基于ISO-K的車載診斷系統(tǒng)USB接口適配器設(shè)計(jì)

李明君，于 翔，夏 雨，王志福

(1.同濟(jì)大學(xué) a.電子與信息工程學(xué)院；b.汽車學(xué)院，上海 201804；2.大陸泰密克汽車系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201807)

車載診斷(OBD，On-Board Diagnostic)系統(tǒng)是汽車電子的一個重要的組成部分，它提供了外部電子設(shè)備與汽車的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口。在汽車中的電子產(chǎn)品占比逐步增長的趨勢下，車載診斷系統(tǒng)對車輛的重要性也越來越大。在車輛的診斷過程中，尤其是車輛零件部件的供應(yīng)商所進(jìn)行的測試中，ISO 14230-2規(guī)范[1]規(guī)定了被測試的ECU(電子控制單元)需要支持基于ISO-K協(xié)議的診斷接口。該協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各車載電控單元的診斷系統(tǒng)中，它同串行標(biāo)準(zhǔn)接口RS232技術(shù)一樣[2]，都是基于典型的通用異步串行通信電路。

目前的ISO-K診斷系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信連接大都采用串口(例如RS232標(biāo)準(zhǔn)串口)轉(zhuǎn)ISO-K的方式。隨著筆記本電腦的更新?lián)Q代，輕量化和便攜化逐漸成為趨勢。RS232接口逐漸被很多筆記本廠商減配，從而采用更加高效的USB接口，這就造成了原有的診斷系統(tǒng)同測試終端接口不匹配無法建立通信。同時，USB接口越來越成為市場的主流，與RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，USB憑借差分特性能夠達(dá)到更高的傳輸速率和更強(qiáng)的抗干擾性能。

在測試終端與車載電氣網(wǎng)絡(luò)的連接中，不僅要考慮傳輸速度的要求，還要兼顧對連接雙方的電氣保護(hù)。在車輛的診斷過程中，被測件可能會接受來自外部電源的多個電壓脈沖，其中有些波形的電壓高達(dá)上百伏，而且波動較大。一方面會導(dǎo)致診斷信號受到干擾，從而無法獲得可靠的被測件狀態(tài)信息；另一方面，劇烈的電壓波動還可能會通過測試端口對測試終端造成破壞。因此，如何實(shí)現(xiàn)基于ISO-K協(xié)議的USB接口的診斷系統(tǒng)，就成了行業(yè)內(nèi)亟待解決的技術(shù)問題。本文提出了一種應(yīng)用于OBD系統(tǒng)的ISO-K診斷適配器，基于ISO-K協(xié)議和UART協(xié)議設(shè)計(jì)了相關(guān)的電路圖并與前人的解決方案[3-5]進(jìn)行了對比，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該適配器在診斷過程中能夠穩(wěn)定工作。

1 UART協(xié)議

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通常稱作UART[4]，是設(shè)備間進(jìn)行異步通信的關(guān)鍵模塊。UART負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)總線和串行口之間的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并規(guī)定了幀格式；通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，就能在未共享時鐘信號的情況下，僅用2根信號線(RX和TX)就可以完成通信過程，也稱為異步串行通信。圖1為UART協(xié)議的示意。

圖1 UART協(xié)議示意

UART能夠在雙方未通過外部時鐘進(jìn)行同步的情況下就能夠完成通信過程，這主要依賴于UART規(guī)定了其傳輸?shù)膸袷胶筒ㄌ芈?，收發(fā)雙方需要按照固定的格式和速度進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[6]，UART的幀格式定義如圖2所示。

圖2 UART數(shù)據(jù)幀格式

其中，UART通信的空閑狀態(tài)高電平數(shù)值為1，在傳輸字符之前先發(fā)出一個邏輯0信號(起始位)，表示傳輸字符的開始。數(shù)據(jù)幀中的其余位的意義如下：

1) 數(shù)據(jù)位：可以是5～8位邏輯0或1，如果在沒有校驗(yàn)位的情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位可以到達(dá)9位?？梢詡鬏?shù)臄?shù)據(jù)包括ASCII碼(7位)，擴(kuò)展BCD碼(8位)。LSB和MSB分別代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的最低位和最高位。

2) 傳輸校驗(yàn)位：由于在傳輸過程中電平會受到電磁輻射、誤匹配的波特率，以及傳輸距離的影響，因此接收端在接收到數(shù)據(jù)后會對每一幀數(shù)據(jù)中的0和1的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。這便是傳輸校驗(yàn)位的作用。如果傳輸校驗(yàn)位為0，則數(shù)據(jù)幀中1的個數(shù)應(yīng)該是偶數(shù)；如果為1，則為奇數(shù)。如果接收端的計(jì)數(shù)結(jié)果滿足這一規(guī)定，那表明傳輸過程中沒有發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，反之，則數(shù)據(jù)在傳輸過程中被損壞。

