UDS_BOOTLOADER
基于ISO协议的车载CAN网络上位机诊断软件设计，一方面可了解15765的协议内容，同时，完成基于CAN通信的上位机软件开发重庆邮电人学硕士论文abstractAbstractWith the development and wide use of in-Vehicle Can (Controller AreaNetwork)network technology, complete in-vehicle can network internationaldiagnostic specification has been published. However, because of the noveltyof the specification and the protection of intellectual property rights offoreign country, our country is relatively weak on this technique, moreover,diagnostic tool is mainly dependent on high-cost foreign equipmentTherefore, the study on Can network diagnostic tool based on iso15765 withindependent intellectual property rights is significant In this paper, diagnosticstructure of certain car and network nodes which can be diagnostic is chosenas the diagnostic object. After the analysis and deep study of Iso15765architecture, low cost diagnostic upper computer of Can network is designedby vc software and USbCanii hardware acquisition card the maincontributions of dissertation include the following:(1)Basing on the research on diagnostic protocol architecture ofin-vehicle Can network the structure of in-vehicle network and thediagnostic function needs are put forward for a certain vehicle model. thediagnostic upper computer design is divided into relatively independent ofordinary diagnostic module (without download function) and downloaddiagnostic module.(2)The major 5 kinds of diagnostic services of application layer arerealized based on deep understanding of diagnostic protocol. For the networklayer data transmission, data packing algorithm which meet the Iso 15765-2is designed to achieve the network layer data package transmission.(3)Basing on the realization of the application-layer protocol and thenetwork layer data transmission algorithm. For the safety access realization,safety algorithm is designed and dLl is created. Low-cost CAn networkdiagnostic upper computer of ordinary diagnosis module is designed by VCsoftware platform and usbcanii hardware acquisition cardThe