基于信號相似度原理的CAN 信號解析方法

關 靜，楊欣茹，周亞棱

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122；2.長安福特汽車有限公司，重慶 401120）

隨著新能源汽車行業的蓬勃發展，對國際先進新能源車型進行準確的測試和評價成為當前汽車行業的主要任務之一，而準確可靠的信號獲取可為高質量地測試評價各新能源車型提供基本保證。較之從其它途徑獲取的信號，通訊CAN 信號具有高可靠性、高頻率、實時性較好等優點。隨著各種先進新能源車型的不斷推出，對測試評價的時效性提出了更高的要求，因此，盡可能多地從通訊CAN 上獲取關鍵信號，縮短信號解析周期，對新能源汽車的測試評價工作具有重要意義。

目前，新能源汽車測試評價技術中所用到的分析信號一般通過兩種途徑獲取，一種是采集車輛總線信號，包括整車通訊CAN 信號和診斷請求CAN信號；另一種是通過外接數采設備，如傳感器、功率分析儀、排放分析儀等，通常情況下會采取兩種方法相結合的方式[1-2]。由于通過CAN 信號獲取的數量有限，該方法需依賴大量的外接設備，對被測車輛空間布置有一定要求，并會造成一定的資源浪費。在CAN 信號的獲取方法上，目前比較廣泛采用的方法是直接破解CAN 通訊網絡中的信號，如張永生、關靜等[3-4]提出的CAN 總線多渠道解析方法，該方法在解析時需人為觀察報文數據的變化規律，找出符合待解析信號變化規律的數據區，驗證數據區內信號是所求信號后，再標定其系數與偏移。隨著新能源汽車內部CAN 通訊的復雜化，總線上的CAN 數據容量較大，造成了數據區查找工作的繁瑣化。該方法對操作人員的技術性要求較高，操作人員需具備較好的數據敏感性。另一種方法是通過診斷請求的方式獲取總線信號，美國阿崗國家實驗室的WOOD 等[5]和LEE 等[6]在測試評價技術中采用Vehicle SPY 等工具通過診斷請求獲取總線信號。北京理工大學席軍強、吳育恩等[7-8]通過Vector 公司的CANoe 等工具模擬診斷請求過程獲取診斷信號。雖然通過上述方法也可以獲取大量的診斷CAN 信號，但是通過診斷協議請求出的信號不僅采集頻率較低，而且在獲取過程中發出的請求診斷報文會對車輛的正常運行產生一定程度的干擾，個別情況下甚至影響車輛的正常運行。信號采集頻率低等問題也將會對新能源汽車測試評價結果產生直接影響。本研究提出的方法可以有效規避上述方法中破解信號數量的有限性或信號時效性有限等弊端，并能快速準確地解析出大量高時效性通訊CAN 信號，為新能源汽車測試評價工作的準確性奠定堅實的基礎。

1 快速信號解析方法理論基礎

1.1 CAN 信號與診斷信號特征

CAN 總線作為現代汽車電控單元之間信息交互的主要通訊方式，早在1993 年就已形成國際通用標準，其傳輸信號物理值與實際總線上傳輸的數值之間存在如下關系[9]：物理數值=總線數值×系數+偏移。以某款新能源汽車（系數為1，偏移量為-1 023 的驅動電機轉矩信號）為例：

式中：TM_Tq為驅動電機轉矩物理值；b0和b1分別為總線上傳輸的報文0x95 中第3 個字節和第4 個字節的數值（轉換為十進制），該信號單位為Nm。

而通過診斷讀取的信號為實際物理值，診斷信號與不加系數偏移的CAN 信號曲線不完全重合，圖1 為CAN 信號與其對應的診斷信號曲線的形狀特征圖，為了更直觀地理解CAN 信號與診斷信號的不同特點，圖中對其做了特征放大處理。由圖1可知，診斷信號與CAN 信號相比，CAN 信號存在比例系數與偏移，又由于診斷信號頻率比通訊CAN信號低，二者數值曲線存在一定差異，所以在利用診斷信號進行解析時，需運用其與CAN 信號的形似特征來處理兩種信號的形態差異，再進行一定的運算，方可解析出正確的CAN 信號。

圖1 CAN 信號與診斷信號特征

1.2 信號相似度原理

根據診斷信號與CAN 信號有一定相似度的原理，通過選取信號有效識別區，并對其相似度進行計算即可快速定位CAN 信號。其中，有效識別區是對CAN 信號進行提取并與診斷信號做對比的數據區，橫坐標范圍是信號值發生變化的時間區，縱坐標范圍是信號值與穩定值之間的數據區。有效識別區的4 種形式如圖2 所示。

圖2 有效識別區的4 種形式

提取了診斷信號與CAN信號的有效識別區后，需對識別區的信號值進行匹配度篩選。有效識別區相似度計算原理如圖3 所示。將所有CAN 信號與診斷信號有效識別區內的時間區域劃分成相同的份數，假設都分成z 段（z=5），若CAN 信號為所求，CAN 信號與診斷信號的差值應小于2 倍診斷信號周期，每段有效區數據的比值xi/yi數列的方差也應大大小于xi/yi數列均值。

