基于K線/CAN總線的KWP2000協議分析及協議棧的開發測試

1 前言

在汽車故障診斷領域，針對診斷設備和汽車ECU之間的數據交換，各大汽車公司幾乎都制訂了相關的標準和協議。其中，歐洲汽車領域廣泛使用的一種車載診斷協議標準是KWP2000（Keyword Protocol 2000），該協議實現了一套完整的車載診斷服務，并且滿足E-OBD（European On Board Diagnose）標準。KWP2000最初是基于K線的診斷協議，由于K線物理層和數據鏈路層在網絡管理和通訊速率上的局限性，使得K線無法滿足日趨復雜的車載診斷網絡的需求。而CAN網絡（Controller Area Network）由于其非破壞性的網絡仲裁機制、較高的通訊速率（可達1M bps）和靈活可靠的通訊方式，在車載網絡領域廣受青睞，越來越多的汽車制造商把CAN總線應用于汽車控制、診斷和通訊。近年來歐洲汽車領域廣泛采用了基于CAN總線的KWP2000，即ISO 15765協議，而基于K線的KWP2000物理層和數據鏈路層協議將逐步被淘汰。

在網絡協議開發和測試應用方面，美國MathWorks公司和德國Vector公司提供了功能強大的開發和測試工具，可分別用于協議棧源碼的開發和ECU測試。

2 基于K線的KWP2000協議

基于K線的KWP2000協議標準主要包括ISO/WD 14230-1～14230-4，各部分協議與OSI模型的對應關系如表1所示。



表1 KWP2000協議與OIS模型的對應關系

ISO 14230-1規定了KWP2000協議的物理層規范（K線、L線），它在ISO 9141-2的基礎上把數據交換系統擴展到了24V電壓系統。ISO 14230-2規定了KWP2000的數據鏈路層協議，包括報文結構、初始化過程、通訊連接管理、定時參數和錯誤處理等內容。K線的報文包括報文頭、數據域和校驗和三部分，其中報文頭包含格式字節、目標地址（可選）、源地址（可選）和附加長度信息（可選），如表2所示。



表2 基于K線的KWP2000報文結構[3]

1）可選字節，取決于格式字節Fmt的A1A0位

2）服務標識符（Service ID），數據域的第1個字節

在開始診斷服務之前，診斷設備必須對ECU進行初始化，通過ECU的響應獲取ECU的源地址、通訊波特率、支持的報文頭格式、定時參數等信息。ECU所支持的報文頭和定時參數信息包含在ECU返回的“關鍵字（Key Word）”中（這也是協議命名的由來）。關鍵字由兩個字節構成，如圖1所示，關鍵字的低字節中各位的含義如表3所示。



圖1 關鍵字格式[3]



表3 關鍵字低字節中各位的含義[3]

*) 只允許TP0,TP1 = 0,1 或者1,0

診斷設備可以采用兩種方式對ECU進行初始化——5Baud初始化和快速初始化，對于這兩種初始化的時序在數據鏈路層協議[3]中均有明確規定。完成初始化過程后，診斷設備和ECU方可進行應用層的診斷服務和響應。ISO 14230-3規定了應用層的服務規范，包括診斷管理功能組、數據傳輸功能組、診斷信息傳輸功能組、輸入/輸出控制功能組、遠程啟動ECU例程功能組、數據上載/下載功能組和擴展功能組。在診斷服務請求/響應過程中，診斷設備和ECU必須遵循圖2所示的時序和相關定時參數。對于初始化和診斷服務過程中出現的各種定時錯誤，在數據鏈路層和應用層協議里面都有相應的處理規范，診斷設備及ECU的應用程序都必須嚴格遵守。



圖2 K線診斷服務時序圖[3]

3 基于CAN總線的KWP2000協議

基于CAN總線的KWP2000協議實際上指的就是ISO/WD 15765-1～15765-4，該協議把KWP2000應用層的診斷服務移植到CAN總線上。數據鏈路層采用了ISO 11898-1協議，該協議是對CAN2.0B協議的進一步標準化和規范化；應用層采用了ISO 15765-3協議，該協議完全兼容基于K線的應用層協議14230-3，并加入了CAN總線診斷功能組；網絡層則采用ISO 15765-2協議，規定了網絡層協議數據單元（N_PDU，如表4所示）與底層CAN數據幀、以及上層KWP2000服務之間的映射關系，并且為長報文的多包數據傳輸過程提供了同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復功能。



表4 網絡層協議數據單元（N_PDU）格式[7]

1) 地址信息：包含源地址（SA）、目標地址（TA）、目標地址格式（TA_Type）和遠程地址（RA）

2) 協議控制信息：包含四種幀格式，見表5

3) 數據域：KWP2000服務標識符（Service ID） + 服務參數

應用層協議規定了四種服務數據結構，Service_Name>.Request、Service_Name>.Indication、Service_Name>.Response和Service_Name>.Confirm，分別用于診斷設備（Tester）的服務請求、ECU的服務指示、ECU的服務響應和Tester的服務確認。這些數據結構中包含了地址信息、服務請求ID和服務請求參數等內容。基于CAN總線的KWP2000診斷服務流程如圖3所示。