馬宏偉 吳長(zhǎng)水

摘 ?要：統(tǒng)一診斷協(xié)議UDS是診斷服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，控制器ECU是電子控制單元。針對(duì)車(chē)載ECU在使用過(guò)程中，傳統(tǒng)的控制器ECU應(yīng)用軟件升級(jí)方案比較煩瑣，需要將ECU拆卸下來(lái)在進(jìn)行升級(jí)。本文以MPC5634M單片機(jī)作為控制器，基于UDS協(xié)議設(shè)計(jì)了一種ECU應(yīng)用軟件在線(xiàn)升級(jí)方案。Bootloader是ECU上電后首先運(yùn)行的軟件程序，CAN是一種串行通信。在CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，進(jìn)行MPC5634M單片機(jī)Bootloader底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，在VS平臺(tái)下進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)周立功USB轉(zhuǎn)CAN，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)CAN通信，并對(duì)ECU在線(xiàn)升級(jí)功能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)通過(guò)CAN總線(xiàn)能穩(wěn)定可靠的進(jìn)行ECU在線(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)，解決了傳統(tǒng)控制器ECU拆卸下來(lái)在進(jìn)行應(yīng)用程序升級(jí)的煩瑣問(wèn)題，達(dá)到了應(yīng)用軟件升級(jí)方便的設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：MPC5634M;UDS協(xié)議;在線(xiàn)升級(jí)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The unified diagnostic protocol （UDS） is the standard specification for diagnostic services， and the controller ECU is the electronic control unit. The current updating scheme for the traditional controller ECU （Electronic Control Unit） application is so complicated that it should be dismantled for updating. In order to solve the above problem， a new scheme for online updating the ECU application is designed based on UDS protocol， using MPC5634M single-chip microcomputer as the controller. Bootloader is the first software program to run after ECU is powered on， and CAN （Controller Area Network） is a kind of serial communication. Under the CodeWarrior integrated development environment， the MPC5634M single-chip Bootloader bottom-layer driver development is carried out， and the host computer is designed on the Visual Studio platform. Through transferring Zhou Ligong USB to CAN （i.e， a product provided by Zhou Ligong Company）， the communications between the host computer and the slave computer CAN is realized， and the ECU online updating function is verified. The results of the experiment show that this newly-designed scheme enables the ECU online system to update stably through the CAN bus， which meets the design requirements of convenient application updating and solve the problem of the existing scheme.

Keywords： MPC5634M; UDS protocol; online updating

1 ? 引言（Introduction）

在車(chē)載控制器ECU的使用過(guò)程中，通常需要進(jìn)行應(yīng)用層軟件的更新升級(jí)。傳統(tǒng)的ECU應(yīng)用層程序升級(jí)方案比較煩瑣，需要將控制器ECU拆卸下來(lái)，使用專(zhuān)用的程序下載仿真器進(jìn)行燒寫(xiě)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。相比之下，控制器ECU在線(xiàn)升級(jí)可以很好的解決這一問(wèn)題。

UDS協(xié)議[1]是在汽車(chē)電子ECU環(huán)境下的一種診斷通信協(xié)議，結(jié)合CAN通信機(jī)制可以縮短汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本。目前，進(jìn)行控制器ECU在線(xiàn)升級(jí)的研究有很多，例如：文獻(xiàn)基于CAN總線(xiàn)對(duì)CCP協(xié)議進(jìn)行自定義，實(shí)現(xiàn)了控制器的在線(xiàn)升級(jí)[2]。文獻(xiàn)采用S19格式文件進(jìn)行程序燒寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了ECU在線(xiàn)升級(jí)[3]。文獻(xiàn)在控制器的Bootloader設(shè)計(jì)中，對(duì)CAN驅(qū)動(dòng)和Flash驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹[4]。文獻(xiàn)基于CAN FD軟件升級(jí)設(shè)計(jì)中，采用外部觸發(fā)方式進(jìn)行ECU軟件升級(jí)[5]，如果升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)掉電等現(xiàn)象，無(wú)法保證ECU再次上電后正確運(yùn)行程序。本文在詳細(xì)分析UDS協(xié)議下載流程的基礎(chǔ)下，通過(guò)對(duì)MPC5634M底層相關(guān)驅(qū)動(dòng)的配置開(kāi)發(fā)，以及基于VS平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)基于UDS協(xié)議的ECU在線(xiàn)升級(jí)。

