基于ISO 13400標(biāo)準(zhǔn)的車載以太網(wǎng)DOIP技術(shù)應(yīng)用淺析

王遠(yuǎn)波，陳姿霖，武 萌

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

1 DOIP技術(shù)介紹

DOIP的全稱為Diagnostic communication Over Internet Protocol，是指通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)車載診斷通信。它將UDS服務(wù)命令和響應(yīng)數(shù)據(jù)作為載荷封裝成以太網(wǎng)幀后在以太網(wǎng)線束上傳輸，解決了汽車大容量數(shù)據(jù)軟件升級(jí)的時(shí)間問題。

DOIP技術(shù)依據(jù)ISO 13400協(xié)議的要求，滿足ISO 13400中定義的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)、車輛接口、連接方式。在OSI 7層結(jié)構(gòu)中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層遵守的協(xié)議是IEEE 802.3和ISO 13400-3；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層遵守的協(xié)議是ISO 13400-2；應(yīng)用層遵守的協(xié)議是ISO 14229-1和ISO 14229-5。

在車載以太網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用中，DOIP技術(shù)應(yīng)用推廣的最快，很多主機(jī)廠已經(jīng)開始應(yīng)用使用該技術(shù)進(jìn)行車輛數(shù)據(jù)刷新。DOIP的應(yīng)用場景主要有3個(gè)方面。

1）車輛刷新和配置

在車輛設(shè)計(jì)、裝配、售后階段，使用外部刷新設(shè)備通過TCP/IP協(xié)議在安全訪問通過后與車輛內(nèi)部節(jié)點(diǎn)建立通信，按照升級(jí)流程對(duì)DOIP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)升級(jí)和配置參數(shù)修改。在設(shè)計(jì)階段和量產(chǎn)階段，因一次處理的控制器的個(gè)數(shù)不同，所以要特別注意升級(jí)流程報(bào)文的組播和單播設(shè)置，保證升級(jí)的一次性成功率。

2）車輛功能檢測

在車輛裝配下線階段，外部檢測設(shè)備按照固定步驟對(duì)接入局域網(wǎng)的車輛進(jìn)行終檢工位的全功能檢測，外部測試設(shè)備會(huì)對(duì)車內(nèi)多個(gè)DOIP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行通信，完成批量檢測。

3）車輛故障維修

在該階段，外部檢修設(shè)備不需要使用傳統(tǒng)的硬線連接，通過TCP/IP協(xié)議與車輛建立通信，向目標(biāo)DOIP節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)反饋實(shí)時(shí)的故障信息或運(yùn)行參數(shù)，便于快速定位故障點(diǎn)。

2 DOIP設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 OBD接口

ISO 13400-4在現(xiàn)有的ISO 15031-3診斷OBD接口定義上進(jìn)行擴(kuò)展使用，推薦的有兩種定義，可根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)情況選擇其中一種。如圖1、圖2所示。

圖1 以太網(wǎng)OBD接口定義方案1

圖2 以太網(wǎng)OBD接口定義方案2

2.2 節(jié)點(diǎn)介紹

在車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)具備DOIP功能的情況對(duì)其進(jìn)行了特殊定義，一個(gè)控制器可以是以下的一種或多種角色。

1）DOIP實(shí)體

實(shí)現(xiàn)DOIP協(xié)議的控制器，車內(nèi)所有實(shí)現(xiàn)DOIP協(xié)議的控制器都可以稱為DOIP實(shí)體。

2）DOIP網(wǎng)關(guān)

控制器實(shí)現(xiàn)了DOIP協(xié)議，對(duì)外部測試設(shè)備使用DOIP協(xié)議訪問自身能夠給以正確回復(fù)，并且可以將DOIP協(xié)議數(shù)據(jù)路由到車輛子網(wǎng)的控制器。

3）DOIP節(jié)點(diǎn)

控制器實(shí)現(xiàn)了DOIP協(xié)議，對(duì)外部測試設(shè)備使用DOIP協(xié)議訪問自身能夠給以正確回復(fù)，但不將DOIP協(xié)議數(shù)據(jù)路由到車輛子網(wǎng)的控制器。

