基于UDS協議的CAN BootLoader的開發與驗證

余瑩瑩， 王法龍， 楊 卓， 王定庚

(安徽安凱汽車股份有限公司， 合肥 230051)

隨著汽車電子技術的迅猛發展，電控單元越來越復雜，新技術的出現導致電控產品需要不斷更新換代，其在線程序升級就顯得尤為重要。采用基于UDS協議CAN總線的BootLoader 來實現VCU軟件代碼的更新是一種有效的解決方案[1]。本文基于UDS協議中的診斷服務，設計一種CAN BootLoader來完成上下位機之間的通訊以及信息交互，實現對VCU程序代碼的在線更新。

1 CAN BootLoader 系統總體設計

BootLoader程序是VCU上電后最先運行的一段代碼，首先會對硬件設備進行初始化，同時會為相關的寄存器進行賦值，設置內核啟動參數。初始化完成后，BootLoader會進入CAN總線通信循環等待上位機命令，當接收到啟動命令后，它會將電控單元FLASH中的應用程序代碼加載至系統內存RAM中，并跳轉到應用程序入口開始運行；當BootLoader接收到上位機發送的下載命令后，它會通過CAN總線從上位機上將應用程序代碼下載下來并燒寫到電控單元的FLASH 中存儲起來，從而實現VCU的在線程序下載功能[2]。

本文主要是基于UDS診斷服務協議，將上位機發送的數據經 USB轉 CAN接口轉換器轉換成 CAN幀，發送至下位機的 CAN 接收緩沖區，下位機接收到信息處理后作出應答，并將數據幀通過 USB轉 CAN接口轉換器發送至上位機形成循環，實現信息交互。圖1為 CAN BootLoader系統架構圖。

圖1 CAN BootLoader系統架構圖

UDS(Unified Diagnostic Services)診斷服務協議[2]即 ISO 14229 統一診斷服務，是ISO國際標準化組織為實現車輛電子系統故障診斷服務而制定的統一國際標準。通過讀取數據流獲取 VCU 內部狀態信息，是PC上位機與整車VCU 之間通信必不可少的一部分。在診斷規范中，定義了上位機和整車VCU 之間的請求響應規則，以及對于請求報文時整車VCU 的處理行為[3]。

基于UDS協議的CAN BootLoader在線程序升級刷新操作，需要依照 UDS 協議規則來處理會話， 用到相關的 UDS 服務有 VCU 握手識別、 數據之間的交互、 FLASH擦除、 數據寫入及擦寫保護等。

2 CAN BootLoader各部分具體設計

2.1 CAN BootLoader PC上位機設計

CAN BootLoader PC上位機是一個下載工具，主要用于配合VCU下位機 BootLoader 讀取和下載升級應用程序代碼。對于本文所使用的 MPC5534 芯片，通過其集成開發環境對應用程序進行編譯后，生成下載所需的 S19 文件[4]。本文使用 Microsoft Visual Studio 軟件設計 CAN BootLoader 的PC上位機通信界面,如圖 2 所示。

圖2 CAN BootLoader 上位機通信界面

在PC上位機程序中直接設置好發送幀類型、CAN 通道以及發送 ID 號等參數，在其通信界面上選擇相應的目標設備以及波特率后，點擊 Connect 按鈕，初始化 CAN 成功后，點擊界面上的 OpenFile 按鈕，在文件路徑選擇目標 S19 文件，點擊 Program 按鈕,讓PC上位機與VCU下位機建立 CAN 通信連接。當PC上位機和VCU下位機基于UDS協議規則流程成功握手后，PC上位機通過 CAN 總線不斷向VCU下位機發送程序下載命令并等待來自下位機的響應，同時在上位機通信界面Record 顯示框中觀察接收到的 CAN 數據幀及相關信息。當目標 S19 文件全部解析并下載完成后，VCU 的新程序就升級完畢。

