基于CAN 協(xié)議汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標(biāo)定的軟件設(shè)計(jì)

吳 櫻，朱志峰*，姚 勇，汪 丹

（1. 安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2. 安徽省愛(ài)夫卡電子科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標(biāo)定功能主要是為了檢測(cè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)出現(xiàn)的角度偏差，并對(duì)出現(xiàn)的偏差通過(guò)一定的動(dòng)作步驟進(jìn)行標(biāo)定調(diào)節(jié)，使駕駛員各種操作自如，提高行車(chē)安全?，F(xiàn)代汽車(chē)上的控制器越來(lái)越多，為使控制器工作在最佳狀態(tài)，需要根據(jù)被控系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)對(duì)控制器進(jìn)行標(biāo)定。而標(biāo)定是指根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、整車(chē)性能、經(jīng)濟(jì)性、安全性等多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)汽車(chē)電控系統(tǒng)軟件的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

傳統(tǒng)的標(biāo)定是指工程師不斷改變控制器的控制參數(shù)，直至控制器能夠達(dá)到最優(yōu)的控制效果。由于在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中存在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)定軟件需要具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理管理功能，標(biāo)定工程師需要對(duì)被控系統(tǒng)非常熟悉并具備長(zhǎng)期標(biāo)定工作經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)外的汽車(chē)廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出技術(shù)成熟的電控標(biāo)定系統(tǒng)軟件，其中CANape 和INCA 的標(biāo)定功能最為強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于標(biāo)定軟件市場(chǎng)［1］。德國(guó)Vector 公司開(kāi)發(fā)的CANape 軟件，主要用于汽車(chē)電子控制單元（electronic control unit，ECU）的參數(shù)優(yōu)化，在系統(tǒng)運(yùn)行期間標(biāo)定參數(shù)值和采集測(cè)量信號(hào)，具備全面測(cè)試和分析相關(guān)診斷通信的能力［2］。德國(guó)ETAS 公司開(kāi)發(fā)的INCA 通用測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)，包括標(biāo)定的硬件及上位機(jī)軟件，除了可對(duì)汽車(chē)ECU 數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定外，還具有標(biāo)定參數(shù)配置和數(shù)據(jù)刷寫(xiě)功能［3］。而國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)的研究一般建立在對(duì)國(guó)外標(biāo)定軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)特殊的車(chē)型系統(tǒng)或應(yīng)用場(chǎng)景而研究和開(kāi)發(fā)，比如使用INCA 標(biāo)定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷寫(xiě)，通過(guò)對(duì)安全校驗(yàn)算法的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)模式下的INCA 數(shù)據(jù)刷寫(xiě)管理［4］。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景或車(chē)型系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí)，原有的標(biāo)定系統(tǒng)將無(wú)法繼續(xù)使用。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)角度標(biāo)定診斷軟件，使其可適用于大多數(shù)車(chē)型，標(biāo)定過(guò)程操作方便，可提高診斷效率。

1 標(biāo)定的基本原理

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)角度標(biāo)定屬于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中特殊功能部分。標(biāo)定過(guò)程具體分為數(shù)據(jù)通信連接、診斷命令分析、標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)3 大模塊。數(shù)據(jù)通信連接模塊是指根據(jù)協(xié)議類型確定初始化參數(shù)，使得診斷系統(tǒng)與汽車(chē)ECU 建立通信連接。診斷命令分析模塊是對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而提取關(guān)鍵命令信息，并建立診斷數(shù)據(jù)庫(kù)。標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)模塊是指根據(jù)診斷數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用C 語(yǔ)言編寫(xiě)標(biāo)定功能函數(shù)，完成對(duì)標(biāo)定步驟的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)診斷儀的具體標(biāo)定功能。在本文動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)角度標(biāo)定中，選擇以觀致品牌車(chē)型為例，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定軟件的設(shè)計(jì)。

1.1 通信協(xié)議基本原理

CAN 總線是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線，可以使用雙絞線傳輸信號(hào)，而且總線協(xié)議支持多組控制器，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一?；贑AN 總線的汽車(chē)診斷系統(tǒng)以ISO15765 協(xié)議［5］為診斷通信標(biāo)準(zhǔn)。ISO15765 協(xié)議是汽車(chē)診斷網(wǎng)絡(luò)在CAN 網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，診斷按照協(xié)議內(nèi)容與體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。診斷協(xié)議體系結(jié)構(gòu)劃分為4 層，應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層［6］。任意一條來(lái)自汽車(chē)ECU 的診斷服務(wù)數(shù)據(jù)都需經(jīng)過(guò)應(yīng)用層轉(zhuǎn)化處理并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的控制傳輸、數(shù)據(jù)鏈路層的打包，最終通過(guò)物理層與其他總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信［7-9］。

