汽車故障診斷UDS網(wǎng)絡層原理講解

一、UDS概述

汽車故障診斷 UDS（Unified Diagnostic Service）是利用ECU監(jiān)測控制系統(tǒng)各組成部分的工作情況，發(fā)現(xiàn)故障后自動啟動故障記錄和處理邏輯。汽車故障診斷模塊不僅能夠存儲記憶汽車故障，還能夠?qū)崟r提供汽車各種運行參數(shù)。外部診斷設備通過一定的診斷通信規(guī)則與ECU建立診斷通信，并讀取這些故障和參數(shù)，同時解析出來供外部測試人員分析。其主要遵循：ISO-15765、ISO-14229診斷協(xié)議。經(jīng)常應用在整車的各種整車上的電控單元(ECU)上面。

二、UDS基本原理

1、UDS協(xié)議棧

UDS協(xié)議棧主要分為網(wǎng)絡層和應用層兩大部分

網(wǎng)絡層：是為了解決ISO 11898 協(xié)議中的經(jīng)典can數(shù)據(jù)鏈路層與UDS 應用層 ISO 14229 協(xié)議中定義的應用層，彼此的數(shù)據(jù)長度不一樣問題。經(jīng)典can數(shù)據(jù)鏈路層最大支持8字節(jié)，但 ISO 14229 不僅僅支持can總線設計的，其最大容量是達到4095字節(jié)。如UDS應用需要發(fā)送20字節(jié)數(shù)據(jù)信息，而can不能一幀報文處理完，需要3幀才能發(fā)送完畢。那么如何將多字節(jié)數(shù)據(jù)通過can進行有效，有序的傳輸呢？ISO 15765-2 由此而生。網(wǎng)絡層分為單幀和多幀，單幀(SF)就是一幀can報文8字節(jié)內(nèi)就可以把uds數(shù)據(jù)處理完畢。多幀就是一幀can報文8字節(jié)內(nèi)處理不完,需分為首幀(FF)，流控幀(FC)，連續(xù)幀(CF)來處理。網(wǎng)絡層還有時間參數(shù)，如N_Ar、N_As、N_Br、N_Bs、N_Cr、N_Cs。后續(xù)網(wǎng)絡層會詳細講解。應用層：應用層協(xié)議通常作為確認消息的傳輸，意味著從客戶端發(fā)送的每一個請求都將有由服務器端產(chǎn)生的與之相對的響應。 ?

2、功能尋址與物理尋址

由客戶端診斷設備（診斷儀Tester），發(fā)出診斷請求，服務端server響應客戶端請求?？蛻舳丝梢允褂霉δ軐ぶ罚ㄒ粭l報文對應本網(wǎng)絡中所有Server（ECU），一般為報文ID為7DF），也就是說本網(wǎng)絡中所有ECU都要對這條指令做出響應，即一對多模式。客戶端也可以使用物理尋址（是一種點對點的尋址模式，一條報文對應于單獨一個Server（ECU））單獨跟網(wǎng)絡中某個ECU服務端進行通訊，即一對一模式。功能尋址和物理尋址是每一個具備UDS診斷功能的ECU，所具有的兩個CAN_ID，整車上規(guī)定每個ECU功能尋址的CAN_ID相同，一般設置為0x7DF。整車上也規(guī)定每個ECU的物理尋址CAN_ID 都是唯一的。

三、網(wǎng)絡層概要

網(wǎng)絡層功能

應用層診斷服務can數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)；

多幀數(shù)據(jù)傳輸，進行數(shù)據(jù)的打包、解包，協(xié)調(diào)上下層工作；

單幀報文傳輸

多幀報文傳輸

四、網(wǎng)絡層協(xié)議

協(xié)議數(shù)據(jù)單元（N_PDU）

N_PDU一般包含3個領域，N_PDU：{ N_AI， N_PCI， N_Data }如圖所示

協(xié)議控制信息（N_PCI）結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡層對于N_PDU分為單幀、第一幀（首幀）、連續(xù)幀、流控幀這四種類型，每種類型是通過協(xié)議控制信息（N_PCI）進行區(qū)分的，每一個N_PDU都只有一個N_PCI。通常對于CAN診斷來說，就可以通過識別每條CAN幀數(shù)據(jù)域的首個字節(jié)來確定它屬于四種類型中的哪類。下面對這四種類型進行說明。 ?

