商用车诊断协议研究与应用

孙永锋

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用车诊断协议研究与应用

孙永锋

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先对增强型诊断和排放诊断适用的范围和领域进行了描述，对车载诊断涉及到的各种标准规范做了详细的对比说明，对ISO 15765和SAE J1939诊断体系结构中各网络分层进行了对比说明，阐述了这两种诊断方式的应用情况。之后以某轻型卡车的诊断功能设计为例，描述了整车诊断功能的设计和验证流程。

诊断；增强型；排放；ISO 15765；SAE J1939；ISO14229

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

前言

随着电控单元在商用车上的大量应用及各国政府对排放法规的要求，故障诊断成为现代商用车必不可少的一项功能。根据故障诊断的对象及目的的不同，电控单元的诊断主要分为排放（OBD）诊断和增强型诊断，增强型诊断是指除OBD诊断以为的诊断，主要目的是为了开发、标定、下线检测、售后维修和代码升级等。如发动机模块中包含了OBD诊断和增强型诊断，车身、仪表等电控单元全部为增强型诊断。

1.1 排放（OBD）诊断

（1）第一代车载自诊断系统（OBD-I）

随着全球空气质量的恶化和人民环保意识的提高，同时由于汽车的尾气排放也是造成大气污染的一个重要的因素，1985年美国加州大气资源局（CARB）开始制定法规，要求各汽车制造厂在加州销售的车辆，必须装备OBD系统，称为OBD-I。因此各大汽车制造厂根据CARB的要求开发属于自己的OBD-I，但是故障诊断接口、故障代码含义和读取方法也各不相同。由于OBD-I系统对于废弃排放不能够很好地控制，1996年以后，各汽车生产厂家不再生产采用OBD-I系统的车辆。

（2）第二代车载自诊断系统（OBD-II）

由于OBD-I的故障代码以及软硬件结构的标准都是由各汽车厂家自行开发的，因此，OBD-I系统不但随制造厂的不同而异，而且同一家主机厂商生产的车型和年代不同，其OBD-I系统也不相同，这就给后期的车辆维修带来了极大的不便。因此，必须使各大汽车制造长的车载自诊断系统的故障代码和软硬件结构统一，设计统一的诊断接口，提高车辆出现故障后的维修效率，1994年美国汽车工程师协会（SAE）制定了第二代车载自诊断系统（OBD-II）标准，同时经美国环保局以及CARB认证通过了这一标准，OBD-II标准很快为各大汽车制造厂商所接受。现在世界各国汽车生产企业普遍采用OBD-II，由于我国汽车排放标准的制定借鉴了欧洲标准，因此我国强制实施的OBD是基于E-OBD标准的C-OBD。

（3）第三代车载自诊断系统（OBD-III）

随着电控技术不断发展和应用，同时出现了一系列的问题，比如：汽车电路系统的故障率比较高，汽车的各系统中线路的数量大而且复杂，新的系统扩充空间也比较小，新增软件及硬件的可塑性比较小，汽车制造成本比较高，各电控单元的资源不可以共享，维修比较复杂等。于是SAE又提出了OBD-III（又称MOBD，多用车载诊断系统）的概念。

在采用OBD-II的电子控制系统中，每一个电控单元都是相对独立的。在维修过程中故障检测仪要分别进入到发动机、变速器、ABS等ECU中去读取故障代码和数据流。而在OBD-III中，所有ECU都通过CAN总线连接，使得车身线路的布局大大简化，第三代车载自诊断系统给现代汽车的维修带来了更多的便利。

1.2 增强型诊断

随着现代商用车CAN总线系统的发展，ISO 15765/ISO 14229与SAE J1939成为商用车增强型诊断的主要标准和协议。欧洲的2005/78/EC指令规定在商用车必须选用ISO15765或SAE J1939；美国的CARB和EPA规定，ISO 15765可用于搭载汽油机和柴油机的轻型车，而SAE J1939只能用于搭载柴油机的重型车，并且在同一辆车中只能采用一种车载诊断标准（ISO 15765或SAE J1939），同时不能对ISO15765协议使用SAE J1939的连接器。我国商用车对于增强型诊断标准的应用和选择还没有统一的规定，基本处于自由选择状态。

