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：
<?xml:namespace prefix = v /??>
图1 J1962标准插座
引脚号 | 功能 | 引脚号 | 功能 |
PIN1 | 为制造商预留 | PIN2 | SAE-J1850 BUS+ |
PIN3 | 为制造商预留 | PIN4 | 车身接地 |
PIN5 | 信号接地 | PIN6 | CAN High |
PIN7 | ISO9141-2 (KWP2000) K线 | PIN8 | 为制造商预留 |
PIN9 | 为制造商预留 | PIN10 | SAE-J1850 BUS- |
汽车诊断设备PIN11 | 为制造商预留 | PIN12 | 为制造商预留 |
PIN13 | 为制造商预留 | PIN14 | CAN Low |
PIN15 | ISO9141-2 (KWP2000) L线 | PIN16 | 汽车蓄电池正极 |
表1
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三个级别。如表2：
Class级别 | 通信速率 | 使用范围 | 主要通信协议 | |
Class A | <20Kbps | 车身系统： ●∙ 车灯 ●∙ 电动车窗 ●∙ 门锁 ●∙ 功率表 ●∙ 无钥匙进入等 | 低速CAN 高速CAN | ●∙ LIN |
Class B | 10Kbps~125Kbps | 状态信息系统 ●∙ 电表 ●∙ 驾驶信息 ●∙ 汽车空调 ●∙ 故障诊断等 | ●∙ J1850 ●∙ VAN | |
Class C | 125Kbps~1Mbps | 实时控制系统 ●∙ 发动机控制 ●∙ 传输控制 ●∙ 制动控制 ●∙ 悬架控制等 | ●∙ Safe-By-Wire | |
Class D | >5Mbps | 多媒体系统： ●∙ 汽车导航 ●∙ 音频 ●∙ 视频等 | ●∙ D2B optical ●∙ MOST ●∙ IEEE 1394 ●∙ FlexRay | |
表2 车载网络分类 [3]
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]
报文头 | 数据域 | 校验和 | ||||
Fmt | Tgt* | Src* | Len* | SId | … Data … | CS |
最长4 字节 | 最长255 字节 | 1字节 | ||||
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A<?xml:namespace prefix = st1 /??>1A0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。
表4关键字低字节中各位的含义[6]
Bit | = 0 | = 1 |
AL0 | 不支持格式字节中的数据长度信息 | 支持格式字节中的数据长度信息 |
AL1 | 不支持附加长度字节 | 支持附加长度字节 |
HB0 | 不支持一个字节的报文头 | 支持一个字节的报文头 |
HB1 | 不支持在报文头中包含目标地址/源地址 | 支持在报文头中包含目标地址/源地址 |
TP0* | 采用正常定时参数设置 | 采用扩展定时参数设置 |
TP1* | 采用扩展定时参数设置 | 采用正常定时参数设置 |
* 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。
表5 网络层协议数据单元（N_PDU）格式
地址信息 | 协议控制信息 | 数据域 |
N_AI1) | N_PCI2) | N_Data3) |
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，<Service_Name>.Request、<Service_Name>.Indication、<Service_Name>.Response和<Service_Name>.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]
pin 2: Bus+
pin 10: Bus–
高电压为+5 V
报文长度限制为12个字节，包括CRC
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]
pin 2: Bus+
总线空闲状态为低电平
高电压为+7 V
决策点是+3.5 V
报文长度限制为12个字节，包括CRC
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
J1850 协议规定网络的最大节点数为32个（包含车内 ECU 和车外诊断设备）。车内的最大网络长度为 40 米，车外最大网络长度为 5 米。车外诊断设备最小等效电阻为 10.6K欧，最大等效电容为 500pF。
J1850 数据传输网络中的数据通常是按照以下格式传输的，参见图4：
Idle, SOF, DATA_0, ..., DATA_N, CRC,
EOD, NB, IFR_1, ..., IFR_N, EOF, IFS,Idle
EOD, NB, IFR_1, ..., IFR_N, EOF, IFS,Idle
其中各元素的定义如下
Idle：总线空闲，总线处于空闲状态时，任何节点都可以占用总线来发送数据。
SOF：帧起始标志。不计入 CRC 码。
DATA_N：报文数据。
EOD：数据结束标志。数据帧发送方用 EOD 表示数据发送结束。
NB：标准位。仅在 VPW 编码方式中有效。
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