1、 硕 士 学 位 论 文题目 汽车 ECU 测试系统关键技术研究 （英文） Key Technology Research on Car ECU Test System 学 科、专 业 名 称: 计算机技术 摘 要I摘 要随着汽车电子技术和控制技术的快速发展，汽车 ECU（电子控制单元）在汽车应用越来越广泛，在给汽车带来便利和安全的同时，也给汽车带来了 2 个问题：线束的增多和诊断变得困难。为了解决这一问题，车载网络应运而生。CAN 总线由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通信速率和灵活可靠的通信方式，被越来越多的汽车制造商应用于汽车控制、诊断和通信。基于 CAN 总线的车载故障诊断也越来越受
2、到关注。本测试系统以第二代车载故障诊断系统（On-Broad Diagnostic System II ，OBD II）为基础，诊断协议为通用测试标准 ISO15765，其通信层采用 ISO15765-2，数据链路层和物理层遵循 11898-1 标准。当测试系统与待测汽车 OBD II 接口连接后，通过发送服务请求数据，读取故障码和数据流，以此来判断汽车电控系统是否处于正常状态。由于 PC 机不能直接读取底层 CAN 帧，所以本系统采用了 USB-CAN 适配器，调用其提供的 DLL 函数与底层通信。测试的数据存入数据库，有利于进一步的分析和维护。在分析了 ISO15765 的通信模型及其数据
3、传送方式的基础上，详细描述了故障诊断通信协议栈的设计和基于 PC 端的上位机软件的开发过程。测试系统主要分为 2个部分，其中系统管理部分主要负责数据的管理，存储，以及系统的配置；下线检测部分负责与底层通信，对电控系统进行诊断。系统进行了实车测试，测试结果表明该系统在技和实际应用中是可靠的。最终该系统部署在某汽车生产线上，在提高企业生产效率的基础上，大大增强了汽车的可靠性和安全性。关键词：CAN 总线 ISO15765 故障码 数据流 下线检测AbstractIIAbstractAs the development of the automotive electronics technology
4、 and control technology, automotive ECU (electronic control unit) is applied more and more widely in a car. It brings the convenience and security to a car, but two problems are come in: wiring harness increases dramatically and is difficult to diagnose. To solve this problem, in-vehicle network is
5、come into being. The CAN bus is used to control, diagnose and communicate with a car by more and more car manufacturers due to its non-destructive arbitration mechanism, high communication speed and flexible and reliable means of communication. So people pay more and more attention to vehicle fault
6、diagnosis based on the CAN bus.The test system is built on the second generation of On-Broad Diagnostic System (OBD II) and the diagnostics protocol adopts a universal diagnostics testing standard protocol ISO15765, which uses ISO15765-2 in the communication layer, the standard 11898-1 in the link l
7、ayer and physical layer. When the test system connects to the OBD II interface of the car being tested, by sending a service request data it can read Diagnostics Trouble Code (DTC) and data stream, which can determine if the cars electronic control system is in a normal state. Since the PC cant read
8、 the underlying CAN frame, the system uses an USB-CAN adapter to communicate with the underlying by calling its DLL functions provided. The tested data will be stored into the database, which is useful for further analysis and maintenance.On the basis of analysis the communication model and its data
9、 transmission of ISO15675, the paper describes the design of communication protocol stacks and the upper computer software development process based on PC. The testing system is divided into two parts. One is the system management part which is primarily responsible for the management and storage of
10、 data and system configuration. The other is the end of line test part which communicates with the underlying and diagnoses the electronic control system.The system is tested in a real vehicle system, and the result shows the system is trustworthy in the practical application. Finally the system is
11、deployed in an automobile production line, and it not only improves the production efficiency, but also enhanced the reliability and safety of the car.Keywords: CAN bus; ISO15765; Diagnostics Trouble Code; data stream; off-line test目 录III目 录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.1.1 课题研究的背景 .11.
