基于DoIP協(xié)議的汽車診斷系統(tǒng)開發(fā)

安 康， 韓光省， 韓可強， 朱永健， 郭 燦

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300310；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

車載電子系統(tǒng)的復(fù)雜程度日益增加，不斷增加的控制器以及接口數(shù)量對帶寬的需求越來越大，車內(nèi)不同的控制單元和不同的域之間彼此通信的需求越來越強。這意味著傳統(tǒng)總線已經(jīng)無法滿足需求，整車制造商和供應(yīng)商都需要更有效的車輛通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前應(yīng)用較多的總線主要有LIN、CAN、FlexRay、MOST、LVDS等，除了LVDS以外，其余的總線技術(shù)都是針對汽車行業(yè)制定的［1］。目前CAN、LIN是現(xiàn)役車載網(wǎng)絡(luò)最為廣泛的標準，但其帶寬水平在某些應(yīng)用領(lǐng)域越來越力不從心；FlexRay在中高端車的線控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)中應(yīng)用較多，MOST主要服務(wù)于多媒體應(yīng)用，但其開發(fā)成本相比較高；LVDS是一種電器數(shù)字信號系統(tǒng)，在汽車行業(yè)主要應(yīng)用在屏幕和攝像頭間數(shù)據(jù)傳輸。所以目前正是一直被汽車行業(yè)拒之門外的以太網(wǎng)與汽車深度擁抱集成的契機。分和基于CAN總線診斷一樣采用ISO 14229實現(xiàn)，詳見表1。

1 DoIP協(xié)議介紹

DoIP全稱為基于IP網(wǎng)絡(luò)的診斷通信Diagnostic communication over Internet Protocol，由ISO 13400標準定義，是基于IP的汽車診斷協(xié)議［2］。DoIP診斷經(jīng)由通用的統(tǒng)一診斷服務(wù)UDS協(xié)議引入診斷服務(wù)，通過傳輸控制協(xié)議TCP、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP和以太網(wǎng)協(xié)議IP，完成外部測試設(shè)備與ECU間的診斷通信。在OSI 7層模型中，ISO 13400規(guī)定了DoIP的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層和會話層部

表1 基于OSI基本參考模型

2 DoIP幀格式

DoIP報文由DoIP報頭和Payload（有效載荷）組成，完整格式如圖1所示。

1）DoIP報頭包含：DoIP協(xié)議版本號，目前為0x02（DoIP 2012）。

2）協(xié)議版本號取反，目前為0xFD。

3）Payload類型，分為3大類：①節(jié)點管理類，包含DoIP報頭否定應(yīng)答、車輛聲明及標識、路由激活、在線檢查；②車輛信息類，包含DoIP實體狀態(tài)、診斷電源模式信息；③診斷數(shù)據(jù)類，包含診斷報文。

4）Payload長度，范圍為0-0xFFFFFFFF最大支持一次性傳輸4GB大小的數(shù)據(jù)。

每個DoIP實體 （實現(xiàn)了DoIP協(xié)議的節(jié)點）將按照圖2中指定的順序處理所有DoIP報文的通用DoIP報頭結(jié)構(gòu)。

圖2 DoIP通用報頭處理程序

如果接收到來自DoIP實體不正確的DoIP報文，外部測試設(shè)備不得發(fā)送通用DoIP報頭的否定應(yīng)答報文。通用DoIP報頭否定應(yīng)答報文只能用于確定先前發(fā)送的DoIP報文的錯誤條件。

3 DoIP通信流程

當(dāng)一輛車和外部測試設(shè)備都連接到DoIP網(wǎng)絡(luò)中，并且IP地址配置完成，DoIP實體將通過車輛公告信息廣播其VIN、EID、GID和邏輯地址3次，外部測試設(shè)備通過廣播發(fā)送車輛識別請求來觸發(fā)車輛識別響應(yīng)，從而完成車輛聲明及標識步驟。

打開Socket（套接字）是外部測試設(shè)備向車輛內(nèi)部DoIP實體發(fā)起連接的第一步，必須在交換任何報文前完成，一旦建立了連接，必須執(zhí)行一些初始化操作。為了激活初始化連接中的路由，外部測試設(shè)備將發(fā)送一個路由激活請求消息到DoIP實體。如果外部測試設(shè)備符合條件，DoIP實體將發(fā)送一個路由激活成功的響應(yīng)，此時就可以對有效的DoIP報文 （如DoIP診斷報文）進行轉(zhuǎn)發(fā)或處理。DoIP會話示例見圖3。

