趙天義 陳星 高熊

摘要：傳統(tǒng)的控制器升級(jí)技術(shù)存在不能在線升級(jí)，升級(jí)流程不統(tǒng)一，可靠性與安全性差等問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)控制器升級(jí)技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了一種基于統(tǒng)一診斷服務(wù)，使用引導(dǎo)加載程序技術(shù)的控制器在線升級(jí)方案。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制器的在線升級(jí)，提高了在線升級(jí)過(guò)程的安全性，穩(wěn)定性和可移植性。使用MPC5744單片機(jī)作為控制器，使用USB-CAN設(shè)備作為轉(zhuǎn)換器，在上位機(jī)使用VisualStudio作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了控制器在線升級(jí)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和控制器的數(shù)據(jù)通信，完成了控制器的在線升級(jí)過(guò)程，驗(yàn)證了方案的可行性。結(jié)果表明，所使用統(tǒng)一診斷服務(wù)的控制器在線升級(jí)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)，為控制器的在線升級(jí)問(wèn)題提出了新的解決方案，對(duì)其他工業(yè)控制器的升級(jí)問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：控制器;BootLoader;UDS協(xié)議;在線升級(jí)

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022）02-0074-04

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)也將電子技術(shù)應(yīng)用于車身的各個(gè)位置。開發(fā)過(guò)程中升級(jí)控制器需要頻繁拆裝，會(huì)導(dǎo)致接口松動(dòng)甚至損壞，也降低開發(fā)效率[1]。為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)采用一種新的控制器在線升級(jí)技術(shù)，通過(guò)BootLoader完成對(duì)控制器的更新[2]。BootLoader的含義是引導(dǎo)加載程序，是汽車控制器在啟動(dòng)運(yùn)行之前的一段程序代碼。通過(guò)BootLoader進(jìn)行更新，不需要將控制器拆下，只需要將控制器連入CAN或LIN等汽車通信網(wǎng)絡(luò)，就可以完成對(duì)控制器的在線升級(jí)[3]。直接通過(guò)數(shù)據(jù)總線即可完成整個(gè)升級(jí)過(guò)程，大大提高了開發(fā)效率。

對(duì)于BootLoader技術(shù)已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了研究。朱少輝等[4]基于CCP協(xié)議進(jìn)行了控制器升級(jí)技術(shù)的設(shè)計(jì)。李嬌嬌等[5]使用Labview軟件設(shè)計(jì)了一款控制器刷寫軟件，采用S19文件進(jìn)行控制器升級(jí)。張成雨等[6]詳細(xì)設(shè)計(jì)了BootLoader升級(jí)技術(shù)的Flash驅(qū)動(dòng)與CAN驅(qū)動(dòng)。楊朝陽(yáng)等[7]通過(guò)外部觸發(fā)方式，設(shè)計(jì)了基于CANFD的在線升級(jí)系統(tǒng)。這些研究成果僅僅完成了對(duì)于控制器的升級(jí)，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的流程標(biāo)準(zhǔn)，更新過(guò)程的安全缺乏保證。

UDS是Unified Diagnostic Services的縮寫，也稱為IS0 14229統(tǒng)一診斷服務(wù)。是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO為了實(shí)現(xiàn)汽車電子系統(tǒng)故障診斷而確定的一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)[8]。UDS服務(wù)大大提高了控制器開發(fā)過(guò)程中的安全性、規(guī)范性和可維護(hù)性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子開發(fā)過(guò)程。UDS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與控制器升級(jí)相關(guān)的服務(wù)，十分適合應(yīng)用于在線升級(jí)流程中。

