吳含冰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

控制器局域網(wǎng) （Controller Area Network，以下簡(jiǎn)稱CAN）作為現(xiàn)場(chǎng)總線是汽車企業(yè)為解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題所開發(fā)的通信協(xié)議。CAN總線是一種多主總線，應(yīng)用于車輛的CAN總線通信介質(zhì)多為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mb／s。由于CAN總線具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較短、非破壞性總線仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式特點(diǎn)，已被全世界眾多汽車企業(yè)采用，成為最重要的汽車總線標(biāo)準(zhǔn)。而基于CAN網(wǎng)絡(luò)故障診斷也越來越受到了各大汽車廠商的重視，汽車廠商通常在國際上統(tǒng)一的診斷通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建自己的整車診斷網(wǎng)絡(luò)。國際上針對(duì)基于CAN網(wǎng)絡(luò)的診斷通信技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具備完善的配套標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)制定了覆蓋整個(gè)診斷協(xié)議棧的國際標(biāo)準(zhǔn) （包括ISO 15765《道路車輛 基于控制器局域網(wǎng)的診斷通信》系列標(biāo)準(zhǔn)和ISO 14229《道路車輛 統(tǒng)一的診斷服務(wù)》系列標(biāo)準(zhǔn)等），這些標(biāo)準(zhǔn)在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的實(shí)施和應(yīng)用，在規(guī)范和引導(dǎo)車載診斷系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重大作用。

1 車載診斷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧

車載診斷系統(tǒng)遵循開放系統(tǒng)互聯(lián) （以下簡(jiǎn)稱OSI）基本參考模型，該模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）于1984年提出的分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，其定義的是一種抽象機(jī)構(gòu)，而并非具體實(shí)現(xiàn)的描述，其目的是支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。OSI參考模型將通信系統(tǒng)劃分為7層，從上至下依次是應(yīng)用層 （第7層）、表示層 （第6層）、會(huì)話層 （第5層）、傳輸層（第4層）、網(wǎng)絡(luò)層 （第3層）、數(shù)據(jù)鏈路層 （第2層）和物理層（第1層）。各層的目的是向上層提供服務(wù)。 其中，物理層是利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，一般情況下，物理層進(jìn)行信道編碼或解碼，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕粩?shù)據(jù)鏈路層主要保障在物理鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳遞，數(shù)據(jù)或指令被封裝成特定的可被物理層傳輸?shù)膸?，還包括訪問控制、資源管理、數(shù)據(jù)分段、 級(jí)聯(lián)、糾錯(cuò)等功能；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)進(jìn)行路由選擇，從而確定兩節(jié)點(diǎn)之間的路徑，可以進(jìn)行流量控制；傳輸層負(fù)責(zé)為會(huì)話層提供網(wǎng)絡(luò)線路，即傳輸通路；會(huì)話層負(fù)責(zé)兩節(jié)點(diǎn)之間會(huì)話建立、維持和終止；表示層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼或解碼，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兼容或適合的傳輸格式，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的解密與加密；應(yīng)用層負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序 （或用戶）提供服務(wù)。

車載診斷系統(tǒng)按照應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用目的不同，從協(xié)議棧層面分為3類：第1類是增強(qiáng)型診斷，主要用于車輛制造商開發(fā)車載診斷系統(tǒng)；第2類是排放相關(guān)車載診斷系統(tǒng) （OBD）；第3類是全球協(xié)調(diào)車載診斷系統(tǒng) （WWH-OBD），主要應(yīng)用于商用車。本文主要針對(duì)基于控制器局域網(wǎng)的增強(qiáng)型車載診斷展開研究。

增強(qiáng)型車載診斷系統(tǒng)遵循OSI架構(gòu)，針對(duì)OSI架構(gòu)的每一個(gè)層級(jí)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都制定了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)中得到廣泛的實(shí)施和應(yīng)用 （表1）。

表1 基于CAN的增強(qiáng)型車載診斷國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧［1］

2 傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層

增強(qiáng)型診斷的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層定義了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互使用的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議，例如從一個(gè)ECU到另一個(gè)ECU或外部測(cè)試設(shè)備和一個(gè)ECU之間的通信，其主要任務(wù)是傳輸報(bào)文，并且提供了分段、流控制傳輸和重組的方法。

