灵动微电子 · 2022年09月14日 · 北京市

灵动微课堂 | 基于MM32F0140的UDS Bootloader学习笔记

前言

本文将介绍在使用 MM32F0140 系列 MCU 实现 UDS Bootloader 过程中涉及到的 FlexCAN、UDS 和 Bootloader 等相关基本概念。

MM32F0140 简介

MM32F0140 使用高性能的 Arm®Cortex-M0 内核的 32 位微控制器,最高工作频率可达 72MHz,内置 64KB Flash 和 8KB SRAM,有丰富的增强型 I/O 端口和包括 FlexCAN 在内等多种外设,适用于汽车诊断仪,后装汽车协控制器和消防监控等多种应用场合。

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图 1 MM32F1040 简介

什么是 FlexCAN?

CAN 是控制器域网 (Controller Area Network, CAN) 的简称,是一种功能丰富的车用总线标准,被设计用于在不需要主机(Host)的情况下,允许网络上的单芯片和仪器相互通信。是由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发了,并最终成为国际标准(ISO11898)。是国际上应用最广泛的现场总线之一。FlexCAN 是 CAN 协议的一个高完成度版本。

MM32F0140 系列 MCU 内嵌的 FlexCAN,符合 ISO 11898-1 标准,支持 CAN 2.0B 版本协议,位速率高达 1 Mbps,具有非常灵活的用于传输和接收的邮箱系统,可以接收和发送 11 位标识符的标准帧,也可以接收和发送 29 位标识符的扩展帧,主要被设计用作车载串行总线,可满足实时处理、车辆在电磁干扰环境下的可靠操作、成本效益、带宽等要求。

什么是 UDS?

UDS(Unified Diagnostic Services,统一诊断服务)是一种用于汽车电子控制器 ECU (Electronic Control Units) 环境下的一种诊断通信协议,可实现诊断、固件更新、日常测试等功能,在 ISO 14229 中规定了其实现标准。

在本实例中,UDS 通信是在客户端-服务端关系中执行的。客户端是上位机下载软件运行于 PC 机,服务端是 MM32F0140 系列 MCU。例如,将 CAN 总线接口连接到 MCU,并将 UDS 请求发送到 MCU。当 MCU 支持 UDS 服务时,它将根据客户端发出的请求做出相应的响应。

为什么用 Bootloader?

对于 ECU 而言,如果程序内置有基于FlexCAN Bootloader,则每次更新 ECU 的固件可不必再使用烧录器进行烧录,而可直接通过 CAN 总线来更新程序,而且随着汽车智能化的普及,甚至可以对 ECU 进行远程升级。有无 Bootloader 功能程序结构对比如图 2 所示:

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图 2 程序结构对比框图

为什么要基于 UDS?

为了规范 Bootloader 的全过程。因 UDS 在设计时考虑了 Bootloader 的需求,并为 Bootloader 提供了相关服务以供使用,故主机厂普遍会要求在 UDS 规范的基础上完成 Bootloader 功能。

使用到哪些 UDS 服务?

在 Bootloader 中,使用到 UDS 的 $10、$11、$27 和 $3E 基础诊断服务,$22、$2E 读写 DID 服务,$31、$34、$36 和 $37 固件数据传输相关服务。

在 APP 中,使用到 UDS 的 $85 和 $28 服务,保证暂停 CAN 正常通信,暂停记录 DTC,让被升级设备升级。

UDS 提供的服务概览如图 3 所示:

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图 3 UDS 服务概览

CAN、UDS 和 OSI 模型之间的关系

为了更好的理解 UDS, 让我们了解一下 CAN 总线、UDS 和 OSI 模型之间的关系。

CAN 对应于 OSI 模型中的数据链路层和物理层描述(根据 ISO 11898)。

与 CAN 相比, UDS (ISO 14229) 是一种 “更高层协议”, 在 OSI 模型中使用到会话层和应用层,如下图 4 所示:

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图 4 UDS 与 OSI 模型对应图

UDS 的消息结构

PDU

Network_Protocol Data Unit, 网络层协议数据单元

PDU 是用于建立对等实体间的通信,是一组信息和数据的集合,表示了发送发和接收方对等实体之间传递的信息和数据。由地址信息(CAN ID)、协议控制信息(PCI) 和数据构成。

图 5 为 UDS 消息结构示意图,图 6 为 UDS 消极响应示意图。

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图 6 UDS 消极响应示意

PCI

Protocol Control Information,协议控制信息

PCI 字段本身与 UDS 请求本身没有关系,但是对于在 CAN 总线上发出的诊断 UDS 请求是必需的。PCI 字段可以长达 1 ~ 3 字节,并且包含与传输不适合单个 CAN 帧的消息有关的信息。

SID

Service ID,服务标识符

当希望使用特定的 UDS 服务时,UDS 请求消息应该在数据有效负载中包含 UDS 服务标识符 (SID)。标识符分为请求 SID 和响应 SID。

SFB

Sub Function Byte,子函数字节

在一些 UDS 请求帧中使用,在一些 UDS 服务中,如 0x22,子函数字节没有使用。一般来说,当一个请求被发送到 ECU 时,ECU 可以做出正向或负向的响应。在响应为正向的情况下,测试人员可能想要抑制响应(因为它可能是不相关的)。这是通过在子函数字节中将第 1 位设置为 1 来完成的。负向的反应是无法被抑制的。剩下的7位可以用来定义最多 128 个子函数值。例如,当通过 SID 0x19(读取诊断信息)读取 DTC 信息时,子函数字节可用于控制报告类型。

DID

Data Identifier,数据标识符

在大多数 UDS 请求服务中,各种类型的请求数据参数用于提供 SID 和可选子函数字节以外的请求进一步配置。

ISO-TP 标准

ECU 固件更新通常涉及大量有效载荷的通信,而 ISO-TP 标准(ISO 15765 )就是为了解决基于 CAN 的车辆诊断的大量有效载荷问题而提出。该标准指定了基于CAN 的车辆网络传输协议和网络层服务,最常见的用例就有 UDS (ISO 14229-1)。

ISO-TP 标准概述了如何通过分段、流量控制和重组来传输高达 4096 字节的 CAN 数据有效载荷。ISO-TP 定义了用于通信的 CAN 帧,如下图 7 所示。

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图 7 ISO-TP 帧类型

通过使用 ISO-TP 标准将 UDS 的消息结构 PDU 分为了四种类型:

SF (Single Frame, 单帧)

描述单帧传输。

FF (First Frame, 首帧)

描述多帧传输的起始。

CF (Consecutive Frame,连续帧)

用于在多帧传输中传输数据。

FC (Flow Control Frame,流控帧)

用于在多帧传输过程中,对报文流控制。

UDS 的单帧通信和多帧通信:

单帧通信如图 8 所示:

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图 8 单帧通信

多帧通信过程如图 9 所示:

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图 9 多帧通信

基于 UDS Bootloader 

实现更新 APP 流程框图

MM32F0140 系列 MCU 使用 FlexCAN 实现基于 UDS Bootloader 更新 APP 的流程框图如10所示:

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图10 更新 APP 流程

结语

本文以 MM32F0140 系列 MCU 的 FlexCAN 为例,简要介绍了在使用 MM32F0140 系列 MCU 实现 UDS  Bootloader 过程中涉及到的 FlexCAN、UDS 和 Bootloader  等相关基本概念,并介绍了 UDS 的消息结构和 ISO-TP 标准,以及展示了 MM32F0140 系列 MCU 使用 FlexCAN 实现 UDS Bootloader 更新 APP 的流程框图。

作者:灵动MM32
文章来源:灵动MM32MCU

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