商用车OBD诊断协议与标准.doc

商用车OBD诊断协议与标准咖召口商用车OBD诊断协议与标准朱正礼,孙磊,兰志波(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海200438)摘要:随着现代商用车技术的发展,基于CAN总线的车载诊断成为主流.本文对现代商用车车载诊断主要标准协议的相对层进行简要的分析和比较,并对全球统一车载诊断(wwwOBD)协议的发展进行预测.关键词:OBD;商用车;IS015765;IS015031;SAEJ1939;IS027145;WWWOBD中图分类号:U462.65文献标识码:A文章编号:10038639(2011)08001106oBDProtocolsandStandardsAppliedonCommercialVehiclesZHUZhengli,SUNLei,LANZhibo(CommercialVehicleTechnicalCenterofSAIC,Shanghai200438,China)Abstract:Withthetechnologydevelopmentofmodemcommercialvehicles,onboarddiagnosis(OBD)basedonCANbusbecomesthemainstream.Inthisarticle.themainOBDprotocolofthemoderncommercialvehiclewasdescribed.withitsequallayersbeinganalyzedandcompared.ThedevelopmentofWWWOBDprotocolwasalsopredicted.Keywords:OBD;commercialvehicle;ISOl5765;ISO15031;SAEJ1939;IS027145:WWW-OBD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,车载诊断系统(OBD)成为现代商用汽车必不可少的一项功能.汽车车载诊断系统(OBD)是对汽车发动机全寿命周期排放进行有效控制的必要保证,作为0BD技术的一个重要基础,诊断通信协议是关键的一个技术环节.在欧洲,2005/78/EC指令规定在商用车上必须选用IS0l5765或SAEJ1939.在美国,CARB和EPA规定.IS015765可以用于搭载汽油发动机和柴油发动机的轻型车,而SAEJ1939只能用于搭载柴油发动机的车.并且在同一辆车中,只能采用一种车载诊断通信标准:IS015765或SAEJ1939.同时,不能对ISO15765协议使用SAEJ1939的连接器.在中国.商用车的诊断协议正处于从K线诊断协议(IS014230)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的策略.如康明斯的发动机几乎全部采用SAEJ1939的诊断协议.而玉柴和潍柴针对不同的电喷系统,既有SAEJ1939诊断协议,也有ISo15765诊断协议.2o08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ISo15765和SAEJ1939【目前的国际汽车工业界和欧美汽车技术法规一般都允许自由选用ISO157654SAEJ1939-73通信协议.但由于IS0157654与SAEJ1939互不兼容.给诊断仪,电控单元及整车的开发带来很大的不便.为了统一通信协议,国际标准化组织道路车辆技术委员会汽车电子和电气装置分技术委员会(ISO/TC22/SC3)又新制定一项IS0系列标准,即IS027145全球统一道路车辆一车载诊断(WWHOBD)的应用.WWHOBD在技术上参考并协调了国际上现有的有关车辆和发动机排放0BD的技术法规.在制定过程中参考了相关的国际标准和美国SAE标准.本文将对这3种主要的0BD诊断协议进行简要的介绍和对比分析.1诊断标准协议与oSI7层协议的对匕IS015765/ISO1503l,SAEJ1939和ISO27145的制定均以开放系统互联(OpenSystemInterconneetion.简称0SI)7层参考模型为基础.如表1所示.上述协议中与排放相关的要求均是针对外部诊断测试设备定义的,而法规规定的0BD车载电控单元须遵循与外部诊断测试设备相同的要求.