在中国，商用车的诊断协议正处于从K线诊断协议（ISO 14230）到CAN总线诊断协议的转型期，商用车的诊断协议基本上均采用跟随发动机诊断协议策略，如康明斯的发动机几乎全部采用SAE J1939的诊断协议，而玉柴和潍柴针对不同的电喷系统，既有SAE J1939诊断协议，也有ISO 15765诊断协议。

2008年6月24日，我国环境保护部发布了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求》行业标准，从2008年7月1日起实施，标准中规定了生产商可以自由选择ISO 15765和SAE J1939。

2 诊断协议及标准

2.1 车载诊断协议及标准

根据计算机网络开放系统互连参考模型（Open System Interconnecion，简称OSI），网络可分为7层，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，CAN网络包括物理层、数据链路层、网络层、会话层和应用层，预留传输层和表示层。目前车载诊断标准包括ISO 15031、ISO 15765、ISO 14229、ISO 14230和SAE J1939等，分别对应不同的网络分层。

关于车载诊断方式，按照物理层传输介质可划分为基于K线和CAN线两种方式，基于K线的诊断协议标准包括ISO 14230和ISO 15031两种，分别对应增强型和排放诊断；基于CAN线的诊断协议包括ISO和SAE两套标准，均可完成增强型和排放诊断的设计。

表1 诊断协议标准与OSI参考模型映射说明（N/A表示预留）

2.1.1 K线诊断

K线诊断方式涉及的标准为ISO 14230和ISO 15031，可以满足整车增强型和排放诊断设计需求。对于增强型诊断，其底层和应用层均参考ISO 14230，分别对应ISO 14230-1、ISO 14230-2和ISO 14230-3；对于排放诊断，其底层标准参考ISO 14230-1和ISO 14230-2，应用层协议参考ISO 14230-3和ISO 15031-5。

2.1.2 CAN线诊断

CAN线诊断方式涉及的标准比较多，其底层协议可以参考ISO 11898或者SAE J1939等通信协议（与诊断协议有区分），目前可以划分为ISO 15765和SAE J1939两种方式，下面将详细描述两种方式的标准选择情况。

1）ISO 15765

此种诊断方式涉及的标准包括ISO 11898、ISO 15765、ISO 14229和ISO 15031，排放型诊断和增强型诊断，物理层和数据链路层等底层标准基本一致，参考ISO 11898和ISO 15765，主要不同点在于应用层，排放诊断参考ISO 15765和ISO 15031，增强型诊断参考ISO 15765和ISO 15031。

2）SAE J1939

此种诊断方式涉及的标准为SAE J1939，其底层标准参考通信标准SAE J1939-11/15和SAE J1939-21，应用层标准参考SAE J1939-73。

基于K线和CAN线两种方式，其通信速率、信号传输、错误和仲裁处理、网络结构和报文长度等均不同；采用K线诊断方式，其通信速率最大只有10.4kbit/s，而采用CAN线可以达到1Mbit/s；CAN线诊断方式具有完善的通信错误处理和总线仲裁机制，对应网络结构较为复杂，可以承载的信息更多。

图1 K线和CAN线比较

2.2 ISO 15765与SAE J1939诊断协议比较

2.2.1 物理层

ISO 15765诊断协议和SAE J1939诊断协议均未定义单独的物理层，通常是与应用通信协议共享同样的物理层。即ISO 15765诊断协议只要满足ISO 11898-1定义的公共要求即可；而SAE J1939诊断协议则沿用了SAE J1939应用通信协议对于物理层的定义，其中SAE J1939-11和SAE J1939-15分别给出了物理层为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线时的要求，包括机械特性、电气特性和功能特性。

物理层定义了诊断通信的物理介质和电气接口等，主要用来实现网络中电控单元之间、电控单元与外部诊断设备之间的点连接。物理层的要求需要通过整车、诊断设备、电控单元之间的协同配合来实现，是诊断通信得以正常运行的物理基础。