3) 停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。

4) 空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。

2 ISO-K協(xié)議

2.1 ISO-K協(xié)議的工作原理

ISO-K協(xié)議是在UART協(xié)議基礎(chǔ)上的一種車輛內(nèi)通信系統(tǒng)中的協(xié)議，通常用于ISO 14229-1[7]和ISO 15031-5[8]中所規(guī)定的診斷過程?；贗SO-K協(xié)議的K線是一種雙向的通信鏈路，除了能夠在診斷過程中為診斷終端和ECU提供通信之外，還常常被用于初始化階段地址信息的傳達(dá)和快速初始化情況下從外部測試設(shè)備到ECU的喚醒[9]。由于直接將測試終端通過RS232串口接入基于ISO-K協(xié)議的設(shè)備中的診斷方式缺乏檢查一致性和驗(yàn)證功能等高級屬性，同時在診斷過程中，測試人員需要知道被測件距離其極限工作點(diǎn)的距離，而以上功能都是通過RS232串口的直接連接所無法達(dá)到的。在基于ISO-K協(xié)議的異步傳輸過程中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)通過寄存器起止比特位的設(shè)置從而實(shí)現(xiàn)同步，在診斷過程中不需要額外的時鐘線路，能夠做到單線通信。與RS232串口不同，ISO-K類似于一個總線系統(tǒng)，通過尋址，它可以與各種各樣的控制裝置進(jìn)行通信。標(biāo)準(zhǔn)的通信速率為10.4 kbit/s，在一些特殊的情況下，例如向Flash中寫入軟件程序的時候可以達(dá)到115.2 kbit/s。

2.2 ISO-K協(xié)議診斷過程

基于ISO-K協(xié)議的診斷的過程主要分為兩部分，分別是初始化過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。其中，初始化過程十分重要，在ISO 9141[10]和ISO 14230-1[11]中分別定義了ISO-K通信協(xié)議。盡管ISO 14230-1正在逐漸取代ISO 9141成為普遍使用的協(xié)議，然而在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，兩者還會共同存在。對于每一個診斷服務(wù)端(ECU中用于診斷的部分)只能支持上述的其中一種協(xié)議，因此，診斷客戶端(一般為PC終端)需要通過初始化來確定服務(wù)端所使用的協(xié)議版本，同時確定兩者通信所使用的數(shù)據(jù)格式和波特率等信息。

ISO 14230-2為ISO-K協(xié)議分別定義了兩種不同的初始化模式，一般5 bit/s模式更為常用，其流程如下：

1) 地址字段傳輸。客戶端向服務(wù)端以5 bit/s的速度發(fā)送地址字段0x33，地址字段為8 bit，再加上起始位和結(jié)束位各占1 bit，因此，該過程耗時2 s。

2) 地址字段驗(yàn)證。ECU中的服務(wù)端會對收到的字段進(jìn)行驗(yàn)證，該過程耗時在20～300 ms。

3) 同步字段傳輸。ECU服務(wù)端會向客戶端發(fā)送用于同步的字段0x55，發(fā)送的格式和波特率都由服務(wù)端指定，從而通知外部的測試設(shè)備(客戶端)新的通信波特率。

4) 同步字段驗(yàn)證和新波特率設(shè)置。客戶端對接收到的同步字段進(jìn)行解析并設(shè)置更新后的波特率。該階段耗時在5 ms之內(nèi)。

5) 關(guān)鍵字節(jié)傳輸。服務(wù)端在發(fā)送同步字段之后等待5～20 ms，等待客戶端設(shè)置新波特率完畢之后，會發(fā)送2個關(guān)鍵字節(jié)。兩個關(guān)鍵字節(jié)決定了該次通信采用何種協(xié)議。如果采用ISO 2141-2協(xié)議，2個關(guān)鍵字符分別為0x0808或者0x9494；如果發(fā)送的字符為0x8FE9，0x8F6B，0x8F6D，0x8FEF，則通信應(yīng)選用ISO 14230-4所規(guī)定的ISO-K協(xié)議。

6) 關(guān)鍵字驗(yàn)證。客戶端會對收到的關(guān)鍵字進(jìn)行驗(yàn)證，從而選擇測試設(shè)備所要使用的ISO-K協(xié)議。此外，客戶端還需要獲取關(guān)鍵字所使用的頭部字段格式以及2個關(guān)鍵字的間隔，從而保證2個關(guān)鍵字的間隔在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

