引言：

隨著汽車電子控制單元功能的增加及升級(jí)換代的需要，診斷功能已經(jīng)成為ECU不可或缺的重要組成部分，因此，深入研究診斷協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)非常必要。基于K線的ISO14230和基于CAN總線的ISO15765是業(yè)內(nèi)廣泛采用的兩種診斷標(biāo)準(zhǔn)【1】，K線是ISO9141定義的診斷通信總線，ISO14230在ISO9141的基礎(chǔ)上將K線電壓擴(kuò)展到24V，并擴(kuò)展了診斷服務(wù)。

相比較于CAN總線，K線診斷既能滿足要求，又能節(jié)約成本，在國(guó)產(chǎn)車上得到大規(guī)模應(yīng)用。不同于CAN總線有專門的協(xié)議驅(qū)動(dòng)器，用戶直接進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫而不用管理底層的通信，K線沒(méi)有專門的協(xié)議驅(qū)動(dòng)器，一般要在SCI模塊的基礎(chǔ)上用軟件實(shí)現(xiàn)其底層通信管理，筆者為某國(guó)產(chǎn)車設(shè)計(jì)了一款帶K線診斷功能的車身控制模塊，結(jié)合ISO14230規(guī)范，首先分析K線診斷協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的功能，然后介紹協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，最后用CANoe進(jìn)行測(cè)試。

1 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器功能

ISO14230-1定義了K線物理層協(xié)議，ISO14230-2定義了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，ISO14230-3定義了應(yīng)用層協(xié)議【2】，其與OSI模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 ISO14230與OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

物理層定義了邏輯位與物理電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)定義了信號(hào)位的上升時(shí)間和下降時(shí)間，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了K線數(shù)據(jù)格式、診斷報(bào)文格式、定時(shí)參數(shù)及通信錯(cuò)誤判定及處理機(jī)制，應(yīng)用層協(xié)議定義了基于請(qǐng)求/響應(yīng)的診斷過(guò)程及各項(xiàng)診斷服務(wù)。做為待診斷ECU節(jié)點(diǎn)，K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

1、診斷報(bào)文的封裝和發(fā)送、接收和解析，根據(jù)報(bào)文格式填充/提取SID和數(shù)據(jù);

2、通過(guò)初始化過(guò)程建立與診斷儀之間的診斷通信;

3、根據(jù)診斷儀的診斷請(qǐng)求和ECU當(dāng)前狀態(tài)返回相應(yīng)的診斷響應(yīng)，管理診斷會(huì)話;

4、保持正確的幀間定時(shí)、字節(jié)間定時(shí)，檢測(cè)診斷儀報(bào)文的定時(shí)錯(cuò)誤及其它通信錯(cuò)誤;

下面結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議分析及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)介紹下K線診斷協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的原理及實(shí)現(xiàn)。

2 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

K線基于異步串行通信接口，在底層傳輸上采用8N1格式的SCI串行數(shù)據(jù)鏈路格式：8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)，由于K線在物理層上是單根線，在發(fā)送時(shí)也會(huì)觸發(fā)接收中斷，所以K線報(bào)文的發(fā)送和接收解析統(tǒng)一在SCI接收中斷處理函數(shù)中以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)【3】。下面從報(bào)文收發(fā)及解析、初始化、定時(shí)管理三個(gè)方面介紹下數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)。

2.1 報(bào)文收發(fā)及解析

表2 K線診斷報(bào)文結(jié)構(gòu)

K線報(bào)文由報(bào)文頭、數(shù)據(jù)字段及校驗(yàn)和組成。報(bào)文頭包含格式字節(jié)Fmt、目標(biāo)地址Tgt、源地址Src和可選附加長(zhǎng)度信息Len，F(xiàn)mt指定目標(biāo)地址的形式(物理地址/功能地址)，當(dāng)報(bào)文頭中不包含可選Len字段時(shí)指定數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度;數(shù)據(jù)字段包括服務(wù)標(biāo)識(shí)符Sid和數(shù)據(jù)Data，其長(zhǎng)度由Fmt和Len決定;CS為單字節(jié)校驗(yàn)和。設(shè)計(jì)報(bào)文結(jié)構(gòu)體如下：

typedef struct

{

k_state state;

uchar fmt;

uchar tgt_addr;

uchar src_addr;

uchar datalen;

uchar sid;

uchar *data;

uchar checksum;

uchar msgdatalen;

uchar done;

