【摘" 要】汽車(chē)行業(yè)發(fā)展使傳統(tǒng)CAN診斷燒寫(xiě)難以滿(mǎn)足OEM車(chē)企需求，車(chē)載以太網(wǎng)診斷技術(shù)研發(fā)階段測(cè)試驗(yàn)證不足，整車(chē)開(kāi)發(fā)V流程中診斷驗(yàn)證工具及汽車(chē)診斷信息安全測(cè)試缺乏。文章聚焦基于通信的工程診斷儀方案，開(kāi)展研究與實(shí)現(xiàn)工作。深入探究工程診斷儀的界面和軟硬件方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)信息安全診斷的AES算法、診斷準(zhǔn)入端身份校驗(yàn)和數(shù)字簽名方案。利用Qt Designer進(jìn)行前端UI開(kāi)發(fā)，基于Python完成后端DoIP協(xié)議的通信封裝與診斷燒寫(xiě)功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Python仿真測(cè)試和實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證診斷燒寫(xiě)功能。結(jié)果顯示，此工程診斷儀可實(shí)現(xiàn)以太控制器DoIP診斷信息的診斷及燒寫(xiě)功能驗(yàn)證，支持自定義診斷序列定制化測(cè)試，為診斷領(lǐng)域研究人員提供新的研究思路。

【關(guān)鍵詞】工程診斷儀；DoIP技術(shù)；診斷燒寫(xiě)；信息安全；自動(dòng)化測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0086-05

Research and Implementation of Engineering Diagnostic Instrument Based on Ethernet Communication

【Abstract】The development of the automobile industry makes it difficult for traditional CAN diagnostic writing to meet the needs of OEM vehicle enterprises. The testing and verification of on-board Ethernet diagnostic technology in the research and development stage are insufficient，and the diagnostic verification tools and vehicle diagnostic information security testing in the vehicle development V process are insufficient. This paper focuses on the project of engineering diagnosis instrument based on communication，and carries out the research and implementation work. The interface and software and hardware design of the engineering diagnosis instrument are deeply studied，and the AES algorithm，identity verification and digital signature scheme of the diagnosis access terminal are designed. Qt Designer was used for front-end UI development，and the communication encapsulation and diagnostic burn function of back-end DoIP protocol was realized based on Python. The diagnostic burn function was verified by Python simulation test and real vehicle test. The results show that this engineering diagnostic instrument can realize the diagnosis and burn function verification of Ethernet controller DoIP diagnostic information，support custom diagnostic sequence customized testing，and provide a new research idea for researchers in the field of diagnosis.

【Key words】engineering diagnostic instrument；DoIP technology；diagnostic burning；information security；automated testing

1" 工程診斷儀現(xiàn)狀介紹

石聰[1]等人針對(duì)DoIP技術(shù)展開(kāi)多維度研究，涵蓋通信應(yīng)用場(chǎng)景、車(chē)內(nèi)外診斷架構(gòu)、物理連接方式、報(bào)文組成格式以及DoIP通信方式等。黃志堅(jiān)[2]等人依托TCP/IP相關(guān)通信機(jī)制，融合ISO 14229診斷協(xié)議與ISO 13400 DoIP協(xié)議，成功開(kāi)發(fā)Bootloader刷新軟件，實(shí)現(xiàn)基于Ethernet的ECU在線(xiàn)軟件升級(jí)，顯著提升了ECU刷新的時(shí)間性能與效率。李志濤[3]等人基于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)V流程，對(duì)車(chē)載以太網(wǎng)DoIP協(xié)議測(cè)試展開(kāi)系統(tǒng)性工作。在ECU級(jí)測(cè)試中，聚焦DoIP診斷協(xié)議；在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試時(shí)，嚴(yán)格依據(jù)DoIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，開(kāi)展關(guān)于正確性、準(zhǔn)確性以及合理性的測(cè)試。涂孝軍[4]等人深入分析并總結(jié)汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)與現(xiàn)狀，指出基于域控制器的混合汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹切袠I(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。安康[5]等人剖析DoIP協(xié)議幀格式和通信流程，提出車(chē)載以太網(wǎng)診斷架構(gòu)模型，為構(gòu)建車(chē)載以太網(wǎng)診斷系統(tǒng)提供了極具價(jià)值的參考依據(jù)。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)占據(jù)主流地位的工程診斷儀，主要包括Softing公司的Q-test、Vector公司的Indigo以及恒潤(rùn)科技的恒潤(rùn)工程診斷儀（DDS）。這些工程診斷儀的主要功能、優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

2" 基于以太通信的工程診斷儀方案設(shè)計(jì)

2.1" 工程診斷儀界面方案設(shè)計(jì)