7) 異或關(guān)鍵字傳輸。客戶端會在25～50 ms的等待之后將服務(wù)端發(fā)來的關(guān)鍵字進(jìn)行異或后發(fā)出。

8) 異或關(guān)鍵字驗(yàn)證。服務(wù)端驗(yàn)證接收到的異或關(guān)鍵字。

9) 同步完成。在等待一定時間之后，服務(wù)端會將初始化字符進(jìn)行異或發(fā)送給客戶端作為做好通信準(zhǔn)備的信號。至此，初始化在服務(wù)端就結(jié)束了。

10) 異或初始化字符驗(yàn)證?？蛻舳藭邮盏降漠惢虺跏蓟址M(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證之后，初始化過程在客戶端結(jié)束。

這種初始化方式步驟繁瑣，速度較慢；另外一種方式為快速初始化，只需要一次收發(fā)過程，因此得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

2.3 ISO-K協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式

基于ISO-K協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括3個部分：數(shù)據(jù)頭、協(xié)議數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]。

圖3 ISO-K協(xié)議數(shù)據(jù)格式

2.3.1 數(shù)據(jù)頭

格式字符(FMT，F(xiàn)ormat byte)：1個格式字符包含6位長度位和2位地址位。在進(jìn)行ISO-K通信之前，程序通過初始化過程中的關(guān)鍵字的頭部字符獲得其格式。在頭部字符中，最高和次高2位組成了地址位。00表示頭部字符中不包含地址信息；01表示使用ISO 9414-2規(guī)范所規(guī)定的ISO-K協(xié)議；10表示物理層尋址；11表示多個客戶端和一個服務(wù)端建立了連接；后5位長度位標(biāo)志了不包括頭部字符和校驗(yàn)和的其余字符的長度。通常情況下，一個數(shù)據(jù)幀的長度在1～63個字符。如果長度位為0，則說明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度超過了63個字符。

目標(biāo)地址字符(TA，Target Addressing byte)：頭部字符中的目標(biāo)地址字符指的是消息接收端的識別符。這一字符通常和源地址符配合使用。目標(biāo)地址字符通常分為兩種：一種用于物理尋址，另外一種用于功能尋址。物理尋址指的是一對一通信情況下的尋址方式。而功能尋址則指一對多通信情況下的尋址方式。這些地址在ISO 9414，ISO 14230-2，ISO 14230-4等國際標(biāo)準(zhǔn)中都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。通常情況下，目標(biāo)地址字符只會在通信網(wǎng)絡(luò)中有多個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時候才會啟用，而在一對一的單點(diǎn)通信的情況下，此標(biāo)識符會被省略。

源地址字符(SA，Source Address byte)：源地址字符是消息發(fā)送端的標(biāo)識。它通常被看作是一個物理地址。和目標(biāo)地址字符一樣，也僅僅用于多點(diǎn)通信的網(wǎng)絡(luò)中。

長度字符(LEN，Length byte)：長度位在消息長度不超過63個字符的情況下不會出現(xiàn)，也就是說，在短消息的情況下，消息的長度由FMT中的6位長度位來表示。而只有當(dāng)消息的長度超過63個字符的時候，F(xiàn)MT中的第6位長度位為0，長度字符表示整個消息的字符個數(shù)。通常情況下，不是所有的服務(wù)端都會支持這一字符。在初始化階段，服務(wù)端必須通過關(guān)鍵字符來告知客戶端自己是否支持這一長度字符。

2.3.2 協(xié)議數(shù)據(jù)

協(xié)議數(shù)據(jù)就是K總線上傳遞的數(shù)據(jù)信息。它通常為1～63個字符或者1～255個字符。其中第1個字符為請求的服務(wù)標(biāo)識，其余的字符內(nèi)容取決于具體的服務(wù)。

2.3.3 校驗(yàn)和

校驗(yàn)和字符位于消息的尾部，它的長度為1個字符，值為消息中除了校驗(yàn)和字符之外所有字符的總和。

3 診斷適配器電路設(shè)計(jì)

3.1 功能分析

適配器的功能主要由EMC保護(hù)、ISO-K接口轉(zhuǎn)換UART電路以及UART電路轉(zhuǎn)USB電路等三大模塊組成。EMC保護(hù)模塊主要用于車載電控的電壓波動對于上位機(jī)(PC端)的損壞，ISO-K接口轉(zhuǎn)換UART電路主要目的是將ISO-K協(xié)議通過IC芯片轉(zhuǎn)換為UART通信協(xié)議，UART電路轉(zhuǎn)USB電路主要目的是將UART電路協(xié)議轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議的接口信號。

根據(jù)前述的UART協(xié)議以及ISO-K協(xié)議，重新設(shè)計(jì)并制造了一款基于ISO-K協(xié)議的診斷適配器，優(yōu)化了之前的技術(shù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了適配器的小型化和輕量化的新型設(shè)計(jì)。

3.2 硬件選型與設(shè)計(jì)

3.2.1 整體架構(gòu)

