基于独立网关的UDS服务设计与实现

('基于独立网关的UDS服务设计与实现白稳峰;汪春华;刘洪飞;张玉稳【期刊名称】《《汽车实用技术》》【年(卷),期】2019(000)023【总页数】4页(P55-58)【关键词】网关;UDS;CAN总线;诊断【作者】白稳峰;汪春华;刘洪飞;张玉稳【作者单位】中国汽车技术研究中心有限公司天津300300;森阳汽车科技(天津)有限公司天津300300【正文语种】中文【中图分类】U463.6前言随着汽车行业的不断发展，整车电子电气架构日益复杂，各种舒适娱乐功能不断应用于新车型，使得整车CAN控制器节点数量不断增加，传统的基于集成网关的总线结构已经不能满足总线通讯的需求，新的电子电气架构使得独立网关成为数据转发的中央枢纽[1]。但在解决通讯需求的同时，为了满足整车网络所有节点的诊断需要，设计了满足ISO14229的独立网关的UDS(UnifiedDiagnosticServices，统一的诊断服务)。以ISO14229-1作为统一诊断规范[2]，以CAN总线作为数据链路实现，通过设计硬件和软件，使得诊断CAN部分能够满足整车网络所有节点的程序刷新、诊断报文路由、DTC（DiagnosticTroubleCode，诊断故障代码）检测、功能/节点配置、报文映射、EOL（LineofEnd，下线检测）等功能。ISO14229道路车辆统一诊断服务（UDS）未来会在CAN、Flexay等数据链路上实现和应用。1独立网关总体设计方案网关系统如图1所示，由电源管理模块、通用I/O输入输出采集模块、CAN总线模块、LIN总线模块和微控制器及外围电路构成。采用的4路CAN分别为：动力PT_CAN，娱乐ST_CAN，车身BD_CAN，诊断DIAG_CAN。其中PT_CAN与ST_CAN作为终端，安装120Ω终端电阻。DIAG-CAN作为终端，终端电阻为60Ω，为后续诊断功能通道接口，实现整车节点诊断报文的路由转发，以满足诊断功能需要。图1网关系统框图2硬件电路设计与实现2.1MCU选型选用XC2268N作为独立网关的微处理器芯片，具有五级流水线和MPU的高性能CPU，在80MHz的主频下，单周期执行指令仅需12.5ns[3]；带有可编程多项式的硬件CRC检查器可对片上存储区域进行监控；高达16Kbytes片上DSRAM和320Kbytes的Flash存储区域。此外，片上集成6个符合CAN2.0B标准的CAN控制器和6个用于异步串行通信的串行接口[4]。其外设通信接口资源较多，处理性能较高，非常适应于独立网关系统的开发。2.2电源系统设计采用TLE9262集成芯片设计电源模块原理图如图2所示。该芯片可以充当微控制器的电源和CAN、LIN总线网络的接口。TLE9262的基础芯片除了提供5V低压差稳压器电源外，还有CAN、LIN收发器、4路高边输出、16BitSPI同步串行通信接口、自带硬件看门狗输出和失效检测输出[5]。该芯片有多种模式，且在休眠模式下可将收发器设置为远程唤醒监控。能够很好满足低功耗、拓展性以及安全性要求。图2TLE9262电源模块原理图2.3CAN通讯电路设计CAN收发器在控制器和物理传输线之间起着逻辑电平与差分电压信号转换的作用。采用TJA1042芯片[6]设计标准CAN总线模块。通信电路如图3所示，预留有共模电感，可根据EMC情况选择共模电感是否焊接。ESD防护选用TVS管。为稳定总线电压，降低总线EMC，将SPILT引脚连接到拆分式网络终端(R27、R30)，并通过C12电容将直流电泄放到GND。C11与C20电容值为22pf，用于滤除总线上的高频干扰，且具有一定的抗电磁辐射能力。图3CAN通信电路3UDS软件设计与实现3.1软件代码架构软件架构如图4所示，其中MCU驱动实现MCU硬件驱动功能，包含系统时钟、定时器、AD、GPIO、CAN、FLASH、WDT等驱动模块。ECU驱动封装了微控制器层以及外围设备的驱动，上层软件可以通过它访问ECU硬件，包含数字、模拟开关采集、智能芯片驱动。服务层(ServiceLayer)将各种基础软件功能以服务的形式封装起来，供应用层调用。其中的通讯服务（CommunicationService）实现与通讯相关的应用功能；功能服务（FunctionService）实现存储管理等其它功能。应用程序(ApplicatiponLayer)实现应用功能逻辑，是独立于硬件平台的功能模块，与BSW（基础层）的联系是通过RTE(接口层)实现的。图4软件架构3.2功能设计与实现诊断规范与调查问卷是诊断系统的必要设计输入参考，其中诊断服务、时间参数、DTC列表和状态位、动态/静态DID（DataIdentifier，数据标识符）、配置DID、例程DID等内容都需要在诊断调查问卷中做详细的规定，以满足后期代码设计及诊断数据库CDD的开发。开发诊断数据库是为了满足后期测试及代码验证，根据最终诊断调查问卷，编写诊断数据库，创建相关的服务：$10（会话模式）、$11（复位控制）、$28（通讯控制）、$3E（诊断仪在线）、$2F（输入输出控制）、$27（安全访问）、$85（DTC控制）$19（DTC读取）等。