基于K線/CAN總線的KWP2000協(xié)議分析及其協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)與測(cè)試

1 前言

在汽車(chē)故障診斷領(lǐng)域，針對(duì)診斷設(shè)備和汽車(chē)ECU之間的數(shù)據(jù)交換，各大汽車(chē)公司幾乎都制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。其中，歐洲汽車(chē)領(lǐng)域廣泛使用的一種車(chē)載診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是KWP2000(Keyword Protocol 2000)，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一套完整的車(chē)載診斷服務(wù)，并且滿足E-OBD(European On Board Diagnose)標(biāo)準(zhǔn)。KWP2000最初是基于K線的診斷協(xié)議，由于K線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層在網(wǎng)絡(luò)管理和通訊速率上的局限性，使得K線無(wú)法滿足日趨復(fù)雜的車(chē)載診斷網(wǎng)絡(luò)的需求。而CAN網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)由于其非破壞性的網(wǎng)絡(luò)仲裁機(jī)制、較高的通訊速率(可達(dá)1M bps)和靈活可靠的通訊方式，在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域廣受青睞，越來(lái)越多的汽車(chē)制造商把CAN總線應(yīng)用于汽車(chē)控制、診斷和通訊。近年來(lái)歐洲汽車(chē)領(lǐng)域廣泛采用了基于CAN總線的KWP2000，即ISO 15765協(xié)議，而基于K線的KWP2000物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議將逐步被淘汰。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)和測(cè)試應(yīng)用方面，美國(guó)MathWorks公司和德國(guó)Vector公司提供了功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)和測(cè)試工具，可分別用于協(xié)議棧源碼的開(kāi)發(fā)和ECU測(cè)試。

2 基于K線的KWP2000協(xié)議

基于K線的KWP2000協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要包括ISO/WD 14230-1～14230-4，各部分協(xié)議與OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 KWP2000協(xié)議與OIS模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

ISO 14230-1規(guī)定了KWP2000協(xié)議的物理層規(guī)范(K線、L線)，它在ISO 9141-2的基礎(chǔ)上把數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)擴(kuò)展到了24V電壓系統(tǒng)。ISO 14230-2規(guī)定了KWP2000的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，包括報(bào)文結(jié)構(gòu)、初始化過(guò)程、通訊連接管理、定時(shí)參數(shù)和錯(cuò)誤處理等內(nèi)容。K線的報(bào)文包括報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)和三部分，其中報(bào)文頭包含格式字節(jié)、目標(biāo)地址(可選)、源地址(可選)和附加長(zhǎng)度信息(可選)，如表2所示。

表2 基于K線的KWP2000報(bào)文結(jié)構(gòu)[3]

1)可選字節(jié)，取決于格式字節(jié)Fmt的A1A0位

2)服務(wù)標(biāo)識(shí)符(Service ID)，數(shù)據(jù)域的第1個(gè)字節(jié)

在開(kāi)始診斷服務(wù)之前，診斷設(shè)備必須對(duì)ECU進(jìn)行初始化，通過(guò)ECU的響應(yīng)獲取ECU的源地址、通訊波特率、支持的報(bào)文頭格式、定時(shí)參數(shù)等信息。ECU所支持的報(bào)文頭和定時(shí)參數(shù)信息包含在ECU返回的“關(guān)鍵字(Key Word)”中(這也是協(xié)議命名的由來(lái))。關(guān)鍵字由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，如圖1所示，關(guān)鍵字的低字節(jié)中各位的含義如表3所示。

圖1 關(guān)鍵字格式[3]

表3 關(guān)鍵字低字節(jié)中各位的含義[3]

*) 只允許TP0,TP1 = 0,1 或者1,0

診斷設(shè)備可以采用兩種方式對(duì)ECU進(jìn)行初始化——5Baud初始化和快速初始化，對(duì)于這兩種初始化的時(shí)序在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[3]中均有明確規(guī)定。完成初始化過(guò)程后，診斷設(shè)備和ECU方可進(jìn)行應(yīng)用層的診斷服務(wù)和響應(yīng)。ISO 14230-3規(guī)定了應(yīng)用層的服務(wù)規(guī)范，包括診斷管理功能組、數(shù)據(jù)傳輸功能組、診斷信息傳輸功能組、輸入/輸出控制功能組、遠(yuǎn)程啟動(dòng)ECU例程功能組、數(shù)據(jù)上載/下載功能組和擴(kuò)展功能組。在診斷服務(wù)請(qǐng)求/響應(yīng)過(guò)程中，診斷設(shè)備和ECU必須遵循圖2所示的時(shí)序和相關(guān)定時(shí)參數(shù)。對(duì)于初始化和診斷服務(wù)過(guò)程中出現(xiàn)的各種定時(shí)錯(cuò)誤，在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層協(xié)議里面都有相應(yīng)的處理規(guī)范，診斷設(shè)備及ECU的應(yīng)用程序都必須嚴(yán)格遵守。

