程安宇，趙 恬，申 帥

（重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車電子控制單元（electronic control unit，ECU）被應(yīng)用于汽車控制。傳統(tǒng)的診斷方法在診斷的準(zhǔn)確性、使用方便性等方面都難以適應(yīng)現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展［1］，為解決這一問(wèn)題，汽車廠商在車輛ECU軟件系統(tǒng)中增設(shè)診斷協(xié)議部分。診斷功能的實(shí)現(xiàn)是ECU開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要部分［2］。

CAN總線是目前汽車ECU實(shí)現(xiàn)通信的主要網(wǎng)絡(luò)。因此，基于CAN總線的ECU診斷功能的實(shí)現(xiàn)已成為診斷技術(shù)的必然趨勢(shì)。一致性測(cè)試是診斷協(xié)議測(cè)試的一個(gè)重要方面，是協(xié)議開(kāi)發(fā)人員首要關(guān)心的問(wèn)題，它測(cè)試診斷協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是否符合協(xié)議規(guī)范。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］在診斷協(xié)議的一致性測(cè)試方面測(cè)試用例較少，測(cè)試不全面，不能驗(yàn)證診斷功能是否符合協(xié)議。

本文根據(jù)某汽車廠商ECU的診斷需求規(guī)范，基于CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765，設(shè)計(jì)了測(cè)試方案和測(cè)試用例，測(cè)試用例涵蓋需求規(guī)范中的所有診斷數(shù)據(jù)，并通過(guò)CANoe總線分析軟件中CAPL編程模塊完成。

1 CAN總線的診斷系統(tǒng)分析

CAN總線診斷系統(tǒng)如圖1所示，客戶端向服務(wù)器ECU發(fā)送某服務(wù)的請(qǐng)求報(bào)文，服務(wù)器收到請(qǐng)求報(bào)文，對(duì)請(qǐng)求報(bào)文的格式和內(nèi)容進(jìn)行判斷后，發(fā)送響應(yīng)（肯定或否定響應(yīng)）報(bào)文或沒(méi)有響應(yīng)。診斷系統(tǒng)通過(guò)這種方式完成通信和數(shù)據(jù)的交換。

圖1 CAN總線診斷系統(tǒng)組成Fig 1 Composition of CAN bus diagnostic system

根據(jù)開(kāi)放系統(tǒng)互連（open system interconnection，OSI）七層參考模型，CAN總線診斷通信系統(tǒng)分為4層，如圖2所示。應(yīng)用層遵循 ISO 14229—1UDS（unified diagnostic services）或ISO 15765—3中診斷服務(wù)的定義。網(wǎng)絡(luò)層遵循ISO 15765—2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?shù)據(jù)鏈路層和物理層遵循ISO 11898—1［4］。

圖2 OSI模型中UDS在CAN總線的實(shí)現(xiàn)Fig 2 Implementation of UDS on CAN bus in OSI model

CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765中，網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供服務(wù)接口，應(yīng)用層通過(guò)訪問(wèn)這些服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層的信息交互［5］。

2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，診斷協(xié)議棧軟件完成了診斷協(xié)議的一致性測(cè)試后，才能將具有診斷功能的ECU應(yīng)用于整車上。診斷協(xié)議棧的測(cè)試流程如圖3所示，首先，分析協(xié)議得到測(cè)試數(shù)據(jù);然后，將此數(shù)據(jù)用于被測(cè)的診斷協(xié)議棧軟件，得到測(cè)試輸出;最后，將測(cè)試輸出與分析協(xié)議得到的預(yù)期結(jié)果相比較，分析測(cè)試結(jié)果的正確與否。如果結(jié)果正確，則測(cè)試通過(guò);如果結(jié)果錯(cuò)誤，則修改被測(cè)軟件存在的問(wèn)題，再次測(cè)試。

圖3 測(cè)試流程Fig 3 Flow chart of test process

2．1 診斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

診斷結(jié)構(gòu)有3種形式:1）客戶端和服務(wù)器在同一網(wǎng)絡(luò)中直接連接;2）客戶端通過(guò)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器連接;3）客戶端和服務(wù)器在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，客戶端與主網(wǎng)絡(luò)連接，主網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與子網(wǎng)絡(luò)連接。

