汽车ECU固件远程更新的Bootloader设计和实现

I硕士学位论文汽车ECU固件远程更新的Bootloader设计和实现姓名：彭勇学号：1133072所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：车辆工程指导教师：张戟副教授二〇一四年三月AdissertationsubmittedtoTongjiUniversityinconformitywiththerequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringMarch,2013March,2014Candidate:PengYongStudentNumber:1133072School/Department:SchoolofAutomotiveStudiesDiscipline:EngineeringMajor:AutomotiveEngineeringSupervisor:AssociateProf.JiZhangDesignandImplementationofBootloaderforAutomotiveECUFirmwareRemoteUpdateoftheFCEVDriveSystem汽车ECU固件远程更新的Bootloader设计和实现彭勇同济大学I学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名:年月日同济大学硕士学位论文摘要I摘要随着汽车电子化程度的不断提高，汽车上的ECU数目和软件代码量也大幅增长。数目众多的ECU和与日俱增的代码量使得汽车ECU固件的更新成为一个大的挑战。传统的汽车ECU固件更新需要专业技术人员的支持，已不足以应对将来的挑战。通过无线通信技术，对汽车ECU进行远程更新是未来发展的趋势。汽车ECU固件的远程更新包括软件更新包的下载和烧写两个步骤，第二步的实现要求ECU必须具备在线升级的能力。为汽车ECU设计出能够实现在线升级功能的Bootloader是实现固件远程更新的必要条件。本文基于汽车ECU远程更新应用场景，对汽车ECUBootloader做设计和实现。本文首先构建了一个汽车ECU固件远程更新系统，该系统是后续整体实验验证的基础平台。在具体的系统构建中，根据目前可用的车联网通信技术选用移动网络3G技术作为无线通信方式，同时选用分离式的车载平台方案，在分离式方案中，将无线下载功能、HMI与ECU更新功能分离开来，在智能手机端完成软件包的下载和HMI设计，ECU的更新功能则通过一个简化的嵌入式车载平台来实现。具体到Bootloader的设计工作，先就Bootloader的相关技术做了详细的分析和总结，其中Bootloader自身的升级是Bootloader设计中的一个难点，本文提出了一个新的解决方案，并在具体实现中得到了应用。接下来针对汽车ECU远程更新应用场景，对汽车ECUBootloader提出了相应的功能和性能要求，针对上述设计要求，并结合Bootloader相关技术分析成果对系统方案进行了详细的设计，具体包括内存布局、状态流图、具体运行流程以及软件代码结构。根据系统设计方案，在MC9S12XS128上做具体实现。实现过程分为两步：PC作为上位机的实现；车载嵌入式平台作为上位机的实现。第一步先基于RS232通信方式，利用超级终端作为上位机软件，在目标MCU上实现Bootloader的基本功能，然后再基于CAN通信方式，对USB-CAN工具做二次开发，编写上位机软件，完善Bootloader的相关功能。第二步的工作主要是在车载嵌入式平台上集成在线升级系统的上位机功能服务。最后，通过使用两个不同版本的应用程序软件更新包和Bootloader软件更新包，完成了PC作为上位机的Bootloader在线升级系统验证以及整个ECU远程更新系统的验证。关键词：汽车ECU，远程更新，BootloaderTongjiUniversityMasterofEngineeringAbstractIIABSTRACTWiththeincreasingofautomotiveelectronization,theamountofECUandcodesonthecarhasbeengrowingdramatically,whichbecomesabigchallengetothecarECUfirmwareupdates.TraditionalautomotiveECUfirmwareupdate,whichneedssupportfromskilledtechnicians,isunabletomeetthischallenge.TheautomotiveECUremoteupdatewithwirelesscommunicationtechnologyisatrendforfuture.Therearetwostepsforfirmwareremoteupdate：thefirststepistodownloadthesoftwareupdatepackageandthesecondreflashingitintoECU.ThelatersteprequiresonlineupgradeabilityofECU.Asaresult,aBootloaderwithonlineupgradeabilityisessentialforautomotiveECUremoteupdate,thispaperdiscussedhowtodesignacarECUBootloaderwithdemonstration.Atfirst,thispaperbuildsafirmwareremoteupdatesystem,whichprovidesafundamentalplatformforthefollowingexperimentalverification.3Gmobilenetworktechnologyistakenasthewayofwirelesscommunicationbasedonthecurrentvehicularnetworkingtechnologyandtheseparatevehicleplatformsolutionisproposedtoconstructthesystem.Inthissolution,thewirelessdownloadfunction,HMIandECUupdatefeaturesmadeaseparation.ThesoftwareupdatedownloadfunctionandHMIdesignisrealizedinasmartphone,whilethefeatureofECUupdatesinasimplifiedembeddedsystem.IntermsofthedesignofBootloader,firstly,therelatedtechnologyisanalyzedandsummarizedindetail.WhiletheBootloaderself-upgradeisdifficultytorealize,anewsolutionisproposedhereandimplementedinthelaterconcreteapplication.Secondly,therelevantdesignrequirementsforfunctionsandperformancehadbeenmadetoECUBootloaderforremoteupdateapplication.Accordingtothedesignrequirements,combinedwiththeresultsofthetechnicalanalysis,thepapercarriedoutadetailedprogramdesign,whichincludingmemorylayout,stateflowchart,thespecificsoftwarerunningprocessesandsoftwarestructures.Accordingtothesystemdesign,aconcreteimplementationismadeonMC9S12XS128.Theimplementationcanbealsodividedintotwoprocesses:implementationonPCasahostcomputer;implementationonautomotiveembeddedplatformasanuppercomputer.Thefirstprocessincludestwostages.Thefirststage,TongjiUniversityMasterofEngineeringAbstractIIIwhichisbasedonRS232communication,usesHyperTerminalasPCsoftwaretoachievethebasicfunctionsoftheBootloaderonthetargetMCU.Thesecond,basedonCANcommunicationtechnology,programsaPCsoftwarewiththesecondarydevelopmenttoUSB-CANtools,andimproveBootloader-relatedfunctions.Thesecondprocessistointegratethehostfunctionofonlineupgradesystemintoon-boardembeddedplatforms.Finally,byusingdifferentversionsofupdateandBootloader,thepapercompletestheverificationofBootloaderinonlineupgradesystemwithPCastheuppercomputerandtheentireECUremoteupdatessystem.KeyWords:automotiveECU,remoteupdates,Bootloader同济大学硕士学位论文目录IV目录第1章绪论..................................................................................................................11.1课题研究背景及意义.....................................................................................11.2汽车ECU固件远程更新的研究现状...........................................................31.3汽车ECU在线升级Bootloader的研究现状...............................................71.4本文主要研究内容.............