基于UDS協(xié)議的新能源客車智能診斷上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

明杰婷, 楊杰君, 文健峰, 孫 煒, 劉逸群, 張利新

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

隨著新能源客車電氣化程度的不斷提高,對(duì)車載電控系統(tǒng)的下線調(diào)檢及故障診斷的要求也越來(lái)越高[1-3]。由于新能源客車車輛定制化程度高、需求變動(dòng)大,如何規(guī)范車輛的調(diào)檢流程,是新能源整車廠亟待解決的重要問(wèn)題。

縱觀我司現(xiàn)狀,主要存在以下兩方面問(wèn)題:一方面是現(xiàn)有客車的電氣化平臺(tái)未固化,調(diào)檢問(wèn)題多樣,主要依賴設(shè)計(jì)人員解決現(xiàn)場(chǎng)電氣問(wèn)題;另一方面是下線調(diào)檢主要依賴工人逐項(xiàng)調(diào)試,經(jīng)常出現(xiàn)漏檢的情況,調(diào)檢結(jié)果極大程度上依賴工人的技術(shù)水平。

針對(duì)上述問(wèn)題,開(kāi)發(fā)基于UDS診斷協(xié)議的車輛智能診斷上位機(jī)軟件迫在眉睫。該智能診斷上位機(jī)軟件運(yùn)用Qt的跨平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架[4-6]開(kāi)發(fā),具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)需安裝、人機(jī)交互友好等優(yōu)點(diǎn),可顯著提高我司技術(shù)人員調(diào)試效率、售后人員服務(wù)效率,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化下線診斷,進(jìn)而規(guī)范每臺(tái)車下線調(diào)檢流程,對(duì)每臺(tái)車形成一份電子調(diào)檢報(bào)告,實(shí)現(xiàn)調(diào)檢過(guò)程可追溯、零漏檢、零故障出廠。

1 UDS協(xié)議

1.1 UDS協(xié)議概述

UDS(Unified Diagnostic Services)是ISO 15765和ISO 14229定義的一種可以面向整車所有ECU的通用汽車診斷協(xié)議,它可以在不同的汽車總線上實(shí)現(xiàn),如CAN、LIN、Flexray、Ethernet等。UDS協(xié)議提供的是一個(gè)診斷服務(wù)的基本框架,各主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商可根據(jù)實(shí)際情況,定義個(gè)性化的診斷內(nèi)容,所以基于UDS協(xié)議的診斷也被稱為增強(qiáng)型診斷[7-10]。

UDS協(xié)議本質(zhì)上是一系列的服務(wù),共包含6大類26種。每種服務(wù)都有獨(dú)立的服務(wù)ID,即SID(Service Identifier)。對(duì)于本文智能診斷上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā),主要使用10服務(wù)、14服務(wù)、19服務(wù)、22服務(wù)、27服務(wù)、31服務(wù)。

1.2 UDS協(xié)議安全訪問(wèn)算法

上位機(jī)軟件與VCU之間基于UDS協(xié)議進(jìn)行通訊,具有更高的安全性和更強(qiáng)的適應(yīng)性。對(duì)于安全等級(jí)不為0的服務(wù),需通過(guò)安全算法解鎖成功后,才能對(duì)VCU進(jìn)行安全訪問(wèn)。其中2F服務(wù)、22服務(wù)、31服務(wù)等需與VCU進(jìn)行安全算法校驗(yàn),VCU才能響應(yīng)上位機(jī)的診斷指令。其校驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 UDS協(xié)議安全算法校驗(yàn)流程

VCU與上位機(jī)之間基于UDS協(xié)議進(jìn)行安全算法校驗(yàn)的流程為:VCU基于安全算法定期更新Seed(種子)及Key(密匙),并將Seed發(fā)送至上位機(jī),上位機(jī)根據(jù)接收到的Seed,通過(guò)加密算法,產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的Key,并將該Key發(fā)送至VCU,當(dāng)VCU的Key與上位機(jī)的Key一致時(shí),上位機(jī)與VCU之間才能解鎖,并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為了提高數(shù)據(jù)的安全性,基于隨機(jī)數(shù)周期性更新Seed,與Seed對(duì)應(yīng)的Key隨之更新,上位機(jī)與VCU之間基于相同的加密算法,生成動(dòng)態(tài)Key,安全性更高。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

