莫太平，蔡習(xí)文，張明志

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004）

控制器、傳感器和執(zhí)行器等電子器件被越來越多地運用到汽車上，得益于近年來汽車電子的飛速發(fā)展。由于消費者對車輛的可靠性、安全性、舒適性的不斷追求，使得汽車電控系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，造成了車內(nèi)線束劇增和診斷難度不斷加大[1]。為此CAN總線應(yīng)運而生，成為最受歡迎的現(xiàn)場總線之一，代表汽車車載網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向。由于它具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實時性強等優(yōu)點[2]，被汽車制造商越來越多地應(yīng)用于汽車控制、診斷和通信[3]。因此基于CAN總線的故障診斷越來越重要。為解決故障診斷系統(tǒng)獨立于CAN網(wǎng)絡(luò)，造成系統(tǒng)成本增加和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜等問題，歐洲汽車廠商推出一種基于CAN總線的診斷系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)ISO15765，它以ISO14229-1定義的服務(wù)為基礎(chǔ)，規(guī)范了基于CAN總線的診斷服務(wù)（UDS on CAN），包括網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)定時、應(yīng)用層定時等詳細內(nèi)容，使得該協(xié)議的適用性和可操作性更強，而且兼容ISO14230應(yīng)用層的服務(wù)和參數(shù)。

本文就是在ISO15765的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計了汽車下線管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過與待測汽車通信，讀取電控系統(tǒng)的故障碼和數(shù)據(jù)流，來判斷下線汽車的電子器件（包括傳感器和執(zhí)行器）是否正常，如果不正常，需要進行調(diào)整維修，這樣能夠保證汽車的質(zhì)量。最后還要打印測試結(jié)果并保存至數(shù)據(jù)庫，便于以后的跟蹤和維護。

1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)診斷設(shè)備和不同層次結(jié)構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)的接入位置，大體有3種結(jié)構(gòu)[4]：

（1）診斷設(shè)備與服務(wù)器（ECU）在同一個網(wǎng)絡(luò)，診斷設(shè)備與服務(wù)器直接相連。

（2）診斷設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)間接與服務(wù)器相連。

（3）診斷設(shè)備在主網(wǎng)中，而需要診斷的服務(wù)器在子網(wǎng)中，診斷設(shè)備與服務(wù)器的通信通過帶有網(wǎng)關(guān)功能的服務(wù)器來實現(xiàn)。

由于后面2種屬于遠程故障診斷，在診斷時，需要遠程控制信息，幀資源消耗大。所以本文選擇第一種診斷結(jié)構(gòu)，診斷設(shè)備與ECU處于同一個網(wǎng)絡(luò)。ISO15765的應(yīng)用越來越廣泛，因此該系統(tǒng)也是基于該協(xié)議設(shè)計。系統(tǒng)主要有兩部分：

（1）USB-CAN的標(biāo)準(zhǔn)診斷接口與汽車相連；

（2）USB-CAN的USB端與上位機診斷軟件相連。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Testing system structure

USB-CAN總線適配器帶有USB2.0接口和1路CAN接口，可進行雙向傳送，完全不用了解復(fù)雜的USB通訊協(xié)議。這里它有2個主要功能：

（1）接收上位機的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN幀的格式發(fā)送給汽車內(nèi)部的CAN網(wǎng)絡(luò)。

（2）接收汽車內(nèi)部的CAN幀，將CAN幀轉(zhuǎn)換為上位機可識別的數(shù)據(jù)。

2 ISO15765協(xié)議分析

ISO15765協(xié)議是在CAN總線上實現(xiàn)了KWP2000，它把KWP2000應(yīng)用層的服務(wù)移植到CAN總線。參照ISO/OSI模型，它分為4層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。鏈路層采用了ISO11898-1協(xié)議[5]，該協(xié)議是對CAN2.0B協(xié)議的進一步標(biāo)準(zhǔn)化；應(yīng)用層采用了ISO15765-3協(xié)議[6]，該協(xié)議完全兼容基于K線的應(yīng)用層協(xié)議14230-3，并加入了CAN總線診斷功能組；網(wǎng)絡(luò)層則采用ISO15765-2協(xié)議[7]，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（N_PDU）與底層CAN數(shù)據(jù)幀以及上層KWP2000服務(wù)之間的映射關(guān)系，并且為長報文的多包數(shù)據(jù)傳輸過程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復(fù)功能。ISO15765的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ISO15765體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ISO15765 architecture diagram

3 上位機軟件設(shè)計

3.1 功能模塊設(shè)計

根據(jù)需求，可設(shè)計出4個功能模塊：下線檢測模塊、系統(tǒng)配置模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊圖Fig.3 Functional module diagram

其中，下線檢測模塊主要是實現(xiàn)汽車ECU的檢測，并將結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫。用戶管理模塊是實現(xiàn)用戶的增加、刪除，秘密的變更，權(quán)限的修改。系統(tǒng)配置模塊主要是在下線檢測前，對系統(tǒng)的配置，包括標(biāo)準(zhǔn)值的輸入和修改，VIN和ECU的對應(yīng)關(guān)系，還有底層USB-CAN的比特率的設(shè)置。數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計功能。還有其他功能，如打印支持，在需要打印的時候，發(fā)揮作用。