2 ?UDS協(xié)議及系統(tǒng)組成（UDS protocol and system composition）

如表1所示，UDS協(xié)議定義了一系列服務(wù)命令，不同的服務(wù)命令都有自己獨(dú)立標(biāo)識(shí)符。在CAN通信機(jī)制下，由上位機(jī)發(fā)起請(qǐng)求，下位機(jī)根據(jù)不同的請(qǐng)求命令進(jìn)行響應(yīng)。

2.1 ? UDS協(xié)議幀類(lèi)型

根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是否大于8字節(jié)，可將UDS幀類(lèi)型分為單幀和多幀，其中多幀包含首幀、連續(xù)幀和流控制幀，單幀的傳輸比較簡(jiǎn)單，通常的一問(wèn)一答數(shù)據(jù)傳輸即為單幀傳輸;多幀的傳輸相對(duì)復(fù)雜，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，首先需要對(duì)多包數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，然后再按照一定序列進(jìn)行重組。

多幀的傳輸過(guò)程，如圖1所示，發(fā)送端首先發(fā)送首幀，告知接收端將要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù);接收端接收到首幀后返回流控制幀，流控制幀主要有三個(gè)參數(shù)，流狀態(tài)（FS）;塊的大小（BS）主要包含了接收端可以接收數(shù)據(jù)大小等信息;STmin表示兩個(gè)連續(xù)幀的時(shí)間間隔，超過(guò)規(guī)定的時(shí)間間隔會(huì)認(rèn)為發(fā)送錯(cuò)誤;接著發(fā)送端發(fā)送連續(xù)幀，參數(shù)SN表示幀的連續(xù)號(hào)，在發(fā)送連續(xù)幀的過(guò)程中，需要對(duì)連續(xù)幀進(jìn)行編號(hào)，每發(fā)送一個(gè)連續(xù)幀，幀的連續(xù)號(hào)就會(huì)增加1，當(dāng)增加到15時(shí)自動(dòng)清零并重新計(jì)數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，發(fā)送端停止發(fā)送連續(xù)幀。

2.2 ? UDS編程步驟

基于UDS協(xié)議的ECU在線(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)，是按照UDS規(guī)定的相關(guān)服務(wù)命令進(jìn)行應(yīng)用程序更新[6]。UDS編程步驟在遵循標(biāo)準(zhǔn)化步驟的基礎(chǔ)下，可根據(jù)需要進(jìn)行自定義。本文設(shè)計(jì)的編程步驟，如圖2所示。

ECU收到上位機(jī)診斷會(huì)話(huà)服務(wù)請(qǐng)求后，ECU由默認(rèn)的診斷會(huì)話(huà)子模式切換到編程會(huì)話(huà)子模式，為編程做準(zhǔn)備。

在進(jìn)行ECU軟件升級(jí)前，需要對(duì)ECU進(jìn)行解鎖，即上位機(jī)向ECU發(fā)送Seed請(qǐng)求，ECU返回一個(gè)隨機(jī)種子，上位機(jī)通過(guò)加密算法計(jì)算出密鑰發(fā)送給ECU，ECU根據(jù)該密鑰檢測(cè)是否和自身密鑰匹配。如果兩者密鑰相等則安全訪(fǎng)問(wèn)成功，否則返回錯(cuò)誤消息。

通過(guò)例程控制服務(wù)調(diào)用底層Flash擦除函數(shù)，擦除原有的應(yīng)用程序內(nèi)存區(qū)，為下載新應(yīng)用程序做準(zhǔn)備。

ECU收到請(qǐng)求下載服務(wù)請(qǐng)求后，根據(jù)當(dāng)前所處的編程會(huì)話(huà)模式，對(duì)下載前地址進(jìn)行校驗(yàn)，以確保用戶(hù)對(duì)該地址具有訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。獲得訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限后，進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

ECU收到數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)請(qǐng)求后，如果具備訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用程序內(nèi)存地址權(quán)限，則開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸期間，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)會(huì)多次執(zhí)行直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

