商用車診斷協議研究與應用

孫永鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車診斷協議研究與應用

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域進行了描述，對車載診斷涉及到的各種標準規范做了詳細的對比說明，對ISO 15765和SAE J1939診斷體系結構中各網絡分層進行了對比說明，闡述了這兩種診斷方式的應用情況。之后以某輕型卡車的診斷功能設計為例，描述了整車診斷功能的設計和驗證流程。

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用及各國政府對排放法規的要求，故障診斷成為現代商用車必不可少的一項功能。根據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、標定、下線檢測、售后維修和代碼升級等。如發動機模塊中包含了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（OBD-I）

隨著全球空氣質量的惡化和人民環保意識的提高，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，要求各汽車制造廠在加州銷售的車輛，必須裝備OBD系統，稱為OBD-I。因此各大汽車制造廠根據CARB的要求開發屬于自己的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系統對于廢棄排放不能夠很好地控制，1996年以后，各汽車生產廠家不再生產采用OBD-I系統的車輛。

（2）第二代車載自診斷系統（OBD-II）

由于OBD-I的故障代碼以及軟硬件結構的標準都是由各汽車廠家自行開發的，因此，OBD-I系統不但隨制造廠的不同而異，而且同一家主機廠商生產的車型和年代不同，其OBD-I系統也不相同，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的故障代碼和軟硬件結構統一，設計統一的診斷接口，提高車輛出現故障后的維修效率，1994年美國汽車工程師協會（SAE）制定了第二代車載自診斷系統（OBD-II）標準，同時經美國環保局以及CARB認證通過了這一標準，OBD-II標準很快為各大汽車制造廠商所接受?，F在世界各國汽車生產企業普遍采用OBD-II，由于我國汽車排放標準的制定借鑒了歐洲標準，因此我國強制實施的OBD是基于E-OBD標準的C-OBD。

（3）第三代車載自診斷系統（OBD-III）

隨著電控技術不斷發展和應用，同時出現了一系列的問題，比如：汽車電路系統的故障率比較高，汽車的各系統中線路的數量大而且復雜，新的系統擴充空間也比較小，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，維修比較復雜等。于是SAE又提出了OBD-III（又稱MOBD，多用車載診斷系統）的概念。

在采用OBD-II的電子控制系統中，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動機、變速器、ABS等ECU中去讀取故障代碼和數據流。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給現代汽車的維修帶來了更多的便利。

1.2 增強型診斷

隨著現代商用車CAN總線系統的發展，ISO 15765/ISO 14229與SAE J1939成為商用車增強型診斷的主要標準和協議。歐洲的2005/78/EC指令規定在商用車必須選用ISO15765或SAE J1939；美國的CARB和EPA規定，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準（ISO 15765或SAE J1939），同時不能對ISO15765協議使用SAE J1939的連接器。我國商用車對于增強型診斷標準的應用和選擇還沒有統一的規定，基本處于自由選擇狀態。

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

2008年6月24日，我國環境保護部發布了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷（OBD）系統技術要求》行業標準，從2008年7月1日起實施，標準中規定了生產商可以自由選擇ISO 15765和SAE J1939。

2 診斷協議及標準

2.1 車載診斷協議及標準

根據計算機網絡開放系統互連參考模型（Open System Interconnecion，簡稱OSI），網絡可分為7層，分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，CAN網絡包括物理層、數據鏈路層、網絡層、會話層和應用層，預留傳輸層和表示層。目前車載診斷標準包括ISO 15031、ISO 15765、ISO 14229、ISO 14230和SAE J1939等，分別對應不同的網絡分層。

關于車載診斷方式，按照物理層傳輸介質可劃分為基于K線和CAN線兩種方式，基于K線的診斷協議標準包括ISO 14230和ISO 15031兩種，分別對應增強型和排放診斷；基于CAN線的診斷協議包括ISO和SAE兩套標準，均可完成增強型和排放診斷的設計。

