汽车诊断与车载诊断系统(OBD)简介

汽车诊断与车载诊断系统(OBD)简介

1 概述

汽车诊断(Vehicle Diagnosis)是指对汽车在不解体(或仅卸下个别零件)的条件下，确定汽车的技术状况，查明故障部位及原因的检查。随着现代电子技术、计算机和通信技术的发展，汽车诊断技术已经由早期依赖于有经验的维修人员的“望闻问切”，发展成为依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行快速、安全、准确的不解体检测。

为了满足美国环保局（EPA）的排放标准，20世纪70年代和80年代初，汽车制造商开始采用电子控制燃油输送和点火系统，并发现配备空燃比控制系统的车辆如果排放污染超过管制值时，其氧传感器通常也有异常，由此逐渐衍生出设计一套可监控各排放控制元件的系统，以在早期发现可能超出污染标准的问题车辆。这就是车载诊断系统(On-Board Diagnostics，缩写为OBD)。OBD系统随时监控发动机工况以及尾气排放情况，当尾气超标或发动机出现异常后，车内仪表盘上的故障灯(MIL)或检查发动机灯(Check Engine)亮，同时动力总成控制模块(PCM)将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出。根据故障码，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。 OBD-II是20世纪90年代推出的新的ODB标准，几乎提供了完整的发动机控制，并监控底盘、车身和辅助设备，以及汽车的诊断控制网络。

2 汽车诊断接口

OBD - II的规范规定了标准的硬件接口-- 16针（2x8）的J1962插座。 OBD - II接口必须在方向盘2英尺范围内，一般在方向盘下。

SAE的 J1962定义了OBD-II接口的引脚分配如下：

图1 J1962标准插座

表1

3 与汽车诊断有关的主要通信协议

20世纪90年代中期，为了规范车载网络的研究设计与生产应用，美国汽车工程师协会

(SAE)下属的汽车网络委员会按照数据传输速率划分把车载网络分为Class A、Class B、Class C

表2 车载网络分类

目前OBD使用的通信协议主要有5种：ISO9141、KWP2000、SAEJ1850(PWM)、SAEJ1850(VPW)、CAN。大部分车辆只实现了某一种协议，我们可以根据J1962插座上有哪些引脚来推断所使用的协议。下面对KWP2000、SAEJ1850(PWM)、SAEJ1850(VPW)和CAN进行简单的介绍。

3.1 KWP2000

KWP2000（Keyword Protocol 2000）欧洲汽车领域广泛使用的一种车载诊断协议，该协议实现了一套完整的车载诊断服务，并且满足EOBD标准。

KWP2000最初是基于K线的诊断协议，由于K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上的局限性，使得K线无法满足日趋复杂的车载诊断网络的需求。而CAN 网络（Controller Area Network）由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率（可达1M bps）和灵活可靠的通讯方式，在车载网络领域广受青睐，越来越多的汽车制造商把CAN总线应用于汽车控制、诊断和通讯。近年来欧洲汽车领域广泛采用了基于CAN 总线的KWP2000，即ISO 15765协议，而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议将逐步被淘汰。

基于K线的KWP2000协议

基于K线的KWP2000协议波特率为10.4 kbps，用单线(K线)通信，也可用双线(K 线和L线)通信，目前多用单线通信。K线本质上是一种半双工串行通信总线。

基于K线的KWP2000协议的报文包括报文头、数据域和校验和三部分，如表3所示。

表3 基于K线的KWP2000报文结构[6]

表3中各参数含义如下:

报文头：Fmt－帧字节; Tgt*－目标地址; Src*－源地址; Len*－附加长度字节。*可选字节，取决于格式字节Fmt的A1A0位数据域：Sld－服务标识符，数据域的第一个字节; Data－数据字节;。

校验和：CS。

在开始诊断服务之前，诊断设备必须对ECU进行初始化，通过ECU的响应获取ECU 的源地址、通讯波特率、支持的报文头格式、定时参数等信息。ECU所支持的报文头和定时参数信息包含在ECU返回的“关键字（Key Word）”中（这也是协议命名的由来）。关键字由两个字节构成，关键字的低字节中各位的含义如表4所示。

* 只允许TP0,TP1 = 0,1 或者1,0

诊断设备可以采用两种方式对ECU进行初始化——5Baud初始化和快速初始化，对于这两种初始化的时序在数据链路层协议中均有明确规定。

基于CAN总线的KWP2000协议[7]

基于CAN总线的KWP2000协议是把KWP2000应用层的诊断服务移植到CAN总线上。数据链路层采用了ISO 11898-1协议，该协议是对CAN2.0B协议的进一步标准化和规范化；应用层采用了ISO 15765-3协议，该协议完全兼容基于K线的应用层协议

14230-3，并加入了CAN总线诊断功能组；网络层则采用ISO 15765-2协议，规定了网络层协议数据单元（N_PDU，如表5所示）与底层CAN数据帧、以及上层KWP2000服务之间的映射关系，并且为长报文的多包数据传输过程提供了同步控制、顺序控制、流控制和错误恢复功能。

1) 地址信息：包含源地址（SA）、目标地址（TA）、目标地址格式（TA_Type）和远程地址（RA）

2) 协议控制信息：有四种帧格式，即单帧（SF）、第一帧（FF）、连续帧（CF）和流控制帧（FC）

3) 数据域：KWP2000服务标识符（Service ID）+ 服务参数

应用层协议规定了四种服务数据结构，.Request、.Indication、.Response和.Confirm，分别用于诊断设备（Tester）的服务请求、ECU的服务指示、ECU的服务响应和Tester的服务确认。

这些数据结构中包含了地址信息、服务请求ID和服务请求参数等内容。基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程如图3所示。

图3 基于CAN总线的KWP2000诊断服务流程图

从上面的服务流程可以看出，基于CAN总线的KWP2000协议支持多包数据传输，并且多包数据的管理和组织是在网络层完成的，应用层不必关心数据的打包和解包过程。

3.2 SAE J1850

SAE J1850 协议有两种，J1850（脉宽调制编码方式PWM - Pulse Width Modulation）和 J1850（可变脉宽调制编码方式VPM - Variable Pulse Width Modulation）。它们所采用的编码方式不同，因此有着不同的物理层，但应用层和数据链路层相同。

SAE J1850 PWM: 福特公司采用的标准，采用双线传输，通信速率为 41.6Kbps。[1]

λ pin 2: Bus+

λ pin 10: Bus–

λ高电压为+5 V

λ报文长度限制为12个字节，包括CRC

λ采用 非破坏性仲裁的载波侦听多路访问 （CSMA/NDA）的多主仲裁机制

SAE J1850 VPW: 通用公司采用的标准，采用单线传输，通信速率为 10.4Kbps。[1]λ pin 2: Bus+

λ总线空闲状态为低电平