收稿日期:20l1一O125作者简介:朱正礼(1974一),男,一学博士,曾参于多个国家863项目,从事汽车电子产品开发与没计,负责开发成功多款汽车电子产品,对车载网络,车用诊断标准和协议有着深人的研究和应用;孙磊(1986一),男,助理T程师,研究方向为新能源动力系统;兰志波(1962一),男,教授级高_丁,主要研究方向为现代发动机的最新技术发动机电控技术,清洁燃料发动机技术,混合动力技术等,承担了多项国家技术攻关类项目,涉及到发动机电控技术,新能源及新动力技术等.汽车2011年第8期772物理层及连接器2.1IS015765-4IS015765-4协议是基于ISo118981和ISo118982制定的.对车载与排放相关的电控单元和外部诊断仪做了如下方面的限制:波特率;波特率误差;采用模式;位定时参数;电气参数(包括总线接口,总线终端,线缆等F4).在商用车上,ISo15765通常采用和SAEJ1939相同的物理层,采用屏蔽或非屏蔽双绞线通信,通信速-250kb/sr.IS0157654沿用了ISo150313/SAEJ1962对诊断连接器的定义和要求.IS0150313定义的诊断连接器如图1所示.图1ISol5O313定义的诊断连接器其诊断连接器的端子定义如表2所示引.表2IS015031-3诊断连接器端子定义插接件序号用途自定义SAEJ1850总线正线自定义底盘搭铁信号搭铁ISO157654中的CANH线IS091412和IS0142304中的K线自定义自定义SAEJ1850总线负线自定义自定义自定义ISO157654中的CANL线IS091412和IS0142304中的I线正电压注:a.车辆连接器中1,3,8,9,11,12和l3的使用由车辆制造商定义.b.注意,此处给出了插接件2,6,7,10,14和15使用的相关诊断通信定义,这些插接件的使用也可能由车辆制造商定义.12汽车电器2o11年第8期2.2SAEJ1939SAEj1939议的物理层规范包含SAEJ193911,SAEJ193915和SAEJ193913三部分.其中SAEJ193911和SAEJ193915分别给出了物理层为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线时的通信速率,屏蔽及非屏蔽双绞线连接,同一网络连线上最大子系统数,最大传输线长度和数据物理特性及总线的电气连接特性等,而SAEJ193913则定义了离线诊断连接器的通用需求,性能需求和物理需求.SAEJ1939一ll定义的屏蔽双绞线由CANH,CAN_L,CAN_SHLD导线组成,CAN_H为黄色,CAN_L为绿色.SAEJ1939一l】规定网络以250kb/s的数据传输速率运行,可连接ECU的数量受到总线上负荷的限制,根据现有规范对电气参数的规定,在一个给定的网段上,ECU的最大数量被限制为30.为防止信号反射,使网段运行对电子信号的影响最小,在总线的每个终端都应连接120Q终端电阻,电流对称驱动,最大网段总线长度为4Om.每个电控单元可以通过一个终端短(截)线连接到总线上.SAEJ193915定义的非屏蔽双绞线网络的很多内容引用自SAEJ1939-11.电控单元的最大数目由30减少至U10SAEJ1939-13定义了与IS0150313完全不能兼容的连接器.如图2所示.其端子定义如表3所示6-8.2.3IS027145图2SAEJ193913定义的诊断连接器ISO271454采用了和ISO157654完全相同的物理层,包括对车载与排放相关的电控单元和外部诊断仪所做的限制.以及采用ISO1503l一3/SAEJ1962对诊断连接器的定义和要求93.人生三修炼:看得透想得开,拿得起放得下,立得正行得直23456789mu表3SAEJ193913诊断连接器端子定义插接件序号用途电池负电池正.不可开关,配有10A熔断丝拖拉机总线CANH拖拉机总CAN_LCANSHLD(用于SAEJ1939)或不连接(用于IS011783-2)SAEJ1708正SAEJ1708负OEM专用或T具总线CANHOEM专用或工具总线CANL3数据链路层3.1ISol5765ISO157654的数据链路层遵循ISO118981的定义,测试设备CAN控制器可以发送和接收11位和29tCANID的报文IS0157654规定DLC(数据长度)固定为8,未使用的字节不定义,数据DLC值小于8的报文忽略.在商用车上.ISO15765一般使用扩展帧(29位cAN标识符).遵守CAN2.0B,29位CAN标识符定义了CAN节点在总线上的惟一地址,其格式如表4所示.