圖2 K線診斷服務(wù)時(shí)序圖[3]

3 基于CAN總線的KWP2000協(xié)議

基于CAN總線的KWP2000協(xié)議實(shí)際上指的就是ISO/WD 15765-1～15765-4，該協(xié)議把KWP2000應(yīng)用層的診斷服務(wù)移植到CAN總線上。數(shù)據(jù)鏈路層采用了ISO 11898-1協(xié)議，該協(xié)議是對(duì)CAN2.0B協(xié)議的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化;應(yīng)用層采用了ISO 15765-3協(xié)議，該協(xié)議完全兼容基于K線的應(yīng)用層協(xié)議14230-3，并加入了CAN總線診斷功能組;網(wǎng)絡(luò)層則采用ISO 15765-2協(xié)議，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(N_PDU，如表4所示)與底層CAN數(shù)據(jù)幀、以及上層KWP2000服務(wù)之間的映射關(guān)系，并且為長(zhǎng)報(bào)文的多包數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯(cuò)誤恢復(fù)功能。

表4 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(N_PDU)格式[7]

1) 地址信息：包含源地址(SA)、目標(biāo)地址(TA)、目標(biāo)地址格式(TA_Type)和遠(yuǎn)程地址(RA)

2) 協(xié)議控制信息：包含四種幀格式，見(jiàn)表5

3) 數(shù)據(jù)域：KWP2000服務(wù)標(biāo)識(shí)符(Service ID) + 服務(wù)參數(shù)

應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定了四種服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，.Request、.Indication、.Response和.Confirm，分別用于診斷設(shè)備(Tester)的服務(wù)請(qǐng)求、ECU的服務(wù)指示、ECU的服務(wù)響應(yīng)和Tester的服務(wù)確認(rèn)。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了地址信息、服務(wù)請(qǐng)求ID和服務(wù)請(qǐng)求參數(shù)等內(nèi)容?；贑AN總線的KWP2000診斷服務(wù)流程如圖3所示。

圖3 基于CAN總線的KWP2000診斷服務(wù)流程圖

從上面的服務(wù)流程可以看出，基于CAN總線的KWP2000協(xié)議支持多包數(shù)據(jù)傳輸，并且多包數(shù)據(jù)的管理和組織是在網(wǎng)絡(luò)層完成的，應(yīng)用層不必關(guān)心數(shù)據(jù)的打包和解包過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)這一功能，網(wǎng)絡(luò)層定義了四種PDU(以PCI類型進(jìn)行區(qū)分，如表5所示)：[!--empirenews.page--]

單幀(Single Frame，SF) - 數(shù)據(jù)域及PCI可在一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中容納時(shí)，服務(wù)報(bào)文以單幀CAN報(bào)文進(jìn)行發(fā)送。

第一幀(First Frame，F(xiàn)F) - 數(shù)據(jù)域及PCI不能在一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中容納時(shí)，服務(wù)報(bào)文以多幀CAN報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，其中第一幀(FF)除傳送數(shù)據(jù)外，還包含了多包數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度信息。

連續(xù)幀(Consecutive Frame，CF) - 多包數(shù)據(jù)中除第一幀外的連續(xù)數(shù)據(jù)幀，除傳送數(shù)據(jù)外，還包含了多包數(shù)據(jù)的包序號(hào)。

流控制幀(Flow Control，F(xiàn)C) - 用于多包數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的流控制，不包含數(shù)據(jù)，只包含流控制狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊大小和最小間隔時(shí)間等流控制信息。

表5 15765協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層四種PDU對(duì)應(yīng)的PCI格式[7]

1) 單幀數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)域的字節(jié)長(zhǎng)度，PCI的長(zhǎng)度不包括在內(nèi)。

2) 多包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域字節(jié)總長(zhǎng)度。

3) 多包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包編號(hào)。

4) 流控制狀態(tài)信息。

5) 數(shù)據(jù)塊大小。

6) 多包數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r(shí)間間隔。

多包數(shù)據(jù)的傳輸流程如圖4所示。發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送“第一幀”，告知接收節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度;接收節(jié)點(diǎn)分配好資源、準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，然后以一幀“流控制幀”告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)一次可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目和時(shí)間間隔;發(fā)送節(jié)點(diǎn)接下來(lái)就根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的接收能力將編好序號(hào)的數(shù)據(jù)包依次發(fā)送過(guò)去。