表1 診斷協議標準與OSI參考模型映射說明（N/A表示預留）

2.1.1 K線診斷

K線診斷方式涉及的標準為ISO 14230和ISO 15031，可以滿足整車增強型和排放診斷設計需求。對于增強型診斷，其底層和應用層均參考ISO 14230，分別對應ISO 14230-1、ISO 14230-2和ISO 14230-3；對于排放診斷，其底層標準參考ISO 14230-1和ISO 14230-2，應用層協議參考ISO 14230-3和ISO 15031-5。

2.1.2 CAN線診斷

CAN線診斷方式涉及的標準比較多，其底層協議可以參考ISO 11898或者SAE J1939等通信協議（與診斷協議有區分），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準選擇情況。

1）ISO 15765

此種診斷方式涉及的標準包括ISO 11898、ISO 15765、ISO 14229和ISO 15031，排放型診斷和增強型診斷，物理層和數據鏈路層等底層標準基本一致，參考ISO 11898和ISO 15765，主要不同點在于應用層，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準為SAE J1939，其底層標準參考通信標準SAE J1939-11/15和SAE J1939-21，應用層標準參考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、網絡結構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，對應網絡結構較為復雜，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診斷協議比較

2.2.1 物理層

ISO 15765診斷協議和SAE J1939診斷協議均未定義單獨的物理層，通常是與應用通信協議共享同樣的物理層。即ISO 15765診斷協議只要滿足ISO 11898-1定義的公共要求即可；而SAE J1939診斷協議則沿用了SAE J1939應用通信協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和電氣接口等，主要用來實現網絡中電控單元之間、電控單元與外部診斷設備之間的點連接。物理層的要求需要通過整車、診斷設備、電控單元之間的協同配合來實現，是診斷通信得以正常運行的物理基礎。

診斷連接器是整車電控單元和外部診斷設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 數據鏈路層

ISO 15765診斷方式的數據鏈路層遵循ISO 11898-1的定義，數據長度固定為8，未使用的字節不定義，數據長度小于8的報文忽略。在商用車上，為與SAE J1939的通信底層協議保持一致（擴展幀），ISO 15765使用擴展幀，即29位CAN標示符，遵守BOSCH的CAN2.0B規范。

SAE J1939診斷方式的數據鏈路層是在SAE J1939-21中定義的，數據鏈路層在物理層之上提供了可靠地數據傳輸功能，實現了應用層報文的數據交換。通過數據鏈路層的組織，實現了發送數據幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制而后流控制等功能。

與ISO 15765不同，SAE J1939-21協議對CAN2.0B擴展幀格式的29位CAN標示符進行了重新定義，僅使用CAN擴展幀格式作為其標準的通信消息幀格式。SAE J1939協議采用了協議數據單元（PDU）傳遞消息，PDU由數據幀中29位ID和8個字節數據場組成。SAE J1939的29位CAN標示符包含了以下幾個部分：優先級（P）、擴展數據頁(EDP)、數據頁(DP)、PDU格式（PF）、PDU特定域（PS）、源地址（SA），如下圖所示。

圖4 擴展幀數據結構

2.2.3 網絡層

關于排放診斷，ISO 15765-4對網絡層做了相應的限制，規定外部測試設備必須支持法規規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消息的11位或29位CAN ID，必須支持一對排放規定的物理尋址的請求和響應，必須支持法規規定的排放功能尋址請求，必須支持外部測試設備發送的物理尋址和流控制幀；法規規定的排放通信僅僅使用常規尋址和常規固定尋址格式。

表2 尋址格式

SAE J1939網絡層中定義了如何構建網絡及連接的功能，網絡層的功能包括數據的過濾、重新打包和轉發。SAE J1939網絡層和診斷的實現沒有關系。

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定，包括默認、編程、擴展和安全四種，會話模式的轉換入下圖5所示，在不同條件下分別對應不同的系統行為，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行，在排放電控單元中只有一個診斷會話處于活動狀態，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。

