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

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。

流控制幀(Flow Control，F(xiàn)C) - 用于多包數(shù)據(jù)傳輸過程中的流控制，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間等流控制信息。

表5 15765協(xié)議網(wǎng)絡層四種PDU對應的PCI格式[7]

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

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

3) 多包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包編號。

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)點首先發(fā)送“第一幀”，告知接收節(jié)點將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的總長度;接收節(jié)點分配好資源、準備接收數(shù)據(jù)，然后以一幀“流控制幀”告知發(fā)送節(jié)點一次可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目和時間間隔;發(fā)送節(jié)點接下來就根據(jù)接收節(jié)點的接收能力將編好序號的數(shù)據(jù)包依次發(fā)送過去。

圖4 多包數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在數(shù)據(jù)傳送過程中，一個網(wǎng)絡層PDU被編排成一個CAN數(shù)據(jù)幀，它們之間的對應關系由尋址模式(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)、擴展尋址模式(Extended)和用于遠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擴展幀，并且SAE J1939為該尋址模式下的KWP2000診斷服務保留了兩個專用參數(shù)組編號(PGN)：其中PF=218(PF的具體定義請參考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)幀之間的對應關系如表6所示。

表6 正常固定尋址模式下N_PDU與CAN數(shù)據(jù)幀之間的對應關系[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)域的第一個字節(jié)用于填充遠程地址(RA)，N_PCI和診斷服務數(shù)據(jù)的填充位置向后移動一個字節(jié)?；旌蠈ぶ纺Ｊ接糜诳缭骄W(wǎng)段進行遠程診斷，遠程診斷的機制如圖5所示。圖中CAN1和CAN2兩個不同的子網(wǎng)通過網(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中的診斷設備(源地址為241)可通過網(wǎng)橋?qū)ψ泳W(wǎng)2中的ECU(源地址為62)進行診斷。

圖5 跨越網(wǎng)段的遠程診斷

4 兩種協(xié)議的簡單比較

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1Mbps。

K線采用單端信號傳輸，抗干擾能力較弱，可靠性較差;CAN總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，信號傳輸?shù)目煽啃愿摺?p>K線診斷在啟動應用層診斷服務之前必須對ECU進行初始化建立連接，并且初始化過程比較復雜;而基于CAN總線的診斷設備不需要對ECU進行初始化即可進行診斷服務。

K線診斷應用程序開發(fā)者必須親自管理數(shù)據(jù)傳輸過程中的字節(jié)間定時，并處理底層通訊錯誤;CAN數(shù)據(jù)幀以整幀報文的形式進行發(fā)送，應用程序開發(fā)者不必管理字節(jié)間定時，并且CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具備完善的錯誤檢測和錯誤恢復機制，應用程序不必監(jiān)視和處理底層通訊錯誤。

K線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)單一，網(wǎng)絡管理功能很弱;而利用CAN總線可構(gòu)建復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可跨越網(wǎng)段進行遠程診斷。

K線網(wǎng)絡采用破壞性的仲裁機制，當診斷設備采用功能尋址與多個ECU進行通訊時，為避免總線沖突，ECU開發(fā)者必須采取措施保證多個ECU順序訪問總線;而CAN網(wǎng)絡采用非破壞性的仲裁機制，并且仲裁過程由數(shù)據(jù)鏈路層完成，當診斷設備采用功能尋址與多個ECU進行通訊時，ECU開發(fā)者不必考慮總線訪問沖突問題。

K線服務報文最大字節(jié)長度僅為255，無法滿足更長報文的傳輸要求，并且在長報文的傳輸過程中用戶必須自己采取措施進行連接管理，可靠性和兼容性較差;而 CAN總線診斷服務報文最大字節(jié)長度可達4096(12位)，對于長報文的傳輸，網(wǎng)絡層協(xié)議還具備標準化和規(guī)范化的同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復等功能，具備很高的可靠性、兼容性。

5 KWP2000協(xié)議棧的開發(fā)及測試

從前面的協(xié)議分析可以看出，無論是基于K線還是CAN總線的KWP2000協(xié)議，都是邏輯非常復雜的系統(tǒng)，并且具有嚴格的定時和錯誤處理規(guī)范。如果采用純手工的方式來進行KWP2000協(xié)議棧的開發(fā)，不僅要耗費大量的時間和人力，其通用性、完備性、可靠性和可維護性都很難保證。而 MATLAB/Simulink/StateFlow不僅具備方便快捷的上層實時仿真環(huán)境，還集成了高效的嵌入式代碼自動生成工具，為協(xié)議棧的開發(fā)和維護提供了強大的支持平臺。此外，由德國Vector公司的CANoe軟件和相關硬件板卡組成的應用開發(fā)平臺，可用于汽車網(wǎng)絡(CAN，Lin等)的上層協(xié)議開發(fā)和系統(tǒng)測試，該平臺同時支持基于K線和CAN總線的KWP2000診斷協(xié)議，可作為ECU和診斷設備的測試標準。

圖6是協(xié)議源碼開發(fā)過程示意圖。首先在MATLAB/Simulink/StateFlow中遵照協(xié)議標準進行KWP2000協(xié)議棧開發(fā)，在仿真調(diào)試環(huán)境下實現(xiàn)通訊邏輯、定時控制和錯誤處理，待系統(tǒng)完善后利用StateFlow嵌入式代碼生成工具自動生成協(xié)議棧C代碼，并與目標系統(tǒng)的底層驅(qū)動進行集成，然后植入目標系統(tǒng)形成應用程序，最后再利用CANoe作為標準進行系統(tǒng)集成測試。