KWP2000協(xié)議分析和基于CANoe的開發(fā)測試

KWP2000協(xié)議分析及基于CANoe的開發(fā)測試

摘 要：本文介紹了歐洲汽車領域廣泛采用的車載診斷協(xié)議KWP2000，針對KWP2000診斷服務在K線（ISO 14230）和CAN總線（ISO 15765）上的兩種實現(xiàn)方式，對協(xié)議的核心內(nèi)容和發(fā)展歷史進行了較為深入的剖析和對比。本文還介紹了采用Matlab/Simulink/StateFlow進行協(xié)議開發(fā)的一般流程，以及該協(xié)議在Vector公司的CANoe軟硬件平臺上的應用實現(xiàn)和開過程。
關鍵詞：KWP2000，K線，CAN總線，開發(fā)，CANoe

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(shù)據(jù)交換，各大汽車公司幾乎都制訂了相關的標準和協(xié)議。其中，歐洲汽車領域廣泛使用的一種車載診斷協(xié)議標準是KWP2000（Keyword Protocol 2000），該協(xié)議實現(xiàn)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(xié)議，由于K線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層在網(wǎng)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(wǎng)絡的需求。而CAN網(wǎng)絡（Controller Area Network）由于其非破壞性的網(wǎng)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(wǎng)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(xié)議，而基于K線的KWP2000物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議將逐步被淘汰。

在網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)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(fā)和測試工具，可分別用于協(xié)議棧源碼的開發(fā)和ECU測試。

2 基于K線的KWP2000協(xié)議

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

表1 KWP2000協(xié)議與OIS模型的對應關系

OSI模型	基于K線的KWP2000	基于CAN總線的KWP2000
應用層	ISO 14230-3	ISO 15765-3
表述層	N/A	N/A
會話層	N/A	N/A
傳輸層	N/A	N/A
網(wǎng)絡層	N/A	ISO 15765-2
數(shù)據(jù)鏈路層	ISO 14230-2	ISO 11898-1
物理層	ISO 14230-1，ISO9141-2	用戶選擇

ISO 14230-1規(guī)定了KWP2000協(xié)議的物理層規(guī)范（K線、L線），它在ISO 9141-2的基礎上把數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)擴展到了24V電壓系統(tǒng)。ISO 14230-2規(guī)定了KWP2000的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，包括報文結構、初始化過程、通訊連接管理、定時參數(shù)和錯誤處理等內(nèi)容。K線的報文包括報文頭、數(shù)據(jù)域和校驗和三部分，其中報文頭包含格式字節(jié)、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]

報文頭				數(shù)據(jù)域					校驗和
Fmt	Tgt1)	Src1)	Len1)	SId2)	. .	Data2)	. .		CS
最長4 字節(jié)				最長255 字節(jié)					1字節(jié)

1）可選字節(jié)，取決于格式字節(jié)Fmt的A1A0位
2）服務標識符（Service ID），數(shù)據(jù)域的第1個字節(jié)

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(shù)等信息。ECU所支持的報文頭和定時參數(shù)信息包含在ECU返回的“關鍵字（Key Word）”中（這也是協(xié)議命名的由來）。關鍵字由兩個字節(jié)構成，如圖1所示，關鍵字的低字節(jié)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(jié)中各位的含義[3]

Bit	= 0	= 1
AL0	不支持格式字節(jié)中的數(shù)據(jù)長度信息	支持格式字節(jié)中的數(shù)據(jù)長度信息
AL1	不支持附加長度字節(jié)	支持附加長度字節(jié)
HB0	不支持一個字節(jié)的報文頭	支持一個字節(jié)的報文頭
HB1	不支持在報文頭中包含目標地址/源地址	支持在報文頭中包含目標地址/源地址
TP0*)	采用正常定時參數(shù)設置	采用擴展定時參數(shù)設置
TP1*)	采用擴展定時參數(shù)設置	采用正常定時參數(shù)設置

*) 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(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[3]中均有明確規(guī)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(guī)定了應用層的服務規(guī)范，包括診斷管理功能組、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)。對于初始化和診斷服務過程中出現(xiàn)的各種定時錯誤，在數(shù)據(jù)鏈路層和應用層協(xié)議里面都有相應的處理規(guī)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(xié)議

基于CAN總線的KWP2000協(xié)議實際上指的就是ISO/WD 15765-1～15765-4，該協(xié)議把KWP2000應用層的診斷服務移植到CAN總線上。數(shù)據(jù)鏈路層采用了ISO 11898-1協(xié)議，該協(xié)議是對CAN2.0B協(xié)議的進一步標準化和規(guī)范化；應用層采用了ISO 15765-3協(xié)議，該協(xié)議完全兼容基于K線的應用層協(xié)議14230-3，并加入了CAN總線診斷功能組；網(wǎng)絡層則采用ISO 15765-2協(xié)議，規(guī)定了網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（N_PDU，如表4所示）與底層CAN數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（N_PDU）格式[7]

