K线诊断协议驱动器设计

引言：

随着汽车电子控制单元功能的增加及升级换代的需要，诊断功能已经成为ECU不可或缺的重要组成部分，因此，深入研究诊断协议及其实现非常必要。基于K线的ISO14230和基于CAN总线的ISO15765是业内广泛采用的两种诊断标准【1】，K线是ISO9141定义的诊断通信总线，ISO14230在ISO9141的基础上将K线电压扩展到24V，并扩展了诊断服务。相比较于CAN总线，K线诊断既能满足要求，又能节约成本，在国产车上得到大规模应用。不同于CAN总线有专门的协议驱动器，用户直接进行应用程序的编写而不用管理底层的通信，K线没有专门的协议驱动器，一般要在SCI模块的基础上用软件实现其底层通信管理，笔者为某国产车设计了一款带K线诊断功能的车身控制模块，结合ISO14230规范，首先分析K线诊断协议驱动器的功能，然后介绍协议驱动器的关键设计技术，最后用CANoe进行测试。

1 协议驱动器功能

ISO14230-1定义了K线物理层协议，ISO14230-2定义了数据链路层协议，ISO14230-3定义了应用层协议【2】，其与OSI模型对应关系如表1所示。

OSI模型	K线诊断协议
应用层	ISO14230-3
表述层	N/A
会话层	N/A
传输层	N/A
网络层	N/A
数据链路层	ISO14230-2
物理层	ISO14230-1

表1 ISO14230与OSI模型的对应关系

物理层定义了逻辑位与物理电平的对应关系，同时定义了信号位的上升时间和下降时间，数据链路层协议定义了K线数据格式、诊断报文格式、定时参数及通信错误判定及处理机制，应用层协议定义了基于请求/响应的诊断过程及各项诊断服务。做为待诊断ECU节点，K线协议驱动器实现的主要功能包括：

1、诊断报文的封装和发送、接收和解析，根据报文格式填充/提取SID和数据；

2、通过初始化过程建立与诊断仪之间的诊断通信；

3、保持正确的帧间定时、字节间定时，检测诊断仪报文的定时错误及其它通信错误；

4、根据诊断仪的诊断请求和ECU当前状态返回相应的诊断响应，管理诊断会话；

下面结合数据链路层的协议分析及其数据结构、驱动程序的设计介绍下K线诊断协议驱动器的原理及实现。

2 协议驱动器设计

K线基于异步串行通信接口，在底层传输上采用8N1格式的SCI串行数据链路格式：8个数据位+1个停止位、无奇偶校验，由于K线在物理层上是单根线，在发送时也会触发接收中断，所以K线报文的发送和接收解析统一在SCI接收中断处理函数中以状态机的形式实现【3】。下面从报文收发及解析、初始化、定时管理三个方面介绍下数据链路层的实现。

2.1 报文收发及解析

K线诊断报文结构如表2所示：

报文头				数据字段		校验和
Fmt	Tgt	Src	Len	Sid	Data	CS
最大4个字节				最大63字节或255字节		1个字节

表2 K线诊断报文结构

K线报文由报文头、数据字段及校验和组成。报文头包含格式字节Fmt、目标地址Tgt、源地址Src和可选附加长度信息Len，Fmt指定目标地址的形式（物理地址/功能地址），当报文头中不包含可选Len字段时指定数据字段的长度；数据字段包括服务标识符Sid和数据Data，其长度由Fmt和Len决定；CS为单字节校验和。设计报文结构体如下：

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;

成员变量state表示当前K线通信数据是报文中的哪个组成部分，msgdatalen用于数据字段字节数的统计，done表示该报文是否发送或接收完成，其它成员变量与报文结构组成部分一一对应。

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

在开始诊断服务之前，诊断仪必须对ECU进行初始化，通过ECU的响应获取ECU支持的报文头格式和定时参数，建立诊断通讯【4】。初始化过程如图1所示，诊断仪发送一个25ms ’0’、25ms’1’的WuP(WakeUp Pattern)，然后发送STC(StartCommunication) Request，ECU检测出WuP并接收到正确的STC Request后返回STC Response，该报文的Data字段为由两个字节构成的“关键字（Key Word）”，指定了ECU所支持的报文头和定时参数信息，如Key Word指定为0x8fea即表示在报文头中采用附加长度信息Len表示数据字段长度，同时采用默认的定时参数。


图1 初始化过程

初始化之前K线处于空闲状态，ECU禁止SCI功能并使能SCI的RXD引脚为IO模式，检测到下降沿时通过定时器统计RXD引脚的IO低电平的持续时间，检测到上升沿时开始统计RXD引脚的IO高电平持续时间，判断是否为有效的WuP；也可以设置SCI的波特率为200bps，判断是否能接收到数据0xf0（0xf0在总线上表现为5个0，5个1），检测出正确的WuP后，使能SCI功能，设置波特率为10400bps，等待诊断仪发送的STC Request，接收到请求后返回STC Response肯定响应，建立诊断通讯。

2.3 定时管理

ISO14230定义了4个定时参数管理字节间定时和报文间定时，诊断仪和ECU需要共同遵守这些定时约束以保证正常的诊断通讯，表2给出了这4个定时参数的含义及取值区间。