剖析 UDS 诊断帧

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UDS 诊断服务通常是通过 CAN 总线实现。对于 CAN 诊断帧有两种不同的分类方式,按照寻址方式可以分为物理寻址、功能寻址,按照帧类别可以分为单帧、首帧、流控帧、连续帧。

寻址方式

在总线上往往连着众多 ECU 设备(如下图所示),作为诊断设备既可以单独与某一 ECU 进行通信,也可以同时与所有总线上的 ECU 设备通信。

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物理寻址

物理寻址是指总线上始终只有一个 ECU 响应诊断设备发出的诊断命令,实现点对点通信,例如上图中总线上仅 MMI 响应诊断设备的诊断命令。

功能寻址

功能寻址是指总线上的所有 ECU 对可以同时响应诊断设备发出的诊断命令,实现一对多的通信方式,例如上 图中 IPK、MMI、AC、BCM、EPS、ESCL、 SAS、ACU、EMS、ABS/ESC、TCU 可以同时响应诊断设备的诊断命令。

帧类别

对于帧的类型,通过需要发送的数据长度来确定。在正常寻址模式下,当数据长度小于等于 7 byte,则用单帧的形式发送。如下图所示:

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当数据长度大于 7 byte,数据需要分多帧才能发送完成,则需要使用到首帧、流控帧、连续帧。多帧的机制如下图所示。

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对于不同的帧,通过 CAN 数据场的中的 PCI (Protocol control information)来进行区分。

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以下是对 PCI 段的详细解释。

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单帧

单帧的缩写为 SF,数据域的第一个字节高 4 bit 值为 0000,标识这是一个帧 SingleFrame,低 4bit 是SF_DL,即 DataLength,描述后面有几个字节有效的数据长度。后面没有使用的字节通常会用 0xAA 来进行填充。

多帧

如果一帧 CAN 报文无法承载一条诊断报文,则需要按照上面的机制分包发送。

首帧

首先发送端会以一个 FirstFrame 开启通信,告诉接收端还有后续的内容要发,FirstFrame 使用前两个字节作为 PCI 信息,第一个字节高 4 bit 为 0001,标识这是一个 FirstFrame,低 4 bit 加上第二个字节用于描述总共发送的数据长度是多少(包括在 FirstFrame 中和后续在 ConsecutiveFrame 中的所有数据)。

Warning

该数据长度不包含 ConsecutiveFrame 的 PCI 部分。

流控帧

之后接收端发送 FlowControl,告诉发送端能以什么样的速度来发送数据,FlowControl 第一字节的高 4 bit 为 0011,低 4 bit 为 FS,即 FlowStatus,第二个字节为 BS(BlockSize),第三个字节为 STmin(SeperateTime)。FlowControl 有0,1,2 三种状态,分别命名为 ContinueToSend(CTS),Wait(WT),Overflow(OVFLW)。如果允许发送端继续发送 ConsecutiveFrame,则 FlowStatus=0;若要求发送端等一会再发送 ConsecutiveFrame,则 FlowStatus=1,允许发送端发送 ConsecutiveFrame 时,接收端再发一个 FlowStatus=0 的 FlowControl。如果接收端因为资源问题无法接收发送端发送的数据,则发送一个 FlowStatus=2 的 FlowControl。

BS 指示发送端一次可以发送多少个 ConsecutiveFrame,当发送 ConsecutiveFrame 数量达到 BS 时,需要接收端再次以一个 FlowControl 开启下一波的 ConsecutiveFrame 发送。

接收端根据自身的接收和处理能力使用 STmin 指示发送端在发送 ConsecutiveFrame 时最小的时间间隔是多少,从而实现流控制。

Warning

需要提一下的是,BS 和 STmin 等于 0 时,表示接收端可以以最快的速度来接收数据,发送端可以一次发送的 ConsecutiveFrame 数量不受限制。

连续帧

ConsecutiveFrame 就是承载 FirstFrame 无法完全承载的剩余数据了,它使用第一个字节用作 PCI,高 4 bit 为 0010,低 4 bit 用于标识 ConsecutiveFrame 的序列号(SN),从 1 开始,每发送一次 ConsecutiveFrame 增加 1 。

报文举例

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上图为实际开发中的 $22 诊断的 F1 87 的读取与响应,可结合上面的首帧、流控帧、连续帧进行对应分析。