基于信號(hào)相似度原理的CAN 信號(hào)解析方法

關(guān) 靜，楊欣茹，周亞棱

（1.中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122；2.長(zhǎng)安福特汽車(chē)有限公司，重慶 401120）

隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)國(guó)際先進(jìn)新能源車(chē)型進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試和評(píng)價(jià)成為當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)的主要任務(wù)之一，而準(zhǔn)確可靠的信號(hào)獲取可為高質(zhì)量地測(cè)試評(píng)價(jià)各新能源車(chē)型提供基本保證。較之從其它途徑獲取的信號(hào)，通訊CAN 信號(hào)具有高可靠性、高頻率、實(shí)時(shí)性較好等優(yōu)點(diǎn)。隨著各種先進(jìn)新能源車(chē)型的不斷推出，對(duì)測(cè)試評(píng)價(jià)的時(shí)效性提出了更高的要求，因此，盡可能多地從通訊CAN 上獲取關(guān)鍵信號(hào)，縮短信號(hào)解析周期，對(duì)新能源汽車(chē)的測(cè)試評(píng)價(jià)工作具有重要意義。

目前，新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)中所用到的分析信號(hào)一般通過(guò)兩種途徑獲取，一種是采集車(chē)輛總線信號(hào)，包括整車(chē)通訊CAN 信號(hào)和診斷請(qǐng)求CAN信號(hào)；另一種是通過(guò)外接數(shù)采設(shè)備，如傳感器、功率分析儀、排放分析儀等，通常情況下會(huì)采取兩種方法相結(jié)合的方式[1-2]。由于通過(guò)CAN 信號(hào)獲取的數(shù)量有限，該方法需依賴大量的外接設(shè)備，對(duì)被測(cè)車(chē)輛空間布置有一定要求，并會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。在CAN 信號(hào)的獲取方法上，目前比較廣泛采用的方法是直接破解CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)，如張永生、關(guān)靜等[3-4]提出的CAN 總線多渠道解析方法，該方法在解析時(shí)需人為觀察報(bào)文數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，找出符合待解析信號(hào)變化規(guī)律的數(shù)據(jù)區(qū)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)信號(hào)是所求信號(hào)后，再標(biāo)定其系數(shù)與偏移。隨著新能源汽車(chē)內(nèi)部CAN 通訊的復(fù)雜化，總線上的CAN 數(shù)據(jù)容量較大，造成了數(shù)據(jù)區(qū)查找工作的繁瑣化。該方法對(duì)操作人員的技術(shù)性要求較高，操作人員需具備較好的數(shù)據(jù)敏感性。另一種方法是通過(guò)診斷請(qǐng)求的方式獲取總線信號(hào)，美國(guó)阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的WOOD 等[5]和LEE 等[6]在測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)中采用Vehicle SPY 等工具通過(guò)診斷請(qǐng)求獲取總線信號(hào)。北京理工大學(xué)席軍強(qiáng)、吳育恩等[7-8]通過(guò)Vector 公司的CANoe 等工具模擬診斷請(qǐng)求過(guò)程獲取診斷信號(hào)。雖然通過(guò)上述方法也可以獲取大量的診斷CAN 信號(hào)，但是通過(guò)診斷協(xié)議請(qǐng)求出的信號(hào)不僅采集頻率較低，而且在獲取過(guò)程中發(fā)出的請(qǐng)求診斷報(bào)文會(huì)對(duì)車(chē)輛的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定程度的干擾，個(gè)別情況下甚至影響車(chē)輛的正常運(yùn)行。信號(hào)采集頻率低等問(wèn)題也將會(huì)對(duì)新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。本研究提出的方法可以有效規(guī)避上述方法中破解信號(hào)數(shù)量的有限性或信號(hào)時(shí)效性有限等弊端，并能快速準(zhǔn)確地解析出大量高時(shí)效性通訊CAN 信號(hào)，為新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)工作的準(zhǔn)確性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 快速信號(hào)解析方法理論基礎(chǔ)

