汽车电控单元自动化诊断测试系统设计

李璐　蔡永祥　史延雷　王炜　唐鹏

摘 要：汽车诊断需求随着电子技术的发展而不断提高，手动测试及单个ECU专用测试系统已经很难满足测试需求，因此有必要设计一种灵活性及通用性高的诊断自动测试系统。设计的测试系统基于VT System开发，硬件使用Vector工具链的VT板卡及VH6501配置测试环境。系统通过vTESTstudio编写测试脚本，在CANoe环境下进行测试，通过参数变量化、函数模块化的方式，使系统具有很强的柔性，适应多种车型和ECU。

关键词：诊断 VT System 自动化测试 柔性设计

1 引言

汽车技术在朝着电子化和智能化发展的过程中，汽车故障诊断技术也随之快速发展，ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）内部已经实现了故障识别和故障码存储[1]。随着CAN总线的广泛使用和ISO标准的制定，汽车故障诊断逐渐由分散走向统一[2]。

汽车诊断协议也随着汽车技术的发展而发展，当前应用广泛的UDS（Unified Diagnostic Services）诊断协议，由ISO 14229、ISO 15765标准定义。KWP2000及LIN线诊断基本已处于退出诊断市场的状态，OBD（On Board Diagnostics）診断由SAE标准定义，主要定义排放与动力相关诊断，OBD接口也可作为诊断接口实现实车与外界设备互联[3]，且该接口同样支持UDS协议。本文主要面对UDS诊断协议相关测试内容，开发一套车载电控单元柔性自动化诊断测试系统。

柔性控制是现代控制理念中新发展出来的一种先进控制概念，追求更少的时间周期、高适应性、开放式及分布式的控制系统[4]。参照控制理念，自动测试系统也应具有相当的柔性以满足测试需求。本文中，柔性可以理解为一种设计理念，使用较少的变动即可满足同一网段所有ECU，乃至整车所有网段ECU的诊断测试。通过柔性理念设计的测试系统，可以应用到不同的汽车网络架构，使测试系统开发周期缩短、灵活性更高。这也符合汽车诊断多功能化、智能化及资源共享的发展趋势[5]。

车载电控单元诊断测试主要分为三部分：诊断协议测试、诊断刷写测试、诊断DTC（诊断故障码）测试。其中诊断协议测试、诊断刷新测试两部分，在当前市面上已有成熟的测试软件进行测试，如Diva、vFlash等软件，且这两部分对硬件的依赖程度较低。而诊断DTC测试则不同，它分为两中测试类型：网络通信相关DTC测试、电气相关DTC测试。诊断DTC测试具有以下特点：

● 定制化测试逻辑开发

● 差异化参数配置

● 测试环境复杂

● 手动测试时间参数控制困难

在ECU总线数据中，DTC由4个字节数据组成，前三个字节数据为故障代码，最后一个字节数据表示该故障代码的状态掩码。其中故障代码由主机厂定义在诊断调查表中，如0x910401表示近光灯继电器故障，0xD80297表示某节点通信丢失故障，等。状态掩码的使用说明如下表1，状态掩码代表该故障的状态。

对于诊断DTC测试，主要关注两种DTC状态：当前故障码状态和历史故障码状态。如果为当前故障码状态，则bit（0）=1，如果为历史故障码状态，则bit（3）=1。

由于以上特点及需求，导致诊断DTC测试难以手动进行，为解决诊断DTC测试困难的问题，需要设计一套自动化测试系统。本文以VT System为硬件基础，辅以中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司自研的测试电路配置板卡，以CANoe为软件平台，以柔性设计作为理念，设计了一种新的汽车电控单元诊断自动测试系统，较手动测试而言，该系统具有自动化程度高、通用性强、灵活性高等优点，能覆盖电气故障码及网络故障码测试，且能够扩展支持诊断协议测试、诊断刷新测试，测试内容全面。

2 系统概述

2.1 测试工具

测试系统包含的工具有软件和硬件两部分：软件部分包括CANoe、vTESTstudio、测试管理软件;硬件部分包括VT System、程控电源、测试电路配置板卡等。

