基于信号相似度原理的CAN 信号解析方法

关 静，杨欣茹，周亚棱

（1.中国汽车工程研究院，重庆 401122；2.长安福特汽车有限公司，重庆 401120）

随着新能源汽车行业的蓬勃发展，对国际先进新能源车型进行准确的测试和评价成为当前汽车行业的主要任务之一，而准确可靠的信号获取可为高质量地测试评价各新能源车型提供基本保证。较之从其它途径获取的信号，通讯CAN 信号具有高可靠性、高频率、实时性较好等优点。随着各种先进新能源车型的不断推出，对测试评价的时效性提出了更高的要求，因此，尽可能多地从通讯CAN 上获取关键信号，缩短信号解析周期，对新能源汽车的测试评价工作具有重要意义。

目前，新能源汽车测试评价技术中所用到的分析信号一般通过两种途径获取，一种是采集车辆总线信号，包括整车通讯CAN 信号和诊断请求CAN信号；另一种是通过外接数采设备，如传感器、功率分析仪、排放分析仪等，通常情况下会采取两种方法相结合的方式[1-2]。由于通过CAN 信号获取的数量有限，该方法需依赖大量的外接设备，对被测车辆空间布置有一定要求，并会造成一定的资源浪费。在CAN 信号的获取方法上，目前比较广泛采用的方法是直接破解CAN 通讯网络中的信号，如张永生、关静等[3-4]提出的CAN 总线多渠道解析方法，该方法在解析时需人为观察报文数据的变化规律，找出符合待解析信号变化规律的数据区，验证数据区内信号是所求信号后，再标定其系数与偏移。随着新能源汽车内部CAN 通讯的复杂化，总线上的CAN 数据容量较大，造成了数据区查找工作的繁琐化。该方法对操作人员的技术性要求较高，操作人员需具备较好的数据敏感性。另一种方法是通过诊断请求的方式获取总线信号，美国阿岗国家实验室的WOOD 等[5]和LEE 等[6]在测试评价技术中采用Vehicle SPY 等工具通过诊断请求获取总线信号。北京理工大学席军强、吴育恩等[7-8]通过Vector 公司的CANoe 等工具模拟诊断请求过程获取诊断信号。虽然通过上述方法也可以获取大量的诊断CAN 信号，但是通过诊断协议请求出的信号不仅采集频率较低，而且在获取过程中发出的请求诊断报文会对车辆的正常运行产生一定程度的干扰，个别情况下甚至影响车辆的正常运行。信号采集频率低等问题也将会对新能源汽车测试评价结果产生直接影响。本研究提出的方法可以有效规避上述方法中破解信号数量的有限性或信号时效性有限等弊端，并能快速准确地解析出大量高时效性通讯CAN 信号，为新能源汽车测试评价工作的准确性奠定坚实的基础。

1 快速信号解析方法理论基础

1.1 CAN 信号与诊断信号特征

CAN 总线作为现代汽车电控单元之间信息交互的主要通讯方式，早在1993 年就已形成国际通用标准，其传输信号物理值与实际总线上传输的数值之间存在如下关系[9]：物理数值=总线数值×系数+偏移。以某款新能源汽车（系数为1，偏移量为-1 023 的驱动电机转矩信号）为例：

式中：TM_Tq为驱动电机转矩物理值；b0和b1分别为总线上传输的报文0x95 中第3 个字节和第4 个字节的数值（转换为十进制），该信号单位为Nm。

而通过诊断读取的信号为实际物理值，诊断信号与不加系数偏移的CAN 信号曲线不完全重合，图1 为CAN 信号与其对应的诊断信号曲线的形状特征图，为了更直观地理解CAN 信号与诊断信号的不同特点，图中对其做了特征放大处理。由图1可知，诊断信号与CAN 信号相比，CAN 信号存在比例系数与偏移，又由于诊断信号频率比通讯CAN信号低，二者数值曲线存在一定差异，所以在利用诊断信号进行解析时，需运用其与CAN 信号的形似特征来处理两种信号的形态差异，再进行一定的运算，方可解析出正确的CAN 信号。

图1 CAN 信号与诊断信号特征

1.2 信号相似度原理

根据诊断信号与CAN 信号有一定相似度的原理，通过选取信号有效识别区，并对其相似度进行计算即可快速定位CAN 信号。其中，有效识别区是对CAN 信号进行提取并与诊断信号做对比的数据区，横坐标范围是信号值发生变化的时间区，纵坐标范围是信号值与稳定值之间的数据区。有效识别区的4 种形式如图2 所示。

图2 有效识别区的4 种形式

提取了诊断信号与CAN信号的有效识别区后，需对识别区的信号值进行匹配度筛选。有效识别区相似度计算原理如图3 所示。将所有CAN 信号与诊断信号有效识别区内的时间区域划分成相同的份数，假设都分成z 段（z=5），若CAN 信号为所求，CAN 信号与诊断信号的差值应小于2 倍诊断信号周期，每段有效区数据的比值xi/yi数列的方差也应大大小于xi/yi数列均值。

