基于K線/CAN總線的KWP2000協(xié)議分析及其協(xié)議棧的開發(fā)與測試

在汽車故障診斷領(lǐng)域，針對診斷設(shè)備和汽車ECU之間的數(shù)據(jù)交換，各大汽車公司幾乎都制訂了相關(guān)的標準和協(xié)議。其中，歐洲汽車領(lǐng)域廣泛使用的一種車載診斷協(xié)議標準是KWP2000（Keyword Protocol 2000），該協(xié)議實現(xiàn)了一套完整的車載診斷服務(wù)，并且滿足E-OBD（European On Board Diagnose）標準。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線無法滿足日趨復(fù)雜的車載診斷網(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)仲裁機制、較高的通訊速率（可達1M bps）和靈活可靠的通訊方式，在車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域廣受青睞，越來越多的汽車制造商把CAN總線應(yīng)用于汽車控制、診斷和通訊。近年來歐洲汽車領(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)議開發(fā)和測試應(yīng)用方面，美國MathWorks公司和德國Vector公司提供了功能強大的開發(fā)和測試工具，可分別用于協(xié)議棧源碼的開發(fā)和ECU測試。

2 基于K線的KWP2000協(xié)議

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

表1 KWP2000協(xié)議與OIS模型的對應(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，包括報文結(jié)構(gòu)、初始化過程、通訊連接管理、定時參數(shù)和錯誤處理等內(nèi)容。K線的報文包括報文頭、數(shù)據(jù)域和校驗和三部分，其中報文頭包含格式字節(jié)、目標地址（可選）、源地址（可選）和附加長度信息（可選），如表2所示。

表2 基于K線的KWP2000報文結(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)標識符（Service ID），數(shù)據(jù)域的第1個字節(jié)
在開始診斷服務(wù)之前，診斷設(shè)備必須對ECU進行初始化，通過ECU的響應(yīng)獲取ECU的源地址、通訊波特率、支持的報文頭格式、定時參數(shù)等信息。ECU所支持的報文頭和定時參數(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）。關(guān)鍵字由兩個字節(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ECU進行初始化——5Baud初始化和快速初始化，對于這兩種初始化的時序在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[3]中均有明確規(guī)定。完成初始化過程后，診斷設(shè)備和ECU方可進行應(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、遠程啟動ECU例程功能組、數(shù)據(jù)上載/下載功能組和擴展功能組。在診斷服務(wù)請求/響應(yīng)過程中，診斷設(shè)備和ECU必須遵循圖2所示的時序和相關(guān)定時參數(shù)。對于初始化和診斷服務(wù)過程中出現(xiàn)的各種定時錯誤，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)用程序都必須嚴格遵守。

圖2 K線診斷服務(wù)時序圖[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CAN2.0B協(xié)議的進一步標準化和規(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，并且為長報文的多包數(shù)據(jù)傳輸過程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復(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）、目標地址（TA）、目標地址格式（TA_Type）和遠程地址（RA）
2) 協(xié)議控制信息：包含四種幀格式，見表5
3) 數(shù)據(jù)域：KWP2000服務(wù)標識符（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)請求、ECU的服務(wù)指示、ECU的服務(wù)響應(yīng)和Tester的服務(wù)確認。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了地址信息、服務(wù)請求ID和服務(wù)請求參數(shù)等內(nèi)容。基于CAN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)的打包和解包過程。為實現(xiàn)這一功能，網(wǎng)絡(luò)層定義了四種PDU（以PCI類型進行區(qū)分，如表5所示）：

單幀（Single Frame，SF） － 數(shù)據(jù)域及PCI可在一個CAN數(shù)據(jù)幀中容納時，服務(wù)報文以單幀CAN報文進行發(fā)送。
第一幀（First Frame，F(xiàn)F） － 數(shù)據(jù)域及PCI不能在一個CAN數(shù)據(jù)幀中容納時，服務(wù)報文以多幀CAN報文進行發(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。