4）DOIP邊緣節(jié)點(diǎn)

控制器實(shí)現(xiàn)了DOIP協(xié)議，是車輛和外部測試設(shè)備之間的連接端口。

2.3 激活線

ISO 13400-4規(guī)定了外部測試設(shè)備在連接到車輛OBD接口時(shí)，使用工業(yè)以太網(wǎng)100Base-Tx協(xié)議進(jìn)行通信，連接線共有5根：2根Rx、2根Tx、1根激活線。眾所周知，車輛的電磁兼容符合標(biāo)準(zhǔn)要求是整車功能正常運(yùn)行的前提，激活線的目的是激活邊緣節(jié)點(diǎn)的Tx通信功能，在不使用Tx通信時(shí)關(guān)閉邊緣節(jié)點(diǎn)的Tx通信功能，能夠降低外界對(duì)車輛的干擾并提升抗擾能力。

具備激活線的設(shè)備和邊緣節(jié)點(diǎn)必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣參數(shù)，激活和失活電壓見圖3，激活和失活說明如下。

圖3 激活線閾值圖

1）失活電壓閾值（Vinactive）為2V，低于該值Tx通信已經(jīng)停止，低于2V的電壓值不會(huì)激活DOIP邊緣節(jié)點(diǎn)的Tx通信能力。

3）當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)檢測到激活線電壓低于Vinactive并持續(xù)200ms時(shí)認(rèn)為外部測試設(shè)備期望停止Tx端口的通信，此時(shí)關(guān)閉相關(guān)通信。

2.4 連接方式

使用外部診斷設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新或故障診斷時(shí)，可以使用一對(duì)一物理連接、一對(duì)一網(wǎng)絡(luò)連接、多輛車和一臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接、單車和多個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接4種連接方式，在具體的功能設(shè)計(jì)時(shí)需要提前確定好連接方式。

1）一對(duì)一物理連接是通過Tx線束連接，這樣連接方式信號(hào)干凈穩(wěn)定，無其他外部干擾，車輛和外部測試設(shè)備都會(huì)使用TCP的‘三次握手’機(jī)制來建立連接，執(zhí)行刷新或故障診斷工作。

2）一對(duì)一網(wǎng)絡(luò)連接是外部測試設(shè)備通過VIN/EID/GID識(shí)別網(wǎng)內(nèi)的所有車輛，進(jìn)而選擇目標(biāo)車輛，執(zhí)行刷新或故障診斷工作，目前的OTA升級(jí)也是使用該種方式。

3）多輛車和一臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接是外部測試設(shè)備同時(shí)對(duì)多輛車進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新和故障診斷，多用于車間裝配階段，在此連接方式上實(shí)現(xiàn)了并行刷新和智能制造。

4）單車和多個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接是單個(gè)車輛與多個(gè)外部測試設(shè)備的連接，在這種情況下，車輛必須能夠清楚地區(qū)分每個(gè)診斷請(qǐng)求是具體哪個(gè)外部測試設(shè)備發(fā)來的，并且能夠準(zhǔn)確對(duì)每個(gè)外部測試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)回復(fù)。主要應(yīng)用在車輛裝配階段，分工不同的多個(gè)設(shè)備對(duì)同一輛車進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

2.5 傳輸協(xié)議介紹

外部測試設(shè)備在對(duì)車內(nèi)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新或故障診斷時(shí)，會(huì)使用TCP或UDP協(xié)議與車內(nèi)控制器建立連接。請(qǐng)求執(zhí)行的功能決定了是使用TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議。在外部測試設(shè)備的激活線連接到車輛后，需要先使用UDP協(xié)議進(jìn)行車輛發(fā)現(xiàn)和車輛聲明，再使用TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸具體的數(shù)據(jù)和診斷請(qǐng)求。

UDP協(xié)議介紹

本研究發(fā)現(xiàn)：腦卒中病人家庭照顧者知覺壓力水平高于普通人群，醫(yī)務(wù)人員在工作中，應(yīng)關(guān)注腦卒中病人家庭照顧者身心健康狀態(tài)，積極對(duì)其采取正面心理引導(dǎo)，幫助照顧者以積極應(yīng)對(duì)方式面對(duì)困難，減輕照顧者壓力源，提高其身心健康水平。

