基于UDS協議的新能源客車智能診斷上位機軟件開發

明杰婷, 楊杰君, 文健峰, 孫 煒, 劉逸群, 張利新

(中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

隨著新能源客車電氣化程度的不斷提高,對車載電控系統的下線調檢及故障診斷的要求也越來越高[1-3]。由于新能源客車車輛定制化程度高、需求變動大,如何規范車輛的調檢流程,是新能源整車廠亟待解決的重要問題。

縱觀我司現狀,主要存在以下兩方面問題:一方面是現有客車的電氣化平臺未固化,調檢問題多樣,主要依賴設計人員解決現場電氣問題;另一方面是下線調檢主要依賴工人逐項調試,經常出現漏檢的情況,調檢結果極大程度上依賴工人的技術水平。

針對上述問題,開發基于UDS診斷協議的車輛智能診斷上位機軟件迫在眉睫。該智能診斷上位機軟件運用Qt的跨平臺應用程序開發框架[4-6]開發,具有操作簡單、無需安裝、人機交互友好等優點,可顯著提高我司技術人員調試效率、售后人員服務效率,同時還可實現自動化下線診斷,進而規范每臺車下線調檢流程,對每臺車形成一份電子調檢報告,實現調檢過程可追溯、零漏檢、零故障出廠。

1 UDS協議

1.1 UDS協議概述

UDS(Unified Diagnostic Services)是ISO 15765和ISO 14229定義的一種可以面向整車所有ECU的通用汽車診斷協議,它可以在不同的汽車總線上實現,如CAN、LIN、Flexray、Ethernet等。UDS協議提供的是一個診斷服務的基本框架,各主機廠和零部件供應商可根據實際情況,定義個性化的診斷內容,所以基于UDS協議的診斷也被稱為增強型診斷[7-10]。

UDS協議本質上是一系列的服務,共包含6大類26種。每種服務都有獨立的服務ID,即SID(Service Identifier)。對于本文智能診斷上位機軟件的開發,主要使用10服務、14服務、19服務、22服務、27服務、31服務。

1.2 UDS協議安全訪問算法

上位機軟件與VCU之間基于UDS協議進行通訊,具有更高的安全性和更強的適應性。對于安全等級不為0的服務,需通過安全算法解鎖成功后,才能對VCU進行安全訪問。其中2F服務、22服務、31服務等需與VCU進行安全算法校驗,VCU才能響應上位機的診斷指令。其校驗流程如圖1所示。

圖1 UDS協議安全算法校驗流程

VCU與上位機之間基于UDS協議進行安全算法校驗的流程為:VCU基于安全算法定期更新Seed(種子)及Key(密匙),并將Seed發送至上位機,上位機根據接收到的Seed,通過加密算法,產生與之對應的Key,并將該Key發送至VCU,當VCU的Key與上位機的Key一致時,上位機與VCU之間才能解鎖,并進行數據交互。

為了提高數據的安全性,基于隨機數周期性更新Seed,與Seed對應的Key隨之更新,上位機與VCU之間基于相同的加密算法,生成動態Key,安全性更高。

2 上位機軟件設計

2.1 總體架構

在電腦中運行該上位機軟件的可執行程序,即可啟動上位機,無需特定硬件支持。該智能診斷上位機軟件主要包含3大主體功能,分別是數據流監控與存儲功能、專家故障診斷功能、下線診斷功能。在主界面上,設置了各項功能的人機交互界面入口,主要包括CAN通訊設置、中英文切換、數據存儲功能入口、數據流監控功能入口、下線診斷功能入口。點擊各功能入口按鈕,即可進入各功能的子界面?？傮w架構設計如圖2所示。

圖2 智能診斷上位機軟件系統構架

1) 數據流監控功能可實時監測駕駛意圖數據、電機數據、電池數據、上下電數據、輔源數據等關鍵數據,實現整車信息可視化,取代專業的調試軟件,降低調試專業技術門檻,提高調試效率。數據流存儲功能主要用于保存不同格式的車輛運行數據。

2) 為了便于觀察數據,專家故障診斷功能集成在了整車數據流監控界面中,可實時顯示車輛的故障信息。

3) 下線診斷功能可對下線車輛進行單步診斷、一鍵診斷,并生成診斷報告。下線診斷功能用于車輛下線自動化診斷,規范調檢流程并降低錯檢漏檢頻率。

4) 為了提高上位機軟件的實用性,還開發了部分輔助功能,主要包括讀取訂單信息、VIN碼、快照信息等。

2.2 數據流監控與存儲

通過車輛信息的可視化監測,可有效幫助調試人員了解當前車輛的狀態,確認車輛運行是否正常,協助排查上電異常、無法動車等常見調試問題的原因。為了實時了解車輛的運行狀態,上位機軟件可在線監控車輛運行的關鍵數據,包括整車信息界面、車身信息界面兩個部分。與此同時,上位機還可存儲不同格式的車輛運行數據。

