便攜式刷寫、診斷工具開發

鄭紅麗 姜長坤 劉朝陽 張昀琪 畢圓浩

（1.中國第一汽車股份有限公司智能網聯開發院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：便攜式 ECU刷寫 故障診斷 CAN總線

1 前言

隨著智能網聯技術的快速發展，使得汽車電子系統更加復雜，汽車ECU刷寫和故障診斷需求越來越多。目前絕大部分OEM或供應商都從國外設備廠商進行采購CANoe等測試工具對ECU進行刷寫和故障診斷，這些測試工具雖然功能強大、性能穩定可靠，但是價格昂貴，一套CANoe售價約15萬元左右。為了緩解刷寫和故障診斷測試工具緊張的局面，急需開發一款基于國產CAN盒進行ECU刷寫、診斷功能的測試工具。趙等開發了一款功能覆蓋面廣、成本優勢明顯的測試/診斷工具，其配置了汽車電子通用的CAN（高速、低速）接口，無需連接電腦即可實現對儀表等汽車電子產品的快速測試和診斷。吳等設計了一種基于CAN總線的車載ECU控制器程序刷寫系統，能有效的提高車載ECU刷寫的可靠性和速度。鮑等設計一種通用型的刷寫方法，解決了各類車型的刷寫，同時降低了開發成本。崔通過使用以太網鏈路作為診斷刷寫與車輛ECU通信的物理鏈路，利用以太網高傳輸速率的特點,大幅度的提高診斷刷寫效率。

針對這一問題，本文基于主控核心板模塊、CAN總線通信模塊、觸摸屏模塊、電源模塊和統一診斷服務協議，利用嵌入式系統開發了一款能夠對汽車ECU進行刷寫和故障診斷的測試工具。通過觸摸屏控制ECU刷寫和故障診斷，操作簡單。此外，傳統的車輛ECU是通過計算機編寫上位機控制軟件進行刷寫和故障診斷的，需要220 V交流電直接給計算機供電。在長時間工作時，用現有的車輛ECU刷寫和故障診斷方法會出現計算機電量不足，車內又沒有電源可直接給計算機供電的情況，該嵌入式系統通過汽車OBD連接到蓄電池進行供電，能夠避免使用計算機實車操作出現電量不足的問題，從而有效提高車輛ECU的刷寫和故障診斷效率和準確度。

2 便攜式刷寫、診斷工具系統概述

系統工作原理圖如圖1所示，操作系統選用嵌入式Linux系統。用戶通過操作人機界面發布ECU刷寫和故障診斷指令，測試設備通過接口控制ECU執行相應的指令，ECU執行結果通過接口反饋給測試設備，測試工具通過人機界面顯示給用戶。該測試工具供電通過汽車OBD連接到蓄電池進行供電。

圖1 系統工作原理

3 系統設計

3.1 硬件設計

系統硬件主要實現與用戶交互、與汽車ECU通訊、用戶提醒功能。為了提升用戶體驗，人機交互采用LCD觸摸屏模塊實現。由于汽車ECU需要通過CAN總線刷寫和故障診斷，故硬件需要預留CAN通信模塊。利用語音模塊和LED顯示模塊提醒用戶刷寫完成和刷寫異常。

系統硬件采用模塊化設計，主要包括主控核心板、CAN通信模塊、語音提示模塊、LED提示模塊、LCD觸摸屏模塊和電源模塊，硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構

（1）主控核心板

主控核心板采用某公司開發的EPC9600I-L開發板，EPC9600I-L基于AM335x系列處理器的工控主板，處理器內核為800 MHz的Arm Cortex-A8。具有一路LCD接口，兩路CAN通信接口，2路IIC接口，16路GPIO，滿足系統硬件需求。所有接口通過嚴格的抗干擾、抗靜電測試，可在-40℃～+85℃工業級溫度范圍內穩定工作，滿足各種條件苛刻的工業應用。EPC9600I-L開發板支持嵌入式Linux操作系統，開發人員只需專注于編寫產品的應用程序，具有開發周期短、系統人性化、軟件配套完整的特點，能輕松實現TCP/IP通信、CAN-bus現場總線通信，和大容量存儲的復雜功能，使嵌入式系統設計更加簡潔方便。