地址信息	協(xié)議控制信息	數(shù)據(jù)域
N_AI1)	N_PCI2)	N_Data3)

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(xié)議控制信息：包含四種幀格式，見表5
3) 數(shù)據(jù)域：KWP2000服務標識符（Service ID） + 服務參數(shù)

應用層協(xié)議規(guī)定了四種服務數(shù)據(jù)結構，.Request、.Indication、.Response和.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(shù)據(jù)結構中包含了地址信息、服務請求ID和服務請求參數(shù)等內(nèi)容。基于CAN總線的KWP2000診斷服務流程如圖3所示。

圖3 基于CAN總線的KWP2000診斷服務流程圖

從上面的服務流程可以看出，基于CAN總線的KWP2000協(xié)議支持多包數(shù)據(jù)傳輸，并且多包數(shù)據(jù)的管理和組織是在網(wǎng)絡層完成的，應用層不必關心數(shù)據(jù)的打包和解包過程。為實現(xiàn)這一功能，網(wǎng)絡層定義了四種PDU（以PCI類型進行區(qū)分，如表5所示）：
單幀（Single Frame，SF） － 數(shù)據(jù)域及PCI可在一個CAN數(shù)據(jù)幀中容納時，服務報文以單幀CAN報文進行發(fā)送。
第一幀（First Frame，F(xiàn)F） － 數(shù)據(jù)域及PCI不能在一個CAN數(shù)據(jù)幀中容納時，服務報文以多幀CAN報文進行發(fā)送，其中第一幀（FF）除傳送數(shù)據(jù)外，還包含了多包數(shù)據(jù)的長度信息。
連續(xù)幀（Consecutive Frame，CF） － 多包數(shù)據(jù)中除第一幀外的連續(xù)數(shù)據(jù)幀，除傳送數(shù)據(jù)外，還包含了多包數(shù)據(jù)的包序號。
流控制幀（Flow Control，F(xiàn)C） － 用于多包數(shù)據(jù)傳輸過程中的流控制，不包含數(shù)據(jù)，只包含流控制狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊大小和最小間隔時間等流控制信息。

表5 15765協(xié)議網(wǎng)絡層四種PDU對應的PCI格式[7]

N_PDU 名稱	Byte #1		Byte #2	Byte #3
	Bit # 7-4	Bit # 3-0	N/A	N/A
單幀（SF）	N_PCItype=0	SF_DL1)	N/A	N/A
第一幀（FF）	N_PCItype=1	FF_DL2)		N/A
連續(xù)幀（CF）	N_PCItype=2	SN3)	N/A	N/A
流控制幀（FC）	N_PCItype=3	FS4)	BS5)	STmin6)

1) 單幀數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)域的字節(jié)長度，PCI的長度不包括在內(nèi)。
2) 多包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域字節(jié)總長度。
3) 多包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包編號。
4) 流控制狀態(tài)信息。
5) 數(shù)據(jù)塊大小。
6) 多包數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r間間隔。

多包數(shù)據(jù)的傳輸流程如圖4所示。發(fā)送節(jié)點首先發(fā)送“第一幀”，告知接收節(jié)點將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的總長度；接收節(jié)點分配好資源、準備接收數(shù)據(jù)，然后以一幀“流控制幀”告知發(fā)送節(jié)點一次可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目和時間間隔；發(fā)送節(jié)點接下來就根據(jù)接收節(jié)點的接收能力將編好序號的數(shù)據(jù)包依次發(fā)送過去。

圖4 多包數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在數(shù)據(jù)傳送過程中，一個網(wǎng)絡層PDU被編排成一個CAN數(shù)據(jù)幀，它們之間的對應關系由尋址模式（Addressing mode）決定?；贗SO 15765協(xié)議規(guī)定了四種尋址模式：正常尋址模式（Normal）、正常固定尋址模式（Normal fixed）、擴展尋址模式（Extended）和用于遠程診斷的混合尋址模式（Mixed）。其中，正常固定尋址模式必須采用CAN擴展幀，并且SAE J1939為該尋址模式下的KWP2000診斷服務保留了兩個專用參數(shù)組編號（PGN）：其中PF=218（PF的具體定義請參考SAE J1939數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議）的參數(shù)組用于物理尋址（phy），PF=219的參數(shù)組用于功能尋址（fcn）。正常固定尋址模式的PDU與CAN數(shù)據(jù)幀之間的對應關系如表6所示。

