基于K线/CAN总线的KWP2000协议分析及协议栈的开发测试

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]

1) 单帧数据中数据域的字节长度，PCI的长度不包括在内。

2) 多包数据的数据域字节总长度。

3) 多包数据的数据包编号。

4) 流控制状态信息。

5) 数据块大小。

6) 多包数据传输的最小时间间隔。

多包数据的传输流程如图4所示。发送节点首先发送“第一帧”，告知接收节点将要发送的数据的总长度；接收节点分配好资源、准备接收数据，然后以一帧“流控制帧”告知发送节点一次可以发送的数据包数目和时间间隔；发送节点接下来就根据接收节点的接收能力将编好序号的数据包依次发送过去。



图4 多包数据传输流程图

在数据传送过程中，一个网络层PDU被编排成一个CAN数据帧，它们之间的对应关系由寻址模式（Addressing mode）决定。基于ISO 15765协议规定了四种寻址模式：正常寻址模式（Normal）、正常固定寻址模式（Normal fixed）、扩展寻址模式（Extended）和用于远程诊断的混合寻址模式（Mixed）。其中，正常固定寻址模式必须采用CAN扩展帧，并且SAE J1939为该寻址模式下的KWP2000诊断服务保留了两个专用参数组编号（PGN）：其中PF=218（PF的具体定义请参考SAE J1939数据链路层协议）的参数组用于物理寻址（phy），PF=219的参数组用于功能寻址（fcn）。正常固定寻址模式的PDU与CAN数据帧之间的对应关系如表6所示。



表6 正常固定寻址模式下N_PDU与CAN数据帧之间的对应关系[7]

混合寻址模式与正常固定寻址模式类似，唯一的区别是CAN数据域的第一个字节用于填充远程地址（RA），N_PCI和诊断服务数据的填充位置向后移动一个字节。混合寻址模式用于跨越网段进行远程诊断，远程诊断的机制如图5所示。图中CAN1和CAN2两个不同的子网通过网桥相连，网桥在子网1中的源地址为200，在子网2中的源地址为10，位于子网1中的诊断设备（源地址为241）可通过网桥对子网2中的ECU（源地址为62）进行诊断。



图5 跨越网段的远程诊断