ECU收到請(qǐng)求退出服務(wù)后，終止上位機(jī)與ECU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)調(diào)用例程控制服務(wù)采用CRC校驗(yàn)算法檢驗(yàn)下載到ECU中數(shù)據(jù)塊完整性，即ECU計(jì)算下載數(shù)據(jù)CRC值并與上位機(jī)發(fā)送的CRC值進(jìn)行比較，若兩者相等，則程序數(shù)據(jù)塊下載成功。再次調(diào)用該服務(wù)主要是用來(lái)檢查數(shù)據(jù)塊的邏輯性和兼容性。

在校驗(yàn)完下載程序的正確性后，ECU會(huì)收到復(fù)位服務(wù)請(qǐng)求。該服務(wù)主要用來(lái)進(jìn)行ECU復(fù)位，并將程序啟動(dòng)地址跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序首地址。

2.3 ? 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的ECU在線(xiàn)升級(jí)方案主要由下位機(jī)控制器ECU、上位機(jī)在線(xiàn)升級(jí)軟件和USB轉(zhuǎn)CAN三部分組成，如圖3所示。

下位機(jī)采用具有CAN接口的MPC5634M單片機(jī)作為控制器，在CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。上位機(jī)基于Visual Studio平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要采用周立功公司提供的一套完整附帶函數(shù)聲明的Virtual CAN Interface（VCI）函數(shù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)需要調(diào)用相關(guān)庫(kù)函數(shù)即可完成上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)。通信模塊采用周立功USB轉(zhuǎn)CAN接口卡，主要實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

3 ? Bootloader設(shè)計(jì)（Bootloader design）

Bootloader程序是ECU上電后首先運(yùn)行軟件程序，主要完成各個(gè)模塊的初始化，使系統(tǒng)處于恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，為應(yīng)用程序的運(yùn)行提供正確的環(huán)境[7-10]。

3.1 ? 硬件選型

NXP公司針對(duì)車(chē)用而設(shè)計(jì)的MPC5634M微控制器，提供了兩路FlexCAN通信和Flash編程等模塊。FlexCAN通信模塊符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持?jǐn)U展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀，每次傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大為8字節(jié)，數(shù)據(jù)Buffer為64字節(jié)，通信速率高達(dá)1Mbit。Flash編程模塊提供了高達(dá)1.5MB的可編程非易失性閃存，支持64位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，時(shí)鐘頻率高達(dá)80MHz，可配置軟硬件讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)保護(hù)，可設(shè)置擦除塊地址空間，每次可寫(xiě)入64位地址空間。

3.2 ? Flash內(nèi)存分配

Bootloader程序通常固化在Flash內(nèi)存中[11]，一般通過(guò)專(zhuān)用仿真器下載完成后，不能進(jìn)行修改，而Application程序需要不斷地進(jìn)行升級(jí)完善。為保證Application程序更新時(shí)不發(fā)生程序混亂，必須進(jìn)行合理的內(nèi)存空間分配，以達(dá)到Bootloader程序和Application程序無(wú)交叉覆蓋[12-14]。

本文設(shè)計(jì)的Flash內(nèi)存分布，如圖4所示。將0x00000000—0x0000FFFF低地址64kB空間劃分為Bootloader程序區(qū)，其中0x00000000—0x00000008地址空間用于存放Bootloader程序的啟動(dòng)半字和復(fù)位向量，0x00000009—0x0000FFFF地址空間用于存放底層相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。0x00010000—0x0017FFFF高地址空間劃分為Application程序區(qū)，其中0x00010000—0x00010008地址空間為Application程序地啟動(dòng)半字和復(fù)位向量，0x00010009—0x0017FFF7地址空間存放Application程序，0x0017FFF8—0x0017FFFF地址空間作為Application程序軟件升級(jí)標(biāo)志位。本文分別設(shè)置Bootloader程序和Application程序的啟動(dòng)半字和復(fù)位向量，這樣可以同時(shí)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、調(diào)試Bootloader程序和Application程序，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

3.3 ? CAN和Flash驅(qū)動(dòng)配置

控制器MPC5634M的Bootloader CAN和Flash配置主要是在CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程設(shè)置，具體的配置如下：