表6 正常固定尋址模式下N_PDU與CAN數(shù)據(jù)幀之間的對應關系[7]

N_PDU類型

CAN 29位標識符

CAN數(shù)據(jù)域

28~26

25

24

23~16

15~8

7~0

1

2

3

4

5

6

7

8

單幀（SF）

011(bin)

0

0

218(dec)-phy 219(dec)-fcn

N_TA

N_SA

N_PCI

N_Data

第一幀（FF）

011(bin)

0

0

218(dec)-phy 219(dec)-fcn

N_TA

N_SA

N_PCI

N_Data

連續(xù)幀（CF）

011(bin)

0

0

218(dec)-phy 219(dec)-fcn

N_TA

N_SA

N_PCI

N_Data

流控制（FC）

011(bin)

0

0

218(dec)-phy 219(dec)-fcn

N_TA

N_SA

N_PCI

N/A

混合尋址模式與正常固定尋址模式類似，唯一的區(qū)別是CAN數(shù)據(jù)域的第一個字節(jié)用于填充遠程地址（RA），N_PCI和診斷服務數(shù)據(jù)的填充位置向后移動一個字節(jié)?；旌蠈ぶ纺Ｊ接糜诳缭骄W(wǎng)段進行遠程診斷，遠程診斷的機制如圖5所示。圖中CAN1和CAN2兩個不同的子網(wǎng)通過網(wǎng)橋相連，網(wǎng)橋在子網(wǎng)1中的源地址為200，在子網(wǎng)2中的源地址為10，位于子網(wǎng)1中的診斷設備（源地址為241）可通過網(wǎng)橋?qū)ψ泳W(wǎng)2中的ECU（源地址為62）進行診斷。

圖5 跨越網(wǎng)段的遠程診斷

4 兩種協(xié)議的簡單比較

從前面基于K線和基于CAN總線的KWP2000協(xié)議可以看出，兩種協(xié)議在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡層（15765）上存在以下主要差別，這也是K線被CAN總線取而代之的主要原因所在：

• K線通訊速率較低，最大波特率僅為10400bps；CAN總線通訊速率較高，最大波特率可達1Mbps。
• K線采用單端信號傳輸，抗干擾能力較弱，可靠性較差；CAN總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，信號傳輸?shù)目煽啃愿摺?
• K線診斷在啟動應用層診斷服務之前必須對ECU進行初始化建立連接，并且初始化過程比較復雜；而基于CAN總線的診斷設備不需要對ECU進行初始化即可進行診斷服務。
• K線診斷應用程序開發(fā)者必須親自管理數(shù)據(jù)傳輸過程中的字節(jié)間定時，并處理底層通訊錯誤；CAN數(shù)據(jù)幀以整幀報文的形式進行發(fā)送，應用程序開發(fā)者不必管理字節(jié)間定時，并且CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層具備完善的錯誤檢測和錯誤恢復機制，應用程序不必監(jiān)視和處理底層通訊錯誤。
• K線網(wǎng)絡結構單一，網(wǎng)絡管理功能很弱；而利用CAN總線可構建復雜的網(wǎng)絡結構，可跨越網(wǎng)段進行遠程診斷。
• K線網(wǎng)絡采用破壞性的仲裁機制，當診斷設備采用功能尋址與多個ECU進行通訊時，為避免總線沖突，ECU開發(fā)者必須采取措施保證多個ECU順序訪問總線；而CAN網(wǎng)絡采用非破壞性的仲裁機制，并且仲裁過程由數(shù)據(jù)鏈路層完成，當診斷設備采用功能尋址與多個ECU進行通訊時，ECU開發(fā)者不必考慮總線訪問沖突問題。
• K線服務報文最大字節(jié)長度僅為255，無法滿足更長報文的傳輸要求，并且在長報文的傳輸過程中用戶必須自己采取措施進行連接管理，可靠性和兼容性較差；而CAN總線診斷服務報文最大字節(jié)長度可達4096（12位），對于長報文的傳輸，網(wǎng)絡層協(xié)議還具備標準化和規(guī)范化的同步控制、順序控制、流控制和錯誤恢復等功能，具備很高的可靠性、兼容性。
  