UDP的全稱為User Data Protocol，是一種非連接、不保證可靠性的傳輸層協(xié)議，在實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)前外部測試設(shè)備和控制器不建立握手連接，直接向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)送的數(shù)據(jù)能不能正確地、完整地被對(duì)方接收，該協(xié)議原理無法保證，所以使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的情況。但是相比TCP協(xié)議，UDP因?yàn)闊o雙方握手的連接過程，所以UDP速度更快一些。

在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)于需要實(shí)時(shí)同步傳輸，但對(duì)可靠性要求低的數(shù)據(jù)，例如電影、歌詞，建議使用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際上，在100Base-T1或1000100Base-T1的速率下，車輛電磁兼容試驗(yàn)通過，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的長度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這些前提條件也能夠保證使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

TCP協(xié)議介紹

TCP的全稱為Transmission Control Protoco，它是一種面向?qū)ο蟮倪B接協(xié)議，在傳輸數(shù)據(jù)之前必須與對(duì)方建立可靠連接。這個(gè)建立過程就是我們常說的 ‘三次握手’機(jī)制，在有意向?qū)Ψ絺鬏敂?shù)據(jù)時(shí)，外部測試設(shè)備和車內(nèi)控制器之間總共發(fā)送3條以太網(wǎng)報(bào)文來建立確定的連接。

當(dāng)外部測試設(shè)備不需要向該對(duì)象發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)使用‘四次揮手’機(jī)制，來斷開和該對(duì)象的連接，釋放端口用于和其他對(duì)象進(jìn)行連接。

‘三次握手’和‘四次揮手’的過程和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的過程一樣。

2.6 車輛連接過程介紹

外部測試設(shè)備從連接車輛到對(duì)ECU進(jìn)行診斷功能、軟件升級(jí)需要經(jīng)歷6個(gè)階段：車輛識(shí)別、車輛選擇、套接字建立、路由激活、診斷通信、斷開通信，在整個(gè)過程中車輛識(shí)別和車輛選擇使用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，其余階段使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

1）車輛識(shí)別：邊緣節(jié)點(diǎn)與外部測試設(shè)備物理連接后，邊緣節(jié)點(diǎn)識(shí)別到激活線的電平滿足要求后打開Tx端口通信，與外部測試設(shè)備使用DHCP或Auto-IP協(xié)議進(jìn)行交互，由外部測試設(shè)備向邊緣節(jié)點(diǎn)分配IP地址。

2）車輛選擇：該項(xiàng)功能在一臺(tái)測試設(shè)備與多個(gè)車輛連接時(shí)能夠發(fā)揮很大作用，多個(gè)車輛的邊緣節(jié)點(diǎn)發(fā)送車輛聲明后，外部測試設(shè)備根據(jù)VIN或EID對(duì)車輛進(jìn)行識(shí)別，在外部測試設(shè)備的人機(jī)界面中選擇需要通信的目標(biāo)車輛。

3）套接字建立：外部測試設(shè)備和邊緣節(jié)點(diǎn)通過套接字建立診斷通信。

4）路由激活：通過路由激活觸發(fā)邊緣節(jié)點(diǎn)的路由功能。

5）診斷通信：路由功能激活后，外部測試設(shè)備便可向目標(biāo)ECU發(fā)送診斷指令，邊緣節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)DOIP報(bào)文中的MAC和IP地址將診斷請(qǐng)求路由到目標(biāo)ECU所在的網(wǎng)段，并將ECU的響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給邊緣節(jié)點(diǎn)。

6）斷開通信：需要進(jìn)行的診斷功能執(zhí)行完畢后，外部測試設(shè)備斷開TCP連接關(guān)閉套接字，將激活線電壓拉低，使邊緣節(jié)點(diǎn)關(guān)閉Tx端口通信。

3 結(jié)束語

DOIP技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，伴隨著對(duì)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用研究，DOIP技術(shù)將會(huì)替代現(xiàn)有的CAN總線刷新，解決大數(shù)據(jù)刷新的時(shí)間問題，提高數(shù)據(jù)刷新和故障診斷效率。