KWP2000诊断通讯协议

基于K线的KWP2000协议标准主要包括ISO/WD14230-1～14230-4，各部分协议与OSI模型的对应关系如表1所示。表1KWP2000协议与OIS模型的对应关系OSI模型基于K线的KWP2000基于CAN总线的KWP2000应用层ISO14230-3ISO15765-3表述层N/AN/A会话层N/AN/A传输层N/AN/A网络层N/AISO15765-2数据链路层ISO14230-2ISO11898-1物理层ISO14230-1，ISO9141-2用户选择ISO14230-1规定了KWP2000协议的物理层规范（K线、L线），它在ISO9141-2的基础上把数据交换系统扩展到了24V电压系统。ISO14230-2规定了KWP2000的数据链路层协议，包括报文结构、初始化过程、通讯连接管理、定时参数和错误处理等内容。K线的报文包括报文头、数据域和校验和三部分，其中报文头包含格式字节、目标地址（可选）、源地址（可选）和附加长度信息（可选），如表2所示。表2基于K线的KWP2000报文结构[3]报文头数据域校验和FmtTgt1)Src1)Len1)SId2)..Data2)..CS最长4字节最长255字节1字节1）可选字节，取决于格式字节Fmt的A1A0位2）服务标识符（ServiceID），数据域的第1个字节KWP2000（KeywordProtocol2000）是欧洲汽车领域广泛使用的一种车载诊断协议标准，该协议实现了一套完整的车载诊断服务，并且满足E-OBD（EuropeanOnBoardDiagnose）标准。KWP2000协议仅对其中三个子层进行了定义说明，即：应用层(第七层)、数据链路层(第二层)和物理层（第一层)。物理层：这部分描述了基于IS09141用以实现诊断服务的物理层，用于配置硬件系统，指导接口电路的设计，同时将在IS09141-2中描述的物理层扩展成可以满足提供12V或24V电压的车辆的条款。数据链路层：这部分定义了数据的传送格式，描述了诊断服务的通用要求，允许1个诊断仪控制在1个随车ECU(例如电子燃油喷射、自动变速箱及防抱死系统等)中的诊断功能。这些随车ECU嵌于车辆中，通过串行数据链路相连接。应用层：这部分包含如下规范:服务标识符的字节编码及其十六进制数值；诊断服务请求与响应参数的字节编码；标准参数的十六进制数值。根据IS014230的规定，KWP2000通信消息基本格式如图1所示。一条消息结构包括头部(header)、数据字节(data-byte)、校验和(checksum)等三部分。图1KWP2000的报文格式Fmt——格式字节(Formatbyte)Tgt——目标地址字节(Targetaddressbyte)Src——源地址字节(Sourceaddressbyte)Len——长度字节(Lengthbyte)Sid——服务标志符字节(SeviceIdentificationbyte)，分请求服务和响应服务两类CS——校验和字节(Checksumbyte)上标1——表示可选，由格式字节(Fmt)决定上标2——表明服务标识(Sid)是数据段的一部分(Data)在开始诊断服务之前，诊断设备必须对ECU(发动机enginecontrolunit)进行初始化，通过ECU的响应获取ECU的源地址、通讯波特率、支持的报文格式、定时参数等信息。ECU所支持的报文和定时参数信息包含在ECU返回的“关键字（KeyWord）”中（这也是协议命名的由来）。关键字由两个字节构成，如图2所示，关键字的低字节中各位的含义如表1所示。图2关键字格式表1关键字低字节中各位的含义测试器（诊断设备）可以采用两种方式对ECU进行初始化，即5Baud初始化和快速初始化。对于这两种初始化的时序在数据链路层协议中均有明确规定。完成初始化过程后，测试器和ECU方可进行应用层的诊断服务和响应。IS014230-3规定了应用层的服务规范，包括诊断管理功能组、数据传输功能组、诊断信息传输功能组、输人／输出控制功能组、远程启动ECU例程功能组、数据上载／下载功能组和扩展功能组。KWP2000最初是基于K线的诊断协议。由于K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上的局限性，使得K线无法满足日趋复杂的车载诊断网络的需求。而CAN（ControllerAreaNetwork）网络由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率（可达1Mbps）和灵活可靠的通讯方式，在车载网络领域广受青睐。因此，近年来欧洲汽车领域广泛采用了基于CAN总线的KWP2000，即ISO15765协议，而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议将逐步被淘汰。KWP2000协议分析和基于CANoe的开发测试摘要：本文介绍了欧洲汽车领域广泛采用的车载诊断协议KWP2000，针对KWP2000诊断服务在K线（ISO14230）和CAN总线（ISO15765）上的两种实现方式，对协议的核心内容和发展历史进行了较为深入的剖析和对比。本文还介绍了采用Matlab/Simulink/StateFlow进行协议开发的一般流程，以及该协议在Vector公司的CANoe软硬件平台上的应用实现和开过程。关键词：KWP2000，K线，CAN总线，开发，CANoe1前言在汽车故障诊断领域，针对诊断设备和汽车ECU之间的数据交换，各大汽车公司几乎都制订了相关的标准和协议。其中，欧洲汽车领域广泛使用的一种车载诊断协议标准是KWP2000（KeywordProtocol2000），该协议实现了一套完整的车载诊断服务，并且满足E-OBD（EuropeanOnBoardDiagnose）标准。KWP2000最初是基于K线的诊断协议，由于K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上的局限性，使得K线无法满足日趋复杂的车载诊断网络的需求。