在電腦中運(yùn)行該上位機(jī)軟件的可執(zhí)行程序,即可啟動(dòng)上位機(jī),無(wú)需特定硬件支持。該智能診斷上位機(jī)軟件主要包含3大主體功能,分別是數(shù)據(jù)流監(jiān)控與存儲(chǔ)功能、專家故障診斷功能、下線診斷功能。在主界面上,設(shè)置了各項(xiàng)功能的人機(jī)交互界面入口,主要包括CAN通訊設(shè)置、中英文切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能入口、數(shù)據(jù)流監(jiān)控功能入口、下線診斷功能入口。點(diǎn)擊各功能入口按鈕,即可進(jìn)入各功能的子界面。總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能診斷上位機(jī)軟件系統(tǒng)構(gòu)架

1) 數(shù)據(jù)流監(jiān)控功能可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛意圖數(shù)據(jù)、電機(jī)數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)、上下電數(shù)據(jù)、輔源數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)整車信息可視化,取代專業(yè)的調(diào)試軟件,降低調(diào)試專業(yè)技術(shù)門檻,提高調(diào)試效率。數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)功能主要用于保存不同格式的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2) 為了便于觀察數(shù)據(jù),專家故障診斷功能集成在了整車數(shù)據(jù)流監(jiān)控界面中,可實(shí)時(shí)顯示車輛的故障信息。

3) 下線診斷功能可對(duì)下線車輛進(jìn)行單步診斷、一鍵診斷,并生成診斷報(bào)告。下線診斷功能用于車輛下線自動(dòng)化診斷,規(guī)范調(diào)檢流程并降低錯(cuò)檢漏檢頻率。

4) 為了提高上位機(jī)軟件的實(shí)用性,還開(kāi)發(fā)了部分輔助功能,主要包括讀取訂單信息、VIN碼、快照信息等。

2.2 數(shù)據(jù)流監(jiān)控與存儲(chǔ)

通過(guò)車輛信息的可視化監(jiān)測(cè),可有效幫助調(diào)試人員了解當(dāng)前車輛的狀態(tài),確認(rèn)車輛運(yùn)行是否正常,協(xié)助排查上電異常、無(wú)法動(dòng)車等常見(jiàn)調(diào)試問(wèn)題的原因。為了實(shí)時(shí)了解車輛的運(yùn)行狀態(tài),上位機(jī)軟件可在線監(jiān)控車輛運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù),包括整車信息界面、車身信息界面兩個(gè)部分。與此同時(shí),上位機(jī)還可存儲(chǔ)不同格式的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1) 整車顯示界面主要顯示駕駛意圖、電機(jī)、電池、高壓上下電、擋位、車速、氣壓等信息,車輛運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)一目了然(如圖3所示)。為了便于在車輛發(fā)生故障時(shí)觀測(cè)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù),圖3中還包括了專家故障診斷系統(tǒng)的界面顯示內(nèi)容。

2) 車身信息界面又分為車身電氣、端口輸入、端口輸出、輔源系統(tǒng)4個(gè)部分。車身電氣主要顯示車身控制所需的燈光、雨刮、門控等信息,端口輸入、端口輸出用于顯示該VCU所有開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出狀態(tài),輔源系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)附件的工作指令、運(yùn)行狀態(tài)等信息,如圖4所示。

圖4 車身信息監(jiān)控系統(tǒng)

3) 數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)系統(tǒng)可將車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ),既支持ASC、CSV格式的原始報(bào)文存儲(chǔ),也支持解析后的車輛關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。售后人員可使用該工具采集數(shù)據(jù),供技術(shù)人員分析,幫助其遠(yuǎn)程排查車輛故障。

2.3 專家故障診斷

在圖3所示的整車信息監(jiān)控界面,也集成了專家故障診斷功能。專家故障診斷可智能定位故障觸發(fā)機(jī)制,并將故障原因反饋給調(diào)試人員。

首先,建立故障代碼數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)中包含故障代碼名稱、故障等級(jí)、故障釋義、故障原因列表,上位機(jī)軟件讀取故障代碼數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)接收整車控制器發(fā)送的所有可能觸發(fā)故障的條件狀態(tài),將這些條件狀態(tài)與故障代碼數(shù)據(jù)庫(kù)的故障觸發(fā)條件進(jìn)行比對(duì),從而準(zhǔn)確定位出當(dāng)前故障觸發(fā)的原因,并在界面進(jìn)行顯示。