（2）CAN通信模塊

CAN總線接口單元實現了系統數據的發送和接收。接口單元包括電路微處理器，總線收發器，輸入和輸出設備，CAN通信控制器。微處理器完成數據處理，而CAN通信控制器完成數據處理。通過CAN通信協議轉換，CAN總線收發器可以延長通信距離，減少射頻干擾，提高系統即時抗干擾能力，并提供熱保護。CAN總線接口單元的設計是根據CAN總線物理層協議選擇總線介質，設計布線方法，然后連接到CAN網絡。主要是在CAN總線收發器與物理總線之間以及在CAN通信控制器與微處理器之間的接口電路設計。CAN總線接口電路如圖3所示，CAN總線收發器采用TJA1043T/1J芯片，電阻=61Ω，=62Ω，電容=4.7 nF。

圖3 CAN總線接口電路

（3）語音提示模塊

語音提示模塊的主要作用是為了提高操作的便捷性。其通過ISD1700語音模塊、控制電路、喇叭可以提示用戶操作過程、安全提示性語句，作為一種簡單、方便的人機交互方式，智能的語音系統必不可少。語音提示器由駐極體話筒、低通濾波器、精密整流直流放大器、單片機、電源組成（圖4）。

圖4 語音提示模塊系統

（4）LED提示模塊

LED是近年來快速流行的一種新型傳播媒介，由于其顯示亮度高、色彩好、壽命長和視角大，同時具備任意延展性，可以實現大面積的無縫拼接，能增強系統與用戶之間的互動。并且可用于環境噪音高的場所，如工廠或需要優先使用靜音設備場所。

（5）LCD模塊

為了更好便于用戶的操作，系統采用LCD觸摸屏，支持多點觸摸、靈敏度高、反應快、耐用度高、性能穩定、只需觸摸、無需按壓操作，大大提高了用戶的體驗感和操作的便捷性。LCD觸摸屏色彩偏差度小、無閃爍感、穩定度高、輻射小、對眼睛的損害小、更省電。此顯示系統使用7.0寸真彩TFT液晶屏，型號為LCD_TM070RDH12_24B，分辨率可以達到800x480。

（6）電源模塊

電源模塊輸入通過汽車OBD連接到蓄電池，由于蓄電池電壓為12 V左右，觸摸屏模塊、ISD1700語音模塊工作電壓為5 V，因此需要通過LM7805模塊將12 V電壓轉換成5 V。如圖5所示，電源模塊主要由高可靠、高性能的模塊電源搭建而成，保障設備穩定工作，同時電源模塊輸入輸出完全隔離，并提供過熱保護、過流保護、過載保護、過壓保護和熱插拔功能，增大了電源模塊的可靠性。

圖5 電源模塊系統

（7）可擴展性設計

隨著汽車智能化程度增加，總線通信負載率逐漸提升，很多主機廠將整車主干網絡通信由CAN總線替換成以太網，EPC9600I-L開發板具有一路以太網，滿足未來通過以太網刷寫、診斷及標定的需求。

3.2 軟件設計

3.2.1 開發工具鏈及開發流程介紹

本測試工具操作系統采用嵌入式Linux系統，人機交互界面使用Qt Creator集成開發環境開發，此IDE能夠跨平臺運行，支持的系統包括Linux（32位及64位）、Mac OS X和Windows。使用Qt Creator開發應用程序步驟如下：