12、1.2 研究的意义 .21.2 故障诊断的发展现状 .21.2.1 国外发展现状 .21.2.2 国内发展现状 .31.3 课题研究的内容与论文结构 .51.3.1 论文研究的内容 .51.3.2 论文结构 .5第二章 ECU 测试系统主要技术及分析 .72.1 CAN 总线 .72.1.1 CAN 总线特性 .72.1.2 CAN 报文 .82.2 常用的诊断协议 .112.2.1 ISO15765 协议 .112.2.2 ISO14230 协议 .132.2.3 两种协议的比较 .132.3 本章小结 .14第三章 ECU 测试系统需求分析 .153.1 系统需求分析 .153.2 系统结
13、构分析 .153.3 功能需求分析 .163.3.1 ECU 检测系统 .163.3.2 系统配置系统 .173.3.3 数据管理系统 .173.3.4 用户管理系统 .173.4 系统操作用例分析 .183.5 运行需求分析 .213.5.1 系统硬件需求 .213.5.2 软件需求 .22目 录IV3.6 本章小结 .22第四章 ECU 测试系统的设计 .234.1 功能模块的设计 .234.1.1 下线检测模块的设计 .244.1.2 系统设置模块的设计 .304.1.3 数据管理模块设计 .324.2 ISO15765 协议栈的设计 .344.2.1 应用层设计 .354.2.2 网络
14、层设计 .374.2.3 层间的数据映射 .404.2.4 底层通信模块的设计 .414.3 数据库的设计 .454.3.1 UML 建模方法 .454.3.2 主要类图及表设计 .504.4 本章小结 .54第五章 ECU 测试系统的测试与性能分析 .555.1 系统测试 .555.1.1 检测系统的设置 .555.1.2 电控检测 .565.1.3 查询和统计功能 .625.2 系统性能分析 .655.3 本章小结 .65第六章 总结与展望 .666.1 总结 .666.2 展望 .67参考文献 .68致谢 .71作者在攻读硕士期间主要研究成果 .72第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题
15、研究背景及意义1.1.1 课题研究的背景近年来，全球汽车电子行业快速发展，以每年 20%到 30%的速度向前增长，远远超过汽车行业的发展速度 1。据有关报告显示，汽车电子产品占整个汽车价值比例从过去 5%增长到目前的 25%，甚至在中高档轿车上达到 30%以上 2，而且这一比例还在不断增长。根据有关机构通过市场调查分析，预测未来部分高档汽车中电子产品的价值含量将会达到 50%以上 3。汽车电子化程度越来越高，使得汽车电控系统越变复杂，线束越来越多，为解决此问题，总线技术应运而生 4。目前有 CAN、LIN、VAN、Flexray、IDB-M、MOST 、 USB 和 IEEE1394 等不同类
16、型的总线 5。由于总线的性能、价格各不相同，汽车会按照自身的要求选择不同类型的总线应用于自身，因此这些总线将会在未来的汽车中共存很长一段时间。并且，随着未来技术的进步，将会有更高级的总线系统加入到车载网络家族中 6。汽车的电子化、网络化不仅带给汽车行业革命性的变化，而且也为汽车故障诊断提出了新的挑战。传统的故障诊断采用的是人工诊断方法，通过人工观察，加上逻辑判断和分析来实现故障的诊断，由于人的主观意识作用，其诊断结果往往存在较大误差 7；并且通常要进行解体作业，对零部件一一处理，这种方法对于一台拥有成千上万个电子元件的现代汽车来说显然是行不通的。后来先进仪器设备被用于检测，借助于电子技术的优势
17、对故障作出科学、准确的判断，其可靠性得到了提高 8，维修速度也大大加快。目前大多数整车厂采用的诊断方法是 Off-board（线外诊断）和 On-board（在线诊断）相结合，如图 1-1 所示。线外诊断是外部设备通过与汽车电控单元通信，读取故障码和数据流来实现故障的诊断和处理 9；而在线诊断的原理是 ECU（电子控制单元）内部故障诊断电路能在汽车运行过程中不断监视各个元件工作，当发现电子元件出现故障时就会自动运行故障诊断程序，将故障以代码的形式存储于 ECU RAM 存储器中 10，同时通过指示灯向驾驶员发出警告信号。实现线外诊断的关键是实现诊断协议 11，即解决诊断设备与 ECU 如何进行
18、通信的问题。目前常用的诊断协议有 ISO15765，ISO14230 和 J1939，其中 J1939 用于重型汽车领域，而 ISO15675 和 ISO14230 主要用于轻型汽车领域。ISO15675 是基于 CAN 总线的，可满足 E-OBD 排放要求。ISO15765 符合现在汽车总线网络的发展趋势，已经被许多汽车厂商采纳，很有可能成为未来汽车行业的通信诊断标准。汽车 ECU 测试系统关键技术研究2图 1-1 在线诊断和线外诊断1.1.2 研究的意义由于汽车工业的快速发展，应用于汽车上的 ECU 会越来越多 12，并且已经成为发动机电控系统、电控自动变速箱、ABS 防抱死制动、SRS