而CAN网络（ControllerAreaNetwork）由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率（可达1Mbps）和灵活可靠的通讯方式，在车载网络领域广受青睐，越来越多的汽车制造商把CAN总线应用于汽车控制、诊断和通讯。近年来欧洲汽车领域广泛采用了基于CAN总线的KWP2000，即ISO15765协议，而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议将逐步被淘汰。在网络协议开发和测试应用方面，美国MathWorks公司和德国Vector公司提供了功能强大的开发和测试工具，可分别用于协议栈源码的开发和ECU测试。2基于K线的KWP2000协议基于K线的KWP2000协议标准主要包括ISO/WD14230-1～14230-4，各部分协议与OSI模型的对应关系如表1所示。表1KWP2000协议与OIS模型的对应关系OSI模型基于K线的KWP2000基于CAN总线的KWP2000应用层ISO14230-3ISO15765-3表述层N/AN/A会话层N/AN/A传输层N/AN/A网络层N/AISO15765-2数据链路层ISO14230-2ISO11898-1物理层ISO14230-1，ISO9141-2用户选择ISO14230-1规定了KWP2000协议的物理层规范（K线、L线），它在ISO9141-2的基础上把数据交换系统扩展到了24V电压系统。ISO14230-2规定了KWP2000的数据链路层协议，包括报文结构、初始化过程、通讯连接管理、定时参数和错误处理等内容。K线的报文包括报文头、数据域和校验和三部分，其中报文头包含格式字节、目标地址（可选）、源地址（可选）和附加长度信息（可选），如表2所示。表2基于K线的KWP2000报文结构[3]报文头数据域校验和FmtTgt1)Src1)Len1)SId2)..Data2)..CS最长4字节最长255字节1字节1）可选字节，取决于格式字节Fmt的A1A0位2）服务标识符（ServiceID），数据域的第1个字节在开始诊断服务之前，诊断设备必须对ECU进行初始化，通过ECU的响应获取ECU的源地址、通讯波特率、支持的报文头格式、定时参数等信息。ECU所支持的报文头和定时参数信息包含在ECU返回的“关键字（KeyWord）”中（这也是协议命名的由来）。关键字由两个字节构成，如图1所示，关键字的低字节中各位的含义如表3所示。图1关键字格式[3]表3关键字低字节中各位的含义[3]Bit=0=1AL0不支持格式字节中的数据长度信息支持格式字节中的数据长度信息AL1不支持附加长度字节支持附加长度字节HB0不支持一个字节的报文头支持一个字节的报文头HB1不支持在报文头中包含目标地址/源地址支持在报文头中包含目标地址/源地址TP0*)采用正常定时参数设置采用扩展定时参数设置TP1*)采用扩展定时参数设置采用正常定时参数设置*)只允许TP0,TP1=0,1或者1,0诊断设备可以采用两种方式对ECU进行初始化——5Baud初始化和快速初始化，对于这两种初始化的时序在数据链路层协议[3]中均有明确规定。完成初始化过程后，诊断设备和ECU方可进行应用层的诊断服务和响应。ISO14230-3规定了应用层的服务规范，包括诊断管理功能组、数据传输功能组、诊断信息传输功能组、输入/输出控制功能组、远程启动ECU例程功能组、数据上载/下载功能组和扩展功能组。在诊断服务请求/响应过程中，诊断设备和ECU必须遵循图2所示的时序和相关定时参数。对于初始化和诊断服务过程中出现的各种定时错误，在数据链路层和应用层协议里面都有相应的处理规范，诊断设备及ECU的应用程序都必须严格遵守。图2K线诊断服务时序图[3]3基于CAN总线的KWP2000协议基于CAN总线的KWP2000协议实际上指的就是ISO/WD15765-1～15765-4，该协议把KWP2000应用层的诊断服务移植到CAN总线上。数据链路层采用了ISO11898-1协议，该协议是对CAN2.0B协议的进一步标准化和规范化；应用层采用了ISO15765-3协议，该协议完全兼容基于K线的应用层协议14230-3，并加入了CAN总线诊断功能组；网络层则采用ISO15765-2协议，规定了网络层协议数据单元（N_PDU，如表4所示）与底层CAN数据帧、以及上层KWP2000服务之间的映射关系，并且为长报文的多包数据传输过程提供了同步控制、顺序控制、流控制和错误恢复功能。表4网络层协议数据单元（N_PDU）格式[7]地址信息协议控制信息数据域N_AI1)N_PCI2)N_Data3)1)地址信息：包含源地址（SA）、目标地址（TA）、目标地址格式（TA_Type）和远程地址（RA）2)协议控制信息：包含四种帧格式，见表53)数据域：KWP2000服务标识符（ServiceID）+服务参数应用层协议规定了四种服务数据结构，Service_Name.Request、Service_Name.Indication、Service_Name.Response和Service_Name.Confirm，分别用于诊断设备（Tester）的服务请求、ECU的服务指示、ECU的服务响应和Tester的服务确认。这些数据结构中包含了地址信息、服务请求ID和服务请求参数等内容。基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程如图3所示。图3基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程图从上面的服务流程可以看出，基于CAN总线的KWP2000协议支持多包数据传输，并且多包数据的管理和组织是在网络层完成的，应用层不必关心数据的打包和解包过程。为实现这一功能，网络层定义了四种PDU（以PCI类型进行区分，如表5所示）：单帧（SingleFrame，SF）－数据域及PCI可在一个CAN数据帧中容纳时，服务报文以单帧CAN报文进行发送。第一帧（FirstFrame，FF）－数据域及PCI不能在一个CAN数据帧中容纳时，服务报文以多帧CAN报文进行发送，其中第一帧（FF）除传送数据外，还包含了多包数据的长度信息。连续帧（ConsecutiveFrame，CF）－多包数据中除第一帧外的连续数据帧，除传送数据外，还包含了多包数据的