S19 file processing algorithm is designed to realize programon-line download through CAN network diagnostic specification, which isI重庆邮电大学硕士论文Abstractbased on IS015765-3 download process. Upper computer of on-line downloadis designed by VC software platform and USBCANII hardware, by whichrogram can be downloaded on-line through Can network(5)Test platform is built to test the diagnostic upper computer combinedwith CANoe. The test includes ordinary diagnostic module test and downloadfunction testTest results show that diagnostic upper computer can communicate withCAN network through IS015765, and S19 file can be downloaded on-linethrough Can successfully. The feasibility of the designed diagnostic uppercomputer is validatedKeywords: in-vehicle network, CAN, IS015765, diagnosis, testIM重庆邮电大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1L课题研究的背景与意义CAN网络技术起源于欧洲,最早运用于汽车的电子通讯系统上,专门装备高档车型,被公认为现代B级、C级轿车和高技术含量代表的标志之山。它具有极强的抗于扰和纠错能力,这项技术的最大优点是减少了线束的数量和控制器接口的引脚数,能够使多个控制器和各类型的传感器之间的数据通信联系起来,使整车线束布置更加紧凑。CAN网络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,在车载网络领域广受青睐,CAN网络可以吏简单、迅速地实现汽车控制、通信、在线诊断以及在线编程。由于其综合的优势,目前,在多种车用总线中,CAN总线成为应用最广泛的总线。由于车载CAN总线的广泛应用,车载CAN网络的诊断技术亦显得尤为重要。由于诊断系统独立于车载CAN网络,这使得系统的开发成本增加,内部网络变得复杂。为解决上述问题,欧洲汽车厂商推出一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765,它可满足 E-OBD(European- On Board Diagnosis)的系统要求,ISO15765以ISO142291定义的服务为基础,规定了基于CAN总线的诊断服务UdS on CAN,包括网络管理、网络定时、应用层定时等详细内容,使得该协议的适用性和可操作性更强,并与IS014230应用层的服务和参数完全兼容的。基于ISO15765的车载网络诊断不仅可以读取故障码,还能实现车载网络EC( Electronic Control Unit)的在线升级功能。通过在线升级功能,整车厂可以在4S店刷新控制器的软件,从而减少因软件缺陷造成的召回成本。此外,还能实现读取、写入及控制ECU的信息。如读取ECU的版本信息、生产厂商以及控制ECU的输入输出信息等功能。ISO15765符合现代汽车网络总线系统的发展趋势,已被许多汽车厂商采纳,并将成为未来汽车行业的通用诊断标准。对于车载网终的诊断,国外各大著名汽车公司对诊断技术的研究较为成熟,其诊断通信协议也是由国外各大厂商制定,其相关的诊断产品和诊断工具也开发的较为成熟,比如德国 Vector公司的诊断系列产品,以及 Mentor公司的诊断系列产品。目前国内的汽车生产厂商及汽车零部件厂商与研发机构大都直接使用国外相对成熟的诊断系列产品。由于知识产权的保护,国外对车载网络的诊断技术几乎处于封锁状态,即使是中外合资的相关汽车厂商或零部件厂商其诊断技术也是不会对国内开放。综上原因,使得目前国内的车载网络诊断技术处于起步阶段。因重庆邮电大学硕士论文第一章绪论此,深入研究车载网络诊断技术,是摆在国内汽车设计公司和汽车生产厂商面前必须解决的实际问题。