[導讀] 引言：隨著汽車電子系統(tǒng)越來越復雜，診斷功能已經(jīng)成為ECU軟件設(shè)計的一個重要組成部分，對ECU控制系統(tǒng)的正常運行及其大規(guī)模應用的市場化過程非常關(guān)鍵。隨著ECU功能的增加以及升級換代的需要，診斷標準及廠商自定義診
引言：
隨著汽車電子系統(tǒng)越來越復雜，診斷功能已經(jīng)成為ECU軟件設(shè)計的一個重要組成部分，對ECU控制系統(tǒng)的正常運行及其大規(guī)模應用的市場化過程非常關(guān)鍵。隨著ECU功能的增加以及升級換代的需要，診斷標準及廠商自定義診斷功能越來越豐富，各種服務子功能也越來越細化，增加了診斷的難度，因此，深入研究診斷協(xié)議及其實現(xiàn)非常必要。K線和CAN總線是業(yè)內(nèi)廣泛采用的兩種診斷標準【1】，CAN總線在歐美車中廣泛使用，而K線在國產(chǎn)車中應用廣泛，筆者結(jié)合為某國產(chǎn)車型開發(fā)一款BCM(Body Control Module，車身控制模塊)的經(jīng)驗，分析K線規(guī)范，然后從故障自診斷和在線診斷兩個方面講述一下BCM診功能的設(shè)計與實現(xiàn)。
1 K線協(xié)議分析
K線是ISO9141定義的用于診斷通信的串行數(shù)據(jù)總線，ISO14230在ISO9141的基礎(chǔ)上將其總線電壓擴展到24V，并完整定義了KWP2000協(xié)議，完善了診斷通信標準，擴展了診斷服務【2】。K線通信采用SCI數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)鏈路層在串口通信上以軟件形式實現(xiàn)，物理層比較簡單，通過單根物理線完成半雙工異步通信，選擇LIN總線物理層芯片即可完成物理電平與邏輯電平的轉(zhuǎn)換。
ISO14230-1定義了K線物理層協(xié)議，ISO14230-2定義了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，ISO14230-3定義了應用層協(xié)議及各項診斷服務，下面從報文結(jié)構(gòu)、初始化過程、定時參數(shù)三個方面重點介紹下其數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
1.1 報文結(jié)構(gòu)
K線診斷報文結(jié)構(gòu)如表1所示：
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報文頭
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數(shù)據(jù)字段
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校驗和
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Fmt
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Tgt
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Src
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Len
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Sid
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Data
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CS
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最大4個字節(jié)
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最大63字節(jié)或255字節(jié)
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1個字節(jié)
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表1 K線診斷報文結(jié)構(gòu)
K線報文由報文頭、數(shù)據(jù)字段及校驗和組成。報文頭包含格式字節(jié)Fmt、目標地址Tgt、源地址Src和附加長度信息Len；數(shù)據(jù)字段包括服務標識符Sid和數(shù)據(jù)Data，其長度由Fmt和Len決定；校驗和CS為單字節(jié)校驗，計算方式為對報文頭和數(shù)據(jù)字段中的所有數(shù)據(jù)累加求和，忽略求和過程中產(chǎn)生的進位。
1.2 初始化過程
診斷儀在對ECU進行任何診斷服務之前，首先需要建立和ECU之間的診斷通訊，這是通過“初始化過程”實現(xiàn)的。ISO14230定義了兩種初始化方式-5 Baud初始化和快速初始化，5 Baud初始化是為了向后兼容ISO9141的需要，現(xiàn)在廣泛實現(xiàn)的是快速初始化方式。該過程如圖1所示，診斷儀發(fā)送一個WuP(WakeUp Pattern)，然后發(fā)送StartCommunicationRequest，ECU檢測出WuP，然后發(fā)送StartCommunicationResponse，返回ECU支持的報文頭格式、定時參數(shù)等信息。
圖1 快速初始化過程
1.3 定時參數(shù)
在診斷過程中，需要遵守一些定時參數(shù)的約束，以保證正常的診斷通訊，ISO14230定義了4個定時參數(shù)管理字節(jié)間定時和報文間定時，圖2為定時參數(shù)的示意圖，表2解釋了這4個定時參數(shù)的含義及取值區(qū)間。
圖2 定時參數(shù)示意圖
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參數(shù)變量
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描述
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最小值(ms)
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最大值(ms)
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P1
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ECU響應的字節(jié)間時間間隔
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0
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20
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P2
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診斷儀請求結(jié)束和ECU響應開始的時間間隔，或ECU響應結(jié)束和下一個ECU響應開始之間的時間間隔
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25
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50
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P3
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ECU響應結(jié)束和診斷儀新的請求開始之間的時間間隔
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55
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5000
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P4
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診斷儀請求的字節(jié)間時間間隔
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5
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20
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表2 定時參數(shù)
2診斷
診斷是指汽車電子控制系統(tǒng)在運行過程中不斷監(jiān)測各個組成部分的工作情況，進行故障定位并存儲，然后通過支持診斷協(xié)議的診斷工具進行在線讀取，得到故障信息，它包括自診斷和在線診斷兩個部分【3】。
2.1 自診斷
自診斷是指以系統(tǒng)實時監(jiān)測為基礎(chǔ)，據(jù)監(jiān)測現(xiàn)象反映的電控系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過進一步的數(shù)據(jù)分析，判斷故障位置、類型及原因，同時針對系統(tǒng)異常做出相應調(diào)整的過程。