本文的診斷結(jié)構(gòu)采用第一種形式，客戶端和服務(wù)器ECU在同一網(wǎng)絡(luò)。如圖4所示，服務(wù)器ECU為核心芯片為STM8的車身控制模塊（body control module，BCM），此外還在其上運(yùn)行診斷協(xié)議棧，其中包括:應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和底層軟件。客戶端為PC機(jī)，在其上運(yùn)行德國(guó)Vector公司的CANoe軟件，通過(guò)CAPL編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例來(lái)發(fā)送診斷服務(wù)請(qǐng)求，測(cè)試用例分為網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試和應(yīng)用層測(cè)試。

圖4 診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of diagnostic system

CAN總線上的數(shù)據(jù)在Trace窗口顯示，以便分析診斷系統(tǒng)通信是否成功和ECU的診斷協(xié)議棧軟件是否符合協(xié)議規(guī)定。

2．2 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

從軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法的角度，分為白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試［6］。本文采用黑盒測(cè)試，針對(duì)軟件的功能需求與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。不需考慮程序編碼結(jié)構(gòu)，測(cè)試者只需了解程序輸入和輸出間的關(guān)系，或是程序的功能。本文依靠程序功能的需求規(guī)范和診斷協(xié)議確定測(cè)試數(shù)據(jù)，判定測(cè)試結(jié)果的正確性。

測(cè)試用例設(shè)計(jì)時(shí)，需要分析需求規(guī)范，然后確定系統(tǒng)正常的輸入輸出，以驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否正常。由于篇幅限制，這里只列出幾項(xiàng)診斷數(shù)據(jù)，如表1所示，ECU診斷數(shù)據(jù)的定義，支持的SID（service identifier）、各SID對(duì)應(yīng)的子功能、如表2所示支持的DID（data identifier）、如表3所示網(wǎng)絡(luò)層時(shí)間參數(shù)值等內(nèi)容。

表1 ECU支持的SID定義Tab 1 Definition of SID supported by ECU

表2 ECU支持的DID定義Tab 2 Definition of DID supported by ECU

表3 網(wǎng)絡(luò)層計(jì)時(shí)器描述Tab 3 Timer description of network layer

測(cè)試用例中不僅有正確的輸入，還應(yīng)有錯(cuò)誤的輸入，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤情況的處理能力。因此，設(shè)計(jì)的測(cè)試用例分為正常用例和異常用例。本文測(cè)試用例的設(shè)計(jì)根據(jù)診斷協(xié)議ISO 15765和汽車廠商規(guī)定的診斷數(shù)據(jù)。

1）正常用例

正常用例，即客戶端按照正確的報(bào)文格式和預(yù)定的步驟發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是否符合協(xié)議和需求規(guī)范。測(cè)試要求如下:

a．正常通信下，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)打包，解包和流控制機(jī)制，如（客戶端）發(fā)送單幀、（服務(wù)器）響應(yīng)單幀、發(fā)送多幀、響應(yīng)多幀［7］;

b．測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層是否能正確識(shí)別數(shù)據(jù)解包的錯(cuò)誤情況;

c．測(cè)試應(yīng)用層服務(wù)在合法請(qǐng)求下，響應(yīng)報(bào)文格式是否正確，響應(yīng)時(shí)間是否符合需求規(guī)定;

d．測(cè)試執(zhí)行應(yīng)用層服務(wù)合法的執(zhí)行順序的情況下，是否實(shí)現(xiàn)了其功能。

2）異常用例

異常用例，即客戶端按照非法的服務(wù)執(zhí)行順序發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，或發(fā)送錯(cuò)誤的報(bào)文格式的請(qǐng)求報(bào)文，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是否符合協(xié)議規(guī)定。測(cè)試要求如下:

a．客戶端發(fā)送錯(cuò)誤的N—PDU，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層對(duì)錯(cuò)誤情況的處理能力;

b．客戶端超時(shí)發(fā)送診斷請(qǐng)求報(bào)文，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層對(duì)超時(shí)的處理情況;

c．客戶端發(fā)送無(wú)效數(shù)據(jù)幀（除了定義的4種幀類型之外的）或在正常通信時(shí)發(fā)送其它報(bào)文幀打斷正在進(jìn)行的通信過(guò)程，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層的處理能力;

d．測(cè)試應(yīng)用層服務(wù)在非法請(qǐng)求報(bào)文下或非法的服務(wù)執(zhí)行順序時(shí)，能否做出正確的否定響應(yīng)。

