述編輯頁面；

（2）選擇ECU支持接口頁面與診斷通訊接口參數輸入頁面等三種。依照OEM 提供的ECU診斷功能需求文件，首先在ECU信息頁面中，輸入該ECU所使用的診斷通訊協議的文字敘述；并在ECU支持接口頁面中，選擇Diagnostic CAN，作為ECU的通訊接口；最后，在診斷通訊接口參數頁面，輸入診斷通訊參數數據。

（2）建立診斷服務類型

在共享診斷功能中，按照OEM提供文件，輸入共享支持診斷類型的文字敘述。診斷服務類型主要用來定義可執行的各種診斷服務功能，CANdelaStudio內建UDSonCAN 診斷文件樣板，含有ECU支持診斷服務類型。用戶可依照OEM或系統供貨商所提供ECU 診斷功能規格文件，勾選診斷服類型頁面的診斷服務類型，可將共享診斷版本支持的診斷服務加入診斷功能描述文件中。

（3）Sessions

診斷通訊聯機起始頁面（Session）中，可在描述區的空白處點擊鼠標右鍵，選擇New Session…指令，使用Session Wizard來對新的診斷通訊聯機進行相關設定。

（4）Session Wizard

設定對話框的設置步驟中，先輸入診斷通訊聯機的名稱，以及加入要求信息所傳輸的數據對象。接著在診斷服務清單里，依照OEM 的診斷規格，勾選ECU 在此診斷通訊所支持的診斷服務。

2.2.3 ODX格式檔案輸出模塊

當輸入數據、開啟或儲存文件時，CANdelaStudio 會執行數據一致性檢查，它檢查診斷服務數據對象與診斷文件樣板所指定的需求是否符合，例如診斷文件樣板中的診斷數據，最小長度定義為8位，則數據訊框至少含有一個8位的數據對象。輸出ODX 檔案前，需在主選單上選擇Extra”選單中的Check document consistency”，檢驗診斷文件中與診斷文件樣板的數據格式、位置的一致性。

使用者可以在主選單Extra”的Option”項目下，ODX 檔案輸出分頁標簽中，設定ODX 檔案內容的輸出項目或附加檔案；在下一個研發階段使用CANoe時，加載*.odx 與*.odx-c 兩種檔案，以分析與顯示ODX 檔案。因此，我們必須在ODX 檔案輸出設定頁面中，勾選Export COMPARAM-SPEC”選項，輸出可檢視測試器節點產生的測試報告，對測試程序修正，并重新進行測試。完成執行診斷數據一致性檢查，以及設定ODX診斷通訊參數檔案輸出后，點選主選單File”的Export 選項，選擇Open Diagnostic Exchange （ODX）”后，出現儲存檔案對話框選擇檔案儲存路徑與輸入文件名，再選擇檔案版本為ODX 2.0.1，產生ODX檔案。

圖4 輸出ODX檔案

3 系統測試與結果分析

3.1 使用CANoe建立測試環境

CANoe為車輛診斷測試開發工具，它可以加載CANdelaStudio所輸出ECU的ODX 檔案；并通過CANoe診斷測試功能，顯示ODX檔案中所有的診斷服務，并分析信息內容的正確性。在CANoe 環境中，亦可以建構虛擬CAN-bus網絡ECU 節點的診斷測試開發環境；通過讀取ECU的ODX與ODX-C檔案，編輯虛擬ECU節點的診斷通訊功能，并使用CANoe提供的Diagnostic Console與Fault Memory window 等診斷功能測試工具，來分析與顯示ODX 檔案中的診斷服務信息內容。

CANoe整合測試環境中，用戶可通過車輛網絡測試器節點，開發診斷伺服自動測試環境。在測試器節點中，通過CAPL browser針對各種診斷服務類型所制定的測試項目，配合CAPL內建的診斷函式以及測試函式，編輯診斷服務測試項目（Test case）函式。在CANoe虛擬環境下測試完成后，使用者可檢視測試器節點產生的測試報告，對測試程序修正，并重新進行測試。