CANoe是德国Vector公司开发的分布式系统设计、仿真、测试、评估的工具软件，功能强大，本测试系统主要应用它的仿真和测试功能，另外，CANoe自带功能强大的数据管理工具CANdb++，可以创建和修改数据库[6]，该功能可以实现将变量加载入测试工程，变量化参数对于提高系统的柔性有很大的帮助。系统的测试脚本由vTESTstudio软件编写，vTESTstudio是Vector公司开发的测试开发软件，由于其支持CAPL编程、C#编程、表格和流程图编程等多种编程方式，又能无缝加载到CANoe测试环境进行测试执行，因此优化了测试脚本编程过程。VT System板卡从属于Vector产品体系，用于测试硬件配置。VT板卡有总线模块、电源管理模块、仿真模块、负载及测量模块等，常用数/模IO模块等[7]，能实现大多数诊断所需功能。

2.2 测试系统硬件搭建

系统硬件主要由VT板卡、测试电路配置板卡、供电电源、PC机等组成，连接方式如图1所示。

其中CAN总线采用实车双绞线束，提高总线抗干扰能力[8]。对于其它有特殊要求的线路，例如SDM模块的传感器接线要双绞线加屏蔽，EPS与助力电机供电线要加粗等，按实际需求连接，以保证测试结果的可靠性。

需要指出的是，网关样件网络故障码的测试较为特殊，因网关样件的诊断CAN与产生DTC的其他CAN总线为分开的网段，无法做到一路总线通道完成测试，因此需要将总线干扰仪VH6501切换到不同的网段中分别进行干扰测试。例如，某网关样件共有5路CAN通道，分别为CAN1、CAN2、CAN3、CAN4和诊断CAN，则该网关样件的Busoff故障码共4个，分别通过VH6501在CAN1、CAN2、CAN3、CAN4网段上进行干扰产生故障码，所以需要设计测试电路配置板卡来满足上述情况的测试，测试电路配置板卡的通道切换功能示意如图2。

另外，测试电路配置板卡还包括终端电阻配置，总线通断及短路控制等功能，以满足不同的测试环境配置需求。该测试电路配置板卡由中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司自主研发，以满足市场需求。

2.3 测试系统软件搭建

测试系统软件包括Vector测试工具软件系列CANoe、vTESTstudio，测试管理软件，测试脚本工程等。CANoe提供多种变量定义的途径，包括系统变量定义、DBC环境变量加载等，为系统柔性的增强提供了可能。每个测试样件所需配置VT板卡的资源是不同的，需要将被测ECU的引脚与各个相应功能的VT板卡通道一一对应连接，最大程度的模拟ECU实车状态，以避免在测试的过程中某些DTC（诊断故障码）对其它DTC的记录及恢复机制产生影响。CANoe和vTESTstudio是比较成熟的软件，这里不再赘述，测试管理软件为中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司自主开发的测试执行端软件，下面阐述其主要设计理念及功能。

2.4 测试配置软件

测试配置软件包含与用户交互的UI界面、参数配置模块、报告生成模块等。其柔性设计理念的应用如下：

● 变量化设计

在本文测试结果分析中有具体体现，如报文丢失数量N，报文恢复数量M等，但不局限于文章描述的形式。变量化设计能够通过定义参数，使程序适用不同的测试逻辑。

● 通用化设计

通用化设计是将每一个单独DTC的测试内容，归纳整理出一种通用的测试流程，通过适配相应的测试逻辑脚本及变量，使其能够适用不同ECU乃至不同车型的诊断DTC测试。

● 模块化设计

模块化设计指将通用化流程中，测试重复使用的步骤，封装成子函数或动态链接库dll函数，缩短代码量的同时，又能灵活运用。

● 高适应性设计

适配多种测试场景，如单件级单通道测试、多样件单通道测试、网关样件多通道测试等，测试程序也可以部署到机柜式测试系统或便携式测试系统，使用场景比较灵活。

根据上述设计理念，结合车载电控单元诊断测试的需求，测试管理软件被设计具有测试配置功能、测试脚本工程调用功能、自动生成测试报告功能。

针对测试配置功能，在配置所需测试的车型和样件基本信息后，针对每个ECU进入其故障码配置界面，界面中可以填入变量具体的值、測试信息等。示例如图3所示。

测试车型和样件配置的基本信息包括：车型名称及测试阶段、ECU节点名称、ECU是否有终端电阻、ECU诊断请求ID和诊断响应ID等。而更深一层的针对每个ECU配置故障码信息时，则体现了每个ECU的差异性。