12车载网络诊断协议概述对车载网络诊断技术的实现主要依托于对车载网络诊断协议的应用与实现。现对常用的车载网络的国际诊断协议进行概述如下Iso-9141早在1996年国际标准化组织颁布基于K线的SO9141标准:该标准的应用时间不算太长。ISo142308ISO14230于199年出台,又称作 Keyword Protocol200kw20),该诊断标准是基于K线的,波特率为104kb/s,用单线(K线)通信,也可用双线K线和L线通信,目前多用单线通信。ISO14230的头格式不是囿定的,有3或4个字节,报文传输不用分包,最大可传255个字节数据,K线本质上是一种半双工串行通信总线。过去比较常用,到目前为止,ISO14230仍是许多汽车厂商采用的诊断通信标准。报文头数据域校验和格式|目标地址源地址长度数据1数据2|……数据n校验和图111SO14230K线数据格式ISODIS 157653199年出台 ISO/DIS15765( Diagnostics on CAN-based on KWP2000,此诊断标准是基于SO14230在CAN线上的扩充,源于K线的诊断标准。So150312001年6月发布ISO15031 Communication for emissions-related diag-nostics),此诊断标准的出台主要针对排放系统相关的诊断,其中ISO15031-6中,对故障诊断码的格式进行了详细规定。so157652001年发布了IO15765 agnostics on CAN- based on UDS),此诊断标准与基于K线的诊断标准不同,这是基于统一诊断服务的诊断。其中的ISO15765-3、ISO157652分别规定了应用层与网络层的实现,在IO15765-2网络层中对ECU重庆邮电大学硕士论文第一章绪论的在线上传下载进行了详细的规定。将帧类型分为单帧、第一帧、流控帧和后续帧,此诊断标准对报文进行打包传输,数据以流控帧的机制进行传输,一次最多可传输4095字节的数据。标准CAN帧格式如图12所示。仲裁域2位控制域6位数据域64位名称|川标识符传输1符扩|1保留|数据「循环校CRC|应|帧请求/展份位0长度/数据域|验位|界定答结CRC符场|束位宽度十T40-6415图12标准cAN帧格式IsO1422912006年发布统一诊断服务标准ISO14229-1( Unified Diagnostic Services)该国际标准只是规定应用层上诊断规范,该标准的制定是为了针对任何一种连续数据链路,不涉及网络及实现未。定义诊断系统的通用需求,为了实现这一点,该标准基于OSI基本参考模型,如表11所示,其通信系统为7层。其屮映射到CAN线上的诊断为SO15765在其它链路上的映射,如无线局域网、 Flexray等的诊断,也将按照ISO1422(统一诊断标准UDS)执行。表L1诊断规范与OSI的对应关系表适性0sI7层增强诊断服务(非放射相关)遵循应用层(第7层)ISO1429l/o157653/ISo1994|5o1422更多标准ISO/IEC表达层(第6层)7498会话层(第5层IS015765-3/IS011992-4更多标准和传输层(第4层)Iso15765-2/Iso11992-4更多标准ISO/EC网络层(第3层)IsO15765-2/ISOl9924更多标准1073的7数据链路层(第2层)ISo88/S019/AE9395更多标准层物理层(第1层o898/ISo19/AE1915更多标准综述上述几种车载网络诊断协议,国内外汽车厂商使用较广泛的诊断协议为基于K线的IsO14230和基于CAN线的ISO15765诊断协议,然而随着汽车中电控电元数量的增加,如ABS系统、发送机电控系统、车身控制模块(BCM)系统、安全气囊等系统,这些系统之间以及系统与汽车仪表之间都需要进行数据交换,若这么多的数据量仍采用导线对数据进行点对点传输,则大量导线的使用会导致系统内部繁杂,且增加成本。此外,由于K线不能满足数据链路层在网络管理以重庆邮电人学硕士论文第一章绪论及通信速率上的局限性,使得K线无法满足越来越复杂的车载诊断网络的需求网随着CAN网络在汽车网络上的广泛应用,基于CAN网络的O15765的诊断则受到广泛应用,它符合现代汽车网络总线的发展趋势,逐渐被越来越多的汽车厂商使用,将成为未来汽车行业的通用诊断标准。与基于K线的ISO14230相比,基于CAN线的诊断协议ISO15765具有以下的优势(1)CAN总线的传输速率比K线要高很多,K线的传输速率为104kbt,而CAN线的最高波特率可达Mbis(2)K线使用的是单线传输,CAN线为双线采用差分信号传输,抗干扰能力强,且可靠性比K线好。(3)CAN总线可以构建比较复杂的网络结构,对于不同网络仍可通过网关实现诊断,即可实现不同网段的远程诊断,并且CAN网络的网络管理能力很强。