1) 整車顯示界面主要顯示駕駛意圖、電機、電池、高壓上下電、擋位、車速、氣壓等信息,車輛運行的關鍵數據一目了然(如圖3所示)。為了便于在車輛發生故障時觀測車輛運行數據,圖3中還包括了專家故障診斷系統的界面顯示內容。

2) 車身信息界面又分為車身電氣、端口輸入、端口輸出、輔源系統4個部分。車身電氣主要顯示車身控制所需的燈光、雨刮、門控等信息,端口輸入、端口輸出用于顯示該VCU所有開關量的輸入、輸出狀態,輔源系統用于監測附件的工作指令、運行狀態等信息,如圖4所示。

圖4 車身信息監控系統

3) 數據流存儲系統可將車輛運行數據實時存儲,既支持ASC、CSV格式的原始報文存儲,也支持解析后的車輛關鍵數據的存儲。售后人員可使用該工具采集數據,供技術人員分析,幫助其遠程排查車輛故障。

2.3 專家故障診斷

在圖3所示的整車信息監控界面,也集成了專家故障診斷功能。專家故障診斷可智能定位故障觸發機制,并將故障原因反饋給調試人員。

首先,建立故障代碼數據庫,該數據庫中包含故障代碼名稱、故障等級、故障釋義、故障原因列表,上位機軟件讀取故障代碼數據庫,同時接收整車控制器發送的所有可能觸發故障的條件狀態,將這些條件狀態與故障代碼數據庫的故障觸發條件進行比對,從而準確定位出當前故障觸發的原因,并在界面進行顯示。

該專家故障診斷功能可精準定位故障觸發原因,摒棄了傳統的人為解析原始報文、分析原始數據的故障排查機制,顯著提高故障排查效率。此外,該專家診斷系統還支持離線故障查詢、累計記錄歷史故障代碼等功能,如圖3所示。

2.4 下線診斷

為了實現車輛下線智能調檢,不再依賴工人的經驗判斷調檢是否通過,提高車輛出廠的一致性,開發了下線診斷功能。根據需求不同,分為單步診斷、一鍵診斷兩大主體功能。

2.4.1 單步診斷

單步診斷主要用于對車身系統、底盤系統、輔源系統等關鍵部件進行單獨診斷,用于判斷某一部件是否可以正常工作。

由于整車子系統包含的部件類型不同,故首先需對部件進行分類,分為無需人為操作有狀態反饋、需人為操作有狀態反饋、無需人為操作無狀態反饋、需人為操作無狀態反饋四類。

1) 對于無需人為操作有狀態反饋的部件,上位機發送診斷指令,VCU執行診斷邏輯,并通過對部件診斷時反饋的工作狀態進行判斷,即可確認該部件是否可正常工作,VCU基于UDS協議將診斷結果發送至上位機,診斷通過亮綠燈,診斷不通過亮紅燈。

2) 同理,對于需人為操作有狀態反饋的部件,則需要在上位機中增加人機交互界面,提示調檢員操作相關的部件(如掛擋、踩踏板等),來配合完成相關部件的診斷。

3) 對于無需人為操作無狀態反饋的部件,需開發人機交互界面,提示調檢員確認診斷結果,如燈光系統等。

4) 對于需人為操作且無狀態反饋的部件,則需上位機開發人機交互界面,提示駕駛員執行診斷動作,同時確認診斷結果。

通過對部件進行分類,可對車輛所有需要診斷的部件依次進行單步診斷。

2.4.2 一鍵診斷

一鍵診斷區別于單步診斷,調檢員不需要依次選擇診斷部件,上位機按照既定的流程,依次自動完成踏板及擋位系統、雨刮系統、燈光系統、低壓附件系統、高壓附件系統等所有部件的診斷,并生成診斷報告。VCU對各部件的診斷控制邏輯與單步診斷保持一致,不同的是上位機可自動發送診斷指令,而取消調檢員點擊每個部件的診斷按鈕的動作,降低調檢員的勞動強度。

2.4.3 診斷報告

該上位機軟件還能在線生成診斷報告,并且可對診斷報告進行加密,防止診斷報告被人為修改或偽造。下線診斷界面如圖5所示。

圖5 下線診斷部件分類

3 結束語

針對新能源客車調試效率低、下線檢測不規范的問題,開發了一種應用于新能源客車數據監測及下線診斷的上位機軟件。該上位機軟件不僅能實現整車關鍵數據的在線監控,還具有專家故障診斷等多種功能。在下線診斷方面,完全基于UDS診斷協議開發,與其他廠家私有協議相比,具有通用性更好,安全性更高等特點,同時有效地節省了開發成本。該智能診斷軟件已成功應用于我司2022年以后生產的新能源客車中,有效提高了調試效率、下線檢測效率、售后服務效率。