2.2 CAN BootLoader下載流程設計

VCU下位機 與PC上位機之間需通過 UDS 協議的下載流程規則來處理會話。本文UDS_BootLoader下載流程如圖3所示，主要內容如下：

1) 首先進入待機握手階段，PC上位機發送診斷會話擴展模式請求，VCU下位機肯定響應后進入BootLoader下載過程[5]。

2) 在程序下載之前，需進入安全訪問服務。

圖3 UDS_BootLoader流程圖

3) 更新主程序之前，PC上位機需請求擦除FLASH服務，VCU下位機給予肯定響應后，此時程序擦除完畢。

4) 上位機發送下載服務請求VCU肯定響應。

5) 上位機接收到下載確認請求后，開始解析應用程序代碼，通過CAN總線循環發送給VCU，進行數據傳輸。

6) 上位機將數據校驗碼發送給VCU，VCU對接收到的數據進行校驗比對后，給予肯定響應，完成數據校驗。

7) 上位機向VCU發送下載結束請求，VCU給出肯定應答后，下載數據完畢。

8) VCU復位重啟后運行應用程序，程序刷寫升級完成。

2.3 CAN BootLoader 的VCU下位機實現

VCU下位機按照UDS協議對PC上位機的請求進行響應。車輛上電后，嵌入式芯片一般都會在 FLASH 存儲區首地址尋找程序代碼并執行。FLASH 存儲空間由 BootLoader 程序和應用程序共同占據[6]。BootLoader 是用戶應用程序運行之前運行的一段程序，對硬件進行相應的初始化和設定，最終為操作系統準備好環境[7]。因此，CAN BootLoader 的嵌入式系統會在 FLASH 的起始段為 BootLoader 專門開辟一個較小的存儲空間。BootLoader 代碼作為芯片上電后需要最先運行的程序[8]，其中斷向量表首地址會與 FLASH 存儲區首地址一致，而應用程序作為被引導的程序代碼，則需配置在剩余空間內。

圖4 VCU下位機BootLoader整體流程圖

CAN BootLoader上位機與下位機的CAN信息交互，均使用標準幀ID[9]。本文中的下位機 CAN BootLoader 主要基于 CodeWarrior 5.1 軟件開發，采用UDS協議規則對 BootLoader 存儲空間實現讀取、寫入以及擦除功能。其整體流程[10]如圖4所示。

3 CAN BootLoader 功能測試驗證

基于 UDS 協議的 CAN BootLoader 開發好后，通過BootLoader上位機下載工具可以對VCU下位機內的BootLoader進行功能測試，具體測試方法如下：

1) 首先將裝有上位機軟件的 PC 機和事先刷寫好 BootLoader 的 VCU 下位機通過 PCAN 卡相連，通過 CAN 總線建立通信，并在上位機上監測 CAN 通信信息。

2) 當VCU下位機上電時，啟動上位機，CAN 初始化成功后向下位機發送握手請求。

3) 上位機和下位機建立連接后，將目標 S19 文件加載至上位機中，并對下位機發送下載請求，按照圖3所示的UDS_BootLoader流程，將應用程序順利地下載至 VCU下位機中，此時上位機通信界面上可以實時監測程序下載完成情況以及 CAN 報文信息，部分結果如圖 5所示。

圖5 下載CAN 報文信息

4) 重啟VCU下位機,并下載一個與之前不同的應用程序，下載完成后，VCU下位機重啟上電。通過上位機監測 CAN 總線報文，發現下載至下位機中的應用程序已被更換。

經過以上多次反復測試后，驗證結果表明該 CAN BootLoader 在不同應用程序的刷寫效率、刷寫成功率以及穩定性上都滿足設計需求，能夠很好地實現應用程序的下載和升級功能。刷寫測試數據如下：文件大小分別為10 kB、35 kB、133 kB、254 kB，對應的刷寫時間分別為3.0 s、10.2 s、38.1 s、72.2 s，刷寫次數都為15次，都刷寫成功。

4 結束語

本文闡述了基于UDS協議的系統總體架構，設計了UDS_BootLoader通信流程，將應用程序 S19 文件通過 CAN 總線從設計的 BootLoader PC上位機界面下載至所開發的VCU下位機 FLASH 中進行功能測試。結果表明，該 CAN BootLoader 能夠快速、穩定地實現對 VCU下位機的軟件更新，為以后的升級 OTA 打下了基礎。