Diagnosis of CAN-based legacy applications in the time-triggered architecture

Abstract

In der Automobilindustrie ist das Controller Area Network (CAN) das am weitesten verbreitete Kommunikationprotokoll. CAN hat breite Anwendung gefunden aufgrund der Flexibilität und der niedrigen Kosten von Hardware die CAN unterstützt. Im Auto wird CAN für Regelungen, Diagnosefunktionen, Komfortfunktionen und einige andere Anwendungen genutzt. Ausserdem wurden viele unterschiedliche CAN-basierende Protokolle und Softwareschichten (z.B. TP2.0, KWP2000, DEH usw.) entwickelt um die notwendigen komplexen Diagnosefunktionen zu realisieren. Die Diagnosefunktionen umfassen Sicherheitsmechanismen, Programmierfunktionen und vieles mehr. In den letzten Jahren sind mehr und mehr sicherheitsrelevante Funktionen, unter der Verwendung von CAN, in das Automobil integriert worden. Bekannte Vertreter sind der Airbag, das Antiblockiersystem (ABS), das Elektronische Stabilitäts Programm (ESP) u.v.m.. Dieser Trend zeigt uns, dass in Zukunft immer mehr auch sicherheitskritische Anwendungen durch elektronische Bauteile gesteuert werden.<br />Um die Voraussetzungen an das Kommunikationssystem einer sicherheitskritischen Anwendung der Zukunft zu erfüllen, wird eine zeitgesteuerte Architektur Verwendung finden. Das zeitgesteuerte Protokoll TTP ist ein gutes Beispiel für ein zuverlässiges Bussystem das eine Implementierung von verteilten eingebetteten Systemen ermöglicht.<br />In der Flugzeugindustrie wird TTP schon erfolgreich für sicherheits-kritische Anwendungen genutzt.<br />Für Automobilhersteller ist es sehr wichtig bestehende Hardware und Software aus Kostengründen weiterzuverwenden. Auch das Diagnoseequipment und das Know-How zur Diagnose stellen eine große Investition dar, die es zu bewahren gilt. Durch diese Investitionen werden Lösungen bevorzugt, die diese Resourcen in größtem Maße weiterverwenden.<br />In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist existierende Diagnosehardware nicht nur für CAN-basierte Steuergeräte sondern auch für zeitgesteuerte Steuergeräte zu verwenden. Der "Hersteller Initiative Software" (HIS)-CAN Interfacestandard kann verwendet werden, um den kompletten existierenden Diagnosestack an ein zeitgesteuertes Netzwerk anzubinden. Eines der wichtigsten Ziele dieser Arbeit ist aber die Visualisierung der erweiterten Diagnosemöglichkeiten (z.B. Membership) mit dem selben Diagnoseequipment wie für CAN. Mit der Verwendung von TTP, dass eine strikte Unterteilung der Zeit beinhaltet, wollen wir auch das Trouble Not Identified (TNI) Phänomen in Angriff nehmen, dass bei CAN existiert.<br />

The Controller Area Network (CAN) is the most widespread network protocol in the automotive domain of today's world. CAN has gained wide acceptance because of its flexibility and the low cost of hardware with CAN support. In the automotive domain it is used for control applications as well as for diagnostic purposes, comfort functions and other applications.<br />Several protocols and software layers (e.g. TP2.0, KWP2000, DEH etc.) have been developed to be able to handle especially the complex diagnostic functions in cars. They include security mechanisms, flashing functions, and many more. Also, in the past few years more and more safety-related functions have been integrated in modern cars using CAN. Famous representatives are the airbag, the Anti-lock Break System (ABS), the Electronic Stability Control (ESC) and so on. This trend shows us that more and more even safety-critical applications are going to be controlled by electronic devices in the future.<br />To handle the communication needs of future safety-critical applications (e.g. X-by-wire) a time-triggered (TT) technology will be used. The Time-Triggered Protocol (TTP) for example is a famous representative which facilitates the creation of dependable distributed embedded real-time systems. It is successfully used for example in the avionic domain for applications which have to be ultra-reliable.<br />Nevertheless, for non safety-critical applications, it is important to reuse existing CAN hardware and software to preserve the existing investments in diagnostic equipment and the diagnostic know-how which has been gathered for several years now. The huge investment in legacy equipment also makes a solution attractive which reuses most of this hardware.<br />In this thesis, we show that it is possible to use the existing diagnostic tester hardware to diagnose not only CAN-based Electronic Control Units (ECUs) but also time-triggered ECU. Another aspect of this work is to demonstrate that it is possible to use the "Hersteller Initiative Software" (HIS)-CAN interface to emulate CAN for the complete diagnosis software stack which is used today. The stack was provided by a major European carmaker for our work.<br />Another important goal in this work is to show that it is possible to provide additional diagnostic information (e.g. membership) using the same diagnostic equipment as for CAN. By utilizing a TTP, which provides error containment in the time domain, we also tackle the trouble not identified (TNI) phenomenon which exists in CAN.