包括优先级,扩展数据页,数据页,服务类型,源地址和目标地址.表4IS015765的29位CANID28l27126l25I2423l22l21-11I1o.0优先级I扩展数据页l数据页服务类型l源地址l目标地址3.2SAEJ1939SAEJ1939的数据链路层是在SAEJ193921中定义的.数据链路层在物理层之上提供了可靠的数据传输功能,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,错误控制和流控制等功能.与IS015765不同.SAEJ193921协议对CAN2.0B扩展帧格式的29位CAN标识符进行了重新定义.仅使用CAN扩展帧格式作为其标准的通信消息帧格式.SAEJ1939协议采用PDU(ProtocolDataUnit.协议数据单元)传递信息,PDu由数据帧中29位ID和08字节数据场组成.SAEJ1939的29-(CAN$识符包含了以下几个部分:优先级,扩展数据页,数据页,PDU格式,PDU特定域,源地址,如表5所示表5SAEJ1939的29位CANID282726252423161587O优先级扩展数据页数据页PDU格式PDU特定域源地址SAEJ1939x参数进行了分类,使用了参数组的概念.参数组包括以下内容:每个报文中8字节数据域内的参数分配,数据更新率和优先级;保留位,数据页,PF和PS值共同确定了被发送的参数组PG.SAEJ1939用参数组号PGN来对参数组进行惟一的确定,PGN实际上是将PF,PS进行组合,PGN可用公式表达为:PGN=PF256+PS.SAEJ1939式与ISO15765的CAN标识符是通过位25和位24来区分的,如表6所示.表6扩展数据页位255n数据页位24的定义SAEJ1939的数据链路层实现的传输协议功能,分为两部分.1)数据的拆分打包和重组一个SAEJ1939的报文单元只有8个字节的数据场,因此如果所要发送的数据超过了8字节,就需要分成几个小的数据包分批发送.数据场的第一个字节从1开始作为报文的序号,后7个字节用来存放数据,所以可以发送2557=1785+节的数据.报文被接收以后按序号重新组合成原来的数据.2)连接管理主要对节点之间连接的建立和关闭,数据的传送进行管理.其中定义了5种帧结构:发送请求帧,发送清除帧,结束应答帧,连接失败帧以及用来全局接收的广播帧.节点之间的连接通过一个节点向目的地址发送一个发送请求帧而建立在接收发送请求帧以后,节点如果有足够的空间来接收数据并且数据有效,则发送一个发送清除帧.开始数据的传送.如果由于存储空间不够或者数据无效等原因,节点需要拒绝连接,则发送连接失败帧.连接关闭.如果数据接收全部完成,则节点发送一个结束应答帧,连接关闭.3.3ISo27145ISO27145-4X据链路层的定义和要求与IS015765-4完全相同.4网络层4.1IS015765针对0BD,ISO15765-4g网络层做了相应的限制.IS0157654规定外部测试设备必须支持法规规定的用于OBD通信的11位和29-fCANID,而OBD电控单元必须支持用于OBD通信请求和响应消息的11位或29位CANID,必须支持一对OBD规定的物理寻址的请求和响应,必须支持法规规定的OBD功投资15000元可建年产千吨电解液厂详见彩13广告汽车电器2o11年第8期3ABCDEFGHJ能寻址请求,必须支持有外部测试设备发送的物理寻址和流控制帧;法规规定的OBD通信仅使用常规寻址和常规固定寻址格式,如表7所示.另外.ISo157654对外部测试设备的网络层定时参数进行了定义,并规定允许支持的电控单元数量不超过84-.可以并行接收8个OBD电控单元的数据包【.表7ISo157654定义的29位CANID寻址格式CANID位置282423?1615870功.CANIDOx180xDBTAOxF1物理CANIDOxl80xDATAOxF14.2SAEJ1939SAEJ1939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.SAEjl939网络层和诊断的实现没有关系11.4.3IS027l45ISO27145-4对于网络层的定义和要求与ISOl5765-4的要求一样.