圖3 DoIP會話示例

4 DoIP物理連接

4.1 DoIP應(yīng)用場景

DoIP的應(yīng)用場景具體有3個：①車輛檢查和維修，在售后模式下，診斷儀通過TCP／IP協(xié)議與車輛建立直接聯(lián)系，然后將相應(yīng)的診斷請求發(fā)送給車輛DoIP實體，然后根據(jù)車內(nèi)ECU的診斷響應(yīng)反饋出故障信息。②車輛／ECU的軟件刷新，外部刷寫設(shè)備根據(jù)刷寫規(guī)范中定義的刷寫流程，將更新后的程序或標定文件寫入內(nèi)部模塊中。在ECU開發(fā)階段，外部刷寫設(shè)備與DoIP實體間建立的通常是點對點的通信，但在下線時，通常通過刷寫設(shè)備對整車進行并行刷寫操作。③車輛／ECU的下線檢查和維修，在裝配車間，外部測試設(shè)備能夠按照相應(yīng)的流程，確定車輛是否已通過裝配線準備狀態(tài)測試。正在裝配過程中的車輛，即使不是所有DoIP實體都安裝在車輛上，也應(yīng)在IP網(wǎng)絡(luò)上能夠正確檢測到，從而對車輛進行診斷和維修。與售后模式不同的是，在裝配車間，外部測試設(shè)備和車輛之間通常進行多個并行的診斷通信。這包括一個或多個外部測試設(shè)備與車輛中的多個ECU建立多個邏輯連接。

4.2 診斷連接場景

外部通信方案有4種：①單輛車與單個外部測試設(shè)備直接物理連接，該方案能夠確保在進行IP診斷時，系統(tǒng)不會受到來自其他車輛或設(shè)備的干擾，一般用IP尋址或自動配置；②單輛車與單個外部測試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接，在多部車或多個外部測試設(shè)備都連接到同一個網(wǎng)絡(luò)時 （例如維修車間網(wǎng)絡(luò)），外部測試設(shè)備和車輛都應(yīng)該具備識別能力，能夠在網(wǎng)絡(luò)下識別出連接的對象，并拒絕來自其他車輛或外部測試設(shè)備的請求；③多輛車與單個外部測試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接，該方案要求外部測試設(shè)備具備一對多連接的能力，例如在工廠或車間中某一個產(chǎn)線整車刷新服務(wù)器需要同時對多輛車同時進行刷寫升級；④單臺車與多個外部測試設(shè)備連接該方案要求車輛具備一對多連接的能力，能夠清楚地區(qū)分診斷請求和對每個邏輯連接負責(zé)的外部測試設(shè)備的響應(yīng)。外部測試設(shè)備能夠判斷當(dāng)前車輛是否在與其他設(shè)備進行通信，例如在下線時的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)域，某個外部設(shè)備需要對車輛刷寫升級，而另一個外部設(shè)備需要對該車輛進行故障檢修［3］。

5 車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓撲

DoIP架構(gòu)模型必須實現(xiàn)以下特征：①車輛與測試設(shè)備能夠加入到網(wǎng)絡(luò)中并識別對方；②汽車具有聲明存在且被檢測到的能力；③獲取車輛基本狀態(tài)信息 （如Power Mode狀態(tài)）；④通信建立，如雙方通信請求建立，保持，以及對網(wǎng)關(guān)的控制等；⑤汽車網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)診斷設(shè)備與車輛子網(wǎng)組件之間的數(shù)據(jù)路由；⑥錯誤狀態(tài)處理［4］。

圖4描繪了車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示例。

圖4 車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

如圖4所示，根據(jù)該拓撲結(jié)構(gòu)，5個域控制器：車身、動力總成、底盤、信息娛樂、高級駕駛員輔助系統(tǒng)ADAS，通過以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)連接，每個域內(nèi)部均可使用不同網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)域與域之間需要信息交流時，報文可經(jīng)由域控制器路由轉(zhuǎn)發(fā)到目標網(wǎng)絡(luò)。由于涉及到安全性等因素診斷網(wǎng)關(guān)需要支持如下特性：DoIP網(wǎng)關(guān)在所有連接中必須支持IPV4通信，在用于OBD以太網(wǎng)連接時必須支持IPV6通信，能夠?qū)⑼獠縄P地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)部IP地址、將外部MAC地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)部MAC地址并提供防火墻從而保護內(nèi)部通信；作為內(nèi)部診斷設(shè)備的ECU應(yīng)采用專門的IP地址，保證其與其他DoIP節(jié)點進行通信，該IP地址與用于與網(wǎng)關(guān)或外部測試設(shè)備進行DolP通信的IP地址不同；ECU可以使用UDP或者TCP端口用于DoIP通信，內(nèi)部診斷設(shè)備可以發(fā)送UDP信息給DoIP節(jié)點或者和DoIP節(jié)點建立額外的TCP連接，這意味著UDP或者TCP的源端口可以動態(tài)隨機生成，目的端口均需設(shè)置為13400。

6 結(jié)束語

汽車的安全和可靠性離不開車載診斷系統(tǒng)的保障，隨著汽車電氣化的迅速發(fā)展，車內(nèi)控制器數(shù)量在急劇增加的同時，其功能也在不斷地增加。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系已經(jīng)越來越不能滿足需求，以太網(wǎng)作為一個在工業(yè)上已經(jīng)非常成熟的通信技術(shù)，通過完美轉(zhuǎn)型成為車載以太網(wǎng)為大勢所趨。相信在隨后的幾年中通過以太網(wǎng)作為車內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)體系，將會加快遠程診斷、OTA、車聯(lián)網(wǎng)甚至自動駕駛等技術(shù)的快速普及。