申帥趙恬

（重慶郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，中國 重慶 400065）

0 前言

隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的電子器件應(yīng)用到車輛內(nèi)部，極大的提高了車輛的安全性、可靠性和舒適性。同時也帶來了新的問題，車身線束增多、車輛故障診斷困難增加[1]。為了減少車身線束、提高通信速率，車載總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

CAN總線以其在高實(shí)時性、可靠性和抗干擾能力等方面的優(yōu)勢，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的車載總線技術(shù)之一。本文遵循國際診斷標(biāo)準(zhǔn)ISO 15765完成診斷通信模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)過程采取分層模塊化設(shè)計(jì)，提高通信模塊的通用性、重用性。

1 ISO 15765診斷協(xié)議體系

ISO 15765是2000年歐洲汽車廠商推出一種基于CAN總線的診斷系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)，目前ISO 15765標(biāo)準(zhǔn)已被多數(shù)整車廠商采用，成為汽車行業(yè)的通用診斷標(biāo)準(zhǔn)[2]。ISO 15765根據(jù)開放系統(tǒng)互連（Open System Interconnection,OSI）7層參考模型，采用分層思想模塊化設(shè)計(jì)的方式，各模塊負(fù)責(zé)處理各自功能并提供標(biāo)準(zhǔn)接口[4]，各模塊間通過接口調(diào)用實(shí)現(xiàn)通信，以減低模塊間耦合度，增強(qiáng)協(xié)議棧的通用性和可靠性。

ISO 15765-3以ISO 14229為基礎(chǔ)定義診斷協(xié)議棧應(yīng)用層的內(nèi)容，對應(yīng)于OSI模型應(yīng)用層，主要包括應(yīng)用層診斷服務(wù)格式、應(yīng)用層接口、應(yīng)用層時間參數(shù)等信息。ISO 15765-2定義了診斷協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容，對應(yīng)于OSI模型網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，包括了網(wǎng)絡(luò)層單幀、多幀傳輸機(jī)制，以及多幀傳輸過程中的流控制、時間處理、錯誤處理等內(nèi)容。

2 通信模塊的開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)是整個通信模塊的主要內(nèi)容[3]，其核心是多幀傳輸機(jī)制中ECU內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)換、時間管理以及錯誤處理。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層多幀傳輸機(jī)制

CAN總線數(shù)據(jù)傳輸以CAN數(shù)據(jù)幀為基本數(shù)據(jù)單元，每一個CAN數(shù)據(jù)幀最多可傳送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而完成汽車診斷功能需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)往往大于8個字節(jié)，因此需要采用多幀傳輸機(jī)制。ISO 15765-2定義了4種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元N_PDU以完成單幀或多幀的數(shù)據(jù)傳輸，4種幀類型通過N_PCI（網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議控制信息）區(qū)分[4]。其定義格式如表1所示：

表1 CAN總線報(bào)文格式定義

不同的幀類型由N_PCI第一個字節(jié)的高四位區(qū)別，N_PCItype的值0、1、2、3分別代表了單幀、第一幀、連續(xù)幀和后續(xù)幀。流控幀F(xiàn)S為流狀態(tài)參數(shù)，BS為連續(xù)幀塊大小，STmin為連續(xù)幀發(fā)送的最小時間間隔。

在多幀傳輸?shù)倪^程中，網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)部操作為解決對等實(shí)體間的數(shù)據(jù)同步通信問題，采用了數(shù)據(jù)傳輸流控制方法，通過流控幀實(shí)現(xiàn)對通信雙方的管理，是發(fā)送端適應(yīng)接收端網(wǎng)絡(luò)層的接受能力。其傳輸過程如圖1所示：

圖1 多幀傳輸過程

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層多幀傳輸機(jī)制的復(fù)雜邏輯，在程序編寫過程中設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，用枚舉類型定義了數(shù)據(jù)傳輸過程中ECU網(wǎng)絡(luò)層在某一時刻的所有可能狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳輸過程中ECU處理不同類型被定義為不同的外部事件，ECU在不同的狀態(tài)下將處理不同的CAN幀。ECU網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)定義是收斂的，因此在某一時刻一定會處于所有狀態(tài)中的其中一個，保證能夠?qū)λ蓄愋虲AN幀都能夠響應(yīng)；且ECU網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)是正交的，不會對同一類型CAN幀重復(fù)處理。