3.2.1路由功能报文路由是将完整报文从一个网段（源网络）传输到另一网段（目标网络）的处理过程[7]。主要包括CAN标识符操作；报文周期时间更改；数据长度代码更改（部分报文路由）；发送模式“事件”、“周期”更改等。报文路由的执行可以与接收报文无关，也可以直接由接收报文触发。当报文使用输入无关操作路由，网关需要更改报文周期、发送模式或数据长度。当接收到使用“输入触发”路由的报文时，立即发送接收的报文。3.2.2报文映射功能查看某一指定网段报文，需要将该网段的报文映射至DIAG_CAN，每次仅能映射一个网段的报文[8]。报文映射流程如图5所示，需要Tester请求Gateway进入扩展会话模式，之后通过27服务完成安全加密认证，最终使用例程控制服务31完成报文映射，实现其余不同网段的报文到诊断CAN。图5报文映射流程3.2.3EOL功能诊断报文中包含了整车ECU的配置信息，因高低配车型要求，相关ECU配置也不同。网关对应不同车型的ECU进行下线配置，包括功能配置和节点配置，满足同一控制器在不同车型上的应用，只需软件写入相应配置字即可。3.2.4引导加载程序Bootloader功能设计诊断CAN部分，除了需要对Tester的一般诊断请求及应答进行转发之外，还需要在其余控制器软件的刷新过程中进行高负载率的报文转发，需要保证在上位机请求发送的报文做到不乱序、不丢帧，进而满足快速准确的程序刷新需要。3.3诊断服务及程序设计诊断部分代码的设计采用分层设计，主要包括APP、CAN、COM、TP、UDS等模块，其中APP为上层应用接口，内部会使能和定义所有与应用层的接口，通过回调函数的方式提供对数据的改写与访问；CAN为CAN驱动代码，实现对数据链路层的控制，收发数据；COM为通讯管理，为APP层提供访问接口，设置报文的周期、触发等；TP为数据传输，打包与解包数据，满足大块数据的收发；UDS为诊断部分，包括所有基本服务的管理、故障码的检测、诊断数据的请求与应答等。图6为从通讯矩阵与设计规范到诊断代码的开发过程。图6诊断程序开发过程4功能验证与测试通常有手动测试和Diva测试两种方式验证诊断功能，由于手动测试效率比较低、测试项不全等，目前基本都使用自动测试方式，但在测试前需要创建自己的测试环境，并加载CDD库，通过测试脚本完成所有选择项的测试。4.1测试环境搭建针对上述应用层诊断协议的测试需求，使用CANdelaStudio编写的诊断数据库，囊括前期的诊断需求，编辑完成后可生成.cdd格式文件。并将其导入CANoe.Diva中，经过一系列诊断测试配置，其可自动化生成十分全面的测试用例。测试人员可根据需求手动选择测试项，极大的节省了测试时间，同时提高了准确性。图7诊断数据库4.2Diva测试报告使用CANoe.Diva打开.cdd格式文件并生成用于测试的.diva格式文件。测试配置时首先加载安全算法文件；设置测试强度；设置通信数据包括测试时间和参数、ECU节点参数；勾选诊断服务，包括未定义的服务、状态以及诊断相关的测试参数；设置诊断应用层，包括诊断故障码、参数、应用层测试配置。配置完成后点击“生成”按键即可自动生成测试用例。图8Diva测试界面图8显示了基本的测试用例，可以通过前面的复选框进行选择。完成对DTU的测试之后，会自动生成图9所示的测试报告，可以看出所有的测试项都是通过的，也就是被测对象的所有功能模块符合设计规范，达到了最终的测试要求。图9Diva测试报告5总结针对独立网关诊断UDS服务进行了软硬件设计与开发，软件部分严格按照ISO14229的设计要求，从前期的规范制定，到诊断功能的代码实现以及最终的测试验证，都得到了期望的效果。最终的测试部分也实现了全自动的测试方式，可以生成对应的测试报告，并且所有测试项全部通过，达到了设计要求。开发成果可以快速应用到其他控制器的UDS设计中，具有广泛的市场应用前景和较大的经济效益。参考文献【相关文献】[1]周红英,陶龙龙.基于独立网关的汽车网络总线系统设计[J].汽车实用技术,2015(04):1-3+10.[2]ISO14229-1-2006.Roadvehicles-Unifieddiagnosticservices(UDS)-Part1:Specificationandrequirements.[3]InfineonTechnologiesAG.XC2000easykitboardmanualversion3.0[M].2008.[4]黄娟娟,夏超英,柳同生.基于英飞凌XC2268N的整车控制系统CAN通信设计[J].仪表技术与传感器,2014(05):60-62+72.[5]InfineonTechnologiesAG.TLE9262-3QX[M].2014.[6]TJA1042High-speedCANtransceiverwithStandbymodeDataSheet,Rev.02-8[EB/OL].2009.[7]白杨.某C级乘用车车身网关系统设计与研究[D].吉林大学,2016.[8]朱东南.基于OSEK的汽车总线网关控制系统设计[J].制造业自动化,2014,36(23):85-88+91.',)