基于LabVIEW的新能源汽車控制器刷寫軟件設(shè)計

李嬌嬌 張宏偉 陳金干

摘 ?要：ECU（Electronic Control Unit）汽車電子控制單元的集成功能日益復(fù)雜，為了應(yīng)對軟件更新及對Bootloader的需求問題，本文研究利用LabVIEW編程語言，采用CAN總線通信技術(shù)，遵循UDS協(xié)議規(guī)范，根據(jù)Bootloader刷寫流程，設(shè)計了基于LabVIEW的汽車ECU刷寫上位機軟件。該上位機集成了數(shù)據(jù)刷寫過程中的所有診斷服務(wù)，提供了簡單明了、易操作的人機交互界面，實現(xiàn)了程序在線更新功能，能夠很好地完成汽車ECU程序刷寫任務(wù)。試驗測試結(jié)果表明使用CAN網(wǎng)絡(luò)測試工具和該上位機界面能夠成功地實現(xiàn)頻繁地刷寫更新程序，已經(jīng)用在了現(xiàn)實程序刷寫操作中，具有較高的可靠性和有效性。

關(guān)鍵詞：CAN總線;UDS協(xié)議;Bootloader刷寫流程;LabVIEW

中圖分類號：TP26 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

1 ? 引言（Introduction）

近年來，新能源電動汽車、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無人駕駛技術(shù)的浪潮風(fēng)起云涌，在一定程度上促進了汽車電子技術(shù)的發(fā)展[1]。同時，人們對于汽車的各種高端功能、駕駛安全性以及舒適度的要求也越來越高了[2]，為了應(yīng)對這些需求，實現(xiàn)這些功能，ECU的數(shù)量就需要增多，ECU的控制策略和功能的復(fù)雜程度也需要提高，致使ECU軟件在線更新也越來越頻繁。在汽車的開發(fā)、生產(chǎn)和售后等階段中，每個階段都有軟件更新的需求[3]。傳統(tǒng)的軟件的更新方法需要BDM調(diào)試器通過BDM調(diào)試接口進行程序的下載，該方法數(shù)據(jù)下載速度慢，插拔很不方便，并且在ECU開發(fā)后期一般不再有調(diào)試端口，這樣對控制器程序的下載更新調(diào)試就非常的麻煩[4]。為了在開發(fā)過程中更快捷方便地完成程序地?zé)浉乱约霸诓挥貌鹣缕嚳刂破鞯那闆r下，通過CAN總線作為通信介質(zhì)完成程序地升級更新及調(diào)試，設(shè)計完成了該上位機軟件[5]。

2 ? 系統(tǒng)設(shè)計方案（The scheme design of system）

作為在線刷寫升級系統(tǒng)的上位機軟件，主要是通過CAN測試工具和下位機建立對話服務(wù)[6]。首先需要對需要更新升級的S19文件進行解析，轉(zhuǎn)化為CAN報文格式，依據(jù)Bootloader數(shù)據(jù)下載流程，然后根據(jù)UDS協(xié)議中的各項服務(wù)規(guī)則向下位機發(fā)送指令，完成程序的刷寫更新。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計是基于USB CAN測試工具作為硬件接口進行開發(fā)，其體積小巧，成本低廉，使用非常方便，并且支持LabVIEW軟件進行二次開發(fā)，能夠滿足各種應(yīng)用開發(fā)需求[7]。UDS（Unified Diagnostics Services）協(xié)議，是一種面向汽車電子控制單元（ECU）的統(tǒng)一診斷服務(wù)，不僅用于汽車故障診斷，還應(yīng)用于軟件刷寫等應(yīng)用場景，可以說是目前汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)協(xié)議之一[8]。

3 ?Bootloader數(shù)據(jù)下載流程（The data download process of Bootloader）

Bootloader數(shù)據(jù)下載流程主要是依據(jù)UDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。UDS提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的診斷服務(wù)，給出了車輛診斷通訊服務(wù)規(guī)范和一些參數(shù)說明，以及一些功能單元服務(wù)的基本要求[9]。UDS是一種客戶端與服務(wù)端的通信服務(wù)，即客戶端（Tester）向ECU發(fā)送診斷服務(wù)請求（Request），ECU則向客戶端發(fā)送對應(yīng)服務(wù)的請求響應(yīng)（Response）[10]。通過上位機軟件向下位機ECU刷寫程序的流程主要是依據(jù)Bootloader數(shù)據(jù)下載流程。Bootloader的數(shù)據(jù)下載流程總體分為三個步驟，分別為：預(yù)編程階段、主編程進行階段、后編程階段[11]。

3.1 ? 預(yù)編程階段

預(yù)編程階段是用來為要下載更新程序前的CAN網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備，流程如圖2所示。

