孫永鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車診斷協(xié)議研究與應(yīng)用

孫永鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先對增強型診斷和排放診斷適用的范圍和領(lǐng)域進行了描述，對車載診斷涉及到的各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范做了詳細的對比說明，對ISO 15765和SAE J1939診斷體系結(jié)構(gòu)中各網(wǎng)絡(luò)分層進行了對比說明，闡述了這兩種診斷方式的應(yīng)用情況。之后以某輕型卡車的診斷功能設(shè)計為例，描述了整車診斷功能的設(shè)計和驗證流程。

診斷；增強型；排放；ISO 15765；SAE J1939；ISO14229

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-22-05

前言

隨著電控單元在商用車上的大量應(yīng)用及各國政府對排放法規(guī)的要求，故障診斷成為現(xiàn)代商用車必不可少的一項功能。根據(jù)故障診斷的對象及目的的不同，電控單元的診斷主要分為排放（OBD）診斷和增強型診斷，增強型診斷是指除OBD診斷以為的診斷，主要目的是為了開發(fā)、標(biāo)定、下線檢測、售后維修和代碼升級等。如發(fā)動機模塊中包含了OBD診斷和增強型診斷，車身、儀表等電控單元全部為增強型診斷。

1.1 排放（OBD）診斷

（1）第一代車載自診斷系統(tǒng)（OBD-I）

隨著全球空氣質(zhì)量的惡化和人民環(huán)保意識的提高，同時由于汽車的尾氣排放也是造成大氣污染的一個重要的因素，1985年美國加州大氣資源局（CARB）開始制定法規(guī)，要求各汽車制造廠在加州銷售的車輛，必須裝備OBD系統(tǒng)，稱為OBD-I。因此各大汽車制造廠根據(jù)CARB的要求開發(fā)屬于自己的OBD-I，但是故障診斷接口、故障代碼含義和讀取方法也各不相同。由于OBD-I系統(tǒng)對于廢棄排放不能夠很好地控制，1996年以后，各汽車生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn)采用OBD-I系統(tǒng)的車輛。

（2）第二代車載自診斷系統(tǒng)（OBD-II）

由于OBD-I的故障代碼以及軟硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)都是由各汽車廠家自行開發(fā)的，因此，OBD-I系統(tǒng)不但隨制造廠的不同而異，而且同一家主機廠商生產(chǎn)的車型和年代不同，其OBD-I系統(tǒng)也不相同，這就給后期的車輛維修帶來了極大的不便。因此，必須使各大汽車制造長的車載自診斷系統(tǒng)的故障代碼和軟硬件結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，設(shè)計統(tǒng)一的診斷接口，提高車輛出現(xiàn)故障后的維修效率，1994年美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定了第二代車載自診斷系統(tǒng)（OBD-II）標(biāo)準(zhǔn)，同時經(jīng)美國環(huán)保局以及CARB認證通過了這一標(biāo)準(zhǔn)，OBD-II標(biāo)準(zhǔn)很快為各大汽車制造廠商所接受?，F(xiàn)在世界各國汽車生產(chǎn)企業(yè)普遍采用OBD-II，由于我國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的制定借鑒了歐洲標(biāo)準(zhǔn)，因此我國強制實施的OBD是基于E-OBD標(biāo)準(zhǔn)的C-OBD。

（3）第三代車載自診斷系統(tǒng)（OBD-III）

隨著電控技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，同時出現(xiàn)了一系列的問題，比如：汽車電路系統(tǒng)的故障率比較高，汽車的各系統(tǒng)中線路的數(shù)量大而且復(fù)雜，新的系統(tǒng)擴充空間也比較小，新增軟件及硬件的可塑性比較小，汽車制造成本比較高，各電控單元的資源不可以共享，維修比較復(fù)雜等。于是SAE又提出了OBD-III（又稱MOBD，多用車載診斷系統(tǒng)）的概念。

在采用OBD-II的電子控制系統(tǒng)中，每一個電控單元都是相對獨立的。在維修過程中故障檢測儀要分別進入到發(fā)動機、變速器、ABS等ECU中去讀取故障代碼和數(shù)據(jù)流。而在OBD-III中，所有ECU都通過CAN總線連接，使得車身線路的布局大大簡化，第三代車載自診斷系統(tǒng)給現(xiàn)代汽車的維修帶來了更多的便利。

