季金強，孫雨禾，卜 勝

（揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225116）

CAN總線是廣泛應用于新能源車輛各電控單元之間通信的總線標準，目前汽車通信及相關行業(yè)內(nèi)，主流的CAN總線分析工具功能成熟、專業(yè)性強，但價格昂貴且操作復雜，此類CAN工具還需要配套PC和專業(yè)的軟件才能使用，不便于攜帶，也不便批量采購使用。同時，VCU是新能源車輛的核心零部件，其對于車輛的重要程度猶如人的大腦，對于商用車而言，客戶的定制化需求比較高，導致VCU的程序更新頻率也比較多，目前，VCU刷寫程序一般是由整車廠安排技術人員前往車輛現(xiàn)場完成，該操作方式帶來很多問題，如工作效率低下、售后成本增加、不方便管理等，容易引發(fā)用戶抱怨，進而會導致出現(xiàn)降低用戶對新能源汽車、對整車廠的信任感等問題。

鑒于以上問題，本文設計了一種基于CAN總線的無線監(jiān)控及遠程刷寫系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通過手機客戶端完成對CAN總線的監(jiān)控和對VCU程序的遠程刷寫，且此系統(tǒng)具有便攜性高、成本低、擴展性強等特點，可以為整車廠快速定位并解決新能源車輛現(xiàn)場問題提供有力幫助。

1 系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的架構和功能

綜合考慮系統(tǒng)的功能性和實用性要求，構建其整體架構，如圖1所示。

圖1 整體架構圖

其中，診斷盒由核心板和WIFI模塊組成，直接與車輛OBD接口相連接，WIFI模塊通過WIFI局域網(wǎng)將串口數(shù)據(jù)傳輸給手機客戶端。手機客戶端是EIP（Enterprise Information Portal，企業(yè)信息門戶）系統(tǒng)和診斷盒的橋梁，主要實現(xiàn)報文數(shù)據(jù)的無線接收解析、模擬發(fā)送報文、VCU程序遠程升級和網(wǎng)關等功能。

1.2 報文采集與模擬發(fā)送功能

報文采集功能可以通過手機客戶端實時監(jiān)控CAN總線信息，診斷盒通過中斷的方式接收總線數(shù)據(jù)，同時計算當前總線的負載率和錯誤幀，通過預先制定的規(guī)則進行數(shù)據(jù)編碼，通過串口DMA將打包的數(shù)據(jù)傳輸給WIFI模塊，手機客戶端連接WIFI，接收數(shù)據(jù)，并進行解碼和顯示。

本系統(tǒng)采用的核心板主芯片為STM32F407系列微處理器，主頻為172MHz，雙路CAN。采用的WIFI模塊主芯片為ESP8266芯片，為串口WIFI，價格較低，傳輸速率也較低，為提高傳輸速率，核心板在傳輸數(shù)據(jù)給WIFI模塊時，采用DMA+周期性傳輸?shù)姆绞剑@樣可以避免WIFI模塊重復建立傳輸連接，保障了傳輸速率。

此功能中核心板的主要邏輯為觸發(fā)CAN中斷后，判斷DMA數(shù)組是否滿了，判斷傳輸時間是否達到，若數(shù)組沒滿且時間沒到，繼續(xù)按照編碼規(guī)則將CAN數(shù)據(jù)存入DMA數(shù)組中；若時間到了數(shù)組沒滿，為保障DMA傳輸?shù)囊恢滦裕罄m(xù)數(shù)據(jù)補零處理，待數(shù)組滿后，將負載率和錯誤幀數(shù)據(jù)存儲至數(shù)組尾端并開啟DMA傳輸。總線報文采集功能基本流程如圖2所示。