3 測(cè)試

3．1 測(cè)試項(xiàng)執(zhí)行

根據(jù)分析需求規(guī)范的結(jié)果設(shè)計(jì)由DID寫(xiě)入數(shù)據(jù)執(zhí)行的流程如圖5所示，此流程涉及多個(gè)服務(wù)的執(zhí)行，以及單幀、多幀數(shù)據(jù)的傳輸。以此為例說(shuō)明設(shè)計(jì)測(cè)試項(xiàng)。

首先，ECU的會(huì)話模式只有進(jìn)入非默認(rèn)模式時(shí)，才能進(jìn)行安全訪問(wèn)請(qǐng)求。安全訪問(wèn)請(qǐng)求服務(wù)成功執(zhí)行后ECU解鎖，如果ECU未成功解鎖，則由否定報(bào)文判斷失敗的原因，修改請(qǐng)求報(bào)文后再次執(zhí)行安全訪問(wèn)請(qǐng)求。ECU解鎖成功后由DID讀出ECU中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行由DID寫(xiě)入數(shù)據(jù)的服務(wù)。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否成功寫(xiě)入，將由相同的DID讀出和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)相比較，如果讀出和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)相同，證明寫(xiě)入成功;反之，則不成功。

圖5 由DID寫(xiě)入數(shù)據(jù)服務(wù)執(zhí)行的流程圖Fig 5 Flow chart excuted by WriteData service

在此流程中，由于數(shù)據(jù)的讀出、寫(xiě)入涉及了多幀傳輸，所以，在此過(guò)程中還應(yīng)測(cè)試ECU的網(wǎng)絡(luò)層計(jì)時(shí)器是否遵循需求規(guī)范，如表3所示。

測(cè)試執(zhí)行分為網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層測(cè)試，結(jié)果如表4與表5所示。

ECU尋址方式為物理尋址，請(qǐng)求和響應(yīng)ID分別為0x766，0x7A6。測(cè)試項(xiàng)為客戶端發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文，預(yù)期結(jié)果為分析協(xié)議和需求規(guī)范后得到的ECU應(yīng)做出的反應(yīng)。

測(cè)試的請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文等有關(guān)信息在Trace窗口顯示，以供測(cè)試者通過(guò)報(bào)文內(nèi)容分析測(cè)試結(jié)果。

表4 網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試結(jié)果Tab 4 Test resurt of network layer

表5 應(yīng)用層測(cè)試結(jié)果Tab 5 Test Test result of application layer

表6 BCM診斷功能測(cè)試結(jié)果Tab 6 Test results of BCM diagnostic function

3．2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試項(xiàng)執(zhí)行后，通過(guò)分析Trace窗口的報(bào)文與預(yù)期結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果。所測(cè)試診斷報(bào)文傳輸機(jī)制、診斷服務(wù)、執(zhí)行流程和錯(cuò)誤處理等內(nèi)容符合診斷協(xié)議規(guī)定。部分測(cè)試結(jié)果如表6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究分析CAN總線診斷系統(tǒng)，針對(duì)一種BCM的診斷需求規(guī)范，依據(jù)CAN總線診斷協(xié)議ISO 15765設(shè)計(jì)了測(cè)試方案和用例，并通過(guò)CAPL編程執(zhí)行測(cè)試用例。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此BCM診斷協(xié)議棧符合ISO 15765協(xié)議和需求規(guī)定，說(shuō)明此測(cè)試方法能有效地測(cè)試診斷功能和診斷協(xié)議的一致性。

［1］ 胡思德．汽車車載網(wǎng)絡(luò)（VAN/CAN/LIN）技術(shù)詳解［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 韓 鑫．電容式混合動(dòng)力汽車離線診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［D］．鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2011．

［3］ 李 銳，王晶瑩，姚 燕，等．基于ISO 15765的車載CAN網(wǎng)絡(luò)診斷設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)工程，2012（4）:35－36．

［4］ ISO/DIS 15765—2:Road vehicles-diagnostics on controller area networks（CAN）［S］．

［5］ ISO/DIS 15765—3:Road vehicles-diagnostics on controller area networks（CAN）［S］．

［6］ 鄭人杰．計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試技術(shù)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1992．

［7］ 常欣紅，于金泳，劉志遠(yuǎn)．汽車故障診斷標(biāo)準(zhǔn) ISO 15765的網(wǎng)絡(luò)層分析與實(shí)現(xiàn)［J］．汽車技術(shù)，2006（9）:40－43．

［8］ 程安宇，趙國(guó)慶，馮輝宗，等．基于CAN總線的電子控制單元功能測(cè)試方法［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012（1）:139 －141．