1.2 診斷命令分析

將汽車(chē)ECU 中儲(chǔ)存動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息以通信命令的形式記錄發(fā)送和回復(fù)命令。采用一定的數(shù)據(jù)打包傳送方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：自定義幀頭+ LEN 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+ COM命令方式+ 地址信息+ 有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+ 有效數(shù)據(jù)+ CS 校驗(yàn)位［10］。在UltraEdit 文本編輯器中建立XML 文檔［11］，以XML 語(yǔ)言記錄 汽 車(chē)ECU 與診 斷 儀 相互通信 的 命 令，并以UTF-8 編碼［12］格式保存。以一組標(biāo)準(zhǔn)的CAN 協(xié)議通信命令數(shù)據(jù)為例：

其中rece 的命令表示診斷儀向ECU 發(fā)送的請(qǐng)求命令，send 是汽車(chē)ECU 回復(fù)診斷儀的命令。以rece 命令 為 例，“00 0d”表 示 總 長(zhǎng)度；“30”表 示CAN 協(xié) 議；“00 00 06 29”表示 地 址 信 息；“03”表 示有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；“22 f1 90”表示該條命令的有效數(shù)據(jù)；由于有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不夠，所以在后面補(bǔ)填“00”；“？？”表示校驗(yàn)位。send 命令含義類似。

1.3 標(biāo)定的功能設(shè)計(jì)

表1 是采用Excel 文件格式記錄的觀致汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)角度標(biāo)定功能的界面設(shè)計(jì)。在對(duì)汽車(chē)方向盤(pán)角度進(jìn)行標(biāo)定之前，首先提示用戶該項(xiàng)服務(wù)用于標(biāo)定汽車(chē)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向（electric power steering，EPS）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度；設(shè)定方向盤(pán)角度標(biāo)定的檢查條件；在確定滿足檢查條件后，發(fā)送標(biāo)定命令執(zhí)行標(biāo)定功能，通過(guò)對(duì)ECU 標(biāo)定回復(fù)命令的POS［X04］位進(jìn)行真假判斷，得到最終標(biāo)定結(jié)果；最后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果設(shè)定提示信息。

表1 觀致汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)角度標(biāo)定系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)Tab.1 The interface design of the steering wheel angle calibration system of Guanzhi automobile steering system

2 標(biāo)定功能程序設(shè)計(jì)

標(biāo)定功能程序設(shè)計(jì)是標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)的核心部分，按照標(biāo)定功能模塊流程，設(shè)計(jì)相關(guān)函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定的具體功能。根據(jù)表1 的標(biāo)定具體步驟，標(biāo)定功能的程序設(shè)計(jì)可以分為3 大模塊：進(jìn)入標(biāo)定功能、標(biāo)定執(zhí)行檢查條件、標(biāo)定結(jié)果的獲取。首先是對(duì)標(biāo)定的確認(rèn)過(guò)程，用戶點(diǎn)擊確定按鈕才正式進(jìn)入標(biāo)定。進(jìn)入標(biāo)定系統(tǒng)后，設(shè)定標(biāo)定檢查條件，并判斷汽車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)是否滿足標(biāo)定條件，條件滿足則發(fā)送標(biāo)定命令，并判斷標(biāo)定命令是否發(fā)送成功，若成功則執(zhí)行具體標(biāo)定操作步驟，否則標(biāo)定失??；檢查條件不滿足則直接跳出程序，結(jié)束運(yùn)行。標(biāo)定功能模塊的具體流程如圖1 所示。

圖1 標(biāo)定功能模塊的程序框圖Fig.1 Program block diagram of the calibration function module

2.1 進(jìn)入標(biāo)定功能

標(biāo)定步驟設(shè)定第一步是讓用戶確定進(jìn)入標(biāo)定功能，首先進(jìn)入特殊功能SPE_FUNC 標(biāo)簽，運(yùn)行MENU_DISPLAY 函數(shù)顯示診斷儀界面，并進(jìn)入系統(tǒng)標(biāo)定功能，其主要數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容如下：

在此步驟中運(yùn)行Spefunc_General 特殊功能函數(shù)，借助此函數(shù)TYPE = 0c 屬性向ECU 發(fā)送標(biāo)定指令22 F1 9E，并對(duì)ECU 返回的回復(fù)指令首位進(jìn)行判斷，若其回復(fù)指令首位有效數(shù)據(jù)非7f，則代表ECU 對(duì)指令進(jìn)行肯定回復(fù)，程序往下執(zhí)行；再借助TYPE = 07 屬性跳轉(zhuǎn)下一節(jié)點(diǎn)正式進(jìn)入標(biāo)定；若其回復(fù)指令首位有效數(shù)據(jù)為7f，則返回主界面。其程序執(zhí)行如下：