1.1 CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)特征

CAN 總線作為現(xiàn)代汽車(chē)電控單元之間信息交互的主要通訊方式，早在1993 年就已形成國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸信號(hào)物理值與實(shí)際總線上傳輸?shù)臄?shù)值之間存在如下關(guān)系[9]：物理數(shù)值=總線數(shù)值×系數(shù)+偏移。以某款新能源汽車(chē)（系數(shù)為1，偏移量為-1 023 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)）為例：

式中：TM_Tq為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩物理值；b0和b1分別為總線上傳輸?shù)膱?bào)文0x95 中第3 個(gè)字節(jié)和第4 個(gè)字節(jié)的數(shù)值（轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制），該信號(hào)單位為Nm。

而通過(guò)診斷讀取的信號(hào)為實(shí)際物理值，診斷信號(hào)與不加系數(shù)偏移的CAN 信號(hào)曲線不完全重合，圖1 為CAN 信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的診斷信號(hào)曲線的形狀特征圖，為了更直觀地理解CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)的不同特點(diǎn)，圖中對(duì)其做了特征放大處理。由圖1可知，診斷信號(hào)與CAN 信號(hào)相比，CAN 信號(hào)存在比例系數(shù)與偏移，又由于診斷信號(hào)頻率比通訊CAN信號(hào)低，二者數(shù)值曲線存在一定差異，所以在利用診斷信號(hào)進(jìn)行解析時(shí)，需運(yùn)用其與CAN 信號(hào)的形似特征來(lái)處理兩種信號(hào)的形態(tài)差異，再進(jìn)行一定的運(yùn)算，方可解析出正確的CAN 信號(hào)。

圖1 CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)特征

1.2 信號(hào)相似度原理

根據(jù)診斷信號(hào)與CAN 信號(hào)有一定相似度的原理，通過(guò)選取信號(hào)有效識(shí)別區(qū)，并對(duì)其相似度進(jìn)行計(jì)算即可快速定位CAN 信號(hào)。其中，有效識(shí)別區(qū)是對(duì)CAN 信號(hào)進(jìn)行提取并與診斷信號(hào)做對(duì)比的數(shù)據(jù)區(qū)，橫坐標(biāo)范圍是信號(hào)值發(fā)生變化的時(shí)間區(qū)，縱坐標(biāo)范圍是信號(hào)值與穩(wěn)定值之間的數(shù)據(jù)區(qū)。有效識(shí)別區(qū)的4 種形式如圖2 所示。

圖2 有效識(shí)別區(qū)的4 種形式

提取了診斷信號(hào)與CAN信號(hào)的有效識(shí)別區(qū)后，需對(duì)識(shí)別區(qū)的信號(hào)值進(jìn)行匹配度篩選。有效識(shí)別區(qū)相似度計(jì)算原理如圖3 所示。將所有CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)有效識(shí)別區(qū)內(nèi)的時(shí)間區(qū)域劃分成相同的份數(shù)，假設(shè)都分成z 段（z=5），若CAN 信號(hào)為所求，CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)的差值應(yīng)小于2 倍診斷信號(hào)周期，每段有效區(qū)數(shù)據(jù)的比值xi/yi數(shù)列的方差也應(yīng)大大小于xi/yi數(shù)列均值。

定義時(shí)間區(qū)相似度表達(dá)式為：

式中：δte為時(shí)間區(qū)相似度；t 為時(shí)間，s。定義數(shù)值區(qū)相似度表達(dá)式為：

圖3 相似度計(jì)算原理

δte、δve數(shù)值越大，CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)形狀越相似，是所求信號(hào)的概率也就越高。