但是,ISO27145-4X于外部诊断仪支持的电控单元的数量进行了扩展,当CANID为l1位时,支持的OBD电控单元数量为8个;当CANID为29f时,支持的OBD电控单元数量为253个.5会话层5.1IS015765ISO157654对会话层的限制为:所有的OBDi#断均可在默认的会话中执行在OBD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.默认会话会直处于活动状态.oBD规定的诊断会话模式如图3所示.SAEJl939对0BD会话层没有特殊的定义.图3会话模式转化5.2ISO27145ISO271454对于会话层的定义和要求与ISO157654的定义完全一致.6应用层在汽车诊断协议中应用层就是有关诊断的应用了,OBD的诊断功能主要包括综合部件诊断,失火诊断,氧传感器诊断,催化转换器诊断,EGR诊断,燃油蒸发诊断,二次空气流量诊断等.与ISO157654X应的法规要求的排放相关诊断是由IS0150315定义的.ISo150315定义了应用层的定时参数和响应规则,并定义了与排放相关的详细的诊断服务_I2.ISO150315和ISO27145的数据格式相同.如下:SID(服务号)+SUBFUNC(子功能)+PID(参数列表)+数据.SAEj1939的诊断数据格式和通信数据格式一样,其诊断服务采用DM标识,每一个DM有一个对应的参数组号PGNll4.表8为IS01503l一5,IS027145-3与SAEJ1939的诊断服务的对比.从表8中可以看出.和IS0150315相比较.SAEJ1939定义的诊断服务更多,更复杂.如IS0150315的服务0x03为读取排放相关故障码服务,其对应的SAEJ1939诊断服务为DM1(发送处于激活状态的故障码),DM12(发送所有与排放相关的激活的故障码),DM23(发送以前激活的与排放相关的故障码),DM28(发送永久存在的与排放相关的故障码).而ISO271453则使用了一个诊断服务0xl91g几个子功能码的格式来处理多种故障码的读取,如子功能码Ox04用来根据故障码号读取故障码的快照数据,Oxl5用来读取永久的故障码等.IS015031-5定义的与排放相关的数据是用一一个字节来表示的,如参数ID(PID),数据ID(DID)等.而SAEJ1939与之相对应的与排放相关的数据是用3个字节的PGN来表示的.ISO271452为了统一与排放相关的数据,采用了3个字节的数据ID定义.能够后向兼容ISO150315和SAEJ1939.如表9所示,当用统一的ID格式来兼容IS0150315定义的表8ISO150315,SAEJ1939与ISO27145-3的诊断服务对比74汽车电器2011年第8期投资小,成本低,利润高的致富项目详见彩13广告姆与排放相关的数据时,高字节固定为0xl8,中字节为0xF40xF8或0xFB,而低字节则为原ISO150315定义的数据:而SAEJ1939的PGN和统一的ID字节数相同.因此继续保留_l6.表9ISO27145-2定义的统一ID格式标准高字节巾字节低字ISo15O315Ox180xF40xF8,0xFBOxO0OxFFSAEJ1939PGN0x080x0BOxOOOxFF0x000xFF6.1ISo15031ISO15031-5定义的排放相关诊断故障码(DTC)采用2-7-节格式.高字节(第1个字节)的起始2位用来指示故障码的归属,如动力系统,底盘或车身等.紧接着的2位为故障码的第1个数字(0到3).第1个字节的第4位及整个的第2个字节为故障码的另3个十六进制的数字.如动力系统故障J0x0143在诊断仪上显示为P0143.如图4所示.P0143图4ISo150315定义的DTC格式6.2SAEJl939SAEJ193973中定义的诊断故障码(DTC)长度为4个字节,如表10所示,由SPN,FMI和CM以及OC4个独立部分组合形成特定的诊断故障代码.这4个部分是:可疑参数的编号(SPN),19位;故障模式标志(FMI),5位;发生次数(OC),7位;可疑参数编号的转化方式(CM),1位.其中.SPN和FMI的组合能够标识诊断故障码的完整特性.OC和CM主要用来补充说明故障码在具体应用中的情况.表10SAEJ1939-73诊断故障码的格式字竹1字2字.3字I4位7一位0位7位0位7一位5l位4一位.位7l位6一位0SPN最低字节SPN最低字节SPN3kIFMICMlOC6.3IS027145IS027145-2对ISOl5031和SAEJ1939定义的诊断故障码进行了统一.并且ISO271452定义的诊断故障码能够向后兼容ISO15031和SAEJ1939定义的诊断故障码.