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基于AUTOSAR的汽车故障诊断系统的设计与实现.pdf

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基于 AUTOSAR 汽车 故障诊断 系统 设计 实现
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浙江大学 硕士学 位论文 删 减版 基于 AUTOSAR 的汽车故障诊断系统的 设计与实现 (删减版 ) 浙江大学 ESE 工程中心 胡琦 www.smartsar.com support@smartsar.com 分类号: TP319 单位代码:10335 学 号: 20821045 硕 士 学 位 论 文 中文论文题目: 基于 AUTOSAR 的汽车故障诊断系 统的设计与 实现 英文论文题目 :Design and Implementation of Vehicle Diagnostic System based on AUTOSAR 申请人 姓名 : 胡 琦 指导教 师 : 潘 纲 副教授 合作导 师 : 杨国青 博士 专业名 称 :计 算机 软件 与理论 研究方 向 : 嵌入 式系统 所在学 院 : 计 算机 科学 与技术 学 院 A Dissertation Submitted to Zhejiang University for the Degree of Master of Engineering TITLE: Design and Implementation of Vehicle Diagnostic System based on AUTOSAR Author: Qi Hu Supervisor: Prof.Gang Pan Doctor.Guoqing Yang Subject: Computer Software and Theory College: Computer Science and Technology 浙江大学硕士学位论文 摘要 i 摘要 随着汽车电子技术的发展, 由于电子控制系统的复杂性, 传统的汽车 故障诊 断 开发和测试方法已经难以满足故障诊断 在 实时性、 准确性和开发效率上的需 求。 AUTOSAR 为解决 应用程序重复开发、 移植困难的问题 提供了一种新的手段 , 但还存在 着配置繁琐、 效率低下、 占用资源过多、 开发工具链不完善 以及可参考 的 AUTOSAR 解决方案 稀少等问题 。 本文在调研了目前世界主要汽车整车厂商、 软件提供商以及硬件提供商所提 供的 AUTOSAR 解决方案以及现有汽车故障 诊断系统 的 基 础 上 , 探索 性 地 按照 AUTOSAR 标准完成了 基于 AUTOSAR 的汽车 故 障诊断的设计与实现,并 使用硬 件在环仿真技术搭建了故障诊断仿真测试环境。 本文首先基于目前汽车电子软件开发主流趋势 AUTOSAR ,探索 汽 车故障诊 断系统 软件开发的新方法。 在 基于 AUTOSAR 开发故障诊断软件时, 软件 开发人 员不 需要关注底层硬件和通信 的实现细节,只需要 专注于软件本身功能的设计 。 然后 基于上述方法和 OBD 诊断协议设计和实 现了 AUTOSAR 中诊断通信管理和 诊断事件管理两大核心模块,并实现了 7 个常 用 OBD 服务。最后使 用硬件在环 仿真技术搭建了故障诊断仿真测试环境。 OBD 诊断协议要求发动机电子控制单元 诊断模块 能够实时监测零部件和系统故障, 并 对各种故障状态做出相应反应并正 确记录故障码。 本文使用硬件在环技术 完成仿真测试 , 能够节省大量时间和费用。 不仅如此, 硬件在环技术 还可以在实车测试无法进行的极限条件下完成 测试,而 且测试是可 重现和自动 化的。 关 键词 : AUTOSAR ,汽车故障诊断,On-Board Diagnostic ,硬件 在环仿真 浙江大学硕士学位论文 Abstract ii Abstract With the development of automotive electronics, the traditional developing and testing methods for vehicle diagnosis can hardly meet the demand of real-time, accuracy and efficiency of development. AUTOSAR has provided new methods for solving the repeated application development and portable problems. However, some drawbacks still exist, such as the cumbersome configuration, low efficiency, too much resources occupation, incomplete developing tools and few AUTOSAR solution references. In this paper, we have investigated AUTOSAR solutions and vehicle diagnostic systems of the major vehicle manufacturers, software and hardware providers. Based on such investigations, we have accomplished the design and implementation of vehicle diagnostic system according to the AUTOSAR. Meanwhile, by using the hardware in the loop simulation technique, we have built the diagnosis simulation testing environment. In this paper, firstly, we have explored a new method of software development for vehicle diagnostic system based on AUTOSAR — current mainstream trends in automotive electronics.When develop such diagnostic system, software developers do not need to concern about the realization of the underlying hardware and communication details, focusing on the design of software functions is just enough. Then, based on the above method and OBD diagnostic protocols, we have accomplished the diagnostic event manger (DEM) and diagnostic communication manger (DCM) which are the core modules in AUTOSAR diagnostic system. The seven common OBD services are implemented in the system. Finally, we use the hardware in the loop simulation technology to build a diagnostic simulation test environment. The OBD diagnostic protocols require the diagnostic module of the engine electronic control unit to real-time monitoring the components and systems malfunctions, correctly record fault code and make the appropriate reactions according to the fault conditions. This paper uses HIL technology to achieve simulation tests, 浙江大学硕士学位论文 Abstract iii which can save considerable time and expense. Moreover, HIL can complete the test under extreme conditions which cannot be accomplished in real vehicle testing. All the tests are reproducible and automatic. Keywords :AUTOSAR ,Vehicle Diagnostic,On-Board Diagnostic ,HIL 浙江大学硕士学位论文 目录 I 目录 摘要 ...............................................................................................................................i Abstract ...................................................................................................................... ii 第 1 章 绪论 ................................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外发展现状 ................................................................................................. 2 1.2.1 国外汽车诊断技术的发展现状 .................................................................. 3 1.2.2 国内汽车诊断技术的发展现状 .................................................................. 4 1.2.3 汽车故障诊断技术的发展趋势 .................................................................. 4 1.2.4 AUTOSAR 发展现 状及趋势 ........................................................................ 