BCM的主要功能是控制門鎖、車窗、車燈、雨刷這些負載【4】，相應地，BCM的主要故障是負載開路及短路。開路故障不會造成很嚴重的后果，可以利用負載驅(qū)動芯片的電流鏡像功能實現(xiàn)。設(shè)置一定的采樣周期，通過取樣電阻對負載工作電流進行周期性采樣，如果工作電流小于某個閾值并持續(xù)一段時間，則認為出現(xiàn)開路故障。
短路發(fā)生時的負載工作電流非常大，故障持續(xù)會造成相當嚴重的后果，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)車燈短路故障超過十毫秒量級就會把電量相對不足的供電電源拉低到地，這就會造成所有從汽車蓄電池上取電的ECU復位，因此短路故障需要及時得檢測出來并關(guān)斷相關(guān)負載的驅(qū)
動電路。
由于負載剛啟動時有很大的浪涌電流，需要和負載短路做出區(qū)分以免誤判。浪涌電流持續(xù)時間一般為毫秒量級，設(shè)置負載工作電流的采樣周期為10毫秒，兩次采樣工作電流均超過閾值則認為短路故障發(fā)生。在實際應用中，10ms的采樣周期會影響系統(tǒng)運行效率，增大電流消耗，而采樣周期設(shè)置過長則可能會造成沒有及時檢測出短路故障的嚴重后果，為了提高系統(tǒng)效率和短路故障檢測的實時性，可以通過監(jiān)測負載驅(qū)動電壓的方式實現(xiàn)短路故障檢測。
高端開關(guān)MOSFET驅(qū)動的負載對地短路時，負載驅(qū)動電壓為0 v，低端開關(guān)MOSFET驅(qū)動的負載對電源短路時，負載驅(qū)動電壓為電源電壓。對負載驅(qū)動電壓進行分壓處理，以可觸發(fā)中斷的處理器IO腳進行檢測，短路故障發(fā)生可以觸發(fā)IO腳中斷，這樣可以提高短路故障檢測的實時性，且不會出現(xiàn)誤判負載啟動為負載短路的情況。
2.2 在線診斷
在線診斷是指診斷儀根據(jù)國際通用或企業(yè)自定義的診斷協(xié)議，發(fā)送診斷服務請求，ECU根據(jù)服務請求返回響應的過程。需要指出的是，隨著汽車系統(tǒng)的愈加復雜和ECU功能的增加，在線診斷已不再局限于早期的讀取故障碼，還包括軟件升級、版本配置等功能。目前國際通用的診斷協(xié)議包括基于CAN總線的ISO15765和基于K線的ISO14230【5】。
基于K線的診斷網(wǎng)絡采用總線式網(wǎng)絡架構(gòu)，多個ECU節(jié)點通過單根K線和診斷儀連接在一起，每個ECU有特定的物理地址和邏輯地址，診斷儀通過物理地址或邏輯地址對ECU進行尋址，拓撲如圖3所示：
圖3 診斷網(wǎng)絡拓撲
在線診斷過程如下：首先診斷儀通過初始化過程建立和特定地址ECU之間的“診斷通訊”，自動進入默認模式的“診斷會話”，也可以通過SDS服務(StartDiagnosticSession Service)建立一個特定模式的“診斷會話”，該模式?jīng)Q定了在此診斷會話中可以進行哪些診斷服務，診斷結(jié)束后通過StopCommunication Service斷開“診斷通訊”。診斷服務由表1中所述K線報文結(jié)構(gòu)中的服務標識符Sid標識，ISO14230-3定義了各種診斷服務的Sid及Data，如清除診斷信息服務請求(ClearDiagnosticInformation Service request)的Sid為0x14，Data為兩個字節(jié)標識的故障代碼組(groupOfDTC)，0xFFFF表示所有故障代碼,0x0000-0xFFFE為整車廠自定義的故障代碼組合，該服務請求、肯定響應及否應響應的定義如表3、表4及表5所示。其他診斷服務在此不再贅述。
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清除診斷信息請求
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參數(shù)
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說明
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編碼
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CLRDTC
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清空診斷信息，這個服務允許擦去由一個 ECU所記錄的診斷信息。
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0x14
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groupOfDTC
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DTC組
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0x0000-0xFFFE=廠商自定義故障組
0xFFFF=整個故障組
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表3 清除診斷信息請求
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清除診斷信息肯定響應
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參數(shù)
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說明
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編碼
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CLRDTCPR
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清空診斷信息肯定響應
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0x54=0x14+0x40
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groupOfDTC
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DTC組
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0x0000-0xFFFE=廠商自定義故障組
0xFFFF=整個故障組
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表4 清除診斷信息肯定響應
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清除診斷信息否定響應
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參數(shù)
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說明
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編碼
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CLRDTCNR
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清空診斷信息否定響應
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0x7f
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CLRDTC
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清空診斷信息請求Sid
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0x14
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RC
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Response Code
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0x12=不支持的子功能
0x22=條件不正確
0x78=回應掛起
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表5 清除診斷信息否定響應
結(jié)語
隨著汽車電子的發(fā)展，診斷功能在ECU的開發(fā)設(shè)計中已經(jīng)成為必不可少的一部分，基于K線的ISO14230是在國產(chǎn)車中得到廣泛應用的一套非常完善的車載診斷協(xié)議標準。本文結(jié)合車身控制模塊BCM的診斷功能設(shè)計，分析了K線診斷協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應用層規(guī)范，介紹了基于K線的BCM診斷的實現(xiàn)，具有很好的借鑒意義。
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