(4)当诊断设备采用功能寻址对多个ECU进行诊断或诊断控制通信时,开发者不需考虑由于同时访问总线引起的总线冲突问题,因为CAN总线采用仲裁机制确保总线通信的正常进行。(5)利用ISO15765基于CAN线的诊断,其网络层对报文的传输进行了规范化的顺序控制以及流控制等,提高了报文传输的可靠性,并且其单次传输的报文数量可达4096字节。而K线在网络层没有定义,单次最多传输255字节的数据(6)在lSO15765-2中,明确规定了基于CAN网络的ECU在线上传下载的诊断通信流程,将上传下载纳入诊断范围内,上传下载的内容按照ISO157652网络层传输规则进行传输,以实现更标准、更可靠的网络数据传输。13国内车载CAN网络诊断存在的问题根据国内外车载网络诊断的研究现状现与目前流行的车载网络诊断协议基础,现从以下三个方面阐述目前在国内车载CAN网络诊断研究中存在的、并待解决的问题:()我国车载网络诊断技术自主知识产权方面由于基于CAN网络技术的,颖性与诊断协议本身的复杂性,现阶段国内在基于ISO15765的车载网络诊断技术的开发与应用方面尚不成熟,在诊断开发与设计方面通常借助于国外的工具或产品。目前,国内汽车制造商与设备供应商大都使用德国Ⅴ ECTOR公司的 Candelastudio、Diva、 CANdesc等诊断系列工具,由于这些诊断工具受知识产权的保护,成本较高,其整套设备需花费几十万元。因此,有必要设计开发具有自主知识产权的基于ISO15765的车载网络诊断,突破国外在重庆邮电大学硕士论文第一章绪论汽车电子行业的技术垄断,开发具有自主知识产权的诊断产品和工具(二)中小型汽车零部件厂商开发汽车诊断产品的成本与效率和质量方面对某些中小型汽车零部件厂商而言,在开发具有诊断功能的车载ECU阶段后期,需对其进行测试,看所开发的ECU是否符合诊断协议,他们常用的测试方式是使用低成本的CAN网络测试工具,如周立功的 CANTEST软件,逐个手动输入所需要的基于诊断协议的诊断通信报文,来测试ECU的响应情况。另外,传统的简易CAN网络监测工具,只是对CAN报文进行显示,而无法对诊断协议内容进行解析,面对大量的通信报文通过人工肉眼进行逐字节解析以判断是否符合诊断协议,此种形式的开发工作显然不能休障开发的效率与质量。对中小型企业来说,若他们耗费几十万元购买国外诊断工具则成本太高。因此,对国内中小型汽车零部件厂商而言,研究低成本的基于IO15765国际诊断标准的诊断上位机工具,则可大大降低其产品开发成本,并确保产品开发的效率与质量。(三)基于CAN线的车载ECU在线下载的合理性与需求方面以往ECU在线升级大都是通过串口或BDM口进行程序下载,但针对于已装入汽车内通过CAN网络连接的ECU,无疑使用CAN总线对程序进行在线下载,会比较方便也是需求所在。在ISO15765-3中,对基于CAN总线的在线下载进行了统一、详细的实现约束,使车载网络ECU在线下载从整车网络规划与网络管理的角度进行统一规划。但由于IO15765在线下载技术的新颖性与技术本身的复杂性,目前在国内核心的学术研究期刊上尚未看到相关研究领域的报道,国内汽车厂商也尚未普遍使用此种方式对ECU进行程序的在线下载。因此,其下载工具未产业化,实际应用中符合要求的下载工具不多,或被作为大型工具的组件使用如( Canoe),但其成本较高并且灵活性较差。将程序下载通过CAN网络进行网络统一规划与管理,并使ECU通过CAN网络传输是在线下载的趋势所在,因此有必要研究基于ISO15765的CAN网络诊断的车载ECU程序在线下载技术。14论文主要研究工作根据上节所述的在车载CAN网络中诊断研究中所提出的问题,本文针对以上问题展开了相关的研究工作以及相关问题的解决。主要通过研究车载CAN网络国际标准ISO15765,对基于CAN网络的车载诊断进行研究、分析,设计基于ISO15765的车载CAN网络的上位机诊断。论文的主要研究工作的相互关系见图13,具体工作如下:重庆邮电大学硕士论文第一章绪论目标诊断网络结构分析ISO5765体系结构研究诊断需求分析搭建诊断测试平台,对诊断上位机进行测试常规诊断下载诊断常规诊断模模块设计模块设计块上位机实现低成利用VC与本上位机下载诊断模块上位机USBCANII图13论文主要研究工作的相互关系l通过深入研究基于车载CAN网络的国际诊断标准ISO15765的应用层与网络层协议,针对特定车载网终对象,设计车载网络诊断结构,并进行诊断需求分析2实现基于ISOl5765的诊断上位机的应用层与网络层协议。3设计基于SO15765的车载CAN网络诊断上位机。针对安全访问服务的实现过程,设计安全访问算法并建立安全算法动态链接库,利用VC软件平台与USBCANII硬件采集卡,设计车载CAN网络常规诊断模块的诊断上位机。4设计基于Iso15765的在线下载上位机。对下载诊断模块分别设计其预编程阶段与编程阶段,以及上位机对Sl9文件的解析处理。利用C软件平台及USBCANII硬件采集卡实现下载器上位机的设计。5根据诊断结构设计诊断测试平台,结合 CANoe与ISO15765诊断协议对所设计的诊断上位机进行测试。15本章小结本章首先介绍了课题研究背景与意义,然后概迟了车载网络诊断协议,重点分析比较了ISO14230与ISO15765协议,并分析基于CAN网络的ISO15765协议的优势。在此基础上分析并概述了因内车载CAN网络诊断存在并待解决的问题。最后提出了本文的研究工作。