定义时间区相似度表达式为：

式中：δte为时间区相似度；t 为时间，s。定义数值区相似度表达式为：

图3 相似度计算原理

δte、δve数值越大，CAN 信号与诊断信号形状越相似，是所求信号的概率也就越高。

在提取出所有CAN 信号与诊断信号的有效识别区，并计算获得所有CAN 信号的δte与δve之后，需对CAN 信号进行筛选，得到符合条件的接近诊断信号形状的CAN信号。由于两种信号的周期不同，存在某些情况下的CAN 信号有突变值而诊断信号没有，会造成δve偏小，所以筛选时可将此值设置得比较宽松，最低可设置为0.5 左右。δte一般设置为0.9 或者更大（此处0.9 为经验值）。由于δte与δve设置筛选阈值不当会导致输出结果过多或者没有输出结果，所以应多次调整这两个值直至输出合理数量的结果，在得到接近诊断信号形状的CAN 信号后，还需进行实车验证以确保信号的准确性。

2 基于Matlab 的信号解析方法实现

利用诊断信号快速定位CAN 信号的信号解析方法流程如图4 所示。首先将诊断仪连接到被测车辆诊断接口处，将CAN 信号硬件接口卡与通讯CAN 线连接，对被测车辆进行诊断请求，操作车辆使待解析信号发生变化，同时用诊断仪记录诊断数据并用CAN 分析软件记录CAN 报文，记录过程尽可能保持两种不同数据采集的同步。将记录的诊断信号与CAN 数据转换成解析软件能识别的文件格式，确定诊断信号与CAN 数据中所有CAN 信号的有效识别区，计算有效识别区相似度，将有效识别区相似度和CAN 信号以矩阵形式输出，按有效识别区相似度从高到低的顺序对所述矩阵中的CAN信号进行验证，完成对CAN 信号的定位。

图4 快速信号解析流程

为实现该快速定位CAN 信号的解析方法，本研究采用Matlab 进行编程，实现通过诊断信号对CAN 信号的定位及查找。为方便操作，设计可视化界面如图5 所示，包含了解析软件的所有功能。将需要的参数及Excel 数据输入，选择相应的信号类型，单击计算就可输出符合条件的所有结果，具体包含筛选出的所有CAN 信号所属的报文ID、信号长度位数、信号起始位、信号比例系数、信号偏移量、识别区时间域差异度及数值域差异度，单击Plot 可绘制曲线以确认查找结果的正确性。

图5 信号解析软件界面

3 测试与验证

以某款新能源汽车的主缸压力和驱动电机转矩信号为例，其中主缸压力信号在制动踏板未踩时有稳定值0，在踩制动踏板状态有大于0 的变动值，符合本方法对被解析信号特征的要求。此例利用诊断仪记录信号。操作车辆使车辆行驶―制动―行驶，同时手动记录车辆在“制动踏板未踩―踩制动踏板―制动踏板未踩”全过程的诊断仪信号与CAN数据，尽量保证两者记录数据同时进行，允许两者的记录时间前后有些许的偏差。

将记录的诊断仪信号与CAN 数据转换格式，然后导入到Matlab 中。在Matlab 中运行程序，并对诊断仪信号以及CAN 数据中所有的CAN 信号进行处理，提取出两者的有效识别区。通过计算诊断信号与CAN 信号有效识别区的时间区相似度，以及通过将诊断信号与CAN 信号的时间区域划分成30 个，计算每个时间段里诊断信号与CAN 信号的平均值之比，然后计算数值区相似度。制定一个相似度界点，本例中的时间区相似度界点为90%，数值区相似度界点为80%，将相似度高于此界点的所有CAN 信号全部筛选出来。此后，判断筛选出来的CAN 信号的数据格式、数据类型，计算筛选出来的CAN 信号的比例系数与偏移。最后输出结果数组，见表1。本例有多个疑似信号输出，前4 个疑似信号对比如图6a 所示，图中按照相似度从高到低的信号名称分别为信号1、信号2、信号3、信号4。按相似度从高到低的顺序对上述信号进行逐一验证，信号1、信号2、信号3 与诊断信号变化规律一致。按照信号排列规律及相似度数值，本例信号1 验证后证明是所求信号，即完成了某款新能源汽车主缸压力信号的解析与标定。通过信号软件查找出来的相似度最高的主缸压力信号与诊断信号对比，如图6b 所示。

表1 主缸压力信号解析结果

图6 主缸压力信号对比

驱动电机转矩信号的查找方法与主缸压力信号的类似，查找出来的驱动电机转矩CAN 信号与诊断信号对比如图7 所示。经过实车验证，通过该方法快速解析出来的主缸压力信号和驱动电机转矩信号准确无误，可利用该方法开展大批量关键信号的获取，为新能源汽车测试评价工作提供有力支撑。

图7 驱动电机转矩信号与诊断信号对比

4 结论

（1）以诊断仪信号为参考，根据通讯CAN 信号与诊断信号形态相似的原理，提出了一种通过计算两种不同来源信号有效识别区的相似度来快速定位CAN 信号的解析思路。

（2）通过Matlab 编程实现CAN 信号解析方法，并开发友好用户操作界面，可满足对待测新能源汽车快速、准确解析CAN 信号的需求，极大地提高信号获取效率， 增加信号的准确度。

（3）以某款新能源汽车主缸压力和驱动电机转矩信号为例，在已获取诊断仪上的主缸压力和驱动电机转矩信号的前提下，根据信号有效识别区相似度计算原理，通过本研究所开发的信号解析软件实现对该信号的快速查找，得到该信号的详细信息，完成对该信号的标定和验证。

（4）通过基于诊断信号相似度的解析方法可大量解析对标车的CAN 信号，减少传感器及其它数采设备的安装成本，节约数采设备安装调试周期，同时避免了由于安装空间有限而无法采集部分关键信号等问题，为新能源汽车测试评价工作奠定基础。