TYPE = 0c 的功能是對(duì)ECU 回復(fù)指令進(jìn)行判斷，判斷其為肯定或否定回復(fù)。程序首先進(jìn)入pro_SendRecv 發(fā)送接收數(shù)據(jù)子函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)獲得數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度。將下位機(jī)板解包的數(shù)據(jù)存放到數(shù)組recvbuf 中，并將recvbuf 的數(shù)據(jù)內(nèi)容拷貝到comparebuf 中。對(duì)收到數(shù)組的第一字節(jié)進(jìn)行判斷，若第一字節(jié)數(shù)據(jù)為7f，移除對(duì)話框后彈出消息對(duì)話框，設(shè)置中斷對(duì)話按鈕功能和線程ID 后返回標(biāo)定主界面。對(duì)收到的數(shù)組字節(jié)進(jìn)行判斷，若收到數(shù)組字節(jié)為0 則錯(cuò)誤，提示返回標(biāo)定主界面。

2.2 標(biāo)定執(zhí)行檢查條件

對(duì)標(biāo)定執(zhí)行檢查條件的設(shè)定通過(guò)運(yùn)行Spefunc_General 特殊功能函數(shù)完成。標(biāo)定執(zhí)行檢查條件共有3 條，每一條檢查條件都按數(shù)據(jù)庫(kù)中特定的步驟實(shí)行，其數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容如下：

以設(shè)定電池電壓檢查條件為例，運(yùn)行Spefunc_General 特殊功能函數(shù)，借助此函數(shù)TYPE =0c 屬性向ECU 發(fā)送標(biāo)定指令22 10 82，并對(duì)ECU 的回復(fù)指令首位進(jìn)行判斷，若其回復(fù)指令首位有效數(shù)據(jù)為7f，則返回主界面；若其回復(fù)指令首位有效數(shù)據(jù)非7f，則代表ECU 對(duì)指令進(jìn)行肯定回復(fù)，再借助該函數(shù)中TYPE = 13 屬性，提取ECU 返回的數(shù)據(jù)中固定位置X03X04 的字節(jié)信息，并與CMP 中字節(jié)信息比較，結(jié)果為真則進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，否則顯示結(jié)果為0。在此X03X04 字節(jié)為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，若X03X04 字節(jié)數(shù)據(jù)小于十六進(jìn)制數(shù)0801（即十進(jìn)制數(shù)值2049），則按照數(shù)據(jù)流計(jì)算公式CMP0002（［X03X04］）/64.00，將原字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并除以64.00，得出十進(jìn)制電池電壓值，計(jì)算結(jié)果保留2 位小數(shù)。最后進(jìn)行顯示UNIT =“V”。其他兩個(gè)條件類似，計(jì)算程序執(zhí)行如下：

TYPE = 13 的功能是根據(jù)發(fā)送命令所得到的回復(fù)命令，按照算法計(jì)算處理。當(dāng)把CMP 屬性值賦值到strexpress 后，進(jìn)入getCMPstrResult 子函數(shù)：首先獲取十六進(jìn)制strcmp 屬性值，跳轉(zhuǎn)到子函數(shù)下屬性為公式計(jì)算的case 中，并進(jìn)入formatexpress 子函數(shù)，替換原公式中［］符號(hào)并返回正確數(shù)據(jù)公式；再對(duì)strexpress 中數(shù)據(jù)是否為空進(jìn)行判斷，結(jié)果為真則跳出程序，結(jié)果為假則將strexpress 值賦于claculateExpress，并進(jìn)入claculateExpress 子函數(shù)計(jì)算最終數(shù)據(jù)結(jié)果。將帶有數(shù)據(jù)結(jié)果的文本信息拷貝到strinfo 數(shù)組中，并將此數(shù)組與計(jì)算結(jié)果相連接。判斷指針是否有UNIT屬性，并將連接UNIT 屬性值與strinfo 數(shù)組相連接，最終插入菜單項(xiàng)目到窗口。

2.3 獲取標(biāo)定結(jié)果

獲取標(biāo)定結(jié)果是在標(biāo)定執(zhí)行條件滿足的情況下，發(fā)送標(biāo)定命令執(zhí)行標(biāo)定功能，得到對(duì)標(biāo)定過(guò)程成功與否的判斷，其數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容如下：

在此步驟運(yùn)行Spefunc_General 特殊功能函數(shù)，借助此函數(shù)TYPE = 0c 屬性對(duì)ECU 標(biāo)定指令31，01，10，80 的回復(fù)指令首位是否是7f 進(jìn)行判斷，若其回復(fù)指令第一位有效數(shù)據(jù)非7f，則代表ECU 對(duì)指令進(jìn)行肯定回復(fù)，程序往下執(zhí)行；再借助TYPE = 15 屬性，提取ECU 返回的數(shù)據(jù)中固定位置X04 的字節(jié)信息，并與CMP 中字節(jié)01 進(jìn)行比較，若結(jié)果為假，程序跳轉(zhuǎn)到M007 節(jié)點(diǎn)；若結(jié)果為真，借助TYPE = 07 屬性跳轉(zhuǎn)到M008 節(jié)點(diǎn)。其相關(guān)程序如下：