本文通過(guò)學(xué)習(xí)UDS統(tǒng)一診斷服務(wù)協(xié)議，將UDS協(xié)議中與控制器在線升級(jí)相關(guān)的診斷指令應(yīng)用于傳統(tǒng)Boot-Loader技術(shù)上。設(shè)計(jì)了基于CAN總線通信，使用UDS診斷服務(wù)實(shí)現(xiàn)的控制器在線升級(jí)系統(tǒng)。與常規(guī)在線升級(jí)技術(shù)相比，本文提出的基于UDS的在線升級(jí)技術(shù)符合當(dāng)今主流汽車電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，提高了汽車控制器在線升級(jí)流程的規(guī)范性和可靠性。滿足了今后汽車控制器開發(fā)的需求，也為其他工業(yè)控制器的升級(jí)問(wèn)題提出了有效的解決方案。

1 目標(biāo)文件解析

1.1 目標(biāo)文件格式

刷新控制器所需數(shù)據(jù)保存在特定格式的目標(biāo)文件中，通常汽車電子行業(yè)內(nèi)更新采用的文件格式是S19與HEX。上位機(jī)需要將文件的數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)的格式解析為底層控制器可以識(shí)別的數(shù)據(jù)，才能完成對(duì)于控制器的在線更新。本上位機(jī)支持對(duì)于S19與HEX兩種主流文件格式的解析。在文件內(nèi)部，數(shù)據(jù)使用ASCII碼格式進(jìn)行儲(chǔ)存，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)被拆分為兩個(gè)十六進(jìn)制的字符進(jìn)行表示。S19文件每一行數(shù)據(jù)格式如圖l所示。HEX文件每一行數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

（1）記錄類型：對(duì)于S19文件記錄類型分為8種，分別為S0、S1、S2、S3、S5、S7、S8或S9。對(duì)于HEX文件記錄類型有6種，分別為0x00到0x05。根據(jù)記錄類型可以確定出該行數(shù)據(jù)意義以及數(shù)據(jù)分段位置，正確解析數(shù)據(jù)。

（2）記錄長(zhǎng)度：代表該行記錄中剩余的字節(jié)數(shù)，對(duì)于S19為儲(chǔ)存地址、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和這3部分字節(jié)之和。對(duì)于HEX文件代表數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

（3）存儲(chǔ)地址：表示該行記錄數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)應(yīng)下載到控制器內(nèi)存的起始地址。

（4）數(shù)據(jù)：該段內(nèi)容為需要下載到控制器的數(shù)據(jù)。

（5）校驗(yàn)和：該段保存該行記錄的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，S19文件校驗(yàn)和計(jì)算方法是OxFF依次減去記錄長(zhǎng)度、存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)段3個(gè)區(qū)域內(nèi)全部數(shù)據(jù)。HEX文件計(jì)算方法是0x100依次減去該行全部數(shù)據(jù)[9]。

1.2 文件解析流程

上位機(jī)解析文件要按照文件規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取解析：上位機(jī)每次讀取文件的一行內(nèi)容后首先對(duì)文件類型進(jìn)行判斷。繼續(xù)檢查文件記錄類型是否合法，不正確則結(jié)束文件讀取，上位機(jī)彈出文件讀取錯(cuò)誤提示。繼續(xù)根據(jù)記錄類型解析一行的記錄長(zhǎng)度、地址、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和等信息。按照規(guī)則對(duì)該行數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。若正確將文件中的數(shù)據(jù)按照兩個(gè)ASCII碼為一組，將數(shù)據(jù)還原為一個(gè)字節(jié)，將該行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在上位機(jī)的臨時(shí)內(nèi)存中。繼續(xù)該過(guò)程讀取下一行，直到文件讀取完畢。