5 1.3 课题研究内容及研究意义 ................................................................................. 7 1.4 本文结构 ............................................................................................................. 8 第 2 章 技术基 础 ........................................................................................................ 9 2.1 AUTOSAR ............................................................................................................ 9 2.1.1 AUTOSAR 体系结 构介绍 ............................................................................ 9 2.2 汽车电控系统故障诊断介绍及原理 ................................................................ 11 2.2.1 汽车电控系统故障诊断原理 ..................................................................... 11 2.2.2 汽车故障诊断协议 .................................................................................... 12 2.2.3 AUTOSAR 诊断功 能 .................................................................................. 12 2.3 硬件在环故障注入技术 ................................................................................... 15 2.4 本章小结 ........................................................................................................... 17 第 3 章 故障诊 断系 统及 仿真 测试环 境总 体设计 .................................................. 18 3.1 ECU 软件 ........................................................................................................... 19 3.1.1 诊断功能模块 ............................................................ 错 误! 未定义 书签 。 3.1.2 诊断算法模块 ............................................................ 错 误! 未定义 书签 。 3.1.3 发动机管理模块 ........................................................ 错 误! 未定义 书签 。 3.1.4 AUTOSAR 操作系 统 .................................................. 错 误! 未定义 书签 。 3.1.5 AUTOSAR 通信协 议栈 .............................................. 错 误! 未定义 书签 。 3.2 上位机软件 ....................................................................................................... 19 3.3 硬件在环故障注入单元 ................................................................................... 19 3.4 本章小结 ........................................................................................................... 19 第 4 章 AUTOSAR 诊断 功能 模块的 设计 与实现.................................................. 20 4.1 诊断通信管理模块 ........................................................... 错 误! 未定义 书签 。 4.1.1 数据结构 .................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 4.1.2 关键功能操作流程 .................................................... 错 误! 未定义 书签 。 4.1.3 重要接口的设计与实现 ............................................ 错 误! 未定义 书签 。 4.2 诊断事件管理 模块 ........................................................... 错 误! 未定义 书签 。 浙江大学硕士学位论文 目录 II 4.2.1 数据结构 .................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 4.2.2 诊断机制 .................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 4.2.3 诊断事件的处理与存储 ............................................ 错 误! 未定义 书签 。 4.3 本章小结 ........................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 第 5 章 上位机 诊断 软件 的设 计与实 现 .................................................................. 21 5.1 CAN 通信模块设计与实现 ............................................... 错 误! 未定义 书签 。 5.1.1 CAN 通信驱动层 ........................................................ 错 误! 未定义 书签 。 5.1.2 AUTOSAR 模拟通 信协议层 ...................................... 错 误! 未定义 书签 。 5.2 本章小结 ........................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 第 6 章 仿真测 试环 境的 设计 与实现 ...................................................................... 22 6.1 故障模拟算法模型 ........................................................... 错 误! 未定义 书签 。 6.1.1 氧传感器老化 ............................................................ 错 误! 未定义 书签 。 6.1.2 氧传感器信号电压超出范围 .................................... 错 误! 未定 义 书签 。 6.1.3 氧传感器活性不足 .................................................... 错 误! 未定义 书签 。 6.2 故障诊断算法 ................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 6.2.1 氧传感器老化故障诊断 ............................................ 错 误! 未定义 书签 。 6.2.2 氧传感器信号电压超出范围故障诊断 .................... 错 误! 未定义 书签 。 6.2.3 氧传感器活性不足故障诊断 .................................... 错 误! 未定义 书签 。 6.3 本章小结 ........................................................................... 错 误! 未定义 书签 。 第 7 章 故障诊 断系 统的 测试 与实验 ...................................................................... 23 7.1 OBD 服务$01— 读 取当前排放相关数据 ......................................................... 24 7.2 OBD 服务$06— 氧 传感器监测 ......................................................................... 26 7.3 读取故障数据 ................................................................................................... 30 7.3.1 OBD 服务$03—故 障码读取 ...................................................................... 30 7.3.2 OBD 服务$02—冻 结帧数据读取 .............................................................. 