圖4 多包數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層PDU被編排成一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀，它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由尋址模式(Addressing mode)決定。基于ISO 15765協(xié)議規(guī)定了四種尋址模式：正常尋址模式(Normal)、正常固定尋址模式(Normal fixed)、擴(kuò)展尋址模式(Extended)和用于遠(yuǎn)程診斷的混合尋址模式(Mixed)。其中，正常固定尋址模式必須采用CAN擴(kuò)展幀，并且SAE J1939為該尋址模式下的KWP2000診斷服務(wù)保留了兩個(gè)專用參數(shù)組編號(hào)(PGN)：其中PF=218(PF的具體定義請(qǐng)參考SAE J1939數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議)的參數(shù)組用于物理尋址(phy)，PF=219的參數(shù)組用于功能尋址(fcn)。正常固定尋址模式的PDU與CAN數(shù)據(jù)幀之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

表6 正常固定尋址模式下N_PDU與CAN數(shù)據(jù)幀之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]

混合尋址模式與正常固定尋址模式類似，唯一的區(qū)別是CAN數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié)用于填充遠(yuǎn)程地址(RA)，N_PCI和診斷服務(wù)數(shù)據(jù)的填充位置向后移動(dòng)一個(gè)字節(jié)?；旌蠈ぶ纺Ｊ接糜诳缭骄W(wǎng)段進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，遠(yuǎn)程診斷的機(jī)制如圖5所示。圖中CAN1和CAN2兩個(gè)不同的子網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)橋相連，網(wǎng)橋在子網(wǎng)1中的源地址為200，在子網(wǎng)2中的源地址為10，位于子網(wǎng)1中的診斷設(shè)備(源地址為241)可通過(guò)網(wǎng)橋?qū)ψ泳W(wǎng)2中的ECU(源地址為62)進(jìn)行診斷。

圖5 跨越網(wǎng)段的遠(yuǎn)程診斷

4 兩種協(xié)議的簡(jiǎn)單比較

從前面基于K線和基于CAN總線的KWP2000協(xié)議可以看出，兩種協(xié)議在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層(15765)上存在以下主要差別，這也是K線被CAN總線取而代之的主要原因所在：

K線通訊速率較低，最大波特率僅為10400bps;CAN總線通訊速率較高，最大波特率可達(dá)1Mbps。

K線采用單端信號(hào)傳輸，抗干擾能力較弱，可靠性較差;CAN總線采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃愿摺?/p>

K線診斷在啟動(dòng)應(yīng)用層診斷服務(wù)之前必須對(duì)ECU進(jìn)行初始化建立連接，并且初始化過(guò)程比較復(fù)雜;而基于CAN總線的診斷設(shè)備不需要對(duì)ECU進(jìn)行初始化即可進(jìn)行診斷服務(wù)。

K線診斷應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者必須親自管理數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的字節(jié)間定時(shí)，并處理底層通訊錯(cuò)誤;CAN數(shù)據(jù)幀以整幀報(bào)文的形式進(jìn)行發(fā)送，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者不必管理字節(jié)間定時(shí)，并且CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具備完善的錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，應(yīng)用程序不必監(jiān)視和處理底層通訊錯(cuò)誤。

K線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，網(wǎng)絡(luò)管理功能很弱;而利用CAN總線可構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可跨越網(wǎng)段進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。

K線網(wǎng)絡(luò)采用破壞性的仲裁機(jī)制，當(dāng)診斷設(shè)備采用功能尋址與多個(gè)ECU進(jìn)行通訊時(shí)，為避免總線沖突，ECU開(kāi)發(fā)者必須采取措施保證多個(gè)ECU順序訪問(wèn)總線;而CAN網(wǎng)絡(luò)采用非破壞性的仲裁機(jī)制，并且仲裁過(guò)程由數(shù)據(jù)鏈路層完成，當(dāng)診斷設(shè)備采用功能尋址與多個(gè)ECU進(jìn)行通訊時(shí)，ECU開(kāi)發(fā)者不必考慮總線訪問(wèn)沖突問(wèn)題。

K線服務(wù)報(bào)文最大字節(jié)長(zhǎng)度僅為255，無(wú)法滿足更長(zhǎng)報(bào)文的傳輸要求，并且在長(zhǎng)報(bào)文的傳輸過(guò)程中用戶必須自己采取措施進(jìn)行連接管理，可靠性和兼容性較差;而 CAN總線診斷服務(wù)報(bào)文最大字節(jié)長(zhǎng)度可達(dá)4096(12位)，對(duì)于長(zhǎng)報(bào)文的傳輸，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議還具備標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的同步控制、順序控制、流控制和錯(cuò)誤恢復(fù)等功能，具備很高的可靠性、兼容性。

