K線診斷協(xié)議驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
隨著汽車電子控制單元功能的增加及升級(jí)換代的需要，診斷功能已經(jīng)成為ECU不可或缺的重要組成部分，因此，深入研究診斷協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)非常必要?；贙線的ISO14230和基于CAN總線的ISO15765是業(yè)內(nèi)廣泛采用的兩種診斷標(biāo)準(zhǔn)【1】，K線是ISO9141定義的診斷通信總線，ISO14230在ISO9141的基礎(chǔ)上將K線電壓擴(kuò)展到24V，并擴(kuò)展了診斷服務(wù)。相比較于CAN總線，K線診斷既能滿足要求，又能節(jié)約成本，在國(guó)產(chǎn)車上得到大規(guī)模應(yīng)用。不同于CAN總線有專門的協(xié)議驅(qū)動(dòng)器，用戶直接進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫而不用管理底層的通信，K線沒有專門的協(xié)議驅(qū)動(dòng)器，一般要在SCI模塊的基礎(chǔ)上用軟件實(shí)現(xiàn)其底層通信管理，筆者為某國(guó)產(chǎn)車設(shè)計(jì)了一款帶K線診斷功能的車身控制模塊，結(jié)合ISO14230規(guī)范，首先分析K線診斷協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的功能，然后介紹協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，最后用CANoe進(jìn)行測(cè)試。
1 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器功能
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(yīng)用層協(xié)議【2】，其與OSI模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
OSI模型K線診斷協(xié)議
應(yīng)用層ISO14230-3
表述層N/A
會(huì)話層N/A
傳輸層N/A
網(wǎng)絡(luò)層N/A
數(shù)據(jù)鏈路層ISO14230-2
物理層ISO14230-1
表1 ISO14230與OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系
物理層定義了邏輯位與物理電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)定義了信號(hào)位的上升時(shí)間和下降時(shí)間，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了K線數(shù)據(jù)格式、診斷報(bào)文格式、定時(shí)參數(shù)及通信錯(cuò)誤判定及處理機(jī)制，應(yīng)用層協(xié)議定義了基于請(qǐng)求/響應(yīng)的診斷過程及各項(xiàng)診斷服務(wù)。做為待診斷ECU節(jié)點(diǎn)，K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：
1、診斷報(bào)文的封裝和發(fā)送、接收和解析，根據(jù)報(bào)文格式填充/提取SID和數(shù)據(jù);
2、通過初始化過程建立與診斷儀之間的診斷通信;
3、保持正確的幀間定時(shí)、字節(jié)間定時(shí)，檢測(cè)診斷儀報(bào)文的定時(shí)錯(cuò)誤及其它通信錯(cuò)誤;
4、根據(jù)診斷儀的診斷請(qǐng)求和ECU當(dāng)前狀態(tài)返回相應(yīng)的診斷響應(yīng)，管理診斷會(huì)話;
下面結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議分析及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)介紹下K線診斷協(xié)議驅(qū)動(dòng)器的原理及實(shí)現(xiàn)。
2 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
K線基于異步串行通信接口，在底層傳輸上采用8N1格式的SCI串行數(shù)據(jù)鏈路格式：8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)，由于K線在物理層上是單根線，在發(fā)送時(shí)也會(huì)觸發(fā)接收中斷，所以K線報(bào)文的發(fā)送和接收解析統(tǒng)一在SCI接收中斷處理函數(shù)中以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)【3】。下面從報(bào)文收發(fā)及解析、初始化、定時(shí)管理三個(gè)方面介紹下數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)。
2.1 報(bào)文收發(fā)及解析
K線診斷報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2所示：
報(bào)文頭數(shù)據(jù)字段校驗(yàn)和
FmtTgtSrcLenSidDataCS
最大4個(gè)字節(jié)最大63字節(jié)或255字節(jié)1個(gè)字節(jié)
表2 K線診斷報(bào)文結(jié)構(gòu)
K線報(bào)文由報(bào)文頭、數(shù)據(jù)字段及校驗(yàn)和組成。報(bào)文頭包含格式字節(jié)Fmt、目標(biāo)地址Tgt、源地址Src和可選附加長(zhǎng)度信息Len，F(xiàn)mt指定目標(biāo)地址的形式(物理地址/功能地址)，當(dāng)報(bào)文頭中不包含可選Len字段時(shí)指定數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度;數(shù)據(jù)字段包括服務(wù)標(biāo)識(shí)符Sid和數(shù)據(jù)Data，其長(zhǎng)度由Fmt和Len決定;CS為單字節(jié)校驗(yàn)和。設(shè)計(jì)報(bào)文結(jié)構(gòu)體如下：
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;
成員變量state表示當(dāng)前K線通信數(shù)據(jù)是報(bào)文中的哪個(gè)組成部分，msgdatalen用于數(shù)據(jù)字段字節(jié)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，done表示該報(bào)文是否發(fā)送或接收完成，其它成員變量與報(bào)文結(jié)構(gòu)組成部分一一對(duì)應(yīng)。