為充分契合診斷燒寫(xiě)以及信息安全診斷相關(guān)技術(shù)的測(cè)試需求，本文著手開(kāi)展工程診斷儀界面方案設(shè)計(jì)工作，具體涵蓋診斷燒寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試方案設(shè)計(jì)與診斷信息安全方案設(shè)計(jì)兩大關(guān)鍵板塊。

2.1.1" 界面方案設(shè)計(jì)

工程診斷儀界面方案設(shè)計(jì)為1～4級(jí)界面，如圖1所示。1級(jí)界面顯示以太連接提示；2級(jí)界面顯示配置界面、通信建立測(cè)試界面、診斷界面、燒寫(xiě)界面、售后功能測(cè)試界面和EOL測(cè)試界面，且需配置界面配置完成后方可進(jìn)入其他界面；3級(jí)、4級(jí)界面的設(shè)計(jì)詳情可參考圖1。

2.1.2" 診斷燒寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試方案設(shè)計(jì)

診斷燒寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試方案包括UDS診斷自動(dòng)化測(cè)試和UDS燒寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試兩部分。

2.1.3" 診斷信息安全方案設(shè)計(jì)

診斷信息安全整體方案測(cè)試包括DoIP設(shè)備認(rèn)證測(cè)試和DoIP燒寫(xiě)診斷信息安全測(cè)試兩部分。設(shè)備認(rèn)證測(cè)試是為了保證外部設(shè)備接入車(chē)內(nèi)OBD口時(shí)需通過(guò)身份認(rèn)證才可對(duì)車(chē)內(nèi)以太控制器進(jìn)行診斷燒寫(xiě)操作，保證診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴＿@一測(cè)試具體涉及設(shè)備認(rèn)證算法、認(rèn)證鎖定算法、DoIP診斷服務(wù)過(guò)濾算法。燒寫(xiě)診斷信息安全測(cè)試是為了保證以太控制器燒寫(xiě)及診斷功能滿(mǎn)足信息安全法規(guī)的相關(guān)要求。

2.2" 工程診斷儀軟硬件方案設(shè)計(jì)

2.2.1" 硬件連接及軟件框架設(shè)計(jì)

工程診斷儀的硬件連接采用網(wǎng)口轉(zhuǎn)車(chē)載OBD口的連接線(xiàn)方案，以此實(shí)現(xiàn)搭載工程診斷儀軟件的PC電腦與車(chē)輛之間的連接通信，通信連接采用靜態(tài)IP。OBD口和以太網(wǎng)網(wǎng)口轉(zhuǎn)接線(xiàn)如圖2所示。此線(xiàn)纜一端是OBD口，另一端是以太網(wǎng)網(wǎng)口，依靠這根線(xiàn)纜，能夠?qū)崿F(xiàn)支持DoIP通信的車(chē)輛與診斷上位機(jī)的物理連接。以太網(wǎng)連接功能主要由Etherent Rx+、Etherent Rx-、激活線(xiàn)、Etherent Tx+、Etherent Tx- 5根線(xiàn)構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)3、11、8、12、13針腳。診斷上位機(jī)通過(guò)OBD口連接邊緣節(jié)點(diǎn)，借助激活線(xiàn)來(lái)激活和停用控制器的DoIP功能。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所需的硬件設(shè)備包括OBD口和以太網(wǎng)網(wǎng)口轉(zhuǎn)接線(xiàn)、自帶以太網(wǎng)網(wǎng)口的PC電腦以及支持DoIP通信的車(chē)輛。

軟件整體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示，采用前后端分離開(kāi)發(fā)并集成的開(kāi)發(fā)方式。前端使用PyQt工具包進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，后端采用Python語(yǔ)言進(jìn)行構(gòu)建開(kāi)發(fā)。軟件架構(gòu)從下到上共分為4層，分別為物理連接層、通信連接層、應(yīng)用層和視圖層。物理連接層主要開(kāi)發(fā)軟件與待測(cè)車(chē)輛之間的硬件連接方案，提供DoIP通信的物理連接基礎(chǔ)；通信連接層集成了DoIP通信傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)診斷上位機(jī)軟件和車(chē)輛端DoIP實(shí)體間的TCP通信連接，并能建立起DoIP實(shí)體間的通信，從而進(jìn)行路由激活及UDS診斷報(bào)文的傳輸；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)UDS服務(wù)的功能，提供給應(yīng)用層調(diào)用的接口進(jìn)行相關(guān)服務(wù)消息的封裝傳輸，并實(shí)現(xiàn)工程診斷儀的通信配置、診斷功能、刷寫(xiě)功能等業(yè)務(wù)功能邏輯；視圖層則主要實(shí)現(xiàn)軟件相關(guān)功能界面的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并提供與應(yīng)用層功能交互的接口，采用PyQt進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要分為通信建立、ECU刷寫(xiě)和ECU診斷三大功能。其中，通信建立包括Ping網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試、DoIP通信連接建立和DoIP通信路由激活，實(shí)現(xiàn)軟件與車(chē)載ECU之間的通信建立及路由激活功能。ECU刷寫(xiě)包括以太網(wǎng)控制器的有文件系統(tǒng)刷寫(xiě)和無(wú)文件刷寫(xiě)功能，通過(guò)ECU刷寫(xiě)功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)控制器的正常刷寫(xiě)及異常刷寫(xiě)測(cè)試，從而驗(yàn)證控制器刷寫(xiě)功能的品質(zhì)。ECU診斷包括ECU硬件版本號(hào)、軟件版本號(hào)、軟件編碼等信息讀取及故障碼信息讀取，并能通過(guò)診斷儀序列發(fā)送單條或多條組合的UDS服務(wù)去實(shí)現(xiàn)特定功能的診斷，便于ECU診斷問(wèn)題的排查解決。

