基于K線(xiàn)/CAN總線(xiàn)的KWP2000協(xié)議分析及協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)測試

1 前言

在汽車(chē)故障診斷領(lǐng)域，針對診斷設備和汽車(chē)ECU之間的數據交換，各大汽車(chē)公司幾乎都制訂了相關(guān)的標準和協(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)議標準是KWP2000（Keyword Protocol 2000），該協(xié)議實(shí)現了一套完整的車(chē)載診斷服務(wù)，并且滿(mǎn)足E-OBD（European On Board Diagnose）標準。KWP2000最初是基于K線(xiàn)的診斷協(xié)議，由于K線(xiàn)物理層和數據鏈路層在網(wǎng)絡(luò )管理和通訊速率上的局限性，使得K線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足日趨復雜的車(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 )仲裁機制、較高的通訊速率（可達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(xiàn)應用于汽車(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(xiàn)的KWP2000，即ISO 15765協(xié)議，而基于K線(xiàn)的KWP2000物理層和數據鏈路層協(xié)議將逐步被淘汰。

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

2 基于K線(xiàn)的KWP2000協(xié)議

基于K線(xiàn)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模型的對應關(guān)系如表1所示。



表1 KWP2000協(xié)議與OIS模型的對應關(guān)系

ISO 14230-1規定了KWP2000協(xié)議的物理層規范（K線(xiàn)、L線(xiàn)），它在ISO 9141-2的基礎上把數據交換系統擴展到了24V電壓系統。ISO 14230-2規定了KWP2000的數據鏈路層協(xié)議，包括報文結構、初始化過(guò)程、通訊連接管理、定時(shí)參數和錯誤處理等內容。K線(xiàn)的報文包括報文頭、數據域和校驗和三部分，其中報文頭包含格式字節、目標地址（可選）、源地址（可選）和附加長(cháng)度信息（可選），如表2所示。



表2 基于K線(xiàn)的KWP2000報文結構[3]

1）可選字節，取決于格式字節Fmt的A1A0位

2）服務(wù)標識符（Service ID），數據域的第1個(gè)字節

在開(kāi)始診斷服務(wù)之前，診斷設備必須對ECU進(jìn)行初始化，通過(guò)ECU的響應獲取ECU的源地址、通訊波特率、支持的報文頭格式、定時(shí)參數等信息。ECU所支持的報文頭和定時(shí)參數信息包含在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)字節構成，如圖1所示，關(guān)鍵字的低字節中各位的含義如表3所示。



圖1 關(guān)鍵字格式[3]



表3 關(guān)鍵字低字節中各位的含義[3]

*) 只允許TP0,TP1 = 0,1 或者1,0

診斷設備可以采用兩種方式對ECU進(jìn)行初始化——5Baud初始化和快速初始化，對于這兩種初始化的時(shí)序在數據鏈路層協(xié)議[3]中均有明確規定。完成初始化過(guò)程后，診斷設備和ECU方可進(jìn)行應用層的診斷服務(wù)和響應。ISO 14230-3規定了應用層的服務(wù)規范，包括診斷管理功能組、數據傳輸功能組、診斷信息傳輸功能組、輸入/輸出控制功能組、遠程啟動(dòng)ECU例程功能組、數據上載/下載功能組和擴展功能組。在診斷服務(wù)請求/響應過(guò)程中，診斷設備和ECU必須遵循圖2所示的時(shí)序和相關(guān)定時(shí)參數。對于初始化和診斷服務(wù)過(guò)程中出現的各種定時(shí)錯誤，在數據鏈路層和應用層協(xié)議里面都有相應的處理規范，診斷設備及ECU的應用程序都必須嚴格遵守。



圖2 K線(xiàn)診斷服務(wù)時(shí)序圖[3]

3 基于CAN總線(xiàn)的KWP2000協(xié)議

基于CAN總線(xiàn)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應用層的診斷服務(wù)移植到CAN總線(xiàn)上。數據鏈路層采用了ISO 11898-1協(xié)議，該協(xié)議是對CAN2.0B協(xié)議的進(jìn)一步標準化和規范化；應用層采用了ISO 15765-3協(xié)議，該協(xié)議完全兼容基于K線(xiàn)的應用層協(xié)議14230-3，并加入了CAN總線(xiàn)診斷功能組；網(wǎng)絡(luò )層則采用ISO 15765-2協(xié)議，規定了網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議數據單元（N_PDU，如表4所示）與底層CAN數據幀、以及上層KWP2000服務(wù)之間的映射關(guān)系，并且為長(cháng)報文的多包數據傳輸過(guò)程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復功能。



表4 網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議數據單元（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(jiàn)表5

3) 數據域：KWP2000服務(wù)標識符（Service ID） + 服務(wù)參數

應用層協(xié)議規定了四種服務(wù)數據結構，Service_Name>.Request、Service_Name>.Indication、Service_Name>.Response和Service_Name>.Confirm，分別用于診斷設備（Tester）的服務(wù)請求、ECU的服務(wù)指示、ECU的服務(wù)響應和Tester的服務(wù)確認。這些數據結構中包含了地址信息、服務(wù)請求ID和服務(wù)請求參數等內容?；贑AN總線(xiàn)的KWP2000診斷服務(wù)流程如圖3所示。