基于UDS的CAN節(jié)點(diǎn)軟件升級(jí)設(shè)計(jì)

Design of CAN node software ypdate based on UDS

馬建輝 123 ，慕永云 123 ，侯冬冬 123 ，胡代榮 123 ，朱亮 1
（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東 濟(jì)南，250353；
2．山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南，250014；
3．山東省汽車(chē)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250014）

       摘要：汽車(chē)CAN節(jié)點(diǎn)軟件升級(jí)過(guò)程中大量頻繁的CAN通信造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率升高，可能導(dǎo)致大部分節(jié)點(diǎn)功能降級(jí)或者軟件升級(jí)失敗，軟件升級(jí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)給其它節(jié)點(diǎn)的功能安全帶來(lái)隱患?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/UDS on CAN">UDS on CAN協(xié)議設(shè)計(jì)了一種Bootloader，在軟件升級(jí)過(guò)程中通過(guò)特定的UDS服務(wù)禁止CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送，升級(jí)完成后恢復(fù)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送，保證了軟件升級(jí)過(guò)程中的CAN網(wǎng)絡(luò)帶寬。同時(shí)結(jié)合節(jié)點(diǎn)CAN報(bào)文接收服務(wù)程序設(shè)計(jì)、緩沖區(qū)設(shè)置以及對(duì)多幀通信參數(shù)的調(diào)整，降低了程序升級(jí)時(shí)間。
       關(guān)鍵詞：CAN節(jié)點(diǎn)；軟件升級(jí)；UDS on CAN；Bootloader；多幀通信

　　0 引言

       汽車(chē)電子零部件產(chǎn)品的生命周期一般多達(dá)10年以上，使用過(guò)程中可能會(huì)暴露一些產(chǎn)品部署初期未能測(cè)試出來(lái)的bug，導(dǎo)致產(chǎn)品存在被修復(fù)的需要，此外，新技術(shù)的出現(xiàn)也可能導(dǎo)致產(chǎn)品的功能升級(jí)。由于汽車(chē)電子零部件安裝空間受限，通過(guò)拆卸并更換新的電子零部件的方式進(jìn)行功能升級(jí)或者bug修復(fù)，不僅操作復(fù)雜，而且成本高昂。因此，在實(shí)施了CAN總線(xiàn)系統(tǒng)的汽車(chē)中，一般是設(shè)計(jì)一種Bootloader，通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行汽車(chē)電子零部件功能的升級(jí)，部署實(shí)施新技術(shù)，或修復(fù)產(chǎn)品bug。
　　在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行程序升級(jí)時(shí)，其它CAN節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文會(huì)占用大量的CAN網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，延緩整個(gè)升級(jí)過(guò)程，而且，程序升級(jí)過(guò)程中大量頻繁的CAN總線(xiàn)通信會(huì)造成大部分節(jié)點(diǎn)功能的降級(jí)，因此，有必要控制并盡可能降低軟件升級(jí)時(shí)間。
　　通過(guò)CAN總線(xiàn)升級(jí)CAN節(jié)點(diǎn)程序的方法 [1] ，提出在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)程序更新之前，禁止CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)報(bào)文發(fā)送和故障碼設(shè)置，避免了程序升級(jí)過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率過(guò)高的問(wèn)題，但沒(méi)有針對(duì)性地提出降低升級(jí)時(shí)間的解決方案。
　　本文設(shè)計(jì)了一種基于UDS協(xié)議的Booloader，在下載應(yīng)用程序的Flash數(shù)據(jù)之前，通過(guò)UDS服務(wù)禁止CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)報(bào)文發(fā)送和故障碼設(shè)置，通過(guò)設(shè)定多幀接收緩沖區(qū)大小以及多幀通信中的STmin和BS參數(shù)，最大程度上降低了升級(jí)時(shí)間。
　　1 基于CAN的UDS協(xié)議

       定義了UDS [2] （表1 UDS報(bào)文格式services，統(tǒng)一診斷服務(wù)），側(cè)重于描述診斷服務(wù)部分，是全球通用的汽車(chē)診斷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ISO 15765-3以定義的服務(wù)為基礎(chǔ)，規(guī)范了基于CAN總線(xiàn)的診斷服務(wù) [3] （UDS on CAN），既給出了底層軟硬件要求，包含網(wǎng)絡(luò)定時(shí)、應(yīng)用層定時(shí)等詳細(xì)內(nèi)容，又給出了汽車(chē)CAN節(jié)點(diǎn)程序升級(jí)和通信的主體流程。
　　基于客戶(hù)端-服務(wù)器的請(qǐng)求-響應(yīng)式系統(tǒng)架構(gòu) [4] ，在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)中，診斷儀為發(fā)起請(qǐng)求的客戶(hù)端，CAN節(jié)點(diǎn)為返回響應(yīng)的服務(wù)器，UDS報(bào)文格式如表1所示。
　　2 Bootloader設(shè)計(jì)

       2.1 升級(jí)過(guò)程設(shè)計(jì)