1.2 增強型診斷

隨著現(xiàn)代商用車CAN總線系統(tǒng)的發(fā)展，ISO 15765/ISO 14229與SAE J1939成為商用車增強型診斷的主要標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。歐洲的2005/78/EC指令規(guī)定在商用車必須選用ISO15765或SAE J1939；美國的CARB和EPA規(guī)定，ISO 15765可用于搭載汽油機和柴油機的輕型車，而SAE J1939只能用于搭載柴油機的重型車，并且在同一輛車中只能采用一種車載診斷標(biāo)準(zhǔn)（ISO 15765或SAE J1939），同時不能對ISO15765協(xié)議使用SAE J1939的連接器。我國商用車對于增強型診斷標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和選擇還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，基本處于自由選擇狀態(tài)。

在中國，商用車的診斷協(xié)議正處于從K線診斷協(xié)議（ISO 14230）到CAN總線診斷協(xié)議的轉(zhuǎn)型期，商用車的診斷協(xié)議基本上均采用跟隨發(fā)動機診斷協(xié)議策略，如康明斯的發(fā)動機幾乎全部采用SAE J1939的診斷協(xié)議，而玉柴和濰柴針對不同的電噴系統(tǒng)，既有SAE J1939診斷協(xié)議，也有ISO 15765診斷協(xié)議。

2008年6月24日，我國環(huán)境保護部發(fā)布了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從2008年7月1日起實施，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了生產(chǎn)商可以自由選擇ISO 15765和SAE J1939。

2 診斷協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 車載診斷協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnecion，簡稱OSI），網(wǎng)絡(luò)可分為7層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層，CAN網(wǎng)絡(luò)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層和應(yīng)用層，預(yù)留傳輸層和表示層。目前車載診斷標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 15031、ISO 15765、ISO 14229、ISO 14230和SAE J1939等，分別對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)分層。

關(guān)于車載診斷方式，按照物理層傳輸介質(zhì)可劃分為基于K線和CAN線兩種方式，基于K線的診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 14230和ISO 15031兩種，分別對應(yīng)增強型和排放診斷；基于CAN線的診斷協(xié)議包括ISO和SAE兩套標(biāo)準(zhǔn)，均可完成增強型和排放診斷的設(shè)計。

表1 診斷協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與OSI參考模型映射說明（N/A表示預(yù)留）

2.1.1 K線診斷

K線診斷方式涉及的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 14230和ISO 15031，可以滿足整車增強型和排放診斷設(shè)計需求。對于增強型診斷，其底層和應(yīng)用層均參考ISO 14230，分別對應(yīng)ISO 14230-1、ISO 14230-2和ISO 14230-3；對于排放診斷，其底層標(biāo)準(zhǔn)參考ISO 14230-1和ISO 14230-2，應(yīng)用層協(xié)議參考ISO 14230-3和ISO 15031-5。

2.1.2 CAN線診斷

CAN線診斷方式涉及的標(biāo)準(zhǔn)比較多，其底層協(xié)議可以參考ISO 11898或者SAE J1939等通信協(xié)議（與診斷協(xié)議有區(qū)分），目前可以劃分為ISO 15765和SAE J1939兩種方式，下面將詳細描述兩種方式的標(biāo)準(zhǔn)選擇情況。

1）ISO 15765

此種診斷方式涉及的標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 11898、ISO 15765、ISO 14229和ISO 15031，排放型診斷和增強型診斷，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層等底層標(biāo)準(zhǔn)基本一致，參考ISO 11898和ISO 15765，主要不同點在于應(yīng)用層，排放診斷參考ISO 15765和ISO 15031，增強型診斷參考ISO 15765和ISO 15031。

2）SAE J1939

此種診斷方式涉及的標(biāo)準(zhǔn)為SAE J1939，其底層標(biāo)準(zhǔn)參考通信標(biāo)準(zhǔn)SAE J1939-11/15和SAE J1939-21，應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)參考SAE J1939-73。