此外ECU根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)，對所收到的CAN幀處理，不僅取決于接收到的幀類型，還取決于不同幀類型的相對收發(fā)順序。當(dāng)ECU網(wǎng)絡(luò)層處于某一狀態(tài)收到相應(yīng)幀類型，且滿足特定的條件時，才能處理相應(yīng)CAN幀并完成ECU狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.3 時間管理

網(wǎng)絡(luò)層時間管理主要是超時處理和延時發(fā)送功能。ISO 15765定義的網(wǎng)絡(luò)層時間參數(shù)有 N_As，N_Bs，N_Ar，N_Br和 N_Cr。 超時處理通過對時間參數(shù)的控制，防止通信雙方中的一方因?yàn)闈撛阱e誤掛起時，另一方持續(xù)等待從而失去通信能力。延時發(fā)送功能用于多幀傳輸過程中連續(xù)多條后續(xù)幀的發(fā)送，連續(xù)兩條后續(xù)幀之間的發(fā)送間隔必須大于ISO 15765定義的最小時間間隔STmIn。

協(xié)議棧時間管理利用ECU的系統(tǒng)時鐘實(shí)現(xiàn)，通過配置每1ms產(chǎn)生一次系統(tǒng)中斷，在中斷處理函數(shù)中對定義的16位無符號計(jì)數(shù)器timeoutCounter進(jìn)行減1操作。在通信過程中每接收或發(fā)送一條報(bào)文，則會更新計(jì)數(shù)器為相應(yīng)時間參數(shù)的門限值，在進(jìn)行下一步操作之前首先判斷計(jì)數(shù)器是否為0，若為0則說明超時，中斷當(dāng)前接受或發(fā)送進(jìn)入相應(yīng)的超時處理。

2.4 錯誤處理

網(wǎng)絡(luò)層的錯誤包括了幀格式錯誤、幀參數(shù)錯誤。通信雙方必須按照ISO 15765規(guī)定的幀格式、幀間邏輯及時間參數(shù)收發(fā)報(bào)文，任何類型的錯誤都將導(dǎo)致當(dāng)前通信中斷，并進(jìn)入相應(yīng)的超時處理。網(wǎng)絡(luò)層錯誤類型及處理方式如表2所示：

表2 網(wǎng)絡(luò)層錯誤處理描述

3 通信模塊的測試

診斷協(xié)議棧的測試采用德國Vector Informatik公司總線工具CANoe及其配套專用診斷測試工具CAN dela Studio、CANoe Option DiVa，作為測試儀。協(xié)議棧運(yùn)行在采用NXP LPC 1768為控制器的開發(fā)板，作為下位機(jī)。測試儀和下位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的DB9接口連接，CAN總線的通信速率定義為500Kb/s，物理尋址請求報(bào)文ID定義為0x766，功能尋址請求報(bào)文ID定義為0x760，響應(yīng)報(bào)文ID定義為0x7A6。

根據(jù)診斷需求使用CAN dela Studio配置生成診斷數(shù)據(jù)庫（CDD文件），將診斷數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入CANoe Option DiVa中自動生成測試用例并通過CANoe運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 通信模塊測試結(jié)果

4 結(jié)論

測試結(jié)果表明，本文所述實(shí)現(xiàn)的診斷協(xié)議棧符合ISO 15765標(biāo)準(zhǔn)，能夠完成汽車故障診斷功能，且具有較強(qiáng)的可靠性和通用性。并且協(xié)議棧各模塊參考AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，方便協(xié)議棧在不同硬件平臺的移植，具有較強(qiáng)的復(fù)用性和可移植性。

［1］郭剛，王勵明，盧明.基于 MVCI、ODX的診斷標(biāo)準(zhǔn)研究[J].制造業(yè)自動化，2010，（10）：15-16.

［2］李銳，王晶瑩，姚燕，等.基于ISO 15765的車載CAN網(wǎng)絡(luò)診斷設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，(4):35-36.

［3］韓鑫，鮑可進(jìn).CAN總線網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧開發(fā)測試[J].計(jì)算機(jī)工程，2011（08）：232-234.

［4］程安宇，趙國慶，馮輝宗，等.基于CAN總線的電子控制單元功能測試方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012(1):139-1.