在提取出所有CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)的有效識(shí)別區(qū)，并計(jì)算獲得所有CAN 信號(hào)的δte與δve之后，需對(duì)CAN 信號(hào)進(jìn)行篩選，得到符合條件的接近診斷信號(hào)形狀的CAN信號(hào)。由于兩種信號(hào)的周期不同，存在某些情況下的CAN 信號(hào)有突變值而診斷信號(hào)沒(méi)有，會(huì)造成δve偏小，所以篩選時(shí)可將此值設(shè)置得比較寬松，最低可設(shè)置為0.5 左右。δte一般設(shè)置為0.9 或者更大（此處0.9 為經(jīng)驗(yàn)值）。由于δte與δve設(shè)置篩選閾值不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致輸出結(jié)果過(guò)多或者沒(méi)有輸出結(jié)果，所以應(yīng)多次調(diào)整這兩個(gè)值直至輸出合理數(shù)量的結(jié)果，在得到接近診斷信號(hào)形狀的CAN 信號(hào)后，還需進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證以確保信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2 基于Matlab 的信號(hào)解析方法實(shí)現(xiàn)

利用診斷信號(hào)快速定位CAN 信號(hào)的信號(hào)解析方法流程如圖4 所示。首先將診斷儀連接到被測(cè)車(chē)輛診斷接口處，將CAN 信號(hào)硬件接口卡與通訊CAN 線連接，對(duì)被測(cè)車(chē)輛進(jìn)行診斷請(qǐng)求，操作車(chē)輛使待解析信號(hào)發(fā)生變化，同時(shí)用診斷儀記錄診斷數(shù)據(jù)并用CAN 分析軟件記錄CAN 報(bào)文，記錄過(guò)程盡可能保持兩種不同數(shù)據(jù)采集的同步。將記錄的診斷信號(hào)與CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成解析軟件能識(shí)別的文件格式，確定診斷信號(hào)與CAN 數(shù)據(jù)中所有CAN 信號(hào)的有效識(shí)別區(qū)，計(jì)算有效識(shí)別區(qū)相似度，將有效識(shí)別區(qū)相似度和CAN 信號(hào)以矩陣形式輸出，按有效識(shí)別區(qū)相似度從高到低的順序?qū)λ鼍仃囍械腃AN信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，完成對(duì)CAN 信號(hào)的定位。

圖4 快速信號(hào)解析流程

為實(shí)現(xiàn)該快速定位CAN 信號(hào)的解析方法，本研究采用Matlab 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)通過(guò)診斷信號(hào)對(duì)CAN 信號(hào)的定位及查找。為方便操作，設(shè)計(jì)可視化界面如圖5 所示，包含了解析軟件的所有功能。將需要的參數(shù)及Excel 數(shù)據(jù)輸入，選擇相應(yīng)的信號(hào)類型，單擊計(jì)算就可輸出符合條件的所有結(jié)果，具體包含篩選出的所有CAN 信號(hào)所屬的報(bào)文ID、信號(hào)長(zhǎng)度位數(shù)、信號(hào)起始位、信號(hào)比例系數(shù)、信號(hào)偏移量、識(shí)別區(qū)時(shí)間域差異度及數(shù)值域差異度，單擊Plot 可繪制曲線以確認(rèn)查找結(jié)果的正確性。

圖5 信號(hào)解析軟件界面

3 測(cè)試與驗(yàn)證

以某款新能源汽車(chē)的主缸壓力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)為例，其中主缸壓力信號(hào)在制動(dòng)踏板未踩時(shí)有穩(wěn)定值0，在踩制動(dòng)踏板狀態(tài)有大于0 的變動(dòng)值，符合本方法對(duì)被解析信號(hào)特征的要求。此例利用診斷儀記錄信號(hào)。操作車(chē)輛使車(chē)輛行駛―制動(dòng)―行駛，同時(shí)手動(dòng)記錄車(chē)輛在“制動(dòng)踏板未踩―踩制動(dòng)踏板―制動(dòng)踏板未踩”全過(guò)程的診斷儀信號(hào)與CAN數(shù)據(jù)，盡量保證兩者記錄數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，允許兩者的記錄時(shí)間前后有些許的偏差。