當(dāng)診斷儀和DoIP實(shí)體連接至DoIP網(wǎng)絡(luò)中，其通信流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.2.2" 前端界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

基于Qt Designer軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)端與以太ECU之間的連接建立，其連接開(kāi)發(fā)界面如圖6所示。在該界面中，ECU信息顯示了ECU的名稱(chēng)、IP地址和邏輯地址。另外，還設(shè)置了輸入框，以便支持與列表中未覆蓋的ECU建立連接。在選中所要進(jìn)行操作的ECU后，點(diǎn)擊Ping按鈕，服務(wù)端將會(huì)和對(duì)應(yīng)ECU進(jìn)行Ping操作，用以確認(rèn)物理鏈路的連通。點(diǎn)擊建立連接按鈕，服務(wù)端與ECU端建立連接。當(dāng)用戶(hù)在界面中選中需要進(jìn)行操作的ECU后，點(diǎn)擊“Ping”按鈕，服務(wù)端便會(huì)與對(duì)應(yīng)的ECU執(zhí)行Ping操作，通過(guò)這一操作可以確認(rèn)兩者之間物理鏈路的連通性，為后續(xù)的穩(wěn)定通信奠定基礎(chǔ)。若點(diǎn)擊“建立連接”按鈕，服務(wù)端則會(huì)與ECU端正式建立連接，進(jìn)而開(kāi)啟數(shù)據(jù)交互與操作的流程。

Qt Designer自定義界面如圖7所示，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，服務(wù)端會(huì)按照序列的排序，將UDS服務(wù)命令發(fā)送給ECU，將ECU的回復(fù)解析在最右邊的窗口中。使用鼠標(biāo)雙擊窗口2中的元素可修改自定義的UDS服務(wù)命令。

燒寫(xiě)界面的UI設(shè)計(jì)如圖8所示，左上角的窗口設(shè)置了UDS服務(wù)的中文指令，鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的元素，左下方的輸入框出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的信息，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊輸入框修改服務(wù)內(nèi)容，點(diǎn)擊“添加到燒寫(xiě)列表”按鈕可以將對(duì)應(yīng)內(nèi)容添加到中間的燒寫(xiě)列表窗口中。

2.2.3" 后端開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

工程診斷儀軟件的后端開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以軟件整體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)處理、UDS服務(wù)及應(yīng)用層功能開(kāi)發(fā)。自定義序列診斷仿真測(cè)試圖如圖9所示。其中，通信連接層的實(shí)現(xiàn)主要采用Python-DoIPClient通信包改寫(xiě)封裝及Socket通信網(wǎng)絡(luò)編程，對(duì)應(yīng)代碼框架Communication中內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)DoIP報(bào)文的通信傳輸。Python-DoIPClient通信包是一個(gè)使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)的DoIP客戶(hù)端通信接口，可用于車(chē)載以太網(wǎng)與ECU之間的通信，主要由Messages、Connectors和Client文件組成。Messages文件中主要通過(guò)DoIPMessage類(lèi)實(shí)現(xiàn)了13400協(xié)議棧的底層所有消息格式定義。Connectors文件中通過(guò)繼承Udsoncan中的Baseconnection類(lèi)實(shí)現(xiàn)了DoIPClient UDSConnector連接類(lèi)，通過(guò)該類(lèi)可以實(shí)現(xiàn)Udsoncan庫(kù)的連接并進(jìn)行通信。Client文件實(shí)現(xiàn)了DoIPClient類(lèi)，結(jié)合Messages文件實(shí)現(xiàn)DoIP報(bào)文的封裝，并通過(guò)Socket在以太網(wǎng)上發(fā)送和接收DoIP報(bào)文。

