車輛OTA系統的虛擬仿真測試平臺

袁九宇 馬江濤 程琳

摘 要：文章首先介紹了車輛遠程軟件刷新升級及診斷過程中所使用的技術方案，繼而給出了空中下載及診斷的工作原理。在此原理基礎設計了車輛空中軟件升級及診斷的仿真測試平臺的框架結構及軟件工作流程，并在此測試平臺上中實現了車輛空中軟件升級和診斷的過程，完成了對于車輛空中軟件升級和診斷的測試。

關鍵字：OTA;空中下載技術;CANoe仿真

中圖分類號：TJ450.6 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-90-03

Abstract： This paper introduces the technical solution on vehicle remote software refreshing and diagnostic at first. Then it figures out the working principle of OTA download and diagnostic. Based on the principle， vehicle OTA simulation platform architecture and software flowchart are designed. Vehicle remote software refresh and diagnostic are achieved on this platform and validation can been done on it.

Keywords： OTA; Over-The-Air Technology; CANoe Simulation

CLC NO.： TJ450.6 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-90-03

引言

隨著汽車電子的迅速發展，整車上的電子零件越來越多，變化也是越來越快，每一個新開發的車型平臺都會有新的模塊或者功能。而且模塊的功能也越來越復雜，如果某一個模塊的軟件出現缺陷都可能對于客戶造成車輛舒適性甚至是安全性上的影響。車輛上的模塊的滯后升級譬如導航地圖等，也可能導致客戶在車輛體驗上變差，使得他們對于品牌的好感度下降。所以車輛空中軟件升級系統的出現幫助解決了以下三個問題：（1）有效減少因軟件問題導致的召回，降低車輛生產商的維修成本，也可以迅速幫助客戶解決問題，減少客戶來回經銷商的時間成本。（2）服務未來的智能駕駛系統，包括信息處理策略和地圖的不斷更新等。（3）在已售出的車輛上增加新功能，提升用戶體驗。

從2013年起，特斯拉已經使用OTA進行了應用程序、地圖、燈光、語音、空氣懸架升高等在內的多處更新，并且實現了Autopilot在內的駕駛輔助功能的升級。在此之后，其他汽車生產廠商也紛紛競相仿效。2016年11月，豐田汽車宣布，將采用OTA技術更新電子控制單元（ECU），由此可盡早修正ECU的漏洞，并且討論了車輛上市后通過OTA追加新功能。2017年1月，大眾公司將使用OTA技術提供一些功能，車主通過訂閱或試用等方式可以獲得軟件方面的升級，例如導航等。2017年7月，通用汽車宣布在2020年以前推出能進行空中升級（OTA）的信息娛樂系統。

1 OTA 空中軟件升級技術

OTA（Over-the-Air Technology）空中軟件升級技術。是通過移動通信（GSM 或CDMA）的空中接口對SIM卡數據及應用進行遠程管理的技術。

OTA技術是通過遠程通信原有的移動通信（GSM 或CDMA）的空中接口對于車輛上的Master主控模塊按照OMA-DM（Open Mobile Alliance Device Management ）協議與服務器進行連接，接收來自于OTA服務器下發的地圖更新包或者軟件刷新包。車輛上的Master主控模塊可以存儲OTA服務器下發的地圖更新包或者軟件刷新包，當車輛條件滿足的情況下（譬如車輛擋位為P檔，車速為零，電源模式為OFF等），通過HMI中控屏幕向車主推送刷新請求，接收到車主的同意或拒絕的指令后，進行地圖更新、電子模塊的軟件刷新或者繼續存儲地圖更新包或者軟件刷新包。

2 OTA空中軟件升級的測試方法

OTA空中軟件升級的測試分為實車環境下的整車系統級測試和實驗室仿真環境下的子系統級測試。

在整車環境中，所有的模塊和總線環境都是真實的，所以測試人員只需通過OTA服務器將地圖更新包或者軟件刷新包下發到實車的遠程通信控制器上，測試人員通過創造出合適的整車條件來（譬如車輛擋位為P檔，車速為零，電源模式為OFF等）觸發主控模塊（Master）發送命令到HMI中控屏幕來提示刷新，再模擬車主來接收或者拒絕空中軟件升級并觀測實際的軟件升級結果。

在實驗室仿真環境中，我們會使用仿真節點或者剩余節點仿真來模擬實際模塊（除遠程通信控制器模塊和Master主控模塊外）的軟件刷新響應，測試人員也會使用真實的OTA服務器將地圖更新包或者軟件刷新包下發到實車的遠程通信控制器上，并創造出合適的條件來觸發主控模塊（Master）來提示刷新，但是空中軟件升級的結果是通過仿真節點或者剩余節點仿真來模擬的。

3 OTA空中軟件升級的虛擬仿真測試平臺

OTA空中軟件升級的虛擬仿真測試平臺就是使用CANoe工具將除遠程通信控制器模塊和Master主控模塊外其他整車上的電子模塊使用仿真節點或者剩余節點仿真來模擬實際模塊的軟件刷新響應或者診斷響應。對于空中軟件升級的原理來說就是遠程通信控制器接收空中傳輸通道中接收到的軟件刷新包，通過總線傳輸把刷新包傳輸給Master模塊，Master模塊首先將刷新包根據定義好的規則進行解密，然后對于刷新包中的電子簽名進行認證，確認是正確的刷新包后再將其解構成具體的單幀或者多幀診斷指令再通過Master模塊發送給整車上的其他電子模塊，Master模塊根據其他電子模塊對于這些診斷指令的響應來做出成功還是失敗的判斷。