CAN通信的驅(qū)動(dòng)配置主要涉及CAN節(jié)點(diǎn)初始化、波特率、接收中斷函數(shù)等。CAN初始化函數(shù)void CANA_Init（unsigned char speed）主要完成CAN節(jié)點(diǎn)使能，定義最大緩沖Buffer為64字節(jié)，提供125KB、250KB、500KB三種模式的波特率，可由用戶(hù)根據(jù)需要進(jìn)行軟件選擇，SIU.PCR[83].R定義為CAN Tx引腳，為開(kāi)漏輸出，SIU.PCR[84].R定義為CAN Rx引腳。CAN接收中斷函數(shù)void CANA_RX_ISR（void）主要處理來(lái)自上位機(jī)請(qǐng)求會(huì)話(huà)，其中UDS編程函數(shù)uds_handler（RxDATA， RxLENGTH）就在CAN中斷函數(shù)中調(diào)用。

Flash驅(qū)動(dòng)配置主要是Flash的初始化、Flash扇區(qū)擦除和Flash扇區(qū)編程。Flash初始化函數(shù)unsigned char FlashInitAndUnlock（void）主要完成Flash各個(gè)扇區(qū)的初始化，提供訪(fǎng)問(wèn)Flash內(nèi)存的權(quán)限，初始化成功將返回0，否則返回1。Flash擦除函數(shù)unsigned char EraseFlash（void）主要完成擦除Flash內(nèi)存區(qū)域的Application應(yīng)用程序，主要配置是將要擦除內(nèi)存塊的首地址，該函數(shù)在UDS編程過(guò)程中的例程控制服務(wù)中被調(diào)用。Flash編程函數(shù)unsigned char ProgramFlash（UINT32 dest， UINT32 source， UINT32 size）主要完成對(duì)特定內(nèi)存塊的編程，需要配置編程的首地址，并添加校驗(yàn)算法，即下載文件格式是否正確，下載程序是否完整，該函數(shù)也是在UDS編程過(guò)程中的例程控制服務(wù)中被調(diào)用。

3.4 ? Bootloader工作流程

本文設(shè)計(jì)的控制器ECU復(fù)位或重啟后，由地址0x00000008跳出進(jìn)入啟動(dòng)程序地址0x00000009，在啟動(dòng)程序內(nèi)首先判斷軟件升級(jí)標(biāo)志是否置位，若軟件升級(jí)標(biāo)志置位，則進(jìn)入Bootloader下載模式，進(jìn)行Application程序升級(jí)，否則，跳轉(zhuǎn)到Application程序首地址0x00010000，執(zhí)行Application程序。軟件升級(jí)標(biāo)志位處于Flash內(nèi)存的最后一個(gè)雙字節(jié)地址0x0017FFF8—0x0017FFFF，這樣可保證Application程序在更新過(guò)程中如果出現(xiàn)掉電等現(xiàn)象，F(xiàn)lash最后一個(gè)雙字節(jié)地址軟件升級(jí)標(biāo)志位值不會(huì)發(fā)生變化，再次重新啟動(dòng)控制器可以繼續(xù)執(zhí)行Application程序更新，避免了控制器重新啟動(dòng)后執(zhí)行有錯(cuò)誤Application程序的可能。

本文設(shè)計(jì)的Bootloader具體工作流程如下：在Application程序升級(jí)模式下運(yùn)行Bootloader程序，首先判斷下載文件格式是否是S19文件，若是S19文件，則調(diào)用Flash擦除函數(shù)擦除Application程序所在內(nèi)存空間為Flash編程做準(zhǔn)備，接著調(diào)用Flash編程函數(shù)進(jìn)行S19文件下載，S19文件下載完成后校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性，若S19文件下載完成，則清除軟件升級(jí)標(biāo)志位，否則將S19文件未下載完成記錄寫(xiě)入Flash，并清除軟件升級(jí)標(biāo)志位進(jìn)行ECU復(fù)位。在Application程序運(yùn)行模式下，如果接收到Application程序升級(jí)請(qǐng)求，則軟件升級(jí)標(biāo)志置位，ECU進(jìn)入復(fù)位模式，隨后進(jìn)行Application程序在線(xiàn)更新。

4 ? 上位機(jī)設(shè)計(jì)（Upper computer design）

上位機(jī)軟件采用C++語(yǔ)言編程，在VS2015平臺(tái)上進(jìn)行GUI編程和通信驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。由于本文上位機(jī)和下位機(jī)通信主要是進(jìn)行Application程序升級(jí)，因此，用戶(hù)需要進(jìn)行自定義編程。