基于K線和CAN線兩種方式，其通信速率、信號傳輸、錯誤和仲裁處理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和報文長度等均不同；采用K線診斷方式，其通信速率最大只有10.4kbit/s，而采用CAN線可以達到1Mbit/s；CAN線診斷方式具有完善的通信錯誤處理和總線仲裁機制，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以承載的信息更多。

圖1 K線和CAN線比較

2.2 ISO 15765與SAE J1939診斷協(xié)議比較

2.2.1 物理層

ISO 15765診斷協(xié)議和SAE J1939診斷協(xié)議均未定義單獨的物理層，通常是與應(yīng)用通信協(xié)議共享同樣的物理層。即ISO 15765診斷協(xié)議只要滿足ISO 11898-1定義的公共要求即可；而SAE J1939診斷協(xié)議則沿用了SAE J1939應(yīng)用通信協(xié)議對于物理層的定義，其中SAE J1939-11和SAE J1939-15分別給出了物理層為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線時的要求，包括機械特性、電氣特性和功能特性。

物理層定義了診斷通信的物理介質(zhì)和電氣接口等，主要用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中電控單元之間、電控單元與外部診斷設(shè)備之間的點連接。物理層的要求需要通過整車、診斷設(shè)備、電控單元之間的協(xié)同配合來實現(xiàn)，是診斷通信得以正常運行的物理基礎(chǔ)。

診斷連接器是整車電控單元和外部診斷設(shè)備之間進行通信的電氣連接接口，包括診斷連接器的類型、尺寸、引線定義及排列、安裝位置等。ISO 15765沒有定義單獨的離線診斷連接器的需求，沿用了ISO 15031-3的定義要求，見下圖2和表1；SAE J1939-13定義了與ISO 15031-3完全不能兼容的連接器，見下圖3和表3所示。

圖2 ISO 15765診斷連接器

2.2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

ISO 15765診斷方式的數(shù)據(jù)鏈路層遵循ISO 11898-1的定義，數(shù)據(jù)長度固定為8，未使用的字節(jié)不定義，數(shù)據(jù)長度小于8的報文忽略。在商用車上，為與SAE J1939的通信底層協(xié)議保持一致（擴展幀），ISO 15765使用擴展幀，即29位CAN標(biāo)示符，遵守BOSCH的CAN2.0B規(guī)范。

SAE J1939診斷方式的數(shù)據(jù)鏈路層是在SAE J1939-21中定義的，數(shù)據(jù)鏈路層在物理層之上提供了可靠地數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了應(yīng)用層報文的數(shù)據(jù)交換。通過數(shù)據(jù)鏈路層的組織，實現(xiàn)了發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制而后流控制等功能。

與ISO 15765不同，SAE J1939-21協(xié)議對CAN2.0B擴展幀格式的29位CAN標(biāo)示符進行了重新定義，僅使用CAN擴展幀格式作為其標(biāo)準(zhǔn)的通信消息幀格式。SAE J1939協(xié)議采用了協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）傳遞消息，PDU由數(shù)據(jù)幀中29位ID和8個字節(jié)數(shù)據(jù)場組成。SAE J1939的29位CAN標(biāo)示符包含了以下幾個部分：優(yōu)先級（P）、擴展數(shù)據(jù)頁(EDP)、數(shù)據(jù)頁(DP)、PDU格式（PF）、PDU特定域（PS）、源地址（SA），如下圖所示。

圖4 擴展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

關(guān)于排放診斷，ISO 15765-4對網(wǎng)絡(luò)層做了相應(yīng)的限制，規(guī)定外部測試設(shè)備必須支持法規(guī)規(guī)定的用于排放通信的11位和29位CAN ID，而排放電控單元必須支持用于排放通信請求和響應(yīng)消息的11位或29位CAN ID，必須支持一對排放規(guī)定的物理尋址的請求和響應(yīng)，必須支持法規(guī)規(guī)定的排放功能尋址請求，必須支持外部測試設(shè)備發(fā)送的物理尋址和流控制幀；法規(guī)規(guī)定的排放通信僅僅使用常規(guī)尋址和常規(guī)固定尋址格式。