CANoe工具是由德國維克多汽車技術公司生產的的并在汽車行業內廣泛使用的總線測試模擬和診斷工具，是網絡通信協議開發和ECU模塊網絡通信功能開發、測試和分析的專業工具，支持從需求分析到系統實現的整個系統的開發過程。此工具具有CAPL這種類C的程序語言編輯界面，和友好的可視化面板視圖，可以進行大量的汽車總線診斷指令的批量化處理，而且處理時間非常迅速，可以實現毫秒的響應，完全適合空中軟件升級的實時性的要求。

本仿真測試平臺的原理是使用CANoe工具中的CAPL語言程序對于Master模塊發出的刷新命令或者診斷命令做出正確響應、否定響應或者無響應，這些命令遵照的是ISO 14229診斷規范。其中正確響應指的是電子模塊對于Master模塊的刷新或者診斷指令做出的正確接收的反饋;否定響應指的是對于電子模塊對于Master模塊的刷新或者診斷指令做出的錯誤的反饋，反饋響應報文中會含有錯誤原因（譬如指令報文長度不符，報文累加和校驗不符或者發送的條件不符規則）;無響應指的是電子模塊對于Master模塊發送的指令沒有任何反饋報文。這些響應的規則都在電子模塊的診斷文檔中有詳細說明。不同的響應也會造成OTA空中軟件升級出現不同的結果。

ISO 14229診斷規范又被稱為通用型診斷協議，它是一種不涉及網絡通信機制，可以架設在各種網絡下的應用層級的診斷需求定義。根據ISO 14229診斷規范，按數據長度上可以把診斷命令分為以下兩個大類：單幀數據報文和多幀數據報文。

3.1 單幀診斷報文模擬

單幀診斷報文的模擬是仿真測試平臺模擬ECU模塊接收到Master模塊發出的一條診斷指令后，返回單獨的一條響應報文，來表示正確接收了診斷指令還是出現錯誤且拒收了診斷指令。如果正確接收的診斷指令，ECU或者仿真測試平臺將會把Master模塊發送的刷新信息存儲到寄存器中。如果出現Master模塊發出的診斷信號錯誤，仿真測試平臺會拒收此診斷指令的情況并在顯示界面上進行報警提示顯示。仿真測試平臺也可以被設置為不響應，來模擬ECU模塊出現故障無法響應Master模塊診斷指令的情況。

3.2 多幀診斷報文模擬

多幀診斷報文的模擬是仿真測試平臺模擬ECU模塊接收到Master模塊發出的一條診斷指令后，需要返回多條響應報文，用來表示被升級模塊的模塊信息，譬如寄存器數據地址或者車輛識別號等。其定義的流程為Master模塊發送一條診斷指令后，仿真測試平臺返回第一幀報文響應后，Master模塊將發送一條流控報文（此報文不含任何信息），仿真測試平臺然后繼續發送剩余的報文信息最終完成所有報文信息的發送。同樣如果出現Master模塊發出的診斷信號錯誤或者需要模擬ECU模塊出現故障無法響應的情況，仿真測試平臺都可以顯示或者模擬。

總而言之測試系統平臺對于Master模塊的所有診斷指令都可以選擇性地做出報文響應，可以自由地選擇響應報文地類型，并且在測試平臺中進行顯示，測試人員可以根據測試需要選擇相應地響應報文來測試Master模塊對于OTA空中軟件升級地各類工作情況，以驗證OTA系統地穩定性和準確性。

4 結論

本文給出了使用CANoe軟件實現的OTA空中軟件升級模擬測試平臺，可以實現基于OTA技術的數據傳輸的遠程車輛軟件升級或者診斷的仿真測試。隨著移動通信的4G乃至5G業務的發展和普及，網絡條件將會變得更加便捷和快速，使得基于此技術的車輛遠程軟件升級和故障診斷得以實現。隨之而產生的OTA的問題也會越來越多，越來越復雜，需要廣大汽車測試人員投入更多的時間和精力去開發針對OTA技術的測試方法和系統平臺。

在技術高度發展的汽車領域，汽車已經從一個簡單的代步工具向數字化娛樂化的產品開始轉變。廣大汽車生產企業必須通過不斷的技術升級來使得消費者保持對于本產品的好感度，這種技術升級就可以通過OTA技術來實現。同時OTA技術也可以迅速幫助客戶解決一些汽車軟件質量問題，改善車輛的客戶體驗程度。

OTA技術在不遠的未來必將成為新售車輛的標配，OTA技術的測試也將成為各大汽車廠商重點開發的測試領域。

參考文獻

[1] 鄭琦.基于短消息的OTA 數據傳輸安全機制[J].通信與信息技術. 2010.

[2] 耿琦，葛亮，高東明，陳宇鵬，孫琦，趙沛時，齊光石.基于OTA 技術的車輛遠程數據刷寫研究及應用.電子測試.2017.15.

[3] GSM03.48：Digital cellular telecommunications system-Security Mechanisms for the SIM application toolkit.July 1999.

[4] ISO 14229-1 Road vehicles-Unified diagnostic services （UDS） Part1 Specification and requirements 汽車診斷協議標準 2013.

[5] 徐雨晨.基于CANoe的can總線通信模擬研究.科技創新與應用. 2014.