基于以太通信的工程診斷儀方案研究及功能實現

【摘" 要】汽車行業發展使傳統CAN診斷燒寫難以滿足OEM車企需求，車載以太網診斷技術研發階段測試驗證不足，整車開發V流程中診斷驗證工具及汽車診斷信息安全測試缺乏。文章聚焦基于通信的工程診斷儀方案，開展研究與實現工作。深入探究工程診斷儀的界面和軟硬件方案設計，設計信息安全診斷的AES算法、診斷準入端身份校驗和數字簽名方案。利用Qt Designer進行前端UI開發，基于Python完成后端DoIP協議的通信封裝與診斷燒寫功能實現。通過Python仿真測試和實車測試驗證診斷燒寫功能。結果顯示，此工程診斷儀可實現以太控制器DoIP診斷信息的診斷及燒寫功能驗證，支持自定義診斷序列定制化測試，為診斷領域研究人員提供新的研究思路。

【關鍵詞】工程診斷儀；DoIP技術；診斷燒寫；信息安全；自動化測試

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0086-05

Research and Implementation of Engineering Diagnostic Instrument Based on Ethernet Communication

【Abstract】The development of the automobile industry makes it difficult for traditional CAN diagnostic writing to meet the needs of OEM vehicle enterprises. The testing and verification of on-board Ethernet diagnostic technology in the research and development stage are insufficient，and the diagnostic verification tools and vehicle diagnostic information security testing in the vehicle development V process are insufficient. This paper focuses on the project of engineering diagnosis instrument based on communication，and carries out the research and implementation work. The interface and software and hardware design of the engineering diagnosis instrument are deeply studied，and the AES algorithm，identity verification and digital signature scheme of the diagnosis access terminal are designed. Qt Designer was used for front-end UI development，and the communication encapsulation and diagnostic burn function of back-end DoIP protocol was realized based on Python. The diagnostic burn function was verified by Python simulation test and real vehicle test. The results show that this engineering diagnostic instrument can realize the diagnosis and burn function verification of Ethernet controller DoIP diagnostic information，support custom diagnostic sequence customized testing，and provide a new research idea for researchers in the field of diagnosis.

【Key words】engineering diagnostic instrument；DoIP technology；diagnostic burning；information security；automated testing

1" 工程診斷儀現狀介紹

石聰[1]等人針對DoIP技術展開多維度研究，涵蓋通信應用場景、車內外診斷架構、物理連接方式、報文組成格式以及DoIP通信方式等。黃志堅[2]等人依托TCP/IP相關通信機制，融合ISO 14229診斷協議與ISO 13400 DoIP協議，成功開發Bootloader刷新軟件，實現基于Ethernet的ECU在線軟件升級，顯著提升了ECU刷新的時間性能與效率。李志濤[3]等人基于產品開發V流程，對車載以太網DoIP協議測試展開系統性工作。在ECU級測試中，聚焦DoIP診斷協議；在系統級測試時，嚴格依據DoIP系統設計規范要求，開展關于正確性、準確性以及合理性的測試。涂孝軍[4]等人深入分析并總結汽車以太網技術的特點與現狀，指出基于域控制器的混合汽車網絡拓撲將是行業未來的發展趨勢。安康[5]等人剖析DoIP協議幀格式和通信流程，提出車載以太網診斷架構模型，為構建車載以太網診斷系統提供了極具價值的參考依據。

當前，行業內占據主流地位的工程診斷儀，主要包括Softing公司的Q-test、Vector公司的Indigo以及恒潤科技的恒潤工程診斷儀（DDS）。這些工程診斷儀的主要功能、優缺點詳見表1。

2" 基于以太通信的工程診斷儀方案設計

2.1" 工程診斷儀界面方案設計

為充分契合診斷燒寫以及信息安全診斷相關技術的測試需求，本文著手開展工程診斷儀界面方案設計工作，具體涵蓋診斷燒寫自動化測試方案設計與診斷信息安全方案設計兩大關鍵板塊。

2.1.1" 界面方案設計

工程診斷儀界面方案設計為1～4級界面，如圖1所示。1級界面顯示以太連接提示；2級界面顯示配置界面、通信建立測試界面、診斷界面、燒寫界面、售后功能測試界面和EOL測試界面，且需配置界面配置完成后方可進入其他界面；3級、4級界面的設計詳情可參考圖1。

2.1.2" 診斷燒寫自動化測試方案設計

診斷燒寫自動化測試方案包括UDS診斷自動化測試和UDS燒寫自動化測試兩部分。

2.1.3" 診斷信息安全方案設計

診斷信息安全整體方案測試包括DoIP設備認證測試和DoIP燒寫診斷信息安全測試兩部分。設備認證測試是為了保證外部設備接入車內OBD口時需通過身份認證才可對車內以太控制器進行診斷燒寫操作，保證診斷數據傳輸的安全性。這一測試具體涉及設備認證算法、認證鎖定算法、DoIP診斷服務過濾算法。燒寫診斷信息安全測試是為了保證以太控制器燒寫及診斷功能滿足信息安全法規的相關要求。