與原本的技術(shù)方案需要將TTL電平作為中間單元的轉(zhuǎn)換不同，該技術(shù)方案摒棄了作為中間轉(zhuǎn)換的RS232接口，采用直接將ISO-K通過通用的UART電路轉(zhuǎn)換為USB電路。同時，在K線與車載電控單元的診斷接口之間同樣設(shè)置了電氣隔離保護(hù)單元，以確保最極端的情況也不會對適配器造成損壞，乃至造成上位機(jī)PC端的USB端口的損壞。

圖4 技術(shù)方案架構(gòu)

3.2.2 ISO-K的UART芯片選型

該芯片需要能夠?qū)線的雙向信號準(zhǔn)確并且可靠地轉(zhuǎn)化為滿足UART協(xié)議的TX和RX信號，為滿足該功能需求選擇L6937D型芯片。該芯片提供了一整套的滿足ISO9414標(biāo)準(zhǔn)的總線串行通信服務(wù)，包括一個雙向的K線接口，一對TX，RX接口。該芯片的優(yōu)勢還表現(xiàn)為在針對過壓、短接、溫度過高或者正負(fù)極接反等意外情況時采取的保護(hù)措施，以及在抗擾性方面，對每一個針腳上的最大容忍干擾可達(dá)±0.2 mJ，通信速度最高可達(dá)50 kbit/s。K線端為高電平時的電流小于120 μA，而在低電平時的待機(jī)電流僅為1 μA。此外，從睡眠狀態(tài)到喚醒狀態(tài)之間的時間延遲小于5 μs。芯片的外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 L6937D芯片外圍電路

3.2.3 UART轉(zhuǎn)USB的芯片選型

該芯片需要滿足將UART協(xié)議的TX，RX數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)換為能夠被USB串口讀取的格式?；谠摴δ苄枨筮x用FT230X芯片作為主要芯片。該芯片是一款專門為小型電子設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)的UART串行數(shù)據(jù)和USB數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的專用芯片。該芯片內(nèi)置時鐘，無需外部晶振，傳輸速度為300 bit/s～3 Mbit/s，擁有512 bit的緩沖空間區(qū)域，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳輸容量。同時，該芯片采用和USB相同的5 V供電，可直接從USB端進(jìn)行取電。芯片的外圍電路如圖6所示，其中R1和R2，R4和R5為網(wǎng)絡(luò)終端電阻用于匹配網(wǎng)絡(luò)差分信號；R3為一個0 Ω電阻，是磁珠的預(yù)留焊盤，而磁珠主要用于過濾高頻信號，提升適配器的EMC性能，如需要可將0 Ω電阻換成磁珠。

圖6 FT230X芯片外圍電路

3.2.4 總電路設(shè)計(jì)圖

將車載電控單元接口設(shè)備模塊、EMC保護(hù)電路、ISO-K接口轉(zhuǎn)換UART電路、UART電路轉(zhuǎn)USB電路以及USB接口等模塊串聯(lián)在一起的設(shè)計(jì)方案如圖7所示，由于電氣隔離功能集成在了L6937D的芯片中，從而實(shí)現(xiàn)了更加緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)物如圖8所示。

圖7 技術(shù)方案總設(shè)計(jì)

圖8 USB轉(zhuǎn)ISO-K線

3.3 性能測試

在性能測試環(huán)節(jié)，分別采用以RS232和USB為接口的診斷適配器對同一內(nèi)容文件大小為2.35 MB的軟件進(jìn)行刷寫試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，以RS232為接口的適配器的刷寫時間為235.3 s，而本文設(shè)計(jì)的USB接口適配器僅用時217.5 s，刷寫速率提高了7.56%。同時，本文所設(shè)計(jì)的USB接口適合于目前所有電腦，并且相比于RS232接口的適配器質(zhì)量更輕、體積更小。

4 結(jié)束語

在如今的測試設(shè)備逐漸淘汰RS232串口的技術(shù)背景條件下，原先設(shè)計(jì)需要在RS232接口后級聯(lián)一個RS232轉(zhuǎn)換USB接口的設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的上升和空間的擴(kuò)大，在診斷系統(tǒng)發(fā)生故障時，給故障的排查帶來諸多不確定因素。USB數(shù)據(jù)的傳輸速率可以高達(dá)480 MB/s，遠(yuǎn)高于RS232總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，新的車載電控單元診斷系統(tǒng)USB適配器的設(shè)計(jì)，將電氣隔離模塊集成到ISO-K和UART的轉(zhuǎn)換芯片中，減小了適配器的體積。新的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)相同的需求，只用了2個芯片，系統(tǒng)的復(fù)雜度大大簡化，而且傳輸速度也有明顯提高。該方案憑借其小巧的體積和較輕的質(zhì)量以及較高的傳輸速率將大大改善工程應(yīng)用的效率。