將記錄的診斷儀信號(hào)與CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，然后導(dǎo)入到Matlab 中。在Matlab 中運(yùn)行程序，并對(duì)診斷儀信號(hào)以及CAN 數(shù)據(jù)中所有的CAN 信號(hào)進(jìn)行處理，提取出兩者的有效識(shí)別區(qū)。通過(guò)計(jì)算診斷信號(hào)與CAN 信號(hào)有效識(shí)別區(qū)的時(shí)間區(qū)相似度，以及通過(guò)將診斷信號(hào)與CAN 信號(hào)的時(shí)間區(qū)域劃分成30 個(gè)，計(jì)算每個(gè)時(shí)間段里診斷信號(hào)與CAN 信號(hào)的平均值之比，然后計(jì)算數(shù)值區(qū)相似度。制定一個(gè)相似度界點(diǎn)，本例中的時(shí)間區(qū)相似度界點(diǎn)為90%，數(shù)值區(qū)相似度界點(diǎn)為80%，將相似度高于此界點(diǎn)的所有CAN 信號(hào)全部篩選出來(lái)。此后，判斷篩選出來(lái)的CAN 信號(hào)的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型，計(jì)算篩選出來(lái)的CAN 信號(hào)的比例系數(shù)與偏移。最后輸出結(jié)果數(shù)組，見(jiàn)表1。本例有多個(gè)疑似信號(hào)輸出，前4 個(gè)疑似信號(hào)對(duì)比如圖6a 所示，圖中按照相似度從高到低的信號(hào)名稱分別為信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3、信號(hào)4。按相似度從高到低的順序?qū)ι鲜鲂盘?hào)進(jìn)行逐一驗(yàn)證，信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3 與診斷信號(hào)變化規(guī)律一致。按照信號(hào)排列規(guī)律及相似度數(shù)值，本例信號(hào)1 驗(yàn)證后證明是所求信號(hào)，即完成了某款新能源汽車(chē)主缸壓力信號(hào)的解析與標(biāo)定。通過(guò)信號(hào)軟件查找出來(lái)的相似度最高的主缸壓力信號(hào)與診斷信號(hào)對(duì)比，如圖6b 所示。

表1 主缸壓力信號(hào)解析結(jié)果

圖6 主缸壓力信號(hào)對(duì)比

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的查找方法與主缸壓力信號(hào)的類似，查找出來(lái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)對(duì)比如圖7 所示。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，通過(guò)該方法快速解析出來(lái)的主缸壓力信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，可利用該方法開(kāi)展大批量關(guān)鍵信號(hào)的獲取，為新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)工作提供有力支撐。

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)與診斷信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）以診斷儀信號(hào)為參考，根據(jù)通訊CAN 信號(hào)與診斷信號(hào)形態(tài)相似的原理，提出了一種通過(guò)計(jì)算兩種不同來(lái)源信號(hào)有效識(shí)別區(qū)的相似度來(lái)快速定位CAN 信號(hào)的解析思路。

（2）通過(guò)Matlab 編程實(shí)現(xiàn)CAN 信號(hào)解析方法，并開(kāi)發(fā)友好用戶操作界面，可滿足對(duì)待測(cè)新能源汽車(chē)快速、準(zhǔn)確解析CAN 信號(hào)的需求，極大地提高信號(hào)獲取效率， 增加信號(hào)的準(zhǔn)確度。

（3）以某款新能源汽車(chē)主缸壓力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)為例，在已獲取診斷儀上的主缸壓力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的前提下，根據(jù)信號(hào)有效識(shí)別區(qū)相似度計(jì)算原理，通過(guò)本研究所開(kāi)發(fā)的信號(hào)解析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的快速查找，得到該信號(hào)的詳細(xì)信息，完成對(duì)該信號(hào)的標(biāo)定和驗(yàn)證。

（4）通過(guò)基于診斷信號(hào)相似度的解析方法可大量解析對(duì)標(biāo)車(chē)的CAN 信號(hào)，減少傳感器及其它數(shù)采設(shè)備的安裝成本，節(jié)約數(shù)采設(shè)備安裝調(diào)試周期，同時(shí)避免了由于安裝空間有限而無(wú)法采集部分關(guān)鍵信號(hào)等問(wèn)題，為新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)工作奠定基礎(chǔ)。