}k_msg;

typedef enum{

k_FMT=0,

k_TGTADDR,

k_SRCADDR,

k_DATALEN,

k_SID,

k_DATA,

k_CS

}k_state;

成員變量state表示當(dāng)前K線通信數(shù)據(jù)是報(bào)文中的哪個(gè)組成部分，msgdatalen用于數(shù)據(jù)字段字節(jié)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，done表示該報(bào)文是否發(fā)送或接收完成，其它成員變量與報(bào)文結(jié)構(gòu)組成部分一一對(duì)應(yīng)。

void k_ifc_rx(void)

{

k_u8 ch,SciSr1;

SciSr1=Kline_periph[SCISR1];

ch=Kline_periph[SCIDRL];

TimerStop(k_TP4);

switch(k_curmsg.state){

case k_FMT:

if(k_REP==k_drvhandle.mode){

if(ch==k_curmsg.fmt){

k_curmsg.state=k_TGTADDR;

k_SendChar(k_curmsg.tgt_addr);

}

}else{

k_curmsg.state=k_TGTADDR;

k_curmsg.fmt=ch;

}

break;

case k_TGTADDR:

...

break;

case k_SRCADDR:

...

break;

case k_DATALEN:

if(k_REP==k_drvhandle.mode){

if(ch==k_curmsg.datalen){

k_curmsg.msgdatalen=0;

k_curmsg.state=k_SID;

k_SendChar(k_curmsg.sid);

}

}else{

k_curmsg.msgdatalen=0;

k_curmsg.datalen=ch;

free(k_curmsg.data);

k_curmsg.data=malloc(k_curmsg.datalen);

k_curmsg.state=k_SID;

}

break;

case k_SID:

if(k_REP==k_drvhandle.mode){

if(ch==k_curmsg.sid){

k_curmsg.msgdatalen++;

if(k_curmsg.msgdatalen==k_curmsg.datalen){

k_curmsg.state=k_CS;

k_SendChar(k_curmsg.checksu);

}else{

k_curmsg.state=k_DATA;

k_SendChar(k_curmsg.data[0]);

}

}

}else{

k_curmsg.sid=ch;

k_curmsg.msgdatalen++;

if(k_curmsg.datalen==k_curmsg.msgdatalen){

k_curmsg.state=k_CS;

}else{

k_curmsg.state=k_DATA;

}

}

break;

case k_DATA:

...

break;

case k_CS:

k_curmsg.state=k_FMT;

if(k_REP==k_drvhandle.mode){

if(ch==k_curmsg.checksum){

k_curmsg.done=1;

}

}else{

k_curmsg.checksum=ch;

k_curmsg.done=1;

}

break;

} if((k_REQ==k_drvhandle.mode)&&(k_FMT!=k_curmsg.state)){

TimerStart(k_REP_P4MS,k_TP4,0,1);

}

}

2.2 初始化

在開(kāi)始診斷服務(wù)之前，診斷儀必須對(duì)ECU進(jìn)行初始化，通過(guò)ECU的響應(yīng)獲取ECU支持的報(bào)文頭格式和定時(shí)參數(shù)，建立診斷通訊【4】。初始化過(guò)程如圖1所示，診斷儀發(fā)送一個(gè)25ms ’0’、25ms’1’的WuP(WakeUp Pattern)，然后發(fā)送STC(StartCommunication) Request，ECU檢測(cè)出WuP并接收到正確的STC Request后返回STC Response，該報(bào)文的Data字段為由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成的“關(guān)鍵字(Key Word)”，指定了ECU所支持的報(bào)文頭和定時(shí)參數(shù)信息，如Key Word指定為0x8fea即表示在報(bào)文頭中采用附加長(zhǎng)度信息Len表示數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度，同時(shí)采用默認(rèn)的定時(shí)參數(shù)。