CAN總線上的單個(gè)數(shù)據(jù)幀每幀只能傳輸8個(gè)字節(jié)，根據(jù)需要傳輸?shù)脑\斷服務(wù)數(shù)據(jù)大小，可以使用單幀或多幀的方式進(jìn)行傳輸。采用單幀傳輸時(shí)，可以傳輸6個(gè) （擴(kuò)展或混合尋址）或7個(gè) （常規(guī)尋址）數(shù)據(jù)字節(jié)；如要傳輸較長報(bào)文，要先將其分段再傳輸多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （以下簡(jiǎn)稱N_PDU）。多個(gè)N_PDU包括首幀 （報(bào)文的第1個(gè)N_PDU）及連續(xù)幀 （所有后續(xù)N_PDU），多個(gè)N_PDU報(bào)文的接收端通過流控機(jī)制使傳輸吞吐量適合自身容量，如圖1所示。］

圖1 多幀傳輸示意圖［2

首幀，即第1幀 （FF）只能用于傳輸不適用于單個(gè)CAN幀傳輸?shù)膱?bào)文 （即分段報(bào)文）。收到FF后，網(wǎng)絡(luò)層接收實(shí)體應(yīng)開始重組分段報(bào)文。

發(fā)送分段數(shù)據(jù)時(shí)，將首幀以后所有連續(xù)的幀編碼為連續(xù)幀 （CF）。收到連續(xù)幀后，網(wǎng)絡(luò)層接收實(shí)體應(yīng)重組接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，直到所有報(bào)文接收完畢。正確接收到最后一幀報(bào)文后，接收實(shí)體應(yīng)將重組報(bào)文傳遞至相鄰的上層協(xié)議層。

流控幀的目的是調(diào)節(jié)向接收端發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)幀的速率，流控機(jī)制允許接收端將其能力通知發(fā)送端，如果發(fā)送實(shí)體傳輸?shù)拈L度超出接收實(shí)體緩沖區(qū)大小，流控幀也可以在分段報(bào)文傳輸期間指示網(wǎng)絡(luò)發(fā)送實(shí)體暫停傳輸后續(xù)的連續(xù)幀，或終止傳輸分段報(bào)文。

3 應(yīng)用層

應(yīng)用層服務(wù)通常稱為診斷服務(wù)，用于基于客戶端—服務(wù)器端的系統(tǒng)，以執(zhí)行諸如車載車輛服務(wù)端的測(cè)試、檢查、監(jiān)控或診斷等功能。客戶端 （通常稱為診斷設(shè)備）使用應(yīng)用層服務(wù)來請(qǐng)求在一個(gè)或多個(gè)服務(wù)端中執(zhí)行診斷功能。服務(wù)器端 （通常作為ECU的部分功能）使用應(yīng)用層服務(wù)將由請(qǐng)求的診斷服務(wù)提供的響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送回客戶端，客戶端應(yīng)用層和服務(wù)器應(yīng)用層的診斷通信典型交互過程如圖2所示。客戶端通常是非車載診斷儀，但在某些系統(tǒng)中也可以是車載診斷儀，同一車輛系統(tǒng)中允許有多個(gè)客戶端。應(yīng)用層根據(jù)診斷交互的需求，能夠提供多種診斷服務(wù)，其中最為常用的診斷服務(wù)包括診斷和通信管理類功能和數(shù)據(jù)傳輸類功能，如表2和表3所示。

圖2 客戶端和服務(wù)器的診斷通信交互示意圖

4 總結(jié)

汽車設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)是如何預(yù)先評(píng)估潛在的危害和風(fēng)險(xiǎn)，并采取適當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧﹣斫档惋L(fēng)險(xiǎn)。隨著電子電氣系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，來自系統(tǒng)性失效、隨機(jī)硬件失效和軟件故障的風(fēng)險(xiǎn)也日益增加。因此，車載診斷服務(wù)對(duì)于車輛的整體安全性的作用也日益重要。

表2 診斷和通信管理功能［3］

表3 數(shù)據(jù)傳輸功能單元［3］