5 KWP2000協(xié)議棧的開發(fā)及測試

從前面的協(xié)議分析可以看出，無論是基于K線還是CAN總線的KWP2000協(xié)議，都是邏輯非常復雜的系統(tǒng)，并且具有嚴格的定時和錯誤處理規(guī)范。如果采用純手工的方式來進行KWP2000協(xié)議棧的開發(fā)，不僅要耗費大量的時間和人力，其通用性、完備性、可靠性和可維護性都很難保證。而MATLAB/Simulink/StateFlow不僅具備方便快捷的上層實時仿真環(huán)境，還集成了高效的嵌入式代碼自動生成工具，為協(xié)議棧的開發(fā)和維護提供了強大的支持平臺。此外，由德國Vector公司的CANoe軟件和相關硬件板卡組成的應用開發(fā)平臺，可用于汽車網(wǎng)絡（CAN，Lin等）的上層協(xié)議開發(fā)和系統(tǒng)測試，該平臺同時支持基于K線和CAN總線的KWP2000診斷協(xié)議，可作為ECU和診斷設備的測試標準。

圖6是協(xié)議源碼開發(fā)過程示意圖。首先在MATLAB/Simulink/StateFlow中遵照協(xié)議標準進行KWP2000協(xié)議棧開發(fā)，在仿真調(diào)試環(huán)境下實現(xiàn)通訊邏輯、定時控制和錯誤處理，待系統(tǒng)完善后利用StateFlow嵌入式代碼生成工具自動生成協(xié)議棧C代碼，并與目標系統(tǒng)的底層驅(qū)動進行集成，然后植入目標系統(tǒng)形成應用程序，最后再利用CANoe作為標準進行系統(tǒng)集成測試。

圖6 KWP2000協(xié)議棧開發(fā)及測試流程

在MATLAB/Simulink/StateFlow中進行協(xié)議棧仿真開發(fā)是協(xié)議棧開發(fā)過程中的關鍵環(huán)節(jié)，在這一過程中必須嚴格遵照協(xié)議標準來實現(xiàn)通訊邏輯，往往需要經(jīng)過多次“設計－仿真－修改”循環(huán)才能使系統(tǒng)最終趨于完善。MATLAB的圖形界面提供了方便快捷的仿真輸入/輸出接口，可大幅度加快開發(fā)進度。

協(xié)議棧開發(fā)完成后可利用CANoe作為標準進行系統(tǒng)集成測試，CANoe的KWP2000協(xié)議測試環(huán)境如圖7所示。

圖7 CANoe的KWP2000測試環(huán)境示意圖

CANoe中的KWP2000實際指的是基于CAN總線的KWP2000，即15765協(xié)議。由于CANoe默認的硬件板卡是CAN卡，因此在建立仿真程序時，只需將ECU的網(wǎng)絡模塊設置為kwp2000.dll即可進行CAN總線的KWP2000服務測試。kwp2000.dll中包含15765應用層協(xié)議中規(guī)定的服務請求、服務指示、服務響應和服務確認接口函數(shù)，用戶調(diào)用這些函數(shù)即可完成Tester端和ECU端的KWP2000診斷服務。此外，該模塊中的功能函數(shù)還可對ECU的源地址、目標地址、尋址模式等參數(shù)進行動態(tài)設置。需要注意的是，kwp2000.dll目前只提供了部分KWP2000服務的接口函數(shù)，如果用戶需要進行其它的KWP2000服務測試，必須根據(jù)KWP2000應用層協(xié)議構造服務報文數(shù)據(jù)，然后調(diào)用該模塊中的KWP_DataReq（）和KWP_GetRxData（）函數(shù)進行報文的發(fā)送和接收。

進行基于K線的KWP2000服務測試時，需要將KLineCPL.dll模塊加入CANoe仿真環(huán)境，并使用一個代理節(jié)點來實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡和K線之間的報文轉(zhuǎn)發(fā)。此時CANoe使用計算機的串口，并通過一個串口/K線轉(zhuǎn)換器與實際的ECU相連，如圖8所示。

圖8 CANoe中基于K線的KWP2000測試連接示意圖

6 結束語
KWP2000是一套非常完善的車載故障診斷協(xié)議標準，協(xié)議的分層結構使得KWP2000診斷服務并不依賴于某種特定的網(wǎng)絡介質(zhì)，其應用層可以移植到任何一種物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之上。基于CAN總線的KWP2000順應了目前車載網(wǎng)絡發(fā)展的大趨勢，將逐步取代K線診斷協(xié)議，成為下一代車載診斷協(xié)議的主流之一。

MATLAB/Simulink/Stateflow為協(xié)議棧開發(fā)提供了方便直觀的圖形用戶接口和功能強大的仿真調(diào)試環(huán)境及代碼生成工具，為嵌入式開發(fā)開辟了一條高效快捷之路。Vector公司的CANoe和相關硬件板卡是一個功能強大的應用開發(fā)平臺，可針對基于K線和CAN總線的KWP2000進行ECU和診斷設備的上層協(xié)議開發(fā)、測試及仿真。