應(yīng)用層功能的開(kāi)發(fā)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Python-Udsoncan開(kāi)源庫(kù)UDS服務(wù)功能的調(diào)用封裝，對(duì)應(yīng)代碼框架中Udsoncan文件夾內(nèi)容。該庫(kù)使用Python 3對(duì)ISO 14229定義的統(tǒng)一診斷服務(wù)（UDS）協(xié)議進(jìn)行完整實(shí)現(xiàn)，提供了通用的標(biāo)準(zhǔn)診斷服務(wù)接口函數(shù)，便于集成開(kāi)發(fā)更為復(fù)雜的診斷功能軟件。應(yīng)用層功能針對(duì)診斷自定義序列發(fā)送、ECU信息讀取、故障碼信息讀取功能進(jìn)行了后端封裝實(shí)現(xiàn)，以企標(biāo)定義的有文件系統(tǒng)和無(wú)文件系統(tǒng)燒寫(xiě)規(guī)范為準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)以太網(wǎng)控制器的有文件系統(tǒng)燒寫(xiě)和無(wú)文件系統(tǒng)燒寫(xiě)后端邏輯。通過(guò)應(yīng)用層功能開(kāi)發(fā)封裝并與前端接口連接，從而實(shí)現(xiàn)界面各應(yīng)用功能業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，便于前端代碼直接調(diào)用代碼框架中Application中內(nèi)容。

3" 仿真驗(yàn)證

建立與仿真ECU節(jié)點(diǎn)的DoIP通信后，在圖9 ECU信息界面點(diǎn)擊讀取信息可讀取到所連ECU控制器的軟件編碼、軟件版本號(hào)和硬件版本號(hào)信息。自定義序列界面中，雙擊Server欄的診斷服務(wù)，即可給所連ECU發(fā)送診斷命令。將Server欄和Service欄的相應(yīng)診斷服務(wù)拖拽到自定義列表欄，組成需要發(fā)送的一組自定義診斷序列，然后點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，即可對(duì)所連ECU進(jìn)行自定義序列診斷，完成相應(yīng)測(cè)試或標(biāo)定功能。其中，軟件上位機(jī)發(fā)送和ECU回復(fù)的UDS診斷報(bào)文在ECU回復(fù)列表欄實(shí)時(shí)顯示，便于問(wèn)題分析和查看。

DoIP的有文件系統(tǒng)燒寫(xiě)仿真測(cè)試如圖10所示。在有文件燒寫(xiě)界面，可自定義添加燒寫(xiě)服務(wù)到燒寫(xiě)列表中，生成燒寫(xiě)測(cè)試列表，然后選擇燒寫(xiě)包文件進(jìn)行燒寫(xiě)測(cè)試，燒寫(xiě)的實(shí)時(shí)狀態(tài)日志及完成情況實(shí)時(shí)打印在燒寫(xiě)日志實(shí)時(shí)顯示欄中。從圖中仿真驗(yàn)證結(jié)果可以看出，軟件開(kāi)發(fā)的有文件及無(wú)文件燒寫(xiě)系統(tǒng)功能可完整實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)控制器的軟件刷寫(xiě)功能。

通過(guò)對(duì)DoIP工程診斷儀軟件的測(cè)試仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了軟件的各項(xiàng)功能。結(jié)果表明，仿真測(cè)試驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)對(duì)DoIP控制器的診斷燒寫(xiě)功能，為軟件實(shí)車(chē)驗(yàn)證奠定了良好的條件。

4" 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

基于某兩款以太車(chē)型開(kāi)展實(shí)車(chē)DoIP通信驗(yàn)證，對(duì)以太控制器進(jìn)行DoIP診斷及燒寫(xiě)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖11～圖13所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，工程診斷儀可以實(shí)現(xiàn)以太控制器的診斷和燒寫(xiě)功能的測(cè)試驗(yàn)證。

通過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證以太網(wǎng)控制器建立DoIP連接、ECU信息讀取、自定義序列發(fā)送、有文件燒寫(xiě)功能，結(jié)果表明DoIP工程診斷儀可實(shí)現(xiàn)DoIP的診斷和燒寫(xiě)功能驗(yàn)證，彌補(bǔ)整車(chē)開(kāi)發(fā)V流程在研發(fā)階段缺少DoIP診斷驗(yàn)證工具的現(xiàn)狀。

5" 結(jié)論與展望

本文基于DoIP診斷通信的診斷協(xié)議及通信流程，開(kāi)展了DoIP通信的工程診斷儀方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以太控制器的DoIP診斷及燒寫(xiě)功能的測(cè)試驗(yàn)證，并開(kāi)發(fā)自定義序列界面，可在研發(fā)階段定制化DoIP測(cè)試流程開(kāi)展DoIP協(xié)議測(cè)試，為DoIP通信相關(guān)領(lǐng)域人員的研究提供參考。

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