（1）在設(shè)置刷新網(wǎng)絡(luò)前，ECU需要進入擴展會話模式。一般來說，程序初始化后直接進入默認(rèn)模式運行，當(dāng)需要更高級的訪問權(quán)限時，則使用該模式。

（2）例程控制（0×31）：通過例程控制服務(wù)來檢查編程預(yù)條件，為接下來的更新提供一個安全的更新環(huán)境。如果條件不滿足則退出刷寫，從而確保系統(tǒng)的安全。

（3）刷新期間，要求各個ECU停止除診斷以外信息的發(fā)送和接收，禁止重新設(shè)置故障碼[12]。

（4）刷寫工具通過通信控制服務(wù)請求禁止不屬于診斷服務(wù)的報文數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，盡可能地降低總線的負(fù)載率，為接下來的數(shù)據(jù)傳輸提供足夠的寬帶。

3.2 ? 主編程進行階段

在預(yù)編程階段之后，是主編程進行階段，是數(shù)據(jù)刷寫的具體階段。主編程進行階段時序是單個ECU編程事件的應(yīng)用，該階段主要是下載應(yīng)用軟件或應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此所有的服務(wù)請求都使用物理尋址，即一對一的通信[13]。如圖3所示，描述了在主編程進行階段中執(zhí)行的各項具體服務(wù)。

（1）進入診斷會話控制，ECU啟動Bootloader，并分配編程所需的所有資源。

（2）安全訪問：主編程階段必須通過安全訪問。進行安全訪問模式通過發(fā)送0×27服務(wù)來獲取刷寫數(shù)據(jù)的權(quán)限。上位機獲取該請求種子，并發(fā)送密鑰給下位機，下位機將接收到的窯鑰值與自身通過運算的值進行比較，當(dāng)上位機發(fā)送的密碼與ECU相匹配時，則獲得進入所要求的診斷模式的權(quán)限，然后運行相應(yīng)的診斷命令，進入相應(yīng)的模式。

（3）程序升級：當(dāng)ECU的非易失性存儲單元中沒有存儲內(nèi)存驅(qū)動時，將執(zhí)行內(nèi)存驅(qū)動的下載。下載應(yīng)該按照如圖3所示順序進行。

（4）例程控制服務(wù)（0×31）—“擦除ECU內(nèi)存”：接下來是需要將應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)下載至ECU中，在此之前，ECU的內(nèi)存需要被擦除掉，該步驟通過例程控制服務(wù)來執(zhí)行擦除ECU內(nèi)存操作。

（5）例程控制—“檢查編程完整性”：此服務(wù)用來檢驗邏輯塊的完整性，即驗證之前傳輸數(shù)據(jù)的完整性[14]。

（6）重置ECU：所有數(shù)據(jù)下載完成后，測試工具將應(yīng)用一個例程來觸發(fā)ECU從而檢查編程的依賴性。這些檢查內(nèi)容一般是由ECU供應(yīng)商定義的，但是其中的內(nèi)容必須確保所有邏輯塊的兼容性、一致性和完整性[15]。

3.3 ? 后編程階段

后編程階段按照如圖4所示，該階段用來確認(rèn)更新已經(jīng)完成，同時該階段是在復(fù)位后在應(yīng)用程序中執(zhí)行一些恢復(fù)整車網(wǎng)絡(luò)通信，以及配置信息的相關(guān)操作。

（1）重置ECU：測試工具軟件使用物理尋址，發(fā)送一個復(fù)位類型為硬件復(fù)位（子功能01）的ECU復(fù)位請求報文到CAN網(wǎng)絡(luò)上，ECU收到請求后，回復(fù)一個肯定響應(yīng)，結(jié)束后編程過程，返回到正常的操作模式。

（2）進入默認(rèn)會話模式。

（3）完成刷寫功能。

4 ? S19文件解析（S19 file parsing）

上位機軟件刷寫的程序主要用于ECU讀取并下載數(shù)據(jù)更新程序，該程序就是S19文件[16]。因此，需要對S19文件進行解析并提取出有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為CAN報文格式，對ECU進行程序更新。

S19文件是Freescale CodeWarrior編譯器生成的后綴名為.S19的程序文件，使用文本打開是一行行的十六進制數(shù)據(jù)，文件中的每一行稱為一條記錄，每行的數(shù)據(jù)長度不等，其中最長78個字節(jié)，156個字符，包括記錄類型、記錄長度、記錄地址、記錄數(shù)據(jù)和校驗和[17]。

S19數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為CAN報文格式時，需要遵循UDS診斷協(xié)議規(guī)范對S19文件進行解析，提取地址信息、數(shù)據(jù)長度信息和有效數(shù)據(jù)信息[18]。為了方便解析處理S19文件，通過HexView軟件觀察數(shù)據(jù)內(nèi)容，該S19文件共分為13個Block，還顯示每個Block的首地址，以及每個Block的字節(jié)長度，根據(jù)這些信息解析提取S19文件的有效數(shù)據(jù)。