3.2 建立CAN-ECU節點

首先，在CANoe 虛擬網絡環境下，加入網絡系統數據文件（*.dbc），讓ECU 仿真節點傳輸數據。使用CANoe 附屬網絡數據庫工具軟件CANdb++，建立網絡數據庫，在左方網絡系統樹狀目錄下，Network node項目上，點擊鼠標右鍵，選擇New…新增ECU節點數據（圖5）。出現ECU節點設定對話框后，在Definition分頁中輸入ECU名稱。

在左方窗口中點擊右鍵，并在選單中選擇Insert network node”，即可在CAN 網絡系統中新增虛擬ECU節點。

圖5 新增ECU網絡節點數據

（1）加入ODX 檔案

在CANoe 主工具欄中的Configuration選單中，選擇Diagnostic/ISO TP configuration…”，開啟設定對話框，能夠為虛擬ECU 節點加入診斷功能描述文件檔案（*.cdd 或*.odx）。點選Add”按鈕，選擇Add multi file ODX diagnostic description（XML）…”選項，加入ECU的ODX與ODX-C檔案。

用戶以右鍵點擊虛擬ECU節點，點選Configuration”選項，出現Node Configuration”節點設定對話框。在title”字段，輸入虛擬ECU 節點名稱；CANdb Name”必須選擇網絡數據庫檔案中建立的節點名稱，若設為＜＜default＞＞，在進行系統仿真會出現錯誤信息；虛擬節點狀態為模擬（simulated）或關閉（off）；最下方的File…”、Edit”與Compile”分別能夠加載、編輯和編譯節點程序檔案。

（2）建立CAN-ECU仿真診斷功能

使用者必須配合使用在ODX 或CDD 診斷描述檔案中定義的診斷對象，才能使CAPL的診斷函式命令，可以存取診斷服務與數據。在診斷服務回應函式的程序代碼編輯區中，點擊右鍵，并選擇Diagnostic objects from CANdela…”選項；然后，在Selection of diagnostic objects”對話框里，用戶可選擇診斷服務對象，存取診斷服務。當存取診斷服務參數時，點選右鍵選擇其中Diagnostic parameters from CANdela …”選項。在Selection of diagnostic objects parameter”對話框中，箭頭向右為傳送端診斷服務信息的參數，箭頭向左為接收端響應診斷服務中所包含的參數，使用者可在診斷響應函式加入診斷參數、讀取或修改參數內容。

圖6 新增診斷服務參數數據

（3）ECU節點模型診斷功能的驗證

CANoe診斷功能模塊，提供發展與測試ECU診斷功能的輔助軟件工具；使用Diagnostic Console 與Fault Memory window，可以檢驗虛擬ECU 節點，能否正確響應與ODX 檔案內容相符的診斷信息與故障碼。

診斷中控臺是用來描述ECU 診斷功能的ODX或CDD檔案內容，使用者可選擇診斷服務，以對ECU發出要求信息，以及設定診斷服務中的參數與顯示回傳信息內容；并對虛擬ECU節點，執行ODX 檔案中的所有診斷服務，并分析診斷中控臺所顯示的回傳信息內容，是否與ECU 診斷規格文件內容符合。

故障碼檢窗口能直接讀取ECU內存的故障碼（DTC），以及刪除ECU故障碼與不斷更新讀取故障碼數據。使用故障碼檢窗口，可以對虛擬ECU 節點分別傳送讀取與消除故障碼信息，測試已加載ODX 檔案的虛擬ECU 節點故障碼功能的正確性。

3.3 加入測試器模塊

（1）建立測試項目、群組、流程控制

用戶可在Simulation Setup 窗口中的虛擬總線上，點擊鼠標右鍵，選擇“Insert test module”，新增測試器節點模塊，以CAPL語法來編輯測試程序。測試器節點上方分別有鉛筆、編譯、播放等圖形，可用來編輯測試器節點程序、組譯程序代碼，以及按下播放鈕，開始執行測試程序。