表2 尋址格式

SAE J1939網(wǎng)絡(luò)層中定義了如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)及連接的功能，網(wǎng)絡(luò)層的功能包括數(shù)據(jù)的過濾、重新打包和轉(zhuǎn)發(fā)。SAE J1939網(wǎng)絡(luò)層和診斷的實現(xiàn)沒有關(guān)系。

2.2.4 會話層

在ISO 15765診斷方式中，對電控單元的會話模式進行了規(guī)定，包括默認、編程、擴展和安全四種，會話模式的轉(zhuǎn)換入下圖5所示，在不同條件下分別對應(yīng)不同的系統(tǒng)行為，如下表2所示。

ISO 15765-4對會話層的要求為所有的排放診斷均可在默認的會話中執(zhí)行，在排放電控單元中只有一個診斷會話處于活動狀態(tài)，所有的電控單元在上電時都啟動默認會話，在其他診斷會話啟動時，默認會話會一直處于活動狀態(tài)。

圖5 會話模式轉(zhuǎn)換

表3 診斷會話模式轉(zhuǎn)換條件

SAE J1939對會話層沒有特殊定義。

2.2.5 應(yīng)用層

ISO 15765診斷方式的應(yīng)用層是在ISO 15765-3中定義的，定義了應(yīng)用層處于默認會話時的定時參數(shù)、非默認會話時的定時參數(shù)及錯誤處理。ISO 15765采用了ISO 14229的診斷服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)（統(tǒng)一診斷服務(wù)，簡稱UDS）。SAE J1939定義的診斷服務(wù)包括增強型診斷服務(wù)和與排放相關(guān)的服務(wù)；ISO 15765-3定義了增強型診斷服務(wù)，排放診斷參考ISO 15031。與ISO 15765-3相比，SAE J1939定義的增強型診斷服務(wù)非常不完善，如其沒有定義維修和開發(fā)階段頻繁使用的輸入輸出控制，未定義對電控單元標(biāo)定和學(xué)習(xí)時使用的例程控制，并且它的安全訪問非常復(fù)雜。

2.3 ISO 14229標(biāo)準(zhǔn)簡介

ISO 14229標(biāo)準(zhǔn)主要定義了以下幾個方面的通用服務(wù)：診斷/通信管理、數(shù)據(jù)傳輸、儲存數(shù)據(jù)傳輸功能、讀故障信息和在線編程和功能/元件測試。

診斷和通信管理服務(wù)主要是定義有關(guān)診斷會話控制、通信參數(shù)設(shè)定、安全訪問和電控單元復(fù)位等服務(wù)，保證診斷通信過程中的正常工作；

數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)對整車的參數(shù)進行實時監(jiān)控，根據(jù)標(biāo)示符和地質(zhì)讀寫數(shù)據(jù)；

讀故障信息服務(wù)可以支持診斷設(shè)備對電控單元內(nèi)部故障信息進行檢查，主要用于故障的診斷。

在線編程服務(wù)包括請求下載、數(shù)據(jù)傳輸和退出傳輸，可以支持診斷儀和內(nèi)部電控單元之間進行大量數(shù)據(jù)通信，上下載數(shù)據(jù)。

圖6 診斷服務(wù)主要應(yīng)用

功能/元件測試服務(wù)包括例程控制盒輸入輸出控制，可以對車輛ECU的輸入輸出進行控制，也有助于故障的診斷。

3 某輕型卡車診斷協(xié)議設(shè)計與驗證

3.1 需求分析

根據(jù)某輕卡整車配置表，整車CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括車身控制器（BCM）、組合儀表（ICM）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）、增壓器（EGR）和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Turbo）等模塊。其中ABS和EMS為成熟產(chǎn)品，其通信協(xié)議遵守SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)，即整車通信速率為250Kbps，采用29位CAN標(biāo)示符；診斷協(xié)議包括增強型診斷和排放診斷，涉及到排放診斷的只有發(fā)動機，其他模塊只涉及到增強型診斷。

