浅谈K线诊断协议驱动器的设计
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引言：
随着汽车电子控制单元功能的增加及升级换代的需要，诊断功能已经成为ECU不可或缺的重要组成部分，因此，深入研究诊断协议及其实现非常必要。基于K线的ISO14230和基于CAN总线的ISO15765是业内广泛采用的两种诊断标准【1】，K线是ISO9141定义的诊断通信总线，ISO14230在ISO9141的基础上将K线电压扩展到24V，并扩展了诊断服务。
相比较于CAN总线，K线诊断既能满足要求，又能节约成本，在国产车上得到大规模应用。不同于CAN总线有专门的协议驱动器，用户直接进行应用程序的编写而不用管理底层的通信，K线没有专门的协议驱动器，一般要在SCI模块的基础上用软件实现其底层通信管理，笔者为某国产车设计了一款带K线诊断功能的车身控制模块，结合ISO14230规范，首先分析K线诊断协议驱动器的功能，然后介绍协议驱动器的关键设计技术，最后用CANoe进行测试。
1 协议驱动器功能
ISO14230-1定义了K线物理层协议，ISO14230-2定义了数据链路层协议，ISO14230-3定义了应用层协议【2】，其与OSI模型对应关系如表1所示。
表1 ISO14230与OSI模型的对应关系
物理层定义了逻辑位与物理电平的对应关系，同时定义了信号位的上升时间和下降时间，数据链路层协议定义了K线数据格式、诊断报文格式、定时参数及通信错误判定及处理机制，应用层协议定义了基于请求/响应的诊断过程及各项诊断服务。做为待诊断ECU节点，K线协议驱动器实现的主要功能包括：
1、诊断报文的封装和发送、接收和解析，根据报文格式填充/提取SID和数据;
2、通过初始化过程建立与诊断仪之间的诊断通信;
3、根据诊断仪的诊断请求和ECU当前状态返回相应的诊断响应，管理诊断会话;
4、保持正确的帧间定时、字节间定时，检测诊断仪报文的定时错误及其它通信错误;
下面结合数据链路层的协议分析及其数据结构、驱动程序的设计介绍下K线诊断协议驱动器的原理及实现。
2 协议驱动器设计
K线基于异步串行通信接口，在底层传输上采用8N1格式的SCI串行数据链路格式：8个数据位+1个停止位、无奇偶校验，由于K线在物理层上是单根线，在发送时也会触发接收中断，所以K线报文的发送和接收解析统一在SCI接收中断处理函数中以状态机的形式实现【3】。下面从报文收发及解析、初始化、定时管理三个方面介绍下数据链路层的实现。
2.1 报文收发及解析
表2 K线诊断报文结构
K线报文由报文头、数据字段及校验和组成。报文头包含格式字节Fmt、目标地址Tgt、源地址Src和可选附加长度信息Len，Fmt指定目标地址的形式(物理地址/功能地址)，当报文头中不包含可选Len字段时指定数据字段的长度;数据字段包括服务标识符Sid和数据Data，其长度由Fmt和Len决定;CS为单字节校验和。设计报文结构体如下：
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;
成员变量state表示当前K线通信数据是报文中的哪个组成部分，msgdatalen用于数据字段字节数的统计，done表示该报文是否发送或接收完成，其它成员变量与报文结构组成部分一一对应。
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;
}
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
在开始诊断服务之前，诊断仪必须对ECU进行初始化，通过ECU的响应获取ECU支持的报文头格式和定时参数，建立诊断通讯【4】。初始化过程如图1所示，诊断仪发送一个25ms ’0’、25ms’1’的WuP(WakeUp Pattern)，然后发送STC(StartCommunication) Request，ECU检测出WuP并接收到正确的STC Request后返回STC Response，该报文的Data字段为由两个字节构成的“关键字(Key Word)”，指定了ECU所支持的报文头和定时参数信息，如Key Word指定为0x8fea即表示在报文头中采用附加长度信息Len表示数据字段长度，同时采用默认的定时参数。
图1 初始化过程
初始化之前K线处于空闲状态，ECU禁止SCI功能并使能SCI的RXD引脚为IO模式，检测到下降沿时通过定时器统计RXD引脚的IO低电平的持续时间，检测到上升沿时开始统计RXD引脚的IO高电平持续时间，判断是否为有效的WuP;也可以设置SCI的波特率为200bps，判断是否能接收到数据0xf0(0xf0在总线上表现为5个0，5个1)，检测出正确的WuP后，使能SCI功能，设置波特率为10400bps，等待诊断仪发送的STC Request，接收到请求后返回STC Response肯定响应，建立诊断通讯。
2.3 定时管理
ISO14230定义了4个定时参数管理字节间定时和报文间定时，诊断仪和ECU需要共同遵守这些定时约束以保证正常的诊断通讯，表2给出了这4个定时参数的含义及取值区间。
参数变量描述最小值(ms)最大值(ms)
P1ECU响应的字节间时间间隔020
P2诊断仪请求和ECU响应之间的时间间隔，或两个ECU响应之间的时间间隔2550
P3ECU响应和诊断仪请求之间的时间间隔555000
P4诊断仪请求的字节间时间间隔020
表2 定时参数
P1和P4是报文内字节间定时，P2和P3为报文间定时。诊断仪在初始化完成后或接收到诊断响应后需要在P3时间内发送诊断请求，否则ECU端退出诊断会话，断开诊断通讯，K线协议驱动器重启，等待诊断仪发出下一个WuP和STC Request。ECU在接收到诊断请求后，需要在P2时间内返回诊断响应， P2由ECU控制，通常采用25ms的固定值，当诊断请求报文中的Fmt字段指定目标地址为“功能地址”时，P2的取值需要用一个随机数发生器来产生，因为对于功能寻址的诊断仪请求来说，可能多个ECU都会返回响应，如果采用固定的P2参数的话，可能会因为多个ECU竞争总线而出现总线冲突问题，P2采用随机数，ECU不会在同一时间返回响应，从而避免了总线竞争问题。
3 协议驱动器测试
协议驱动器在Vector公司的CANoe软硬件平台上进行测试，进行基于K线的KWP2000服务测试时，将KWP2000.dll和KLineCPL.dll模块加入CANoe仿真环境，CANoe模拟诊断仪节点，并使用一个代理节点来实现CAN网络和K线之间的报文转发，此时CANoe使用计算机的串口，并通过串口/K线转换器与ECU相连，诊断实现框架如图2所示。
图2 K线诊断框架
与CAN总线诊断不同的是，K线诊断需要诊断仪通过初始化过程和ECU建立诊断通讯，诊断通讯的建立如图3所示。建立诊断通讯后便可以像CAN诊断一样进行诊断服务了，这方面论文很多，在此不再赘述。
图3 建立诊断通讯
结语
本文实现的K线协议驱动器模块经过严格测试, 能够高效完成K线诊断，性能和稳定性达到预期设计要求。驱动器独立于处理器和操作系统，具有良好的通用性和灵活性，可以方便得集成到应用程序中，具有很高的实用价值和借鉴意义。
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