基于K线/CAN总线的KWP2000协议分析及其协议栈的开发与测试

1 前言

在汽车故障诊断领域，针对诊断设备和汽车ECU之间的数据交换，各大汽车公司几乎都制订了相关的标准和协议。其中，欧洲汽车领域广泛使用的一种车载诊断协议标准是KWP2000（Keyword Protocol 2000），该协议实现了一套完整的车载诊断服务，并且满足E-OBD（European On Board Diagnose）标准。KWP2000最初是基于K线的诊断协议，由于K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上的局限性，使得K线无法满足日趋复杂的车载诊断网络的需求。而CAN网络（Controller Area Network）由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率（可达1M bps）和灵活可靠的通讯方式，在车载网络领域广受青睐，越来越多的汽车制造商把CAN总线应用于汽车控制、诊断和通讯。近年来欧洲汽车领域广泛采用了基于CAN总线的KWP2000，即ISO 15765协议，而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议将逐步被淘汰。

在网络协议开发和测试应用方面，美国MathWorks公司和德国Vector公司提供了功能强大的开发和测试工具，可分别用于协议栈源码的开发和ECU测试。

2 基于K线的KWP2000协议

基于K线的KWP2000协议标准主要包括ISO/WD 14230-1～14230-4，各部分协议与OSI模型的对应关系如表1所示。

表1 KWP2000协议与OIS模型的对应关系

ISO 14230-1规定了KWP2000协议的物理层规范（K线、L线），它在ISO 9141-2的基础上把数据交换系统扩展到了24V电压系统。ISO 14230-2规定了KWP2000的数据链路层协议，包括报文结构、初始化过程、通讯连接管理、定时参数和错误处理等内容。K线的报文包括报文头、数据域和校验和三部分，其中报文头包含格式字节、目标地址（可选）、源地址（可选）和附加长度信息（可选），如表2所示。

表2 基于K线的KWP2000报文结构[3]

1）可选字节，取决于格式字节Fmt的A1A0位
2）服务标识符（Service ID），数据域的第1个字节
在开始诊断服务之前，诊断设备必须对ECU进行初始化，通过ECU的响应获取ECU的源地址、通讯波特率、支持的报文头格式、定时参数等信息。ECU所支持的报文头和定时参数信息包含在ECU返回的"关键字（Key Word）"中（这也是协议命名的由来）。关键字由两个字节构成，如图1所示，关键字的低字节中各位的含义如表3所示。

图1 关键字格式[3]

表3 关键字低字节中各位的含义[3]

*) 只允许TP0,TP1 = 0,1 或者1,0

诊断设备可以采用两种方式对ECU进行初始化--5Baud初始化和快速初始化，对于这两种初始化的时序在数据链路层协议[3]中均有明确规定。完成初始化过程后，诊断设备和ECU方可进行应用层的诊断服务和响应。ISO 14230-3规定了应用层的服务规范，包括诊断管理功能组、数据传输功能组、诊断信息传输功能组、输入/输出控制功能组、远程启动ECU例程功能组、数据上载/下载功能组和扩展功能组。在诊断服务请求/响应过程中，诊断设备和ECU必须遵循图2所示的时序和相关定时参数。对于初始化和诊断服务过程中出现的各种定时错误，在数据链路层和应用层协议里面都有相应的处理规范，诊断设备及ECU的应用程序都必须严格遵守。

图2 K线诊断服务时序图[3]

3 基于CAN总线的KWP2000协议

基于CAN总线的KWP2000协议实际上指的就是ISO/WD 15765-1～15765-4，该协议把KWP2000应用层的诊断服务移植到CAN总线上。数据链路层采用了ISO 11898-1协议，该协议是对CAN2.0B协议的进一步标准化和规范化；应用层采用了ISO 15765-3协议，该协议完全兼容基于K线的应用层协议14230-3，并加入了CAN总线诊断功能组；网络层则采用ISO 15765-2协议，规定了网络层协议数据单元（N_PDU，如表4所示）与底层CAN数据帧、以及上层KWP2000服务之间的映射关系，并且为长报文的多包数据传输过程提供了同步控制、顺序控制、流控制和错误恢复功能。

表4 网络层协议数据单元（N_PDU）格式[7]

1) 地址信息：包含源地址（SA）、目标地址（TA）、目标地址格式（TA_Type）和远程地址（RA）
2) 协议控制信息：包含四种帧格式，见表5
3) 数据域：KWP2000服务标识符（Service ID） + 服务参数
应用层协议规定了四种服务数据结构，<Service_Name>.Request、<Service_Name>.Indication、<Service_Name>.Response和<Service_Name>.Confirm，分别用于诊断设备（Tester）的服务请求、ECU的服务指示、ECU的服务响应和Tester的服务确认。这些数据结构中包含了地址信息、服务请求ID和服务请求参数等内容。基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程如图3所示。

图3 基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程图

从上面的服务流程可以看出，基于CAN总线的KWP2000协议支持多包数据传输，并且多包数据的管理和组织是在网络层完成的，应用层不必关心数据的打包和解包过程。为实现这一功能，网络层定义了四种PDU（以PCI类型进行区分，如表5所示）：

单帧（Single Frame，SF） － 数据域及PCI可在一个CAN数据帧中容纳时，服务报文以单帧CAN报文进行发送。
第一帧（First Frame，FF） － 数据域及PCI不能在一个CAN数据帧中容纳时，服务报文以多帧CAN报文进行发送，其中第一帧（FF）除传送数据外，还包含了多包数据的长度信息。
连续帧（Consecutive Frame，CF） － 多包数据中除第一帧外的连续数据帧，除传送数据外，还包含了多包数据的包序号。
流控制帧（Flow Control，FC） － 用于多包数据传输过程中的流控制，不包含数据，只包含流控制状态、数据块大小和最小间隔时间等流控制信息。

表5 15765协议网络层四种PDU对应的PCI格式[7]