（2）測試器節點設定對話框

在測試器節點上，點擊鼠標右鍵，選擇“Configuration”，出現“Testnode Configuration”節點設定對話框。其中有“Common”、“Report”、“Report Filter”、“Modules”、“Buses”等分頁，可供使用者設定測試器節點的外部功能。

使用者可在Modules分頁下方，點擊“Add”，以為測試器節點新增軟件模塊。測試器節點必須透過傳輸層，將數據長度較長的診斷服務信息，分批傳輸至總線上。在此加入傳輸層模塊（OSEK_TP.dll），以便使用者通過CAPL browser，加入傳輸層函式。

（3）CAPL 診斷測試程序編輯

測試器節點程序編輯，主要編輯“TestControl”目錄下的MainTest（ ）與Testcase（ ），以及在“Callback function”目錄下，新增OSEK_TP 傳輸層函式等三部分。使用者也可依不同需求，在“Function”目錄下，新增自定義功能的函式；或是在“Timer”目錄下，新增定時器等。

用戶可在測試項目目錄中，點擊鼠標右鍵選擇“New”，新增測試項目。在新增的測試項目函式中，用戶可透過點擊鼠標，在右鍵選單中，選擇“Diagnostic object from CANdela…”或“Diagnostic parameter from CANdela…”，使用ODX 檔案數據庫里的診斷服務以及診斷服務參數，搭配測試器節點CAPL 診斷函式與測試器節點常用CAPL測試函數式，來編輯各種測試程序。

3.4 虛擬節點模型自動測試與結果

ECU節點模型與測試器模塊建構完成后，先在CANoe 的虛擬網絡系統環境中，進行CAN-ECU 的診斷功能自動測試，逐一檢視各個診斷服務的測試報告，并修改測試程序，使診斷功能自動測試環境的功能更完整。在CANoe的標準任務欄上，將測試環境的工作模式改為“Simulated bus”，再按下閃電圖形的“Start”鈕，啟動測試環境。測試器模塊窗口右下方，按下圖形為播放鈕的“Start”，進行ECU的診斷服務自動測試，測試界面和如圖7所示。

表2 診斷測試類型

圖7 CANoe診斷功能自動測試畫面

本研究分別針對（1）General requirement test；（2）Read DTC Information；（3）Clear Diagnostic Information；（4）Network Layer Timeout；（5）Test service；（6）Tester Present；（7）Read Data By Identifier 等進行測試，部分測試結果及HTML報告如圖8所示。

圖8 診斷服務功能測試結果與HTM測試報告

4 結論

本研究使用Vector車輛網絡開發工具，進行ECU診斷功能自動測試環境的開發。先通過CANdelaStudio編輯ECU診斷功能描述文件，并產生ODX檔案；接著，在CANoe虛擬網絡系統環境，加載ODX檔案，建立ECU節點模型的診斷通訊功能，再以測試器模塊執行自動測試，所有項目的測試步驟、過程與結果，也都記錄在測試模塊所產生HTML測試報告中；診斷功能仿真測試結果與ECU規格文件是一致的。本研究使用的方法與傳統診斷服務功能測試方法的差別，主要在于ECU診斷功能的規劃、診斷功能節點模型建立、模型驗證與測試等，皆符合V-model開發程序，并以ODX格式檔案，來銜接各個開發階段所需的診斷數據。此“CAN-ECU診斷服務功能自動測試”方法，可以協助汽車制造廠與ECU 供貨商，在ECU診斷服務功能研發時期，通過通用的ODX 格式檔案，可在異地分別進行V-model開發程序各階段工作，并加入仿真節點測試功能，可盡早發現錯誤與缺陷，并可節省ECU開發成本及提升開發效率。