周立功USB轉(zhuǎn)CAN通信設(shè)備提供了一套完整Virtual CAN Interface（VCI）函數(shù)庫(kù)，包括ControlCAN.lib，ControlCAN.DLL庫(kù)文件，以及VC版本函數(shù)ControlCAN.h聲明文件[15]。主要函數(shù)庫(kù)調(diào)用設(shè)計(jì)如下：首先自定義源文件usb_can.cpp包含ControlCAN.h頭文件，以方便調(diào)用相關(guān)函數(shù)，在Visual Studio2015編輯環(huán)境下設(shè)置連接到ControlCAN.lib文件。接著進(jìn)行打開(kāi)CAN設(shè)備函數(shù)char Open_USBCAN（）編程，該函數(shù)的主要作用是進(jìn)行CAN通信打開(kāi)，初始化CAN通信以及啟動(dòng)CAN通信，中間任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，都會(huì)進(jìn)行錯(cuò)誤提示。其次進(jìn)行CAN發(fā)送函數(shù)MY_VCI_Transmit（）和CAN接收函數(shù)MY_VCI_Receive（）編程，函數(shù)內(nèi)部添加CAN幀檢測(cè)機(jī)制，主要用來(lái)檢測(cè)CAN收發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的單幀、多幀、首幀、流控制幀、連續(xù)幀格式是否錯(cuò)誤。

本文在MFC框架下設(shè)計(jì)的上位機(jī)GUI界面，如圖5所示。該界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便操作，具有識(shí)別S19文件功能，同時(shí)還具有CAN通信握手檢測(cè)功能、UDS報(bào)文顯示功能和程序下載進(jìn)度顯示功能，以及程序完整性檢測(cè)功能。

5 ? 軟件測(cè)試（Software testing）

本次測(cè)試中，將CAN通信波特率設(shè)置為500KB，選用的下載S19文件大小為17kB，在自主設(shè)計(jì)的上位機(jī)和下位機(jī)軟件上進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。下面僅對(duì)最后一列報(bào)文進(jìn)行分析：上位機(jī)發(fā)送021101CCCCCCCCCC報(bào)文，其中02中的0表示單幀，2表示有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為2字節(jié)，11表示ECU復(fù)位，01表示ECU復(fù)位服務(wù)子功能的硬件復(fù)位，后四字節(jié)數(shù)據(jù)無(wú)效用CC進(jìn)行填充，上位機(jī)接收025101AAAAAAAAAA報(bào)文，其中02中的0表示單幀，2表示有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為2字節(jié)，UDS報(bào)文規(guī)定肯定響應(yīng)報(bào)文格式第二字節(jié)為請(qǐng)求報(bào)文第二字節(jié)加40，否則為7F，51表示ECU復(fù)位服務(wù)請(qǐng)求響應(yīng)為積極響應(yīng)，01表示ECU復(fù)位服務(wù)子功能的硬件復(fù)位，后四字節(jié)數(shù)據(jù)無(wú)效用AA進(jìn)行填充。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的ECU在線(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確按照UDS協(xié)議幀格式進(jìn)行單幀、首幀、流控制幀、連續(xù)幀的傳輸，達(dá)到了設(shè)計(jì)需求，滿(mǎn)足控制器Application程序在線(xiàn)升級(jí)功能。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

通過(guò)該研究對(duì)UDS協(xié)議編程流程、Bootloader功能設(shè)計(jì)以及上位機(jī)開(kāi)發(fā)有了更深的理解，設(shè)計(jì)的ECU在線(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)滿(mǎn)足Application程序在線(xiàn)升級(jí)功能，降低了ECU開(kāi)發(fā)周期，為ECU在線(xiàn)升級(jí)提供了一種設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的ECU在線(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)程序采用兩個(gè)獨(dú)立的啟動(dòng)半字和復(fù)位向量，可同時(shí)開(kāi)發(fā)Bootloader程序和Application程序，降低程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。

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作者簡(jiǎn)介：

馬宏偉（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：汽車(chē)電子控制技術(shù).

吳長(zhǎng)水（1978-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：汽車(chē)電子控制技術(shù).