诊断连接器是整车电控单元和外部诊断设备之间进行通信的电气连接接口，包括诊断连接器的类型、尺寸、引线定义及排列、安装位置等。ISO 15765没有定义单独的离线诊断连接器的需求，沿用了ISO 15031-3的定义要求，见下图2和表1；SAE J1939-13定义了与ISO 15031-3完全不能兼容的连接器，见下图3和表3所示。

图2 ISO 15765诊断连接器

2.2.2 数据链路层

ISO 15765诊断方式的数据链路层遵循ISO 11898-1的定义，数据长度固定为8，未使用的字节不定义，数据长度小于8的报文忽略。在商用车上，为与SAE J1939的通信底层协议保持一致（扩展帧），ISO 15765使用扩展帧，即29位CAN标示符，遵守BOSCH的CAN2.0B规范。

SAE J1939诊断方式的数据链路层是在SAE J1939-21中定义的，数据链路层在物理层之上提供了可靠地数据传输功能，实现了应用层报文的数据交换。通过数据链路层的组织，实现了发送数据帧必须具有的同步、顺序控制、错误控制而后流控制等功能。

与ISO 15765不同，SAE J1939-21协议对CAN2.0B扩展帧格式的29位CAN标示符进行了重新定义，仅使用CAN扩展帧格式作为其标准的通信消息帧格式。SAE J1939协议采用了协议数据单元（PDU）传递消息，PDU由数据帧中29位ID和8个字节数据场组成。SAE J1939的29位CAN标示符包含了以下几个部分：优先级（P）、扩展数据页(EDP)、数据页(DP)、PDU格式（PF）、PDU特定域（PS）、源地址（SA），如下图所示。

图4 扩展帧数据结构

2.2.3 网络层

关于排放诊断，ISO 15765-4对网络层做了相应的限制，规定外部测试设备必须支持法规规定的用于排放通信的11位和29位CAN ID，而排放电控单元必须支持用于排放通信请求和响应消息的11位或29位CAN ID，必须支持一对排放规定的物理寻址的请求和响应，必须支持法规规定的排放功能寻址请求，必须支持外部测试设备发送的物理寻址和流控制帧；法规规定的排放通信仅仅使用常规寻址和常规固定寻址格式。

表2 寻址格式

SAE J1939网络层中定义了如何构建网络及连接的功能，网络层的功能包括数据的过滤、重新打包和转发。SAE J1939网络层和诊断的实现没有关系。

2.2.4 会话层

在ISO 15765诊断方式中，对电控单元的会话模式进行了规定，包括默认、编程、扩展和安全四种，会话模式的转换入下图5所示，在不同条件下分别对应不同的系统行为，如下表2所示。

ISO 15765-4对会话层的要求为所有的排放诊断均可在默认的会话中执行，在排放电控单元中只有一个诊断会话处于活动状态，所有的电控单元在上电时都启动默认会话，在其他诊断会话启动时，默认会话会一直处于活动状态。

图5 会话模式转换

表3 诊断会话模式转换条件

SAE J1939对会话层没有特殊定义。

2.2.5 应用层

ISO 15765诊断方式的应用层是在ISO 15765-3中定义的，定义了应用层处于默认会话时的定时参数、非默认会话时的定时参数及错误处理。ISO 15765采用了ISO 14229的诊断服务标准（统一诊断服务，简称UDS）。SAE J1939定义的诊断服务包括增强型诊断服务和与排放相关的服务；ISO 15765-3定义了增强型诊断服务，排放诊断参考ISO 15031。与ISO 15765-3相比，SAE J1939定义的增强型诊断服务非常不完善，如其没有定义维修和开发阶段频繁使用的输入输出控制，未定义对电控单元标定和学习时使用的例程控制，并且它的安全访问非常复杂。