圖2 總線報文采集功能基本流程圖

報文模擬功能可以通過手機客戶端下發(fā)需要模擬的報文信息，主要包含發(fā)送啟停標志、發(fā)送次數(shù)、周期、ID、數(shù)據(jù)等，診斷盒中定義報文信息二維表，二維表中定義了發(fā)送標志位、發(fā)送的時間間隔、發(fā)送的剩余次數(shù)、計數(shù)器時間、報文ID、報文數(shù)據(jù)低四字節(jié)、報文數(shù)據(jù)高四字節(jié)。在診斷盒接收到手機客戶端的指令后，預先判斷指令是啟動發(fā)送還是停止發(fā)送，若為停止指令，在二維表中檢索并刪除需要停止的報文，若為發(fā)送指令，將待發(fā)送的報文存儲至二維表中，開啟1ms定時器，觸發(fā)定時中斷后，查詢二維表中的發(fā)送標志位，并記錄待發(fā)送的報文數(shù)量，若待發(fā)送的報文數(shù)量不為0，進入設置好CAN發(fā)送寄存器并執(zhí)行發(fā)送函數(shù)。

1.3 遠程升級VCU功能

遠程升級VCU功能實現(xiàn)過程是由操作人員通過手機客戶端向EIP系統(tǒng)發(fā)起請求，EIP系統(tǒng)將刷寫文件下發(fā)給手機客戶端，再由手機客戶端連接診斷盒WIFI局域網(wǎng)，將燒寫文件下發(fā)給診斷盒，最終由診斷盒通過UDS診斷刷寫協(xié)議燒寫至VCU內(nèi)部。遠程升級VCU功能實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 遠程升級VCU功能實現(xiàn)流程圖

1.3.1 刷寫文件接收的邏輯實現(xiàn)

核心板接收刷寫文件時，若不加緩存，當數(shù)據(jù)量太大，或者當數(shù)據(jù)接收太快時，核心板來不及處理已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。為解決此問題，核心板程序中利用環(huán)形隊列增加緩存，環(huán)形隊列為一種首尾相連的FIFO的數(shù)據(jù)結(jié)構，采用數(shù)組的線性結(jié)構。

環(huán)形隊列主要實現(xiàn)的原理為初始化的時候，列隊頭與列隊尾都指向0，當有數(shù)據(jù)存儲的時候，數(shù)據(jù)存儲在‘0’的地址空間，列隊尾指向下一個可以存儲數(shù)據(jù)的地方‘1’，再有數(shù)據(jù)來的時候，存儲數(shù)據(jù)到地址‘1’，然后隊列尾指向下一個地址‘2’。當數(shù)據(jù)要進行處理的時候，肯定是先處理‘0’空間的數(shù)據(jù)，也就是列隊頭的數(shù)據(jù)，處理完了數(shù)據(jù)，‘0’地址空間的數(shù)據(jù)進行釋放掉，列隊頭指向下一個可以處理數(shù)據(jù)的地址‘1’。從而實現(xiàn)整個環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫。環(huán)形隊列實現(xiàn)原理圖如圖4所示。

圖4 環(huán)形隊列實現(xiàn)原理圖

核心板將接收到刷寫程序存儲至SD卡中，核心板代碼中移植了專為小型的嵌入式系統(tǒng)而設計的FatFs文件系統(tǒng)，F(xiàn)atFs文件系統(tǒng)支持文件系統(tǒng)的創(chuàng)建、格式化、打開文件、讀寫文件、快速定位等操作。

1.3.2 UDS刷寫協(xié)議的邏輯實現(xiàn)

VCU的程序刷寫協(xié)議基于UDS診斷協(xié)議規(guī)則，UDS是ISO 15765和ISO 14229定義的汽車通用診斷協(xié)議，本質(zhì)上是一種定向的通信，是一種交互協(xié)議。診斷規(guī)范定義了診斷儀和汽車ECU之間的交互?；赨DS的刷寫用到的服務包如表1所示。