圖5 會話模式轉換

表3 診斷會話模式轉換條件

SAE J1939對會話層沒有特殊定義。

2.2.5 應用層

ISO 15765診斷方式的應用層是在ISO 15765-3中定義的，定義了應用層處于默認會話時的定時參數、非默認會話時的定時參數及錯誤處理。ISO 15765采用了ISO 14229的診斷服務標準（統一診斷服務，簡稱UDS）。SAE J1939定義的診斷服務包括增強型診斷服務和與排放相關的服務；ISO 15765-3定義了增強型診斷服務，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非常不完善，如其沒有定義維修和開發階段頻繁使用的輸入輸出控制，未定義對電控單元標定和學習時使用的例程控制，并且它的安全訪問非常復雜。

2.3 ISO 14229標準簡介

ISO 14229標準主要定義了以下幾個方面的通用服務：診斷/通信管理、數據傳輸、儲存數據傳輸功能、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主要是定義有關診斷會話控制、通信參數設定、安全訪問和電控單元復位等服務，保證診斷通信過程中的正常工作；

數據傳輸服務對整車的參數進行實時監控，根據標示符和地質讀寫數據；

讀故障信息服務可以支持診斷設備對電控單元內部故障信息進行檢查，主要用于故障的診斷。

在線編程服務包括請求下載、數據傳輸和退出傳輸，可以支持診斷儀和內部電控單元之間進行大量數據通信，上下載數據。

圖6 診斷服務主要應用

功能/元件測試服務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 某輕型卡車診斷協議設計與驗證

3.1 需求分析

根據某輕卡整車配置表，整車CAN網絡節點包括車身控制器（BCM）、組合儀表（ICM）、防抱死制動系統（ABS）、發動機管理系統（EMS）、增壓器（EGR）和廢氣再循環系統（Turbo）等模塊。其中ABS和EMS為成熟產品，其通信協議遵守SAE J1939標準，即整車通信速率為250Kbps，采用29位CAN標示符；診斷協議包括增強型診斷和排放診斷，涉及到排放診斷的只有發動機，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準和協議，并且經過多年的發展和應用已非常完善與成熟，適用于電控單元的下線檢測、開發標定、售后維修和代碼升級等，這也是ISO 15765協議在乘用車中得到廣泛應用的重要原因。ISO 15765繼續被沿用到商用車中并得到廣泛應用，尤其在歐洲應用非常廣泛。SAE J1939是美國汽車工程師協議制定的專門針對重型車應用的通信診斷協議，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，尤其是診斷服務非常不完善。

基于EMS和ABS通信協議為SAE J1939的現狀，車身模塊（BCM和ICM等）也按照此通信協議進行設計。關于診斷協議的設計，EMS和ABS的診斷已完成開發，整車診斷協議的設計主要集中在車身模塊。考慮國內零部件供應商和整車廠的開發水平，目前輕型卡車的診斷協議基本遵循ISO 15765方式，下表為某輕卡診斷協議設計一覽表。

表4 某輕卡診斷協議設計一覽表

3.2 診斷協議設計

3.2.1 CAN標識符

診斷報文采用常規規定尋址方式，符合ISO 15765-2中規定要求，其格式如上表2所示，診斷CAN標示符定義如下表5所示。

表5

3.2.2 診斷服務

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

表6

3.3 測試驗證

診斷功能的驗證需要通過專業的工具來實現，目前應用比較廣泛的是使用Vector工具鏈來實現，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 診斷開發流程

診斷開發流程包括診斷數據庫開發、工程文件轉換和測試實施，其中診斷數據庫的開發可以按照Vector提供的數據庫模板和診斷協議規范使用CANdelaStudio軟件編制，將編制好的診斷數據庫文件（又名CDD文件）導入CANoe Option Diva軟件生成工程文件，將工程文件導入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議的研究與開發明.計算機工程,2012,38(16):9-13.

[2] 何貴斌.關于ISO 15765故障診斷協議的研究.

[3] 朱正禮, 蘭志波 商用車增強型診斷協議與標準明汽車電器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中心，從事汽車電器設計工作。