对于通信相关故障码测试，差异性配置内容如下：故障类型及DTC、节点超时周期倍数、超时恢复周期倍数、节点丢失伙伴ID及周期、Busoff记录故障码次数、诊断欠压值、诊断过压值等参数等。

对于电气故障码测试，在通用配置信息之外，还需要故障类型及DTC、故障产生条件、故障恢复条件等，并需要进行资源映射表Map配置，如表2所示，分别从ECU端口、VT System端口、连接件端口进行映射配置，实际接入样件时，需按照表中内容匹配接线。

3 测试流程

诊断测试通信，也是基于CAN协议的ISO定义7层参考模型。诊断的实现是通过软件控制，由协议解析模块实现ECU对总线数据的解析[9]。本测试系统主要是用于电气故障码测试和网络故障码测试，满足总线通信环境，通过集成Diva软件或二次开发软件等，可以实现相应的测试内容，因此具有较高的可扩展性。

3.1 电气故障码测试

电气故障码测试主要验证ECU所处的电气环境出现异常及恢复时，ECU能否正常记录DTC，并正确调整状态掩码的值。电气故障码测试流程如图4。

需求分析在电气故障码测试中占有至关重要的作用，影响到整个测试的可行性。由于电气故障码测试时，需要使用VT板卡模拟DUT（被测样件）的实车电气工作状态，因此，每个测试的ECU都需要单独配置VT板卡资源，配置资源的依据，包括DUT接头引脚定义、DUT所带负载参数、物理信号参数等。例如，蒸发器温度信号输入为电阻值R，其蒸发器温度F与阻值R按定义的插值运算规则可相互转换，若要满足ECU在某种蒸发器温度状态下进行测试，需按逆向计算得到频率R，再通过调整VT板卡对应输出通道的电阻值，来模拟某种蒸发器温度状态。插值算法：设函数。

（1）

式中α和β为主机厂定义参数。

假设温度F=F1，则反解R为：

（2）

体现在ECU端口上为反馈电压值U

（3）

其中δ为比例系数，R1为上拉电阻阻值

因此，VT板卡可以使用电阻器模拟电阻值的方式，也可以使用回馈电压的方式模拟蒸发器温度状态。其他信号如PWM波等参数，根据ECU需求具体分配。

VT板卡的另一个作用便是模拟ECU电气环境故障状态，使ECU满足电气故障码记录条件。举例说明，例如某DTC记录条件为传感器短接到电源，通过控制VT板卡传感器模拟通道的继电器动作，使传感器输出端短接到电源正极，则满足了该DTC成熟条件。当然，VT板卡同样能够控制该故障状态的恢复。

3.2 网络故障码测试

网络故障码测试流程如图5。

网络故障码主要分为报文丢失故障码、信号无效值故障码及Busoff故障码。当然对于存在Checksum（校验和）与Alivecounter（计数器）的报文，可能还存在关于Checksum错误DTC和Alivecounter错误DTC。对于网络故障码测试，本系统可以实现在测试某一个DTC（诊断故障码）时，不会额外产生其它DTC，也就弥补了一般诊断测试系统不能判断是否产生误报DTC的漏洞。而实现该功能主要工作在于测试模型的建立，使用CANoe建立测试模型时，根据加载的DBC（车型数据库）文件，对每一个导入的虚拟节点单独编写控制程序，设置正确的工程参数，就可以通过CAPL程序的逻辑控制，实现对某一帧报文的发送与停止控制。同时，通过系统变量的映射，可以精准控制模拟报文的信号值，例如模拟Checksum信号值错误状态、Alivecounter信号值错误状态、接收电源信号状态等。CANoe提供的IL控制及系统变量控制模式，为网络故障码诊断测试提供了可行性和便捷的操作方式。控制程序示意如图6。

例如，在虚拟节点程序中，使用Environment variables控制整个节点的发送与停止，可以使用ILControlStart（）;与ILControlStop（）;进行控制，主程序与虚拟节点程序之间，通过System variables可以进行单帧报文的发送与停止控制。因此，CANoe自有函数，加上诊断通信模型的开发，使测试的自动化程度更高。

3.3 诊断刷写测试

本系统支持诊断刷写（Bootloader）测试，简称BT测试，针对不同主机厂的不同刷写流程，需要进行定制化程序开发。系统支持.s19或.hex格式的刷写文件，且支持多个App文件刷写的需求。