表1 UDS刷寫服務列表

當手機客戶端傳輸完成刷寫文件后，發(fā)送VCU程序燒寫指令，診斷盒接收到后，根據(jù)UDS刷寫協(xié)議進行刷寫，UDS刷寫流程如圖5所示。診斷盒先與VCU進行密鑰校驗，校驗成功后，再進入診斷會話層，然后讀取ECUID，進入編程模式后，會先擦除待刷寫區(qū)域的數(shù)據(jù)，擦除成功后，開啟一次數(shù)據(jù)傳輸，先設置數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚M行數(shù)據(jù)傳輸，由于某些區(qū)域空間待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較多，而CAN總線只支持一次傳輸8字節(jié)的限制，所以需要利用多包數(shù)據(jù)傳輸機制，當所有區(qū)域的程序都刷寫完成后，退出刷寫并復位VCU。

圖5 UDS刷寫流程圖

2 實驗驗證

圖6為系統(tǒng)實物圖。圖右側(cè)的硬件電路主要包含：STM32F407最小系統(tǒng)、SD卡電路、兩路CAN電路、串口電路，其中串口電路與WIFI模塊直接相連。圖左側(cè)為手機客戶端，由于不同手機的IP地址無法固定，所以將WIFI模塊設置為服務器，手機客戶端做客戶端，手機客戶端連接WIFI后，通過WIFI模塊的IP和端口號就可以進行數(shù)據(jù)通信。

圖6 系統(tǒng)實物圖

2.1 總線報文采集模擬發(fā)送功能驗證

2.1.1 報文采集功能驗證診斷盒通過CAN總線采集報文，將采集的報文打包傳輸給手機客戶端，手機客戶端根據(jù)DBC進行解析。同時，使用TSMasterCAN總線工具采集實時CAN數(shù)據(jù)信號，查看本系統(tǒng)的接收到的報文和解析的結(jié)果是否正確，經(jīng)測試功能正常。圖7為手機客戶端報文監(jiān)控界面。

圖7 手機客戶端報文監(jiān)控界面

2.1.2 報文模擬發(fā)送功能驗證

模擬發(fā)送報文功能可以通過手機客戶端編輯需要發(fā)送的報文，主要信息有周期、ID、數(shù)據(jù)等。通過客戶端給診斷盒下發(fā)報文發(fā)送和停止的指令，通過TSMaster監(jiān)控總線，監(jiān)控報文的發(fā)送和停止是否正確，經(jīng)測試功能正常。圖8為手機客戶端模擬報文界面，圖9為TSMaster監(jiān)控的報文發(fā)送和停止實際監(jiān)控結(jié)果。

圖8 手機客戶端模擬報文界面

圖9 TSMaster報文停止監(jiān)控結(jié)果

2.2 VCU遠程升級功能驗證

遠程刷寫VCU程序是由手機客戶端申請下載接收EIP系統(tǒng)管理的HEX程序文件，再由手機客戶端連接診斷盒的局域網(wǎng)WIFI將該HEX程序文件傳輸給診斷盒，診斷盒接收存儲至SD卡內(nèi)，最后由客戶端給診斷盒下發(fā)刷寫指令，診斷盒啟動刷寫邏輯對VCU進行刷寫，燒寫成功后查看軟件版本號是否正確，經(jīng)測試功能正常。圖10為手機客戶端遠程刷寫VCU界面。

圖10 手機客戶端遠程刷寫VCU界面

3 結(jié)束語

本文針對目前行業(yè)內(nèi)CAN報文采集設備成本較高、報文分析操作復雜，提出了一種低成本替代解決方案，并基于此系統(tǒng)架構擴展遠程刷寫VCU程序功能。通過診斷盒和手機客戶端利用WIFI模塊進行CAN總線信息的實時采集、解析、監(jiān)控顯示和模擬發(fā)送；通過EIP系統(tǒng)、手機客戶端和診斷盒實現(xiàn)VCU程序文件在不同網(wǎng)絡環(huán)境中的傳輸，并在診斷盒中設計UDS刷寫邏輯，實現(xiàn)了遠程刷寫VCU程序的功能。本系統(tǒng)具有便攜、低成本、便于維護等優(yōu)點，并且經(jīng)過測試可以滿足實際需求。