TYPE = 15 功能是對(duì)CMP 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行真假判斷。當(dāng)把CMP 屬性值賦值到strexpress 后，進(jìn)入getCMPstrResult 子函數(shù)，同上面TYPE = 13 中g(shù)etCMPstrResult 子函數(shù)程序步驟得到最終strexpress 數(shù)據(jù)值。再借助atoi 函數(shù)，將字符串型轉(zhuǎn)換為整數(shù)型，將CMP 屬性值的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為整數(shù)，并與1 進(jìn)行真假比較，結(jié)果為真則設(shè)置線程ID，并且進(jìn)入到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，否則跳出程序。

3 測(cè)試

上述開(kāi)發(fā)的過(guò)程依據(jù)觀致汽車(chē)的原廠診斷儀設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)庫(kù)以及診斷程序。而在測(cè)試階段，則利用所設(shè)計(jì)的軟件對(duì)觀致汽車(chē)進(jìn)行標(biāo)定，記錄分析數(shù)據(jù)并與原廠實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，判斷標(biāo)定軟件是否存在缺陷，這些缺陷包括編碼錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

在進(jìn)行模擬驗(yàn)證前，需要將標(biāo)定功能數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)定程序應(yīng)用于診斷儀器設(shè)備中。將由C 語(yǔ)言編寫(xiě)的標(biāo)定軟件在安卓平臺(tái)下轉(zhuǎn)換成so.文件，使其適用于診斷儀的安卓系統(tǒng)。在本次模擬測(cè)試中，診斷儀設(shè)備選用的是愛(ài)夫卡公司F7S-Z 綜合版智能診斷儀。

模擬測(cè)試需要下位機(jī)板、USB 線、F7S-Z 診斷儀以及具有汽車(chē)ECU 模擬軟件的筆記本電腦。診斷儀通過(guò)藍(lán)牙與下位機(jī)板連接，再借助USB 線與筆記本電腦連接。在下位機(jī)板的作用下，建立起診斷儀設(shè)備與筆記本電腦中汽車(chē)ECU 模擬軟件的數(shù)據(jù)通訊。其模擬測(cè)試結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 模擬測(cè)試結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simulation test structure

模擬測(cè)試開(kāi)始，進(jìn)入診斷儀觀致汽車(chē)界面，選擇方向盤(pán)標(biāo)定診斷功能。首先進(jìn)入診斷功能界面，點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)方向盤(pán)角度標(biāo)定功能，診斷儀提示信息，其界面如圖3（a）所示；接著界面提示汽車(chē)方向盤(pán)角度標(biāo)定檢查條件，其界面如圖3（b）所示；若標(biāo)定執(zhí)行條件滿足，則發(fā)送標(biāo)定命令；若標(biāo)定執(zhí)行條件不滿足，則直接退出系統(tǒng)。

對(duì)標(biāo)定命令發(fā)送成功與否進(jìn)行判斷，若標(biāo)定命令發(fā)送失敗，診斷儀界面提示標(biāo)定失敗信息，其界面如圖3（c）所示；若標(biāo)定命令發(fā)送成功，診斷儀界面提示標(biāo)定操作信息，其界面如圖3（d）所示；按照診斷儀提示完成操作，診斷儀界面提示最終標(biāo)定結(jié)果，其界面如圖3（e）所示。

圖3 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標(biāo)定功能界面圖Fig.3 Calibration interface diagram of the automobile steering system

模擬測(cè)試結(jié)果表明該標(biāo)定軟件可以順利進(jìn)入觀致車(chē)型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，并對(duì)汽車(chē)方向盤(pán)角度進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定功能。將標(biāo)定成功的參數(shù)數(shù)據(jù)流與原廠設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)相比較，通信數(shù)據(jù)相同，見(jiàn)圖4，標(biāo)定結(jié)果與原廠實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果相同，標(biāo)定符合要求。

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Comparison of data results

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于CAN 協(xié)議對(duì)汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標(biāo)定功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可通過(guò)進(jìn)一步連接實(shí)車(chē)ECU 進(jìn)行測(cè)試，完成該車(chē)型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的標(biāo)定功能。在制作其他車(chē)型的標(biāo)定功能時(shí)，以本文中數(shù)據(jù)庫(kù)和程序?yàn)槟０?，可擴(kuò)展到其他車(chē)型的標(biāo)定功能，通用性強(qiáng)，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)難度。