基于UDS协议的新能源客车智能诊断上位机软件开发

明杰婷, 杨杰君, 文健峰, 孙 炜, 刘逸群, 张利新

(中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

随着新能源客车电气化程度的不断提高,对车载电控系统的下线调检及故障诊断的要求也越来越高[1-3]。由于新能源客车车辆定制化程度高、需求变动大,如何规范车辆的调检流程,是新能源整车厂亟待解决的重要问题。

纵观我司现状,主要存在以下两方面问题:一方面是现有客车的电气化平台未固化,调检问题多样,主要依赖设计人员解决现场电气问题;另一方面是下线调检主要依赖工人逐项调试,经常出现漏检的情况,调检结果极大程度上依赖工人的技术水平。

针对上述问题,开发基于UDS诊断协议的车辆智能诊断上位机软件迫在眉睫。该智能诊断上位机软件运用Qt的跨平台应用程序开发框架[4-6]开发,具有操作简单、无需安装、人机交互友好等优点,可显著提高我司技术人员调试效率、售后人员服务效率,同时还可实现自动化下线诊断,进而规范每台车下线调检流程,对每台车形成一份电子调检报告,实现调检过程可追溯、零漏检、零故障出厂。

1 UDS协议

1.1 UDS协议概述

UDS(Unified Diagnostic Services)是ISO 15765和ISO 14229定义的一种可以面向整车所有ECU的通用汽车诊断协议,它可以在不同的汽车总线上实现,如CAN、LIN、Flexray、Ethernet等。UDS协议提供的是一个诊断服务的基本框架,各主机厂和零部件供应商可根据实际情况,定义个性化的诊断内容,所以基于UDS协议的诊断也被称为增强型诊断[7-10]。

UDS协议本质上是一系列的服务,共包含6大类26种。每种服务都有独立的服务ID,即SID(Service Identifier)。对于本文智能诊断上位机软件的开发,主要使用10服务、14服务、19服务、22服务、27服务、31服务。

1.2 UDS协议安全访问算法

上位机软件与VCU之间基于UDS协议进行通讯,具有更高的安全性和更强的适应性。对于安全等级不为0的服务,需通过安全算法解锁成功后,才能对VCU进行安全访问。其中2F服务、22服务、31服务等需与VCU进行安全算法校验,VCU才能响应上位机的诊断指令。其校验流程如图1所示。

图1 UDS协议安全算法校验流程

VCU与上位机之间基于UDS协议进行安全算法校验的流程为:VCU基于安全算法定期更新Seed(种子)及Key(密匙),并将Seed发送至上位机,上位机根据接收到的Seed,通过加密算法,产生与之对应的Key,并将该Key发送至VCU,当VCU的Key与上位机的Key一致时,上位机与VCU之间才能解锁,并进行数据交互。

为了提高数据的安全性,基于随机数周期性更新Seed,与Seed对应的Key随之更新,上位机与VCU之间基于相同的加密算法,生成动态Key,安全性更高。

2 上位机软件设计

2.1 总体架构

在电脑中运行该上位机软件的可执行程序,即可启动上位机,无需特定硬件支持。该智能诊断上位机软件主要包含3大主体功能,分别是数据流监控与存储功能、专家故障诊断功能、下线诊断功能。在主界面上,设置了各项功能的人机交互界面入口,主要包括CAN通讯设置、中英文切换、数据存储功能入口、数据流监控功能入口、下线诊断功能入口。点击各功能入口按钮,即可进入各功能的子界面。总体架构设计如图2所示。

图2 智能诊断上位机软件系统构架

1) 数据流监控功能可实时监测驾驶意图数据、电机数据、电池数据、上下电数据、辅源数据等关键数据,实现整车信息可视化,取代专业的调试软件,降低调试专业技术门槛,提高调试效率。数据流存储功能主要用于保存不同格式的车辆运行数据。

2) 为了便于观察数据,专家故障诊断功能集成在了整车数据流监控界面中,可实时显示车辆的故障信息。

3) 下线诊断功能可对下线车辆进行单步诊断、一键诊断,并生成诊断报告。下线诊断功能用于车辆下线自动化诊断,规范调检流程并降低错检漏检频率。

4) 为了提高上位机软件的实用性,还开发了部分辅助功能,主要包括读取订单信息、VIN码、快照信息等。

2.2 数据流监控与存储

通过车辆信息的可视化监测,可有效帮助调试人员了解当前车辆的状态,确认车辆运行是否正常,协助排查上电异常、无法动车等常见调试问题的原因。为了实时了解车辆的运行状态,上位机软件可在线监控车辆运行的关键数据,包括整车信息界面、车身信息界面两个部分。与此同时,上位机还可存储不同格式的车辆运行数据。