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响应曲面法与设计
响应曲面法与设计，原理及实际的操作应用，对选用该法做实验的同学比较受用！7050等高当前运线图行条件最人值7D60504010040120x,=温度(C]160(10x2=压强si的162响应曲面的等高线图∑x,+∑Rnx+∑(16-2)几乎所有的RSM问题都用这些近似多项式中的一个或多个。当然,一个多项式模型在自变量的整个空间上是真实函数关系的合理的近似式是不可能的,但在-个相对小的区域内通常做的很好。第15章讨论的最小乘方法可用来估计近似多项式的参数然后在拟合曲面上儆嘀应曲面分析,如果拟合曲面是真实响应函数的个合适的近似式,则拟合曲面的分析就近似地等价于实际591系统的分析。如果能怜当地利用实验设计来收集数据,就能够最有效地估计模型参数。关于拟合响应曲面的设计叫做响应曲面设计。在16-4节中讨论这些设计RSM是一序贯方法。通常,当我们是在响应曲面相应的自变量区域内的某个点时,例如,像图162中当前运行条件那样的点,在此点处系统具有微小的弯曲,从而用一阶模型是恰当的。现在,我们的目的是要引导实验者快速而有效地到达最优点所在的邻近区域。一旦最优点的区域被找到,就可以用更精细的模型,例如阶模型并进行分析以便确定最优点的位置。由图162见出,响应曲面的分析法可以想像为“爬”一样,山顶代表响应的最大值点。如果真实的最优点是啊应的最小值点,则可设想为“落进山谷”。RSM的最终目的是确定系统的最优运行条件或确定因素空间中满足运行规范的区域。RSM主要不是用来了解系统的实际机制的,尽管RSM有助于得到这类知识。还有,RSM的“最优”是按特定的意义使用的。RSM的“爬山”方法只能保证收敛于局部的最优点162最速上升法系统最优运行条件的初步估计常常远离实际的最优点。在这种情况下实验者的目的是要快速地进入到最优点的附近区域。我们希望利用又简单又经济有效的实验方法。当远离最优点时,通常假定在x的一个小区域范围内一阶模型是真实曲面的合适近最速上升法是沿着最速上升的路径,郡响应有最大增量的方向逐步移动的方法。当然,如果求的是最小值,则叫做最速下降法。拟合的一阶模型是592·y=Rn+∑R;x与一阶响应曲面相应的y的等高线,是一系列平行的直线,如图l6-3所示。最速上升的方向就是y增加得最快的方面。这一方向一阶拟合响应最速上升路径曲面的区域=夕-20y-3图16-3--阶响应曲画的等高线与最速土升路径平行于合响应曲面等高线的法线方向。通常取通过所感兴趣的区城的中心并且垂直于拟合曲面等高线的直线为最速上升路径这样一来,沿着路径的步长就和回归系数{P}成正比。实际的步长大小是由实验者根据工序知识或其他的实际考虑来确定的实验是沿着最速上升的路径进行的直到观察到的响应不再593◆增加为止。然后,拟合一个新的一阶模型,确定-·条新的最速上升路径、继续按上述方法进行。最后,实验者到达最优点的附近区域。这一点,通常由一阶模型的拟合不足来指出。这时,进行如16-3节所述的添加的实验,会求得最优点的更为精确的估计例t6位化学工程帅要确定使化工产品收率最大的运行条件。影响收率的两个可控变量是:反应时和反应温度。工程师当前使用的运行条件是反应时同为35分钟,温度为155F,收率约为40%。因为此区域不大可能包含最优值←她拟合-阶模型并应用最速上升法。程师决定拟合一阶模型的探测区域应是反应时间为(30,40)分钟和(150,160)°F。为简化计算,将自变量规范在(-1,1)区间内。于是,如果记尔为自然时间变量,与:为自然温度变量,则规范变量是5155数据如表161所水。用来收集这些数据的设计是增加五个中心点的22析因设计,在中心点处的重复观察值是用来估计实验误差的,并可以用来检阶模型的适合性。还有,过程的当前运行条件也就在设计的中心点处用最小二乘法将一阶模型来拟合这些数据。用第15章的方法,求得以规范变量表示的下列模型y=49,44+0.775x1+0.325x2在沿着最速上升路径探测之前,应研究-阶模型的适合性。