5 ?上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計（The design of host software system）

為了實現(xiàn)上述程序刷寫功能，本上位機軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化設(shè)置模塊、S19文件解析模塊、主程序設(shè)計模塊、實時進度的推送模塊和刷寫結(jié)果的反饋模塊及安全登錄模塊。

5.1 ? 系統(tǒng)初始化設(shè)置

初始化階段包括啟動接口卡、配置CAN總線和啟動CAN總線[19]。通過調(diào)用LabVIEW庫函數(shù)，把各個CAN工具的動態(tài)函數(shù)庫DLL按照順序創(chuàng)建子VI封裝起來，完成初始化配置，保證LabVIEW軟件中底層驅(qū)動的可靠性、穩(wěn)定性[20]。

5.2 ? 數(shù)據(jù)發(fā)送接收設(shè)置

數(shù)據(jù)發(fā)送子程序是用來向下位機發(fā)送CAN報文數(shù)據(jù)，通過調(diào)用庫函數(shù)的VCI_Transmit函數(shù)來實現(xiàn)該功能。

5.3 ? S19文件解析

S19文件是一種程序文件，可以使用LabVIEW中讀取文本文件函數(shù)來讀取該文件并轉(zhuǎn)化為字符串?dāng)?shù)組。通過S19文件中的記錄類型（前兩個字節(jié)）來判斷S19文件地址長度。通過截取字符串函數(shù)和匹配字符串函數(shù)提取出S19文件中的首地址，再通過上述程序中獲得的地址長度判斷提取S19文件中的有效數(shù)據(jù)，這些有效數(shù)據(jù)就是我們需要通過上位機刷寫到下位機ECU的程序數(shù)據(jù)。將上述程序獲得的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組，并對獲得的有效數(shù)據(jù)的正確性進行判斷。

要寫入的S19文件的有效數(shù)據(jù)是按照Block劃分的，每個Block的劃分是依據(jù)首地址和數(shù)據(jù)長度，劃分之后并需要獲得該Block字節(jié)數(shù)的大小，與通過HexView軟件觀察數(shù)據(jù)內(nèi)容而得到的每個Block的首地址和字節(jié)數(shù)大小來核對程序是否正確，至此，S19文件解析完畢。

5.4 ? 主程序設(shè)計

在LabVIEW中，數(shù)據(jù)的傳輸是以數(shù)據(jù)流的方式傳輸?shù)?，?shù)據(jù)流是一連串CAN報文數(shù)據(jù)的發(fā)送。根據(jù)Bootloader數(shù)據(jù)刷寫流程規(guī)范設(shè)計該LabVIEW程序的數(shù)據(jù)流。主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

5.5 ? 實時進度的推送和刷寫結(jié)果的反饋

刷寫功能的執(zhí)行時間主要取決于用于刷寫的S19文件的大小，通常情況下1M大小的S19文件包含超過13000行記錄，接近40萬字節(jié)有效數(shù)據(jù)，刷寫的時間將超過兩分鐘，對于用戶而言，在兩分鐘內(nèi)沒有得到任何刷寫相關(guān)的指示將會使用戶感到焦慮，所以實時進度的推送是十分有必要的。本設(shè)計通過刷寫進度條來直觀地顯示刷寫工程的速度和進度，直到百分之百，表明刷寫完成。同時，刷寫進度還通過字符串文字顯示當(dāng)前刷寫狀態(tài)，可以清楚明了地知道具體刷寫到哪一步驟。

5.6 ? 安全驗證

首先，對操作者的身份進行驗證。刷寫操作人員必須是相關(guān)的工程師或者經(jīng)授權(quán)的測試人員，因此需要密碼登錄來確保非相關(guān)人員誤操作[21]。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

首先給ECU上電，使其進入正常的運行模式，然后對LabVIEW上位機的前面板進行設(shè)置，配置好參數(shù)后，運行上位機，點擊CAN通訊設(shè)備狀態(tài)按鈕，打開CAN通訊;點擊添加，添加S19文件;由客戶端切換到服務(wù)端，輸入登錄密碼;點擊stay in boot，完成stay in boot配置（在啟動流程中加入stay in boot這一階段，是為了增加時間冗余來保證軟件的可靠性）;點擊開始，開始刷寫，同時通過上位機界面進度條和當(dāng)前狀態(tài)文字信息提示，觀察刷寫進程。上位機刷寫界面如圖6所示。

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作者簡介：

李嬌嬌（1992-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：電機電器及其控制.

張宏偉（1980-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：工業(yè)過程控制，現(xiàn)代檢測技術(shù)與裝置.

陳金干（1983-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：電池管理系統(tǒng).