單幀（SF）

單幀顧名思義就是一幀can報文就可以處理完uds服務。can報文首字節(jié)為N_PCI字節(jié)，控制信息如下圖所示：

從上圖可知，can報文首字節(jié)高4bit為0表示首幀，首字節(jié)低4bit表示單幀數(shù)據(jù)長度，即N_Data的有效字節(jié)數(shù)。通過trace我們可以看到N_Data有效字節(jié)數(shù)為3，有效字節(jié)數(shù)不足8字節(jié)，可填充任意數(shù)，這里填充00。因此如圖所示的trace，在接收方接收到該can報文后，解析can報文首字節(jié)03便可知該報文為單幀且只有3個有效字節(jié)數(shù)，后續(xù)全為補充的無效字節(jié)數(shù)。

第一幀（FF）

發(fā)送方發(fā)送N_Data數(shù)據(jù)過長時，則需要拆分成多幀報文，被拆分后的報文需要通過多個N_PDU來發(fā)送，而接收方接收到多個N_PDU信息后進行重組。發(fā)送方發(fā)送多幀時，需要先發(fā)送首幀來告知接收方有多少字節(jié)數(shù)要發(fā)送到接收方。首幀控制信息如下圖所示

從上圖可知，can報文首字節(jié)高4bit為1表示首幀。首字節(jié)低4bit和byte2組合12bit表示發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，即N_Data的有效字節(jié)數(shù)。通過trace我們可以看到N_Data有效字節(jié)數(shù)為0x018，即24個有效字節(jié)數(shù)。因此如圖所示的trace，在接收方接收到該can報文后，解析can報文前兩個字節(jié)0x10 0x18便可知該報文為第一幀且有24個有效字節(jié)數(shù)，后續(xù)全為補充的無效字節(jié)數(shù)。

流控幀（FC）

UDS多幀通訊時：1、發(fā)送方發(fā)送首幀F(xiàn)F給接收方。2、接收方接收到首幀，解析首幀。3、接受方根據(jù)自身條件判斷后（如：接收數(shù)據(jù)緩存大小，接收數(shù)據(jù)快慢能力，當前是否可以接收數(shù)據(jù)等），回復一幀流控幀F(xiàn)C給發(fā)送方。4、發(fā)送方根據(jù)接收到接收方的流控幀F(xiàn)C來決定后續(xù)的操作。流控幀F(xiàn)C控制信息如下圖所示：

從上圖可知，can報文首字節(jié)byte1高4bit為3時表示該幀為流控幀F(xiàn)C。byte1低4bit為流狀態(tài)FS（0表示繼續(xù)發(fā)送、1表示等待、2表示溢出即第一幀中的FF_DL信息的長度超過接受實體緩沖區(qū)的大小），byte2為塊大?。ㄔ试S一次可連續(xù)發(fā)送連續(xù)幀CF的次數(shù)），byte3為發(fā)送方發(fā)送連續(xù)幀CF與連續(xù)幀CF間的最小間隔時間。

連續(xù)幀（CF）

發(fā)送方發(fā)送首幀F(xiàn)F，然后接收到接收方的流控幀F(xiàn)C后，若條件允許可繼續(xù)發(fā)送信息，則需根據(jù)連續(xù)幀CF的控制信息格式來發(fā)送信息。連續(xù)幀CF控制信息如下圖所示：

從上圖可知，can報文首字節(jié)byte1高4bit為2時表示該幀為連續(xù)幀CF。byte1低4bit 為連續(xù)幀的順序號SN。對于所有的拆分信息，SN開始于0。第一幀應當分配值為0。雖然第一幀 N_PCI沒有明確表示出序列號，但是應該將首幀當作0號序列對待，第一個流控幀F(xiàn)C后的連續(xù)幀SN設置為1，同一拆分信息上，每一個新增的連續(xù)幀順序號SN增1，連續(xù)幀順序號SN的值不受流控幀的影響，當連續(xù)幀順序號SN值為0x0F時，下一個連續(xù)幀中將順序號SN重置為0。如圖為多幀舉例：

定時參數(shù)

網(wǎng)絡層定義了N_Ar、N_As、N_Br、N_Bs、N_Cr、N_Cs六個時間參數(shù)

對上述圖片進行歸納，可以總結(jié)出幾種超時： N_As超時：發(fā)送方?jīng)]有及時發(fā)送N_PDU。 N_Ar超時：接收方?jīng)]有及時發(fā)送N_PDU。 N_Bs超時：發(fā)送方?jīng)]有接收到流控幀。 N_Cr超時：接收方?jīng)]有收到連續(xù)幀。 N_Br超時：接收方?jīng)]有發(fā)出流控幀。 N_Cs：即STmin，發(fā)送兩個連續(xù)幀需要等待的最短時間，N_Cr最大1000ms。

五、尋址方式

將N_PDU映射到CAN數(shù)據(jù)幀的不同位置，構(gòu)成了4種尋址格式：常規(guī)尋址（Normal addressing）－11位CANID、常規(guī)固定尋址（Normal fixed addressing）－29位CANID、擴展尋址（Extended addressing）－11位CANID、混合尋址（Mixed addressing）－11或29位CANID，以常規(guī)尋址（SF單幀）為例：