有中心点的22设计允许实验者去做1.求出误差的个估计量2.检测模型的交互作用(交叉乘积项3检测二次效应(弯曲性)。中心点处的重复观察值可月来计算误差的估计量如下:(40.3)2+(40.5)2+(49.7)2+(40,2)2+(40.6)2=(202.3)2/50.0430594表16-1拟會一阶模型的过程数据首然变量规范变量响应了1301539.3301604u.(小01504U.9404J.53543.335010.5351534(.了35l5544.235l554〔.6阶模型假定变量r2和x2对响应有可加的效应。变量间的交互作用可用增加于模型的交叉乘积项x2的系数12来度量。此系数的最小二乘估计恰好是按普通22析因设计算得的交作用效应的二分之一,或B=1[(1×3.93)÷(1×41-5)+(-1×40.0)+(-1×40.9-0。1)0.025单自由度的交可作用平方和是SS交互作甲〔.02比较SS炊作用和。给出下刘拟合个足统计量:交五卡0.0250.0430=0058与F…进行比较。显然.交可作用是不显著的对直线模型适合性的另一个检测是比较设计的析因部分的四个点处的平均响应,即y=40,425、和在设计的中心点处的平均响应,即兴=40.46如果设计于弯曲的曲面上·则yr-y是曲面的总弯曲性的度量。如果月1与A2“纯二次”项x与x的系数,则y-y是A1+R的一个估计量。在我们的例中,纯二次项的个估计量是B1:+B40.425—40.460.35与零假设H:1+P2=0有关的单自由度的平方和是tf(÷)(5)(-优35)24+027其中7利n分别是析因部分的点数和中心点数。因F0,0027。063〔.0430将它与F、,比较。没有显示出纯二次项的影响。此模型的方差分析概括在表15-2中。交互作用和弯曲性的检测都是不显菩的,前总回归的F检验是显著的。还有,月和P2的标准差是MS0.94300.10=1,24问归系数月和B2相对于它们的标准差都较大。在这一点上.我们没有理由怀疑阶模型的适合性要离开设计中心·点(x:=0,x2=0)—沿最速上升跸径移动,就要对沿x2方向每移动0.325个单位.我们将沿x1方向移动0.775个单位。于是,最速上升路径经过点(x1-0,xz=0)且斜率为0.325/0.775。工程师决定用5分钟反应时间作为基本步长。用与x1之间的关系式,知道5分钟反应时问等价于规范变量x1的步长为4x=1。因此,沿最速上升路径的步长是△x1-1.00和4x2=(0.325/0.775)△x;=042。L程师计算了沿此路径的点并观察了在这些点处的收率直至响应下降为止。其结果见表16-3,表中既列出了规范变量也列出了自然变量。虽然规范变量在数学上容易计算,但在过程运有中必须用自然变量。图16-4画出了沿最速上升路径的每一步处的收率图。直到第十步所观察到的响应都是增加的;但是,这以后的每·步收率都是减少的。因此,另一一个一阶模型应该在点(41=85,2=175)的附近区域进行拟合。596·衰L42一阶模型的方差分析变差来源平方和自由度均方西归(月1,A2)825:214412547.83残差0.1772(交互作用(0.自025)0.4025).058〔纯二次)U.0027)0.00270.053纯误差)0.⊥7200.0430总和3.002281%的显着性表16-3例16-1的最谅上升实验规范变量自然变量响应步长_巴原点351550.42原点+△1.0,42401574且,原点+2△2.000.8445ig42原点十343.001.2650原点+444.[0685563原点+5▲5.2.106016553.8原点+646-供2.526516759.9原点十7▲7.002.9470l6965.0原点+88.03.:6751710.4原点+9△78173原点+10419.420L75原点+11411.004.6290ITs76原点十12412.00549575.上个新的一阶模型在点〔51=85,52=175)附近拟合。探测的区域对与是[80,90],对2是[170,180],于是。规范变量是5979F0Z了456785t112步长图16-4例16-1中沿最速上升路径的收率对步长的图形35,-175再次用五个中心点的2设计。数据见表6-在。拟合表16-4的规范数据的一阶模型是y=:78,97+1.00x1+0.50x2此模型的方差分析,包括交作用和纯次项的检测,如表16-5所示。交可作用和纯次项的检测表明、阶模型不是合适的近似。真实曲的弯曲性指岄了我们已接近最优点。为更精确地确定最优点,在该点必须做进步的分忻2由例16-1见出,最速上升路径是和拟合的一阶模型598
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