圖1 初始化過(guò)程

初始化之前K線處于空閑狀態(tài)，ECU禁止SCI功能并使能SCI的RXD引腳為IO模式，檢測(cè)到下降沿時(shí)通過(guò)定時(shí)器統(tǒng)計(jì)RXD引腳的IO低電平的持續(xù)時(shí)間，檢測(cè)到上升沿時(shí)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)RXD引腳的IO高電平持續(xù)時(shí)間，判斷是否為有效的WuP;也可以設(shè)置SCI的波特率為200bps，判斷是否能接收到數(shù)據(jù)0xf0(0xf0在總線上表現(xiàn)為5個(gè)0，5個(gè)1)，檢測(cè)出正確的WuP后，使能SCI功能，設(shè)置波特率為10400bps，等待診斷儀發(fā)送的STC Request，接收到請(qǐng)求后返回STC Response肯定響應(yīng)，建立診斷通訊。

2.3 定時(shí)管理

ISO14230定義了4個(gè)定時(shí)參數(shù)管理字節(jié)間定時(shí)和報(bào)文間定時(shí)，診斷儀和ECU需要共同遵守這些定時(shí)約束以保證正常的診斷通訊，表2給出了這4個(gè)定時(shí)參數(shù)的含義及取值區(qū)間。

參數(shù)變量描述最小值(ms)最大值(ms)

P1ECU響應(yīng)的字節(jié)間時(shí)間間隔020

P2診斷儀請(qǐng)求和ECU響應(yīng)之間的時(shí)間間隔，或兩個(gè)ECU響應(yīng)之間的時(shí)間間隔2550

P3ECU響應(yīng)和診斷儀請(qǐng)求之間的時(shí)間間隔555000

P4診斷儀請(qǐng)求的字節(jié)間時(shí)間間隔020

表2 定時(shí)參數(shù)

P1和P4是報(bào)文內(nèi)字節(jié)間定時(shí)，P2和P3為報(bào)文間定時(shí)。診斷儀在初始化完成后或接收到診斷響應(yīng)后需要在P3時(shí)間內(nèi)發(fā)送診斷請(qǐng)求，否則ECU端退出診斷會(huì)話，斷開(kāi)診斷通訊，K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器重啟，等待診斷儀發(fā)出下一個(gè)WuP和STC Request。ECU在接收到診斷請(qǐng)求后，需要在P2時(shí)間內(nèi)返回診斷響應(yīng)， P2由ECU控制，通常采用25ms的固定值，當(dāng)診斷請(qǐng)求報(bào)文中的Fmt字段指定目標(biāo)地址為“功能地址”時(shí)，P2的取值需要用一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，因?yàn)閷?duì)于功能尋址的診斷儀請(qǐng)求來(lái)說(shuō)，可能多個(gè)ECU都會(huì)返回響應(yīng)，如果采用固定的P2參數(shù)的話，可能會(huì)因?yàn)槎鄠€(gè)ECU競(jìng)爭(zhēng)總線而出現(xiàn)總線沖突問(wèn)題，P2采用隨機(jī)數(shù)，ECU不會(huì)在同一時(shí)間返回響應(yīng)，從而避免了總線競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

3 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器測(cè)試

協(xié)議驅(qū)動(dòng)器在Vector公司的CANoe軟硬件平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行基于K線的KWP2000服務(wù)測(cè)試時(shí)，將KWP2000.dll和KLineCPL.dll模塊加入CANoe仿真環(huán)境，CANoe模擬診斷儀節(jié)點(diǎn)，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)串口/K線轉(zhuǎn)換器與ECU相連，診斷實(shí)現(xiàn)框架如圖2所示。

圖2 K線診斷框架

與CAN總線診斷不同的是，K線診斷需要診斷儀通過(guò)初始化過(guò)程和ECU建立診斷通訊，診斷通訊的建立如圖3所示。建立診斷通訊后便可以像CAN診斷一樣進(jìn)行診斷服務(wù)了，這方面論文很多，在此不再贅述。

圖3 建立診斷通訊

結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)的K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試, 能夠高效完成K線診斷，性能和穩(wěn)定性達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立于處理器和操作系統(tǒng)，具有良好的通用性和靈活性，可以方便得集成到應(yīng)用程序中，具有很高的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。