完成上述過(guò)程后，該文件所有數(shù)據(jù)都被保存在上位機(jī)內(nèi)存空間。上位機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填充和對(duì)齊。寫控制器的Flash需要按照固定規(guī)則，每次寫入Flash的起始地址必須為4的倍數(shù)，每次寫入的字節(jié)數(shù)必須為4的倍數(shù)，這一過(guò)程被稱為地址對(duì)齊。為方便控制器的在線更新，上位機(jī)需要對(duì)每次傳輸給控制器的數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行處理，完成地址對(duì)齊工作，這樣控制器在收到數(shù)據(jù)后可以不經(jīng)過(guò)處理直接寫入Flash。通常文件的數(shù)據(jù)并不是對(duì)齊的。因此上位機(jī)在對(duì)文件數(shù)據(jù)讀取時(shí)還需要地址對(duì)齊，將空位進(jìn)行填充，不足的數(shù)據(jù)位填充為0xFF，這樣數(shù)據(jù)才能避免發(fā)生校驗(yàn)錯(cuò)誤。上位機(jī)在每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)預(yù)先將緩存區(qū)全部數(shù)據(jù)設(shè)置為0xFF，在讀取后將非空位改為讀取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于數(shù)據(jù)的填充。并且為方便下位機(jī)的工作上位機(jī)也應(yīng)該將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段裁剪為4的整數(shù)倍，這樣下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)時(shí)就不需要設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法，直接將接收后的數(shù)據(jù)寫入Flash中即可，大大減少下位機(jī)的工作時(shí)間，上位機(jī)的文件解析流程如圖3所示。

2 目標(biāo)文件下載

2.1 UDS指令選擇

文件解析后開始進(jìn)行對(duì)控制器的更新，更新過(guò)程就是上位機(jī)與控制器依照UDS協(xié)議規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。經(jīng)過(guò)握手識(shí)別，數(shù)據(jù)傳輸，擦除與寫入Flash等一系列過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制器的更新。UDS對(duì)于上位機(jī)和控制器之間的數(shù)據(jù)通訊都通過(guò)相關(guān)服務(wù)進(jìn)行了規(guī)定，上位機(jī)與控制器端通信必須嚴(yán)格遵循這些格式，在發(fā)送不同的指令時(shí)應(yīng)使用對(duì)應(yīng)的診斷服務(wù)。

UDS診斷協(xié)議對(duì)于不同的服務(wù)規(guī)定了對(duì)應(yīng)的診斷ID、發(fā)送和響應(yīng)數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容。例如，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的ID為Ox36，該服務(wù)功能為下載或上傳數(shù)據(jù)。一些服務(wù)還細(xì)分子服務(wù)，對(duì)于0x36服務(wù)沒(méi)有子服務(wù)。該服務(wù)的報(bào)文內(nèi)定義了兩個(gè)參數(shù)，分別代表數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中對(duì)于不同的實(shí)際需求，選擇不同的診斷指令[10]。本文在進(jìn)行控制器在線更新設(shè)計(jì)時(shí)使用了以下UDS指令如表1所示。

2.2 UDS下載流程

本節(jié)介紹基于UDS的BootLoader流程，基于UDS的BootLoader就是在原有的BootLoader基礎(chǔ)上，將原本上位機(jī)在線更新發(fā)送的數(shù)據(jù)使用UDS協(xié)議規(guī)定的指令進(jìn)行封裝，以UDS指令的形式傳輸給控制器完成更新，具體實(shí)現(xiàn)流程可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。汽車控制器的BootLoad-er流程通常分為3個(gè)階段，預(yù)編程階段、主編程階段和后編程階段[11]。

2.2.1 預(yù)編程階段

預(yù)編程階段主要包括握手和密鑰的檢查，首先上位機(jī)發(fā)送擴(kuò)展會(huì)話指令，請(qǐng)求進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話，經(jīng)過(guò)控制器肯定響應(yīng)進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話模式，才可以進(jìn)行握手和密鑰的檢查。預(yù)編程過(guò)程如圖4所示。

預(yù)編程階段依次發(fā)送如下診斷指令。

（1） Extend Session：該指令診斷ID為0x10， 屬于Diagnostic SessionControl的子功能。上位機(jī)發(fā)送子功能碼0x03，使控制器進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話模式。這是由于在線更新時(shí)需要禁止控制器的部分功能，這些功能的禁用只有在擴(kuò)展會(huì)話才可以進(jìn)行配置。