2.3 ISO 14229标准简介

ISO 14229标准主要定义了以下几个方面的通用服务：诊断/通信管理、数据传输、储存数据传输功能、读故障信息和在线编程和功能/元件测试。

诊断和通信管理服务主要是定义有关诊断会话控制、通信参数设定、安全访问和电控单元复位等服务，保证诊断通信过程中的正常工作；

数据传输服务对整车的参数进行实时监控，根据标示符和地质读写数据；

读故障信息服务可以支持诊断设备对电控单元内部故障信息进行检查，主要用于故障的诊断。

在线编程服务包括请求下载、数据传输和退出传输，可以支持诊断仪和内部电控单元之间进行大量数据通信，上下载数据。

图6 诊断服务主要应用

功能/元件测试服务包括例程控制盒输入输出控制，可以对车辆ECU的输入输出进行控制，也有助于故障的诊断。

3 某轻型卡车诊断协议设计与验证

3.1 需求分析

根据某轻卡整车配置表，整车CAN网络节点包括车身控制器（BCM）、组合仪表（ICM）、防抱死制动系统（ABS）、发动机管理系统（EMS）、增压器（EGR）和废气再循环系统（Turbo）等模块。其中ABS和EMS为成熟产品，其通信协议遵守SAE J1939标准，即整车通信速率为250Kbps，采用29位CAN标示符；诊断协议包括增强型诊断和排放诊断，涉及到排放诊断的只有发动机，其他模块只涉及到增强型诊断。

ISO 15765针对增强型诊断定义了专门的标准和协议，并且经过多年的发展和应用已非常完善与成熟，适用于电控单元的下线检测、开发标定、售后维修和代码升级等，这也是ISO 15765协议在乘用车中得到广泛应用的重要原因。ISO 15765继续被沿用到商用车中并得到广泛应用，尤其在欧洲应用非常广泛。SAE J1939是美国汽车工程师协议制定的专门针对重型车应用的通信诊断协议，包含了排放和增强型诊断。由于SAE J1939起步较晚，其定义的增强型诊断还不完善，尤其是诊断服务非常不完善。

基于EMS和ABS通信协议为SAE J1939的现状，车身模块（BCM和ICM等）也按照此通信协议进行设计。关于诊断协议的设计，EMS和ABS的诊断已完成开发，整车诊断协议的设计主要集中在车身模块。考虑国内零部件供应商和整车厂的开发水平，目前轻型卡车的诊断协议基本遵循ISO 15765方式，下表为某轻卡诊断协议设计一览表。

表4 某轻卡诊断协议设计一览表

3.2 诊断协议设计

3.2.1 CAN标识符

诊断报文采用常规规定寻址方式，符合ISO 15765-2中规定要求，其格式如上表2所示，诊断CAN标示符定义如下表5所示。

表5

3.2.2 诊断服务

诊断服务包括会话、电控单元、安全访问、通信控制、诊断设备在线等各种服务，不同模块根据自身模块功能等特点，选取对应的服务。例如BCM需要例程控制服务（31h），此服务可以用于遥控钥匙的匹配，输入输出控制服务（2Fh）可以用于控制对应灯光、雨刮等执行机构。

表6

3.3 测试验证

诊断功能的验证需要通过专业的工具来实现，目前应用比较广泛的是使用Vector工具链来实现，涉及到的软硬件包括CANdelaStudio、CANoe Option Diva、CANoe和CANcase，其测试流程如下图7所示。

图7 诊断开发流程

诊断开发流程包括诊断数据库开发、工程文件转换和测试实施，其中诊断数据库的开发可以按照Vector提供的数据库模板和诊断协议规范使用CANdelaStudio软件编制，将编制好的诊断数据库文件（又名CDD文件）导入CANoe Option Diva软件生成工程文件，将工程文件导入CANoe软件中，然后连接上待测电控单元，开始测试生成测试报告，根据测试报告中的问题推进模块厂家进行整改。

[1] 刘丽丽,徐皑冬,宋岩,等.车辆通用故障诊断协议的研究与开发明.计算机工程,2012,38(16):9-13.

[2] 何贵斌.关于ISO 15765故障诊断协议的研究.

[3] 朱正礼, 兰志波 商用车增强型诊断协议与标准明汽车电器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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-22-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.009

孙永锋，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，从事汽车电器设计工作。