2.2" 工程診斷儀軟硬件方案設計

2.2.1" 硬件連接及軟件框架設計

工程診斷儀的硬件連接采用網口轉車載OBD口的連接線方案，以此實現搭載工程診斷儀軟件的PC電腦與車輛之間的連接通信，通信連接采用靜態IP。OBD口和以太網網口轉接線如圖2所示。此線纜一端是OBD口，另一端是以太網網口，依靠這根線纜，能夠實現支持DoIP通信的車輛與診斷上位機的物理連接。以太網連接功能主要由Etherent Rx+、Etherent Rx-、激活線、Etherent Tx+、Etherent Tx- 5根線構成，分別對應3、11、8、12、13針腳。診斷上位機通過OBD口連接邊緣節點，借助激活線來激活和停用控制器的DoIP功能。在開發過程中，所需的硬件設備包括OBD口和以太網網口轉接線、自帶以太網網口的PC電腦以及支持DoIP通信的車輛。

軟件整體開發設計架構如圖3所示，采用前后端分離開發并集成的開發方式。前端使用PyQt工具包進行設計開發，后端采用Python語言進行構建開發。軟件架構從下到上共分為4層，分別為物理連接層、通信連接層、應用層和視圖層。物理連接層主要開發軟件與待測車輛之間的硬件連接方案，提供DoIP通信的物理連接基礎；通信連接層集成了DoIP通信傳輸層及網絡層協議，實現診斷上位機軟件和車輛端DoIP實體間的TCP通信連接，并能建立起DoIP實體間的通信，從而進行路由激活及UDS診斷報文的傳輸；應用層實現了基礎UDS服務的功能，提供給應用層調用的接口進行相關服務消息的封裝傳輸，并實現工程診斷儀的通信配置、診斷功能、刷寫功能等業務功能邏輯；視圖層則主要實現軟件相關功能界面的設計開發，并提供與應用層功能交互的接口，采用PyQt進行開發設計。

軟件功能結構如圖4所示，主要分為通信建立、ECU刷寫和ECU診斷三大功能。其中，通信建立包括Ping網絡連通性測試、DoIP通信連接建立和DoIP通信路由激活，實現軟件與車載ECU之間的通信建立及路由激活功能。ECU刷寫包括以太網控制器的有文件系統刷寫和無文件刷寫功能，通過ECU刷寫功能可以實現對以太網控制器的正常刷寫及異常刷寫測試，從而驗證控制器刷寫功能的品質。ECU診斷包括ECU硬件版本號、軟件版本號、軟件編碼等信息讀取及故障碼信息讀取，并能通過診斷儀序列發送單條或多條組合的UDS服務去實現特定功能的診斷，便于ECU診斷問題的排查解決。

當診斷儀和DoIP實體連接至DoIP網絡中，其通信流程設計如圖5所示。

2.2.2" 前端界面開發設計

基于Qt Designer軟件，能夠實現服務端與以太ECU之間的連接建立，其連接開發界面如圖6所示。在該界面中，ECU信息顯示了ECU的名稱、IP地址和邏輯地址。另外，還設置了輸入框，以便支持與列表中未覆蓋的ECU建立連接。在選中所要進行操作的ECU后，點擊Ping按鈕，服務端將會和對應ECU進行Ping操作，用以確認物理鏈路的連通。點擊建立連接按鈕，服務端與ECU端建立連接。當用戶在界面中選中需要進行操作的ECU后，點擊“Ping”按鈕，服務端便會與對應的ECU執行Ping操作，通過這一操作可以確認兩者之間物理鏈路的連通性，為后續的穩定通信奠定基礎。若點擊“建立連接”按鈕，服務端則會與ECU端正式建立連接，進而開啟數據交互與操作的流程。

Qt Designer自定義界面如圖7所示，點擊發送按鈕，服務端會按照序列的排序，將UDS服務命令發送給ECU，將ECU的回復解析在最右邊的窗口中。使用鼠標雙擊窗口2中的元素可修改自定義的UDS服務命令。

燒寫界面的UI設計如圖8所示，左上角的窗口設置了UDS服務的中文指令，鼠標點擊對應的元素，左下方的輸入框出現對應的信息，通過鼠標點擊輸入框修改服務內容，點擊“添加到燒寫列表”按鈕可以將對應內容添加到中間的燒寫列表窗口中。