1) 整车显示界面主要显示驾驶意图、电机、电池、高压上下电、挡位、车速、气压等信息,车辆运行的关键数据一目了然(如图3所示)。为了便于在车辆发生故障时观测车辆运行数据,图3中还包括了专家故障诊断系统的界面显示内容。

2) 车身信息界面又分为车身电气、端口输入、端口输出、辅源系统4个部分。车身电气主要显示车身控制所需的灯光、雨刮、门控等信息,端口输入、端口输出用于显示该VCU所有开关量的输入、输出状态,辅源系统用于监测附件的工作指令、运行状态等信息,如图4所示。

图4 车身信息监控系统

3) 数据流存储系统可将车辆运行数据实时存储,既支持ASC、CSV格式的原始报文存储,也支持解析后的车辆关键数据的存储。售后人员可使用该工具采集数据,供技术人员分析,帮助其远程排查车辆故障。

2.3 专家故障诊断

在图3所示的整车信息监控界面,也集成了专家故障诊断功能。专家故障诊断可智能定位故障触发机制,并将故障原因反馈给调试人员。

首先,建立故障代码数据库,该数据库中包含故障代码名称、故障等级、故障释义、故障原因列表,上位机软件读取故障代码数据库,同时接收整车控制器发送的所有可能触发故障的条件状态,将这些条件状态与故障代码数据库的故障触发条件进行比对,从而准确定位出当前故障触发的原因,并在界面进行显示。

该专家故障诊断功能可精准定位故障触发原因,摒弃了传统的人为解析原始报文、分析原始数据的故障排查机制,显著提高故障排查效率。此外,该专家诊断系统还支持离线故障查询、累计记录历史故障代码等功能,如图3所示。

2.4 下线诊断

为了实现车辆下线智能调检,不再依赖工人的经验判断调检是否通过,提高车辆出厂的一致性,开发了下线诊断功能。根据需求不同,分为单步诊断、一键诊断两大主体功能。

2.4.1 单步诊断

单步诊断主要用于对车身系统、底盘系统、辅源系统等关键部件进行单独诊断,用于判断某一部件是否可以正常工作。

由于整车子系统包含的部件类型不同,故首先需对部件进行分类,分为无需人为操作有状态反馈、需人为操作有状态反馈、无需人为操作无状态反馈、需人为操作无状态反馈四类。

1) 对于无需人为操作有状态反馈的部件,上位机发送诊断指令,VCU执行诊断逻辑,并通过对部件诊断时反馈的工作状态进行判断,即可确认该部件是否可正常工作,VCU基于UDS协议将诊断结果发送至上位机,诊断通过亮绿灯,诊断不通过亮红灯。

2) 同理,对于需人为操作有状态反馈的部件,则需要在上位机中增加人机交互界面,提示调检员操作相关的部件(如挂挡、踩踏板等),来配合完成相关部件的诊断。

3) 对于无需人为操作无状态反馈的部件,需开发人机交互界面,提示调检员确认诊断结果,如灯光系统等。

4) 对于需人为操作且无状态反馈的部件,则需上位机开发人机交互界面,提示驾驶员执行诊断动作,同时确认诊断结果。

通过对部件进行分类,可对车辆所有需要诊断的部件依次进行单步诊断。

2.4.2 一键诊断

一键诊断区别于单步诊断,调检员不需要依次选择诊断部件,上位机按照既定的流程,依次自动完成踏板及挡位系统、雨刮系统、灯光系统、低压附件系统、高压附件系统等所有部件的诊断,并生成诊断报告。VCU对各部件的诊断控制逻辑与单步诊断保持一致,不同的是上位机可自动发送诊断指令,而取消调检员点击每个部件的诊断按钮的动作,降低调检员的劳动强度。

2.4.3 诊断报告

该上位机软件还能在线生成诊断报告,并且可对诊断报告进行加密,防止诊断报告被人为修改或伪造。下线诊断界面如图5所示。

图5 下线诊断部件分类

3 结束语

针对新能源客车调试效率低、下线检测不规范的问题,开发了一种应用于新能源客车数据监测及下线诊断的上位机软件。该上位机软件不仅能实现整车关键数据的在线监控,还具有专家故障诊断等多种功能。在下线诊断方面,完全基于UDS诊断协议开发,与其他厂家私有协议相比,具有通用性更好,安全性更高等特点,同时有效地节省了开发成本。该智能诊断软件已成功应用于我司2022年以后生产的新能源客车中,有效提高了调试效率、下线检测效率、售后服务效率。