第1步，新建工程；

第2步，工程創建好之后，雙擊其中的UI文件，便可以打開設計器對圖形界面進行編輯，將所需的控件拖拽到窗口中實現UI界面的設計；

第3步，UI界面設計好之后，開始編寫應用程序,實現程序刷寫和故障診斷功能。

3.2.2 應用軟件開發

本測試工具應用軟件包含3層，包括底層、中間層和應用層，系統軟件結構圖如圖6所示。

圖6 系統軟件結構

（1）底層

底層為驅動層，驅動軟件主要負責系統硬件的驅動和配置，為上層軟件搭建連接通道。EPC9600I-L開發板已經集成GPIO、CAN、LCD觸摸屏、以太網和AD驅動，用戶可以直接使用，提升產品開發效率。

（2）中間層

中間層是應用層和底層驅動層提供信號轉換、控制流緩沖工作。為了提升程序刷寫及故障診斷通信效率，CAN通信采用多幀傳輸方式，本項目中間層主要實現CAN總線多幀傳輸。

多幀傳輸方式中，將數據拆分成1個首幀、1個流控制幀和多個連續幀，具體傳輸流程如圖7所示。首幀包含了分段數據的總長度信息以及一些數據幀；流控制幀中包含接下來要傳輸連續幀的個數及2個連續幀之間的時間間隔；每個連續幀的第1個字節包含拆分的順序序號，后面的7個字節用于存放數據。接收端在接收到連續幀后根據接收數據幀的編號組合成服務數據。

圖7 多幀傳輸流程

（3）應用層

應用層是軟件的最頂層，包含刷寫功能應用軟件和診斷功能應用軟件。

a.刷寫功能應用軟件開發

參照統一診斷服務規范軟件刷寫流程，刷寫功能應用軟件包括預編程階段、編程階段和編程后階段。

預編程階段的具體步驟為：首先開啟擴展會話（session）；在預編程階段無需故障診斷，之后禁用診斷故障代碼（Diagnostic Trouble Code，DTC）存儲；為了保證刷寫功能可以正常完成，禁用非診斷通信；最后將會話模式切換到編程模式，相關的流程如圖8所示。

圖8 預編程階段流程

編程階段的具體步驟為：首先解鎖所要刷寫的ECU；然后擦除ECU中原有的程序，便于后續新程序的輸入；最后下載相關應用軟件，并檢測軟件中的應用程序正確性，相關流程如圖9所示。

圖9 編程階段流程

編程后階段的具體步驟為：首先根據編程階段所編程的軟件重置ECU，并啟動擴展session，以保持所重置的ECU信息；然后啟動非診斷通信，用于ECU的通信；最后啟動DTC故障診斷功能，啟動DTC故障診斷功能之后清除DTC，相關流程圖如圖10所示。

圖10 編程后階段流程

刷寫功能人機交互界面如圖11所示。其具有車型選擇、ECU類型選擇、ECU選擇、文件操作、刷寫日期設置、產品序列號設置、刷寫進度顯示、開始刷寫和系統清除功能。在用戶選擇好配置之后，點擊Download Start按鈕開始程序刷寫，刷寫過程中刷寫進度條不斷更新，刷寫完成后，通過語音及LED指示燈提醒用戶。為了避免誤刷寫，刷寫完成后通過點擊System Clear按鈕清除配置信息。

圖11 刷寫功能人機交互界面

b.診斷功能應用軟件開發

診斷功能的人機交互界面如圖12所示，其具有通道選擇、通信方式選擇、物理地址選擇、功能地址選擇、響應地址選擇、會話保持方式、會話保持時間，服務類型選擇、服務子功能選擇、故障診斷列表發送的功能。用戶使用時，首先選擇好配置信息，點擊要發送的服務，選擇對應的子服務、選擇是否抑制響應，最后點擊立即發送即可。如果用戶想同時發送多條指令，用戶需要選擇相應的服務，點擊添加至列表按鈕即可將該條指令添加至過程診斷列表中，2條指令可以通過添加延時按鈕添加指令之間的時間間隔，同時故障診斷列表可以刪除、清空、導出及導入。