如图5所示,ISO271452定义的统一格式的DTC由4个字节组成,最Ntj4.用于页选择,如0为SAEJ1939定义的DTC.1为IS0150316定义的DTC,2为IS027145-2新定义的DTC.因此,从SAEJ1939-73遗传的3字节统一基本DTC范围为0x0000000xO7FFFF.统一失效类型范围为0x00OxlF;从ISO15031遗传的3字节统一基本DTC范同为0x10000O-4)x1OFFFF,统一失效类型为OxO0:而IS027145_2新定义的3字节统一基本DTC范围%t30x2000000x27FFFF,统一失效类型范围为OxO0OxFFj.另外,ISO15765诊断通信是通过诊断仪和电控单元之间的请求/响应来实现的.而SAEJ1939q是通过广播和请求/响应2种方式来实现的,它们的诊断信息结构比较如图6所示.ISO271454规定ISO15765的请求/响应模式为统一后的请求/响应模式.0OOOOSAEJ193973SPN(19位)O0OSAEJ193973FM10OOlO0l0l0lISO150316DTC(16位)O0O0l0l0l0l0OO10OISO271452基本DTC(19位)ISO271452统失效类型(8位)3l3O29282726I25l24l23l22l21l20l19l18I17l16l15ll4l13I12Il1l10l9l87654I3l2l110DTC高字节lDTC巾高字节IDTC中低字Ji了DTC低字节4位19位基本DTC号8位统失效类型诊断仪图5ISO271452定义的统一DTC格式(32位)周期性诊断消息(如:DM1)优先级+请求PQN+目标地址+源地址】【被请求的PGN】【优先级+被请习l嘟)GN+目标地址+源地址lff,G数据电控鱼兀SAEJ1939IS015765_I诊断仪旧:/被请幺【源地矗1【液求的服务ID+被请求的数据】I电控单元图6SAEJ1939与ISo15765诊断信息结构比较7结束语由于ISo15765/ISO15031是在传统乘用车广泛应用的基础上延伸至商用车的0BD诊断的.因此其应用具有相对较好的继承性.尤其在欧洲.其应用非常广泛;而SAEJ1939是专门针对重型车制定的,其应用具有较好的针对性,并在美国的重型车中得到了较为广泛的应用.但是,这两种标准协议的互不兼容性给整车厂,零部件供应商及售后维修都带来很大的麻烦.这也正是全球统一0BD诊断协议标先使用后付款,用后说不好可不付款!详见彩侣广告汽车2011年第8期7.5准ISO27145推广实施的重要推动力.ISO27145完全考虑到ISO15765/ISO15031应用的广泛基础.在物理层,数据链路层,会话层,网络层等方面几乎完全采用ISO15765的现有定义,而在应用层方面则考虑到SAEJ1939的针对性,在数据格式及故障码等方面对ISO15031和SAEj1939进行兼容.在我国,商用车的发展在很大的程度上受制于发动机的发展.电控单元诊断协议的互不兼容尤为突出.现在,各大商用车整车厂(如宇通,上汽等)都逐步开始规划,统一整车的车载诊断协议,以便适应整车平台的统一和未来发展.目前.ISO27145系列标准还处在不断的完善过程中,因此.IS015765/ISO15031和SAEJ1939的应用还会持续一段较长的时间.但是随着商用车技术的发展.未来商用车的0BD诊断通信标准必将统一到全球统一的0BD诊断标准ISo27145.参考文献:1SAEJ19390t,RecommendedPracticeforControlandCommunicationsNetworkforOn-HighwayEquipmentS.2000.2ISO14229-1,Roadvehiclesunineddiagnosticservices(UDS)Part1:SpecificationandrequirementsS3.2006.3ISO157651,Roadvehicles-DiagnosticsonControllerAreaNetworks(CAN)t/Part1:GeneralinformationS.20o4.4ISO157654,RoadvehiclesDignosticsonControllerAreaNetworkslGAN)fPart4Requirementsforemissions-relatedsystemsS.2005.5IS01503l一3,RoadvehiclesCommunicationbetweenvehiclean