ISO 15765針對增強型診斷定義了專門的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，并且經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用已非常完善與成熟，適用于電控單元的下線檢測、開發(fā)標(biāo)定、售后維修和代碼升級等，這也是ISO 15765協(xié)議在乘用車中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。ISO 15765繼續(xù)被沿用到商用車中并得到廣泛應(yīng)用，尤其在歐洲應(yīng)用非常廣泛。SAE J1939是美國汽車工程師協(xié)議制定的專門針對重型車應(yīng)用的通信診斷協(xié)議，包含了排放和增強型診斷。由于SAE J1939起步較晚，其定義的增強型診斷還不完善，尤其是診斷服務(wù)非常不完善。

基于EMS和ABS通信協(xié)議為SAE J1939的現(xiàn)狀，車身模塊（BCM和ICM等）也按照此通信協(xié)議進行設(shè)計。關(guān)于診斷協(xié)議的設(shè)計，EMS和ABS的診斷已完成開發(fā)，整車診斷協(xié)議的設(shè)計主要集中在車身模塊?？紤]國內(nèi)零部件供應(yīng)商和整車廠的開發(fā)水平，目前輕型卡車的診斷協(xié)議基本遵循ISO 15765方式，下表為某輕卡診斷協(xié)議設(shè)計一覽表。

表4 某輕卡診斷協(xié)議設(shè)計一覽表

3.2 診斷協(xié)議設(shè)計

3.2.1 CAN標(biāo)識符

診斷報文采用常規(guī)規(guī)定尋址方式，符合ISO 15765-2中規(guī)定要求，其格式如上表2所示，診斷CAN標(biāo)示符定義如下表5所示。

表5

3.2.2 診斷服務(wù)

診斷服務(wù)包括會話、電控單元、安全訪問、通信控制、診斷設(shè)備在線等各種服務(wù)，不同模塊根據(jù)自身模塊功能等特點，選取對應(yīng)的服務(wù)。例如BCM需要例程控制服務(wù)（31h），此服務(wù)可以用于遙控鑰匙的匹配，輸入輸出控制服務(wù)（2Fh）可以用于控制對應(yīng)燈光、雨刮等執(zhí)行機構(gòu)。

表6

3.3 測試驗證

診斷功能的驗證需要通過專業(yè)的工具來實現(xiàn)，目前應(yīng)用比較廣泛的是使用Vector工具鏈來實現(xiàn)，涉及到的軟硬件包括CANdelaStudio、CANoe Option Diva、CANoe和CANcase，其測試流程如下圖7所示。

圖7 診斷開發(fā)流程

診斷開發(fā)流程包括診斷數(shù)據(jù)庫開發(fā)、工程文件轉(zhuǎn)換和測試實施，其中診斷數(shù)據(jù)庫的開發(fā)可以按照Vector提供的數(shù)據(jù)庫模板和診斷協(xié)議規(guī)范使用CANdelaStudio軟件編制，將編制好的診斷數(shù)據(jù)庫文件（又名CDD文件）導(dǎo)入CANoe Option Diva軟件生成工程文件，將工程文件導(dǎo)入CANoe軟件中，然后連接上待測電控單元，開始測試生成測試報告，根據(jù)測試報告中的問題推進模塊廠家進行整改。

[1] 劉麗麗,徐皚冬,宋巖,等.車輛通用故障診斷協(xié)議的研究與開發(fā)明.計算機工程,2012,38(16):9-13.

[2] 何貴斌.關(guān)于ISO 15765故障診斷協(xié)議的研究.

[3] 朱正禮, 蘭志波 商用車增強型診斷協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)明汽車電器2011,( 5 )15~ 19.

Commercial Wiring Connector Design Research

Sun Yongfeng
（Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

This paper first describes the enhanced diagnostic and discharge diagnosis applicable range and field, the Standard Specification for various vehicle diagnosis involved to make the detailed comparison, the hierarchy of ISO 15765 and SAE J1939 diagnosis system structure are compared, and expounds the application of the two diagnostic methods. After the diagnosis function design of a light truck as an example, describes the vehicle diagnostic function of design and verification flow.

Diagnosis; enhanced; discharge; ISO 15765; SAE J1939; ISO14229

U461.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-22-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.009

孫永鋒，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，從事汽車電器設(shè)計工作。