5 KWP2000協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)及測(cè)試

從前面的協(xié)議分析可以看出，無(wú)論是基于K線還是CAN總線的KWP2000協(xié)議，都是邏輯非常復(fù)雜的系統(tǒng)，并且具有嚴(yán)格的定時(shí)和錯(cuò)誤處理規(guī)范。如果采用純手工的方式來(lái)進(jìn)行KWP2000協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)，不僅要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，其通用性、完備性、可靠性和可維護(hù)性都很難保證。而 MATLAB/Simulink/StateFlow不僅具備方便快捷的上層實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，還集成了高效的嵌入式代碼自動(dòng)生成工具，為協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)和維護(hù)提供了強(qiáng)大的支持平臺(tái)。此外，由德國(guó)Vector公司的CANoe軟件和相關(guān)硬件板卡組成的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可用于汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)(CAN，Lin等)的上層協(xié)議開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)測(cè)試，該平臺(tái)同時(shí)支持基于K線和CAN總線的KWP2000診斷協(xié)議，可作為ECU和診斷設(shè)備的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

圖6是協(xié)議源碼開(kāi)發(fā)過(guò)程示意圖。首先在MATLAB/Simulink/StateFlow中遵照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行KWP2000協(xié)議棧開(kāi)發(fā)，在仿真調(diào)試環(huán)境下實(shí)現(xiàn)通訊邏輯、定時(shí)控制和錯(cuò)誤處理，待系統(tǒng)完善后利用StateFlow嵌入式代碼生成工具自動(dòng)生成協(xié)議棧C代碼，并與目標(biāo)系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行集成，然后植入目標(biāo)系統(tǒng)形成應(yīng)用程序，最后再利用CANoe作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試。[!--empirenews.page--]

圖6 KWP2000協(xié)議棧開(kāi)發(fā)及測(cè)試流程

在MATLAB/Simulink/StateFlow中進(jìn)行協(xié)議棧仿真開(kāi)發(fā)是協(xié)議棧開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這一過(guò)程中必須嚴(yán)格遵照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊邏輯，往往需要經(jīng)過(guò)多次“設(shè)計(jì)-仿真-修改”循環(huán)才能使系統(tǒng)最終趨于完善。MATLAB的圖形界面提供了方便快捷的仿真輸入/輸出接口，可大幅度加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

協(xié)議棧開(kāi)發(fā)完成后可利用CANoe作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試，CANoe的KWP2000協(xié)議測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

圖7 CANoe的KWP2000測(cè)試環(huán)境示意圖

CANoe中的KWP2000實(shí)際指的是基于CAN總線的KWP2000，即15765協(xié)議。由于CANoe默認(rèn)的硬件板卡是CAN卡，因此在建立仿真程序時(shí)，只需將ECU的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置為kwp2000.dll即可進(jìn)行CAN總線的KWP2000服務(wù)測(cè)試。kwp2000.dll中包含15765應(yīng)用層協(xié)議中規(guī)定的服務(wù)請(qǐng)求、服務(wù)指示、服務(wù)響應(yīng)和服務(wù)確認(rèn)接口函數(shù)，用戶調(diào)用這些函數(shù)即可完成Tester端和ECU端的KWP2000診斷服務(wù)。此外，該模塊中的功能函數(shù)還可對(duì)ECU的源地址、目標(biāo)地址、尋址模式等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。需要注意的是，kwp2000.dll目前只提供了部分KWP2000服務(wù)的接口函數(shù)，如果用戶需要進(jìn)行其它的KWP2000服務(wù)測(cè)試，必須根據(jù)KWP2000應(yīng)用層協(xié)議構(gòu)造服務(wù)報(bào)文數(shù)據(jù)，然后調(diào)用該模塊中的 KWP_DataReq()和KWP_GetRxData()函數(shù)進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送和接收。

進(jìn)行基于K線的KWP2000服務(wù)測(cè)試時(shí)，需要將KLineCPL.dll模塊加入CANoe仿真環(huán)境，并使用一個(gè)代理節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)和K線之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)CANoe使用計(jì)算機(jī)的串口，并通過(guò)一個(gè)串口/K線轉(zhuǎn)換器與實(shí)際的ECU相連，如圖8所示。

圖8 CANoe中基于K線的KWP2000測(cè)試連接示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

KWP2000是一套非常完善的車(chē)載故障診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)使得KWP2000診斷服務(wù)并不依賴于某種特定的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，其應(yīng)用層可以移植到任何一種物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之上。基于CAN總線的KWP2000順應(yīng)了目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢(shì)，將逐步取代K線診斷協(xié)議，成為下一代車(chē)載診斷協(xié)議的主流之一。

MATLAB/Simulink/Stateflow為協(xié)議棧開(kāi)發(fā)提供了方便直觀的圖形用戶接口和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試環(huán)境及代碼生成工具，為嵌入式開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條高效快捷之路。Vector公司的CANoe和相關(guān)硬件板卡是一個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可針對(duì)基于K線和CAN總線的KWP2000進(jìn)行 ECU和診斷設(shè)備的上層協(xié)議開(kāi)發(fā)、測(cè)試及仿真。