       在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)Bootloader進(jìn)行CAN節(jié)點(diǎn)的軟件升級(jí)，其它節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，為了給升級(jí)過(guò)程創(chuàng)造一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將軟件升級(jí)步驟分成編程前-編程-編程后三個(gè)階段，如圖2所示。
　　在“編程前”階段，首先進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話(huà)模式，然后通過(guò)功能尋址的UDS服務(wù)禁止各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送，同時(shí)，由于很多節(jié)點(diǎn)收不到其它節(jié)點(diǎn)的報(bào)文后會(huì)記錄DTC故障，因此，首先禁止各個(gè)節(jié)點(diǎn)的DTC檢測(cè)，再禁止各個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文發(fā)送 [5] 。
　　在“編程”階段，首先進(jìn)入編程會(huì)話(huà)模式，然后進(jìn)行安全訪問(wèn)，下載應(yīng)用程序?qū)?yīng)的指令數(shù)據(jù)。
　　通過(guò)執(zhí)行被復(fù)制到指定RAM空間中的Flash驅(qū)動(dòng)程序，擦除并燒寫(xiě)應(yīng)用程序Flash數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序數(shù)據(jù)下載并燒寫(xiě)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)后，在數(shù)據(jù)Flash中存儲(chǔ)“應(yīng)用程序有效標(biāo)志”。
　　在“編程后”階段，首先進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話(huà)模式，然后通過(guò)功能尋址的UDS服務(wù)恢復(fù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送，然后恢復(fù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的DTC檢測(cè)。
　　2.2 UDS服務(wù)

       軟件升級(jí)使用的UDS服務(wù)如表2所示。其中，“編程前”和“編程后”階段使用到的診斷服務(wù)包括“診斷會(huì)話(huà)控制”、“通信控制”、“控制DTC設(shè)置”，“編程”階段使用到的診斷服務(wù)有“診斷會(huì)話(huà)控制”、“安全訪問(wèn)”、“請(qǐng)求下載”、“數(shù)據(jù)傳輸”、“請(qǐng)求退出傳輸”、“ECU復(fù)位”。

　　2.3 指令數(shù)據(jù)下載

     “編程”階段的“下載應(yīng)用程序”采用“請(qǐng)求下載”、“數(shù)據(jù)傳輸”和“請(qǐng)求退出傳輸”服務(wù)下載應(yīng)用程序的指令數(shù)據(jù)，流程如圖3所示。
　　首先通過(guò)“請(qǐng)求下載”服務(wù)設(shè)定“數(shù)據(jù)傳輸”服務(wù)的多幀報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后以多幀通信方式實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)傳輸”服務(wù)，完成“請(qǐng)求下載”服務(wù)指定長(zhǎng)度的多幀報(bào)文數(shù)據(jù)的傳輸后，通過(guò)“請(qǐng)求退出傳輸”服務(wù)退出數(shù)據(jù)傳輸。
　　2.4 軟件升級(jí)時(shí)間

     “編程前”階段、“編程后”階段以及“編程”階段的進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話(huà)模式、禁止DTC檢測(cè)、禁止應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送、進(jìn)入編程會(huì)話(huà)模式、安全訪問(wèn)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、復(fù)位、恢復(fù)應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送、恢復(fù)DTC檢測(cè)等UDS服務(wù)均采用單幀通信，執(zhí)行時(shí)間固定，升級(jí)時(shí)間主要取決于“編程”階段的“下載應(yīng)用程序”。
　　“數(shù)據(jù)傳輸”服務(wù)采用多幀通信方式，通信速度由和BS的設(shè)置決定，此外，“請(qǐng)求下載”服務(wù)設(shè)定的多幀報(bào)文長(zhǎng)度不同，升級(jí)時(shí)間也不同。
　　3 軟件升級(jí)測(cè)試

       筆者為某車(chē)廠開(kāi)發(fā)了一款帶有軟件升級(jí)功能的車(chē)身控制器，MCU為恩智浦中端16位單片機(jī)，升級(jí)文件采用S19格式，文件大小為左右，采用canoe設(shè)計(jì)了上位機(jī)升級(jí)軟件，選擇升級(jí)文件后進(jìn)行一鍵式下載，自動(dòng)完成上述“編程前”-“編程”-“編程后”三個(gè)步驟。軟件升級(jí)數(shù)據(jù)流如圖4所示。
　　、BS、多幀報(bào)文長(zhǎng)度的設(shè)置取決于報(bào)文接收緩沖區(qū)容量和接收端數(shù)據(jù)幀處理速度，為了提高接收端數(shù)據(jù)幀處理速度，將CAN報(bào)文接收中斷服務(wù)程序放入RAM中執(zhí)行。同時(shí)考慮到功能安全、MCU RAM容量和運(yùn)行主頻，將多幀報(bào)文長(zhǎng)度設(shè)定為512字節(jié)，STmin設(shè)置為1 ms，BS設(shè)置為0，在這種設(shè)置下，軟件升級(jí)時(shí)間可以控制在30秒以?xún)?nèi)，改善了開(kāi)發(fā)人員和4S店服務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的體驗(yàn)。
　　4 結(jié)論

       本文對(duì)在CAN總線(xiàn)上通過(guò)UDS服務(wù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)軟件升級(jí)的過(guò)程進(jìn)行了研究，在下載程序指令數(shù)據(jù)前，禁止CAN網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的報(bào)文發(fā)送，降低了CAN節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文對(duì)CAN總線(xiàn)帶寬資源的消耗，避免了因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率過(guò)高導(dǎo)致升級(jí)失敗的問(wèn)題；同時(shí)，根據(jù)對(duì)UDS數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的分析，設(shè)置合理的多幀報(bào)文長(zhǎng)度和STmin參數(shù)，在保證功能安全的前提下，盡可能降低了軟件升級(jí)時(shí)間。

       參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介
馬建輝（1983），男，碩士，工程師，主要研究方向：汽車(chē)電子、嵌入式。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處