2.2.3" 后端開發設計

工程診斷儀軟件的后端開發設計以軟件整體開發設計架構圖為基礎，進行通信、數據處理、UDS服務及應用層功能開發。自定義序列診斷仿真測試圖如圖9所示。其中，通信連接層的實現主要采用Python-DoIPClient通信包改寫封裝及Socket通信網絡編程，對應代碼框架Communication中內容，實現DoIP報文的通信傳輸。Python-DoIPClient通信包是一個使用Python語言編寫實現的DoIP客戶端通信接口，可用于車載以太網與ECU之間的通信，主要由Messages、Connectors和Client文件組成。Messages文件中主要通過DoIPMessage類實現了13400協議棧的底層所有消息格式定義。Connectors文件中通過繼承Udsoncan中的Baseconnection類實現了DoIPClient UDSConnector連接類，通過該類可以實現Udsoncan庫的連接并進行通信。Client文件實現了DoIPClient類，結合Messages文件實現DoIP報文的封裝，并通過Socket在以太網上發送和接收DoIP報文。

應用層功能的開發主要實現對Python-Udsoncan開源庫UDS服務功能的調用封裝，對應代碼框架中Udsoncan文件夾內容。該庫使用Python 3對ISO 14229定義的統一診斷服務（UDS）協議進行完整實現，提供了通用的標準診斷服務接口函數，便于集成開發更為復雜的診斷功能軟件。應用層功能針對診斷自定義序列發送、ECU信息讀取、故障碼信息讀取功能進行了后端封裝實現，以企標定義的有文件系統和無文件系統燒寫規范為準則，實現了對以太網控制器的有文件系統燒寫和無文件系統燒寫后端邏輯。通過應用層功能開發封裝并與前端接口連接，從而實現界面各應用功能業務邏輯的實現，便于前端代碼直接調用代碼框架中Application中內容。

3" 仿真驗證

建立與仿真ECU節點的DoIP通信后，在圖9 ECU信息界面點擊讀取信息可讀取到所連ECU控制器的軟件編碼、軟件版本號和硬件版本號信息。自定義序列界面中，雙擊Server欄的診斷服務，即可給所連ECU發送診斷命令。將Server欄和Service欄的相應診斷服務拖拽到自定義列表欄，組成需要發送的一組自定義診斷序列，然后點擊發送按鈕，即可對所連ECU進行自定義序列診斷，完成相應測試或標定功能。其中，軟件上位機發送和ECU回復的UDS診斷報文在ECU回復列表欄實時顯示，便于問題分析和查看。

DoIP的有文件系統燒寫仿真測試如圖10所示。在有文件燒寫界面，可自定義添加燒寫服務到燒寫列表中，生成燒寫測試列表，然后選擇燒寫包文件進行燒寫測試，燒寫的實時狀態日志及完成情況實時打印在燒寫日志實時顯示欄中。從圖中仿真驗證結果可以看出，軟件開發的有文件及無文件燒寫系統功能可完整實現對以太網控制器的軟件刷寫功能。

通過對DoIP工程診斷儀軟件的測試仿真驗證，驗證了軟件的各項功能。結果表明，仿真測試驗證可實現對DoIP控制器的診斷燒寫功能，為軟件實車驗證奠定了良好的條件。

4" 實車驗證

基于某兩款以太車型開展實車DoIP通信驗證，對以太控制器進行DoIP診斷及燒寫測試，試驗結果如圖11～圖13所示。試驗結果表明，工程診斷儀可以實現以太控制器的診斷和燒寫功能的測試驗證。

通過實車驗證以太網控制器建立DoIP連接、ECU信息讀取、自定義序列發送、有文件燒寫功能，結果表明DoIP工程診斷儀可實現DoIP的診斷和燒寫功能驗證，彌補整車開發V流程在研發階段缺少DoIP診斷驗證工具的現狀。

5" 結論與展望

本文基于DoIP診斷通信的診斷協議及通信流程，開展了DoIP通信的工程診斷儀方案設計，實現了以太控制器的DoIP診斷及燒寫功能的測試驗證，并開發自定義序列界面，可在研發階段定制化DoIP測試流程開展DoIP協議測試，為DoIP通信相關領域人員的研究提供參考。

參考文獻

[1] 石聰，劉洋.基于DoIP協議的車輛診斷技術研究[J].汽車與駕駛維修，2022（4）：17-19.

[2] 黃志堅，姜立標.基于Ethernet的車載ECU診斷刷新研究[J].汽車零部件，2021（7）：17-21.

[3] 李志濤，耿偉峰.車載以太網 DoIP協議測試的研究與分析[J].汽車電器，2022（9）：21-24.

[4] 涂孝軍，張瑩，李曉平.汽車以太網技術發展現狀與趨勢探究[J].汽車實用技術，2021，46（5）：35-38.

[5] 安康，韓光省，韓可強，等.基于DoIP協議的汽車診斷系統開發[J].汽車電器，2019（3）：29-31.