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(cè)試

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?br />
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)用開發(fā)平臺(tái)，可用于汽車網(wǎng)絡(luò)（CAN，Lin等）的上層協(xié)議開發(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)。