圖12 診斷功能人機交互界面

3.2.3 QT程序移植到開發板

編寫好的應用程序需要移植到開發板中才能運行，移植按照以下3步進行。

第1步，將QT環境設置成在ARM下運行的環境，這樣編譯出來的可執行文件才能在開發板下運行，具體配置如圖13所示。環境配置好之后開始按照自己的意愿編寫代碼。

圖13 QT環境配置

第2步，往開發板上移植基本的QT庫。

（1）在虛擬機里安裝arm版QT所在的目錄下尋找庫及他們的相關鏈接文件。文件包括libQtGui.so、libQtCore.so、libQtNetwork.so和fonts下的字庫。為了防止錯誤，一并把他們的相關鏈接文件so.4、so.4.7、so.4.7.2都移植過去。

（2）在/opt目錄下建立“qt-4.8.5-arm”目錄，因為本項目使用的QT版本是4.8.5，所以建立在該目錄下。

（3）將虛擬機上拷貝的文件放到U盤中，通過U盤復制到開發板/opt/qt-4.8.5-arm中，包括lib以及lib下的fonts目錄。

（4）設置環境變量，在開發板的根目錄下執行：vi/etc/profile,然后輸入以下指令：

圖14 設置環境變量

最后，將編譯好的這個可執行文件放到開發板上，執行./xxx-qws命令，在觸摸屏中就可以顯示QT界面。

4 測試工具應用

本文所開發的便攜式刷寫、故障診斷測試工具已應用于某系列車型多個產品的刷寫及故障診斷測試中。經過多次測試，性能穩定可靠，滿足用戶需求。測試工具應用的模塊和項目如表1所示，圖15為某車型實車刷寫車門控制器軟件。

表1 測試工具應用

圖15 實車刷寫車門控制器

4.1 刷寫時間對比

傳統的刷寫工具通過CANoe實現，CANoe刷寫車門控制器部分LOG如圖16所示，便攜式刷寫器刷寫車門控制器部分LOG如圖17所示。圖16、圖17中Time列代表刷寫時間戳，單位為秒。圖16中第一行代表開始刷寫車門控制器，通過CANoe刷寫車門控制器起始時間為54.892 314 s，最后一行代表刷寫車門控制器成功，通過CANoe刷寫車門控制器結束時間為175.030 026 s，使用CANoe刷寫車門控制器總計時間為120.137 712 s。圖17中第一行代表開始刷寫車門控制器，通過便攜式刷寫器刷寫車門控制器起始時間為20.883 714 s，最后一行代表刷寫車門控制器成功，通過便攜式刷寫器刷寫車門控制器結束時間為121.030 166 s，使用便攜式刷寫器刷寫車門控制器總計時間為100.146 452 s。對比發現，通過便攜式刷寫器刷寫車門控制器比通過CANoe快20 s，時間縮短16.7%。經過多車型的轉向柱控制器、座椅控制器、車門控制器以及后背門控制器大量測試，性能穩定可靠，刷寫成功率可達到99.98%，滿足實車刷寫需求。

圖16 CANoe刷寫車門控制器LOG圖

圖17 便攜式刷寫器刷寫車門控制器的LOG圖

4.2 故障診斷功能應用

為了方便測試該工具故障診斷功能穩定性，故障診斷功能測試根據故障診斷功能規范通過臺架模擬實車故障，故障產生后通過診斷工具讀取ECU故障碼。讀取故障碼信息LOG如圖18所示，通過LOG分析，讀取出的故障診斷信息與實際模擬故障匹配。經過多車型大量測試，故障診斷測試功能性能穩定可靠，滿足故障診斷需求。

圖18 故障診斷功能測試

5 結束語

綜上，本文開發了基于CAN總線通訊的刷寫、診斷工具。該測試工具通過汽車OBD連接到蓄電池進行供電，能夠避免使用計算機實車操作出現電量不足的問題，成本低、操作過程簡單、縮短了刷寫時間，且具有較強的可擴展性，從而有效提高車輛ECU的刷寫和故障診斷效率。同時，該設備具有定制性的特點，能夠根據被測ECU的刷寫、診斷功能規范文檔定制屬于特定ECU的刷寫、診斷工具。