31 7.3.3 电子节气门故障检测 ................................................................................ 32 7.3.4 氧传感器故障检测 .................................................................................... 33 7.4 OBD 服务$04— 清 除故障码 ............................................................................. 34 7.5 OBD 服务$09— 读 取车辆信息 ......................................................................... 35 7.6 本章小结 ........................................................................................................... 37 第 8 章 总结与 展望 .................................................................................................. 39 8.1 工作总结 ........................................................................................................... 39 8.2 工作展望 ........................................................................................................... 40 参 考文 献 .................................................................................................................... 41 攻 读硕 士学位 期间 主要的 研究 成果 ........................................................................ 44 致谢 ............................................................................................................................ 45 浙江大学硕士学位论文 图目录 III 图目录 图 1-1 AUTOSAR 成员(截至 2009 年 11 月) ................................................ 6 图 2-1 AUTOSAR 体系架构 ................................................................................ 9 图 2-2 AUTOSAR CAN 诊断相关模块 ............................................................. 13 图 2-3 DCM 模块所遵循的标准 ........................................................................ 15 图 2-4 硬件在环工作原理示意图 ...................................................................... 16 图 3-1 故障诊断系统及仿真测试环境总体设计 .............................................. 18 图 3-2 DTC 格式 ................................................................. 错 误! 未定义 书签 。 图 3-3 电控汽油机 ECU 控制原理 .................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 3-4 AUTOSAR COM 体系架构 .................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-1 DCM 启动序列图 .................................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-2 处理当前请求 .......................................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-3 返回积极响应 .......................................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-4 返回消极响应 .......................................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-5 Dcm_ProvideRxBuffer 流程 .................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-6 Dcm_ProvideTxBuffer 流程 .................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-7 Events in a row counter ............................................ 错 误! 未定义 书签 。 图 4-8 Events up-down-counter .......................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-9 Count-in –Count-out/Jump-in ................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 4-10 基于时间的算法 .................................................... 错 误! 未定义 书签 。 图 5-1 CAN 通信驱动 层接口库函数使用流程 ................ 错 误! 未定义 书签 。 图 5-2 将发送数据封装成 CAN 帧的流程图 ................... 错 误! 未定义 书签 。 图 5-3 解析 CAN 帧并 提取字节数据的流程图 ............... 错 误! 未定义 书签 。 图 6-1 氧传感器正常波形 .................................................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-2 氧传感器正常波形在 Simulink 中的设置 ............. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-3 氧传感器故障模拟算法模型整体设计 .................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-4 氧传感器信号电压响应速度过低波形 .................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-5 氧传感器信号电压响应速度过低波形在 Simulink 中的设置 错 误! 未 定 义 书签 。 图 6-6 氧传感器信号电压偏低波形 .................................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-7 氧传感器信号电压偏高波形 .................................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-8 氧传感器信号电压超出范围波形在 Simulink 中的设置错 误! 未定义 书 签。 图 6-9 氧传感器活性不足 .................................................. 错 误! 未定义 书签 。 图 6-10 氧传感器活性不足波形在 Simulink 中 的设置 ... 错 误! 未定义 书签 。 图 7-1 汽车故障诊断实验平台 ......................................................................... 23 图 7-2 OBD 服务$01CANTest 数据 .................................................................. 26 浙江大学硕士学位论文 图目录 IV 图 7-3 OBD 服务$01 上 位机显示结果 ............................................................. 26 图 7-4 TID 测试结果计 算图 .............................................................................. 27 图 7-5 氧传感器检测 CANTest 数据 ................................................................. 29 图 7-6 氧传感器检测上位机显示结果 .............................................................. 30 图 7-7 故障码和冻结帧数据 .............................................................................. 33 图 7-8 氧传感器老化故障 CANTest 数
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