定義時間區相似度表達式為：

式中：δte為時間區相似度；t 為時間，s。定義數值區相似度表達式為：

圖3 相似度計算原理

δte、δve數值越大，CAN 信號與診斷信號形狀越相似，是所求信號的概率也就越高。

在提取出所有CAN 信號與診斷信號的有效識別區，并計算獲得所有CAN 信號的δte與δve之后，需對CAN 信號進行篩選，得到符合條件的接近診斷信號形狀的CAN信號。由于兩種信號的周期不同，存在某些情況下的CAN 信號有突變值而診斷信號沒有，會造成δve偏小，所以篩選時可將此值設置得比較寬松，最低可設置為0.5 左右。δte一般設置為0.9 或者更大（此處0.9 為經驗值）。由于δte與δve設置篩選閾值不當會導致輸出結果過多或者沒有輸出結果，所以應多次調整這兩個值直至輸出合理數量的結果，在得到接近診斷信號形狀的CAN 信號后，還需進行實車驗證以確保信號的準確性。

2 基于Matlab 的信號解析方法實現

利用診斷信號快速定位CAN 信號的信號解析方法流程如圖4 所示。首先將診斷儀連接到被測車輛診斷接口處，將CAN 信號硬件接口卡與通訊CAN 線連接，對被測車輛進行診斷請求，操作車輛使待解析信號發生變化，同時用診斷儀記錄診斷數據并用CAN 分析軟件記錄CAN 報文，記錄過程盡可能保持兩種不同數據采集的同步。將記錄的診斷信號與CAN 數據轉換成解析軟件能識別的文件格式，確定診斷信號與CAN 數據中所有CAN 信號的有效識別區，計算有效識別區相似度，將有效識別區相似度和CAN 信號以矩陣形式輸出，按有效識別區相似度從高到低的順序對所述矩陣中的CAN信號進行驗證，完成對CAN 信號的定位。

圖4 快速信號解析流程

為實現該快速定位CAN 信號的解析方法，本研究采用Matlab 進行編程，實現通過診斷信號對CAN 信號的定位及查找。為方便操作，設計可視化界面如圖5 所示，包含了解析軟件的所有功能。將需要的參數及Excel 數據輸入，選擇相應的信號類型，單擊計算就可輸出符合條件的所有結果，具體包含篩選出的所有CAN 信號所屬的報文ID、信號長度位數、信號起始位、信號比例系數、信號偏移量、識別區時間域差異度及數值域差異度，單擊Plot 可繪制曲線以確認查找結果的正確性。

圖5 信號解析軟件界面

3 測試與驗證

以某款新能源汽車的主缸壓力和驅動電機轉矩信號為例，其中主缸壓力信號在制動踏板未踩時有穩定值0，在踩制動踏板狀態有大于0 的變動值，符合本方法對被解析信號特征的要求。此例利用診斷儀記錄信號。操作車輛使車輛行駛―制動―行駛，同時手動記錄車輛在“制動踏板未踩―踩制動踏板―制動踏板未踩”全過程的診斷儀信號與CAN數據，盡量保證兩者記錄數據同時進行，允許兩者的記錄時間前后有些許的偏差。

將記錄的診斷儀信號與CAN 數據轉換格式，然后導入到Matlab 中。在Matlab 中運行程序，并對診斷儀信號以及CAN 數據中所有的CAN 信號進行處理，提取出兩者的有效識別區。通過計算診斷信號與CAN 信號有效識別區的時間區相似度，以及通過將診斷信號與CAN 信號的時間區域劃分成30 個，計算每個時間段里診斷信號與CAN 信號的平均值之比，然后計算數值區相似度。制定一個相似度界點，本例中的時間區相似度界點為90%，數值區相似度界點為80%，將相似度高于此界點的所有CAN 信號全部篩選出來。此后，判斷篩選出來的CAN 信號的數據格式、數據類型，計算篩選出來的CAN 信號的比例系數與偏移。最后輸出結果數組，見表1。本例有多個疑似信號輸出，前4 個疑似信號對比如圖6a 所示，圖中按照相似度從高到低的信號名稱分別為信號1、信號2、信號3、信號4。按相似度從高到低的順序對上述信號進行逐一驗證，信號1、信號2、信號3 與診斷信號變化規律一致。按照信號排列規律及相似度數值，本例信號1 驗證后證明是所求信號，即完成了某款新能源汽車主缸壓力信號的解析與標定。通過信號軟件查找出來的相似度最高的主缸壓力信號與診斷信號對比，如圖6b 所示。

表1 主缸壓力信號解析結果

圖6 主缸壓力信號對比

驅動電機轉矩信號的查找方法與主缸壓力信號的類似，查找出來的驅動電機轉矩CAN 信號與診斷信號對比如圖7 所示。經過實車驗證，通過該方法快速解析出來的主缸壓力信號和驅動電機轉矩信號準確無誤，可利用該方法開展大批量關鍵信號的獲取，為新能源汽車測試評價工作提供有力支撐。

圖7 驅動電機轉矩信號與診斷信號對比

4 結論

（1）以診斷儀信號為參考，根據通訊CAN 信號與診斷信號形態相似的原理，提出了一種通過計算兩種不同來源信號有效識別區的相似度來快速定位CAN 信號的解析思路。

（2）通過Matlab 編程實現CAN 信號解析方法，并開發友好用戶操作界面，可滿足對待測新能源汽車快速、準確解析CAN 信號的需求，極大地提高信號獲取效率， 增加信號的準確度。

（3）以某款新能源汽車主缸壓力和驅動電機轉矩信號為例，在已獲取診斷儀上的主缸壓力和驅動電機轉矩信號的前提下，根據信號有效識別區相似度計算原理，通過本研究所開發的信號解析軟件實現對該信號的快速查找，得到該信號的詳細信息，完成對該信號的標定和驗證。

（4）通過基于診斷信號相似度的解析方法可大量解析對標車的CAN 信號，減少傳感器及其它數采設備的安裝成本，節約數采設備安裝調試周期，同時避免了由于安裝空間有限而無法采集部分關鍵信號等問題，為新能源汽車測試評價工作奠定基礎。