（2） ControlDTC：該指令用于控制器設(shè)置是否啟用DTC服務(wù)，診斷ID為0x85。上位機(jī)發(fā)送子功能碼Ox02，表示禁止DTC服務(wù)，在線更新時(shí)該控制器停止通信，其他控制器不再記錄該控制器的故障碼。

（3） CommunicationControl：該指令用于控制器設(shè)置CAN正常通信，診斷ID為0x28。上位機(jī)發(fā)送子功能碼Ox03，表示禁止非診斷指令以外CAN報(bào)文的收發(fā)，保證在線更新的正常進(jìn)行，為進(jìn)入編程模式做準(zhǔn)備。

（4） Request Seed：該指令用于上位機(jī)向控制器請(qǐng)求種子，診斷ID為Ox27，屬于Security Access的子功能。上位機(jī)發(fā)送子功能碼Ox01，上位機(jī)從控制器獲取seed，與控制器同時(shí)計(jì)算生成key，二者一致才可以進(jìn)行更新。

（5） Send Key：該指令用于上位機(jī)向控制器發(fā)送key，診斷ID為0x27，子功能碼Ox02，屬于Security Ac-cess的子功能。上位機(jī)與控制器key -致方可繼續(xù)更新。

（6） Programming Session：該指令用于控制器進(jìn)入編程會(huì)話模式，診斷ID為0x10，屬于Diagnostic SessionControl的子功能。上位機(jī)發(fā)送子功能碼Ox02，控制器在收到此指令后可以執(zhí)行內(nèi)存編程所需的診斷服務(wù)。

2.2.2主編程階段

主編程階段主要進(jìn)行Flash的擦除和寫入，將更新所需的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，完成對(duì)控制器的刷寫。主編程過(guò)程如圖5所示。

主編程階段依次發(fā)送如下診斷指令。

（1） Erase Flash：該指令用于控制器進(jìn)擦除內(nèi)存，診斷ID為0x31，子功能碼0x01，屬于RoutineControl的子功能?？刂破髟谑盏酱酥噶詈蟛脸付ǖ腇lash。

（2） Request Download：該指令用于上位機(jī)向控制器請(qǐng)求下載，診斷ID為0x34?？刂破髟谑盏酱酥噶詈蟾鶕?jù)當(dāng)前的會(huì)話模式?jīng)Q定是否允許上位機(jī)向控制器寫入數(shù)據(jù)，若允許則在下一過(guò)程將上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入Flash。

（3） Transfer Data：該指令用于上位機(jī)向控制器傳輸數(shù)據(jù)，診斷ID為0x36。該指令包含一段內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)，控制器在收到此指令后根據(jù)當(dāng)前的會(huì)話模式?jīng)Q定是否將這部分?jǐn)?shù)據(jù)寫入Flash，若允許則該過(guò)程重復(fù)執(zhí)行直到數(shù)據(jù)全部傳輸完成。

（4） Request Transfer Exit：該指令用于上位機(jī)向控制器通知數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，診斷ID為0x37?？刂破鹘邮盏酱酥噶詈蠼K止和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 后編程階段

后編程階段主要完成對(duì)于控制器的重啟和總線通信和DTC功能的恢復(fù)，流程如圖6所示。

后編程階段依次發(fā)送如下的診斷指令。

（1） EcuReset：該指令用于控制器硬件復(fù)位，診斷ID為0x11。上位機(jī)在全部數(shù)據(jù)傳輸完成后發(fā)送該指令，控制器在收到此指令后結(jié)束Flash刷寫過(guò)程，結(jié)束BootLoader過(guò)程，恢復(fù)到正常的控制器工作狀態(tài)。

（2） ControlDTC：該指令此處子功能碼設(shè)置為Ox01表示啟用DTC服務(wù)，恢復(fù)控制器可以正常記錄DTC的狀態(tài)。

（3） CommunicationControl：該指令此處子功能碼設(shè)置為0x00表示啟用控制器正常接收和發(fā)送服務(wù)CAN數(shù)據(jù)幀的功能，控制器恢復(fù)正常通信模式，重新接入CAN網(wǎng)絡(luò)。