对于刷写测试，除正常刷写流程外，还应检测刷写可靠性，如擦除内存中断电测试、数据传输中断电测试、无效应用程序下载测试等。

对于应用vFlash软件或定制开发的BT测试，本文这里不做赘述。

3.4 诊断协议测试

CANoe Option.Diva为诊断协议测试专用软件，加载诊断数据库CDD文件后，支持自主配置测试内容，并生成自动化测试执行序列，加载到CANoe运行环境下进行测试。诊断协议测试的测试内容主要包括以下几点：

● 诊断协议中定义的诊断服务肯定响应测试;

● 诊断协议中定义的诊断服务否定响应测试;

● 诊断协议中定义的具有超时机制诊断服务超时测试;

● Transport Layer参数测试等。

对于诊断协议测试，除使用成熟的Diva产品之外，也可以根据测试内容定制开发测试脚本程序，本文这里不做赘述。

4 测试结果分析

对于电气故障码测试，结果主要关注两点：一是硬线信号是否正确，二是总线故障码数据是否正确。硬线信号的检测通过VT板卡实现，反馈當前硬线信号状态。总线故障码数据读取由CANoe的通信模型实现，可以实时请求并分析总线诊断数据信息。

对于报文丢失故障码，主要关注时间参数，标准定义为丢失N帧报文记录当前故障码，连续恢复M帧，变为历史故障码，对于存在老化机制的DTC，一般定义无故障状态下点火循环L次，故障码老化清除。经过试验测试，CAPL程序发送报文存在0～±1ms的误差，考虑实际ECU的发送也存在误差，因此检测丢失时间时，以等待N-1倍报文周期时间和N+1倍报文周期时间作为测试时间检测，若丢失N-1帧时间不记录故障码，而丢失N+1帧时间记录故障码，则认为测试结果正确。同理，若恢复M-1帧时间故障码仍为当前故障码，而恢复M+1帧时间故障码变为历史故障，则认为测试结果正确。N、M、L变量即为柔性化设计的一种体现，能够适应不同车型或不同ECU的不同测试标准。

对于信号无效值故障，测试流程与评价与报文丢失故障码类似，同样主要关注时间参数，标准定义为连续接收N帧信号值为无效的信号时记录当前故障码，连续恢复M帧非无效值信号后，变为历史故障码，对于存在老化机制的信号无效值DTC，一般定义无故障状态下点火循环L次，故障码老化清除。

对于Busoff故障码测试，只关注故障码是否产生，标准定义为连续N次进入Busoff时记录当前故障码，恢复报文正常发送变为历史故障码，因此在读取时一般只能读到历史故障码。

通过对以上多种测试内容的多次验证，得到的测试结果与ECU真实状态相符，测试结果满足正确性和准确性。

5 结语

基于VT System的汽车电控单元柔性自动化测试系统，通过变量化、模块化和通用化的柔性设计理念，使系统对于诊断DTC测试的兼容性达到了较高层次，不再局限于为车型或ECU定制程序，而是能够以较小的时间及人力消耗，实现对于诊断DTC的测试，极大提高了测试系统的整体测试效率。

参考文献：

[1]张永刚.汽车ECU诊断自动化测试系统[J].电子测试.2015.3：105-107.

[2]张宏.基于CAN总线的汽车故障诊断系统研究与设计[J].汽车工程.2008.30（10）：934-937.

[3]盛铭，陈凌珊等.基于单分类支持向量机的CAN总线异常检测方法[J].汽车技术.2020.（5）：21-25.

[3] 刘英姿.柔性（Flexibility）的概念及其控制模型[J].机械与电子.2002.（1）：46-48

[4]侯军兴.汽车故障诊断技术的现状与发展趋势[J].农业装备与车辆工程.2006.（6）：22-24.

[5]丁志华.基于CANoe的汽车故障诊断系统研制[J].汽车工程.2007，29（5）：449-452.

[6]裴军伟.基于VT系统下自动化诊断的实现[J].汽车电器.2015.（7）：49-51.

[7]何长伟.车联网中车载网络负载与线束优化[C].2014中国汽车工程学会年会优秀论文（选登）.2014，9：1-4.

[8]杨会.基于GMLAN的汽车诊断通信仿真[J].汽车工程.2010.32（10）：902-904.