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;[!--empirenews.page--]
}
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
在開始診斷服務(wù)之前，診斷儀必須對(duì)ECU進(jìn)行初始化，通過ECU的響應(yīng)獲取ECU支持的報(bào)文頭格式和定時(shí)參數(shù)，建立診斷通訊【4】。初始化過程如圖1所示，診斷儀發(fā)送一個(gè)25ms ’0’、25ms’1’的WuP(WakeUp Pattern)，然后發(fā)送STC(StartCommunication) Request，ECU檢測(cè)出WuP并接收到正確的STC Request后返回STC Response，該報(bào)文的Data字段為由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成的“關(guān)鍵字(Key Word)”，指定了ECU所支持的報(bào)文頭和定時(shí)參數(shù)信息，如Key Word指定為0x8fea即表示在報(bào)文頭中采用附加長(zhǎng)度信息Len表示數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度，同時(shí)采用默認(rèn)的定時(shí)參數(shù)。
圖1 初始化過程
初始化之前K線處于空閑狀態(tài)，ECU禁止SCI功能并使能SCI的RXD引腳為IO模式，檢測(cè)到下降沿時(shí)通過定時(shí)器統(tǒng)計(jì)RXD引腳的IO低電平的持續(xù)時(shí)間，檢測(cè)到上升沿時(shí)開始統(tǒng)計(jì)RXD引腳的IO高電平持續(xù)時(shí)間，判斷是否為有效的WuP;也可以設(shè)置SCI的波特率為200bps，判斷是否能接收到數(shù)據(jù) 0xf0(0xf0在總線上表現(xiàn)為5個(gè)0，5個(gè)1)，檢測(cè)出正確的WuP后，使能SCI功能，設(shè)置波特率為10400bps，等待診斷儀發(fā)送的STC Request，接收到請(qǐng)求后返回STC Response肯定響應(yīng)，建立診斷通訊。
2.3 定時(shí)管理
ISO14230定義了4個(gè)定時(shí)參數(shù)管理字節(jié)間定時(shí)和報(bào)文間定時(shí)，診斷儀和ECU需要共同遵守這些定時(shí)約束以保證正常的診斷通訊，表2給出了這4個(gè)定時(shí)參數(shù)的含義及取值區(qū)間。
參數(shù)變量描述最小值(ms)最大值(ms)
P1ECU響應(yīng)的字節(jié)間時(shí)間間隔020
P2診斷儀請(qǐng)求和ECU響應(yīng)之間的時(shí)間間隔，或兩個(gè)ECU響應(yīng)之間的時(shí)間間隔2550
P3ECU響應(yīng)和診斷儀請(qǐng)求之間的時(shí)間間隔555000
P4診斷儀請(qǐng)求的字節(jié)間時(shí)間間隔020
表2 定時(shí)參數(shù)
P1和P4是報(bào)文內(nèi)字節(jié)間定時(shí)，P2和P3為報(bào)文間定時(shí)。診斷儀在初始化完成后或接收到診斷響應(yīng)后需要在P3時(shí)間內(nèi)發(fā)送診斷請(qǐng)求，否則ECU端退出診斷會(huì)話，斷開診斷通訊，K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器重啟，等待診斷儀發(fā)出下一個(gè)WuP和STC Request。ECU在接收到診斷請(qǐng)求后，需要在P2時(shí)間內(nèi)返回診斷響應(yīng)， P2由ECU控制，通常采用25ms的固定值，當(dāng)診斷請(qǐng)求報(bào)文中的Fmt字段指定目標(biāo)地址為“功能地址”時(shí)，P2的取值需要用一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，因?yàn)閷?duì)于功能尋址的診斷儀請(qǐng)求來(lái)說，可能多個(gè)ECU都會(huì)返回響應(yīng)，如果采用固定的P2參數(shù)的話，可能會(huì)因?yàn)槎鄠€(gè)ECU競(jìng)爭(zhēng)總線而出現(xiàn)總線沖突問題，P2采用隨機(jī)數(shù)，ECU不會(huì)在同一時(shí)間返回響應(yīng)，從而避免了總線競(jìng)爭(zhēng)問題。
3 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器測(cè)試
協(xié)議驅(qū)動(dòng)器在Vector公司的 CANoe軟硬件平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行基于K線的KWP2000服務(wù)測(cè)試時(shí)，將KWP2000.dll和KLineCPL.dll模塊加入CANoe仿真環(huán)境，CANoe模擬診斷儀節(jié)點(diǎn)，并使用一個(gè)代理節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)和K線之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)CANoe使用計(jì)算機(jī)的串口，并通過串口/K線轉(zhuǎn)換器與 ECU相連，診斷實(shí)現(xiàn)框架如圖2所示。
圖2 K線診斷框架
與CAN總線診斷不同的是，K線診斷需要診斷儀通過初始化過程和ECU建立診斷通訊，診斷通訊的建立如圖3所示。建立診斷通訊后便可以像CAN診斷一樣進(jìn)行診斷服務(wù)了，這方面論文很多，在此不再贅述。
圖3 建立診斷通訊
結(jié)語(yǔ)
本文實(shí)現(xiàn)的K線協(xié)議驅(qū)動(dòng)器模塊經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試, 能夠高效完成K線診斷，性能和穩(wěn)定性達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立于處理器和操作系統(tǒng)，具有良好的通用性和靈活性，可以方便得集成到應(yīng)用程序中，具有很高的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。
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