（4） Default Session：該指令用于控制器進(jìn)入默認(rèn)會(huì)話模式，診斷ID為0xl0，子功能碼Ox03，屬于DiagnosticSession Control的子功能。控制器收到這個(gè)指令后切換到默認(rèn)會(huì)話模式，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，在線升級(jí)過(guò)程完成。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)硬件

整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)，USB轉(zhuǎn)CAN硬件接口，控制器3個(gè)部分。上位機(jī)通過(guò)合適的硬件驅(qū)動(dòng)如USB-CAN，Vector VN1630等可以連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)通過(guò)CAN總線進(jìn)行控制器的在線升級(jí)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。本文設(shè)計(jì)的在線升級(jí)系統(tǒng)是一種通用的升級(jí)系統(tǒng)，只要控制器支持總線通信和自身編程功能即可進(jìn)行控制器的更新。本文選擇的控制器型號(hào)為MPC5744，支持內(nèi)存引導(dǎo)模式，具備自身編程功能，可支持的數(shù)據(jù)接口有CAN，LIN，UART等，滿足在線更新的要求。

3.2 功能測(cè)試

本文作者采用Visual Studio開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了一款基于UDS診斷的BootLoader上位機(jī)。上位機(jī)開發(fā)基于上述流程，實(shí)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)與底層數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)送通過(guò)使用與硬件驅(qū)動(dòng)相匹配的軟件接口，即可將符合UDS協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。這種方式不依賴于硬件接口的類型，可支持多種總線設(shè)備。

上位機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)流程的指令后，通過(guò)對(duì)底層返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，確定接下來(lái)執(zhí)行的指令，最終完成整個(gè)在線升級(jí)過(guò)程。

啟動(dòng)上位機(jī)后，通過(guò)對(duì)上位機(jī)的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成上位機(jī)通信的初始化。之后選擇升級(jí)文件，點(diǎn)擊下載即可開始整個(gè)在線升級(jí)的流程。上位機(jī)有顯示區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)于整個(gè)在線升級(jí)流程進(jìn)度的顯示。若某一環(huán)節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤則給出錯(cuò)誤提示，并自動(dòng)重新進(jìn)行該環(huán)節(jié)的自動(dòng)重發(fā)，當(dāng)重發(fā)3次后仍不能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)則給出錯(cuò)誤提示，退出本次在線更新。經(jīng)過(guò)對(duì)于MPC5744控制器和其他多款控制器的大量測(cè)試，目標(biāo)文件均能成功下載到控制器中完成在線升級(jí)過(guò)程，驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)方案的有效性。上位機(jī)軟件界面如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于UDS協(xié)議的在線升級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)將目標(biāo)文件下載到控制器的Flash，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于MPC5744控制器的在線更新。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的在線升級(jí)系統(tǒng)上位機(jī)能夠按照UDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制器的在線升級(jí)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，控制器不再需要從臺(tái)架上拆下進(jìn)行更新，提高了車身控制器在開發(fā)測(cè)試時(shí)的效率。應(yīng)用UDS的在線更新技術(shù)具有更好的安全性和穩(wěn)定性，適用于大部分主流控制器;也具備傳統(tǒng)技術(shù)不具有的通用性，提高了BootLoader程序的可移植性。以上優(yōu)勢(shì)都改進(jìn)了傳統(tǒng)在線升級(jí)技術(shù)的缺點(diǎn)，基于UDS的在線升級(jí)技術(shù)在汽車電子行業(yè)將成為主流，在其他使用微控制器的行業(yè)也具有廣闊的應(yīng)用空間，對(duì)于解決控制器升級(jí)問(wèn)題具有指導(dǎo)意義。

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[10]馬宏偉，吳長(zhǎng)水.基于統(tǒng)一診斷協(xié)議的控制器在線升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件工程，2020，23（8）：4.

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