19、安全气囊等电控系统的最重要的部分，汽车的安全性，可靠性等性能也越来越多地依赖电控单元的性能 13。因此在汽车下线前，对其电控系统进行检测，显得至关重要。这样能够确保汽车的质量，树立汽车企业的口碑。最重要的一点是汽车的质量得到了保证，汽车消费者的生命安全和财产安全有了保障。在诊断的过程中，由于汽车内部的 ECU 的特性各不相同，因此汽车厂商都开发出了各自产品的专用诊断设备由于某个特定的电控系统，所以开发出一个针对不同电控系统的综合检测系统具有十分重要的意义。1.2 故障诊断的发展现状1.2.1 国外发展现状国外故障诊断起步较早，在上世纪 70 年代专用汽车故障诊断仪就出现了，但是受当时技术条件的
20、限制，这些诊断设备的效果并不突出。直到 80 年代初，GM（美国通用汽车）公司开发了一种便携式诊断仪TECH-1 型诊断仪；该诊断仪针对的是当时各种车型，不仅能够显示诊断结果，而且对运行状态进行监控，可以说是一款“通用性”诊断仪。随后，欧美、日本等发达国家的其他汽车厂家也相继开发了自己的随车诊断系统 14，用于监控和检测汽车内电控系统的运行状态。例如福特公司的 OASIS（汽车维修信息系统） ，日本三菱公司开发的 MUT 多用途故障诊断仪15。上世纪中后期欧美发达国家发生了严重的空气污染，最主要的污染源来自汽车第一章 绪论3排放的尾气。为了加强汽车尾气排放和用车管理，从 80 年代开始，美国和
21、欧洲等汽车厂家在其生产的汽车电喷上配置 OBD。OBD 共经历了 2 代：OBD I （ 第一代车载诊断系统） 和 OBD II（第二代车载诊断系统） 16。OBD I 没有统一的标准，因而诊断比较困难。为此 SAE（美国汽车工程师协会）在 20 实际 90 年代制定了 OBD II 标准，要求各个汽车制造企业按照此标准提供统一的诊断模式 17。OBD II 具有严格的排放针对性，它间接地监控汽车动力和排放控制系统来监控汽车的尾气排放，当汽车的动力或排放控制系统出了故障，就会导致污染排放物超过设定的标准，从而触发故障灯点亮报警。与 OBD I 相比，OBD II 有以下优点：1、统一了诊断接口
22、，为 16PIN。2、统一了故障码及其含义。3、具有资料传输和数值分析功能。4、具有行车记录器功能。5、具有可读取故障码并显示的功能。6、可由外部设备清除故障码的功能。虽然 OBD II 能够有效地监控汽车尾气排放，但是驾驶员对于警告的接受完全取决于个人意愿，为此，更先进的 OBD III 被制定出来。OBD III 集成了检测、维护和管理来满足保护环境的要求。它利用车载通讯系统，将车辆的相关信息自动上报给管理部门，管理部门根据车辆的排放严重程度发出指令，轻者发出警告，对于严重违规者进行惩罚。因此，未来 OBD III 电控系统将会有越来越广泛的应用。1.2.2 国内发展现状我国汽车电子业基础
23、薄弱，与国际先进技术相比还有很大差距。对汽车故障诊断方面的研究与发达国家相比，起步较晚。1977 年我国为了改变汽车故障诊断技术落后的面貌，启动了“汽车不解体检测技术”的课题，标志着国内汽车诊断技术研究正式起步 18。由于从零基础开发研究困难重重，而且经济上不划算，因此我国采用迎进来的策略，即借鉴欧美的经验，进行消化吸收，再自主创新，形成我国自己的体系。表1-1 显示了我国自主研发车载自诊断系统的发展历程：汽车 ECU 测试系统关键技术研究4表 1-1 我国车载自诊断系统发展历程 2005.4.5 国 家 环 境 保 护 总 局 公 告 (2005)14号 颁 布 GB18352.3-2005
24、， 正 式明 确 了 我 国 对 OBD系 统 的 技 术 要 求 。2005.12.31北 京 开 始 提 前 实 施 国 家 第 III阶 段 排 放 法 规 ， 并 且 要 求 新 车 型必 须 带 有 OBD系 统 。2006.12.1 北 京 停 止 销 售 没 有 安 装 OBD系 统 的 国 三 轻 型 汽 车 。2007.1.1 广 州 要 求 所 有 新 上 牌 轻 型 汽 车 必 须 安 装 OBD。2008.1.1 在 深 圳 销 售 的 轻 型 汽 油 车 必 须 安 装 车 载 诊 断 系 统 。2008.1.24 环 境 保 护 总 局 办 公 厅 (2008)35
25、号 函 发 布 ， 征 求 对 (征 求 意 见 稿 )的 意 见 。2008.4.8 环 境 保 护 部 办 公 厅 (2008)57号 函 发 布 ， 征 求 对 (征 求 意 见 稿 )等 国 家 环 境 保 护 的 意 见 。2008.6.24 环 境 保 护 部 发 布 ， 并 宣 布 此 要 求 从 2008年 7月 1日 实 施 。从 2008 年 7 月 1 日开始，为了满足严格的排放要求，国内第一类汽油车上都必须配有随车诊断系统 19。国内部分厂家开始生产具有 OBD 功能的故障诊断仪，有些已经达到了国际先进水平。例如深圳远征公司生产的型号为 CreaderVII 的综合诊断仪，集 OBDII/EOBD 全功能于一身，不仅支持主流车型四大系统（发动机、自动变速器、防抱死系统及安全气囊）读码清码读数据流功能，而且支持多语言，还具有数据流图形显示、可存储和回放动态数据流等功能。除此之外，还有一些优秀的国内产品，例如深圳凯派科技公司研发的 C 派便携式行车电脑 K3，是国内首款诊断仪。元征 CreaderVII C 派 K3图 1-2 国产诊断仪