該專家故障診斷功能可精準(zhǔn)定位故障觸發(fā)原因,摒棄了傳統(tǒng)的人為解析原始報(bào)文、分析原始數(shù)據(jù)的故障排查機(jī)制,顯著提高故障排查效率。此外,該專家診斷系統(tǒng)還支持離線故障查詢、累計(jì)記錄歷史故障代碼等功能,如圖3所示。

2.4 下線診斷

為了實(shí)現(xiàn)車輛下線智能調(diào)檢,不再依賴工人的經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)檢是否通過(guò),提高車輛出廠的一致性,開(kāi)發(fā)了下線診斷功能。根據(jù)需求不同,分為單步診斷、一鍵診斷兩大主體功能。

2.4.1 單步診斷

單步診斷主要用于對(duì)車身系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、輔源系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行單獨(dú)診斷,用于判斷某一部件是否可以正常工作。

由于整車子系統(tǒng)包含的部件類型不同,故首先需對(duì)部件進(jìn)行分類,分為無(wú)需人為操作有狀態(tài)反饋、需人為操作有狀態(tài)反饋、無(wú)需人為操作無(wú)狀態(tài)反饋、需人為操作無(wú)狀態(tài)反饋四類。

1) 對(duì)于無(wú)需人為操作有狀態(tài)反饋的部件,上位機(jī)發(fā)送診斷指令,VCU執(zhí)行診斷邏輯,并通過(guò)對(duì)部件診斷時(shí)反饋的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷,即可確認(rèn)該部件是否可正常工作,VCU基于UDS協(xié)議將診斷結(jié)果發(fā)送至上位機(jī),診斷通過(guò)亮綠燈,診斷不通過(guò)亮紅燈。

2) 同理,對(duì)于需人為操作有狀態(tài)反饋的部件,則需要在上位機(jī)中增加人機(jī)交互界面,提示調(diào)檢員操作相關(guān)的部件(如掛擋、踩踏板等),來(lái)配合完成相關(guān)部件的診斷。

3) 對(duì)于無(wú)需人為操作無(wú)狀態(tài)反饋的部件,需開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面,提示調(diào)檢員確認(rèn)診斷結(jié)果,如燈光系統(tǒng)等。

4) 對(duì)于需人為操作且無(wú)狀態(tài)反饋的部件,則需上位機(jī)開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面,提示駕駛員執(zhí)行診斷動(dòng)作,同時(shí)確認(rèn)診斷結(jié)果。

通過(guò)對(duì)部件進(jìn)行分類,可對(duì)車輛所有需要診斷的部件依次進(jìn)行單步診斷。

2.4.2 一鍵診斷

一鍵診斷區(qū)別于單步診斷,調(diào)檢員不需要依次選擇診斷部件,上位機(jī)按照既定的流程,依次自動(dòng)完成踏板及擋位系統(tǒng)、雨刮系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、低壓附件系統(tǒng)、高壓附件系統(tǒng)等所有部件的診斷,并生成診斷報(bào)告。VCU對(duì)各部件的診斷控制邏輯與單步診斷保持一致,不同的是上位機(jī)可自動(dòng)發(fā)送診斷指令,而取消調(diào)檢員點(diǎn)擊每個(gè)部件的診斷按鈕的動(dòng)作,降低調(diào)檢員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.4.3 診斷報(bào)告

該上位機(jī)軟件還能在線生成診斷報(bào)告,并且可對(duì)診斷報(bào)告進(jìn)行加密,防止診斷報(bào)告被人為修改或偽造。下線診斷界面如圖5所示。

圖5 下線診斷部件分類

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新能源客車調(diào)試效率低、下線檢測(cè)不規(guī)范的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于新能源客車數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及下線診斷的上位機(jī)軟件。該上位機(jī)軟件不僅能實(shí)現(xiàn)整車關(guān)鍵數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控,還具有專家故障診斷等多種功能。在下線診斷方面,完全基于UDS診斷協(xié)議開(kāi)發(fā),與其他廠家私有協(xié)議相比,具有通用性更好,安全性更高等特點(diǎn),同時(shí)有效地節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本。該智能診斷軟件已成功應(yīng)用于我司2022年以后生產(chǎn)的新能源客車中,有效提高了調(diào)試效率、下線檢測(cè)效率、售后服務(wù)效率。