3.2 USB-CAN通訊設(shè)計

上位機通過調(diào)用USB-CAN提供的DLL動態(tài)鏈接庫函數(shù)，可實現(xiàn)與底層通信，完全不需要理解CAN幀在CAN總線上的傳輸機制。調(diào)用VCI_OpenDevice（）打開設(shè)備；連接設(shè)備成功后，調(diào)用VCI_InitCan（）初始化CAN相關(guān)參數(shù)；上一步完畢之后，通過VCI_Start CAN（）啟動CAN轉(zhuǎn)換功能，下線檢測系統(tǒng)即可與CAN總線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在接收來自總線上的數(shù)據(jù)時，利用VCI_Receive（）獲取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。如果要發(fā)送數(shù)據(jù)給總線網(wǎng)絡(luò)，則在設(shè)置好發(fā)送的參數(shù)和內(nèi)容后，通過VCI_Transmit（）將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到總線上。最后使用VCI_CloseDevice（）關(guān)閉與總線網(wǎng)絡(luò)的連接，結(jié)束通信。函數(shù)調(diào)用如圖4所示。

圖4 DLL函數(shù)調(diào)用圖Fig.4 DLL functions calling diagram

3.3 測試流程設(shè)計

系統(tǒng)配置完畢后，引車員登錄，身份驗證后，系統(tǒng)進行初始化，進入下線檢測界面，開始汽車故障診斷。檢測流程為

（1）采用Window認證方式啟動檢測程序；

（2）待測汽車進入檢測工位，然后輸入引車員號；

（3）檢測系統(tǒng)掃描汽車的VIN碼，根據(jù)VIN調(diào)出VSN及相應(yīng)的數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)；

（4）引車員將檢測系統(tǒng)的接口接入車輛診斷接口；

（5）持續(xù)檢測水溫，直到水溫合格。由于ECU中可能存在一些軟故障，這些軟故障并不一定是硬件系統(tǒng)本身的問題，而可能是由于歷史的原因而存在。所以在水溫合格后，要首先清除ECU的故障碼，而后讀取的故障碼就可以代表ECU電控系統(tǒng)的硬故障，這些數(shù)據(jù)可以表明當(dāng)前的電控系統(tǒng)是否存在問題；

（6）開始診斷，在界面上顯示故障碼和數(shù)據(jù)流，并存儲數(shù)據(jù)至后臺數(shù)據(jù)庫；

（7）檢測完成后，檢測系統(tǒng)綜合所有信息得出結(jié)論，若檢測過程中沒有故障碼出現(xiàn)，且檢測到的參數(shù)值均在合格的范圍內(nèi)，則該輛汽車合格，否則為不合格，不合格要返回檢修。最后還要自動打印檢測結(jié)果；

（8）檢測系統(tǒng)進入下一輛車的檢測流程。

檢測流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 實車測試

實車測試所用的車型為某國產(chǎn)車，該車為全新標(biāo)準(zhǔn)用車，內(nèi)部ECU實現(xiàn)了ISO15765協(xié)議，各個電子器件通過CAN總線相連。測試所需條件和相關(guān)步驟如下：

（1）車輛保持靜止，全車通電，啟動發(fā)動機，其他電子設(shè)備根據(jù)需要依次打開。

（2）將CAN-USB適配器一端標(biāo)準(zhǔn)診斷插頭（16pin）接入汽車OBD-II接口，發(fā)送DiagnosticSessionControl（0x10）服務(wù)，使車載診斷網(wǎng)絡(luò)處于診斷模式。

（3）發(fā)送 ClearDiagnosticInformation（0x14）服務(wù)清除故障碼[8]，然后發(fā)送其他服務(wù)與ECU通信，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖5 檢測流程圖Fig.5 Detection flowchart

（4）分析數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫的參數(shù)信息進行匹配，得出結(jié)果并輸出顯示。

圖6顯示了下線檢測系統(tǒng)通過發(fā)動機ECU通信后獲得的數(shù)據(jù)和測試結(jié)果。

圖6 測試結(jié)果圖Fig.6 Interface of testing result

4.2 結(jié)果分析

通過實車測試，可以看出系統(tǒng)能夠讀取故障碼和數(shù)據(jù)流，顯示數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)，并且對測試的故障碼和數(shù)據(jù)流的不合格個數(shù)進行統(tǒng)計，得出合格還是不合格的結(jié)論，測試結(jié)果正確，達到了測試的目的。而且通過對實際數(shù)據(jù)進行解析，獲得汽車實時信息，該信息能夠反映汽車電控系統(tǒng)所處的狀況和運行性能，說明所設(shè)計的系統(tǒng)在技術(shù)和實際應(yīng)用中是可靠的。

5 結(jié)語

本文介紹了診斷測試標(biāo)準(zhǔn)ISO15765的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了汽車下線管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與汽車內(nèi)部電控系統(tǒng)進行通信，發(fā)送相應(yīng)的診斷請求，接收響應(yīng)消息幀。通過解析獲取的幀，得到故障碼和數(shù)據(jù)流，判斷汽車電控系統(tǒng)是不是處在正常工作狀況下。該系統(tǒng)最后部署在某汽車生產(chǎn)線上，對下線汽車進行電控系統(tǒng)檢測，將檢測的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，便于以后統(tǒng)計和維護，在提高企業(yè)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，大大增強了汽車的可靠性和安全性。

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