CANFD协议在故障诊断中的研究与应用

潘文卿，李圣展，王梦，王琳琳

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

随着电控系统的功能越来越智能化，故障诊断系统也越来越强大，故障分类也越来越多。在传统UDS协议的故障诊断中，数据传输的长度小于6字节时，采用单帧即可传输完毕，大于6字节的数据传输就需要采用首帧、流控帧、连续帧的传输方式。在传统J1939协议故障诊断系统中，基于J1939-73诊断部分实现故障码在CAN总线网络上的传输。本文基于CANFD协议可以提升数据段速率和数据长度的两大特性，主要讲述在UDS诊断系统和J1939-73诊断协议中的应用研究。

1 CANFD协议简介

CANFD协议的数据段传输速率最高可达5Mb/s，仲裁段的最高时传输速率为1Mb/s，可以向下兼容CAN协议，数据段中的数据场最大可以支持64字节的数据。同时CRC校验在传统CAN的基础上进行了软件升级，数据段长度大于16字节时，采用CRC_21多项式校验算法为X+X+X+X+X+X+X+1；数段长度小于等于16字节时，采用CRC_17多项式校验算法为X+X+X+X+X+X+X+X+X+1；根据数据长度采用不同的校验算法，保证数据传输的可靠性。CANFD协议相较于传统CAN最大的优势是数据段长度的增加以及传输速率的提升，可以很大程度上解决当前CAN总线负载率高、数据带宽受限的问题。本文基于CANFD的两大特性，结合传统的故障诊断协议做了新的技术改进。图1为CANFD帧结构。

图1 CANFD帧结构

2 基于CANFD协议的故障诊断研究与应用

2.1 DMx故障诊断系统

基于J1939-73协议的故障诊断协议，规定了故障代码数据在CAN总线网络上的传输形式，故障码以DTC的形式通过DMx报文发送到总线上。以当前故障DM1报文为例，当没有故障或者只有一个故障时，通过PGN为0xFECA的单帧报文发送到总线上，当故障个数大于1个时，会通过PGN为0xECFF和0xEBFF两条报文通过多包的形式发送到总线上，控制器收到后，再按照多包报文的协议组合在一起，解析每一个故障码。对于数据是大于8个字节的DMx报文，需要先对数据进行拆包，用BAM和PACK两条报文进行传输，接收方收到后再进行组包，BAM和PACK的传输机制见图2和图3。

图2 BAM报文的结构

图3 PACK报文的结构

例如0x18FECA00：0x00 0xFF 0xAC 0xF3 0xE1 0x01 0x30 0xF3 0xE3 0x01，消息大小是10个字节，如果是传统的CAN需要分成两个数据包，参数群编号0x00FECA，所以BAM和PACK的数据传输如图4所示。

图4 BAM和PACK报文的数据

当前故障诊断系统中同一时刻可以诊断20个故障，即20个故障码，一个故障码是4个字节，再加上第1个字节为灯的状态，第2个字节为预留，所以最多的时候可以传输82个字节，12包数据。按照当前的普遍性设定BAM与PACK，PACK与PACK的时间间隔为50ms，那传输完12包数据的时间为600ms。像DM1报文的周期是1ms，如果是只有一个DM1多包报文传输，没有问题，如果控制系统有多条多包报文，时序就会出问题，所以这是传统CAN的弊端。

如果采用CANFD报文的形式进行传输，在不改变原有协议架构的情况下最多可以通过两条PACK报文进行传输。例如传输82个字节的数据，BAM和PACK报文的数据如下：传输3帧CANFD报文的时间只需要100ms多一点的时间，大大缩短了时间，如图5所示，第1条CANFD报文的长度是64字节，可以搭载63个字节的数据，第1个字节是当前的包数序号，第2条CANFD报文的长度是24字节，第1个字节是包数序号，第2字节到第20字节是剩余19个有效字节数据，第21~24字节为填充字节。如果有多条多包报文，不会影响多包报文的时序，CANFD协议可以很好地规避传统CAN的弊端。

图5 传输3帧CANFD报文的数据

2.2 UDS故障诊断系统

ISO 15765-2协议定义了单帧、首帧、连续帧、流控帧结构，图6是基于CAN和CANFD的不同定义方式，相较于传统 的CAN协 议 下 的 单 帧，CANFD协 议 下 将byte1定 为0，byte2是数据长度，后面的byte3-byte64是数据，一个CANFD协议的单帧最大可以传输62个数据，很好地规避了传统CAN只能传输6个数据的弊端，像通常用到的0x22服务的读数据流服务，一个单帧最多只可以传输一个4个字节长度的DID数据，超过4个字节就得用首帧、连续帧、流控帧。根据目前UDS诊断协议的定义，可以传输大部分的数据内容，大大减少了首帧、连续帧、流控帧的拆包和打包的过程。

图6 CAN和CANFD的网络层定义对比

在数据传输0x36服务进行大批量数据传输的时候会出现数据大于62字节的情况。CANFD协议下的首帧byte1的Bit3-1置0，byte2-5表 示 数 据 总 长 度，最 大 可 以 传 输0xFFFFFFFF个 数 据，相 较 于CAN协 议 的 数 据 长 度0xFFF，可传输数据大大增加。CANFD连续帧编号长度设置为0xFFF，与传统CAN的长度0xF相比，每次连续传输的帧数大大增加，不需要太多的流控帧，可以大大节约资源。

以CANFD协议为基础不改变ISO14229应用层定义的情况下，分析CANFD协议在故障诊断系统中应用优势。因为CANFD协议最大可以支持64字节，所以应用会非常灵活，以0x22读 数 据 流 为 例，DID号 码（十 六 进 制）分 别 为：0xF191和0xF192，维数分别 为23和27。传统 的CAN协议，是逐个发送读取请求，控制器通过判断数据长度如果大于4个字节，通过首帧、连续帧、流控帧进行响应。基于CANFD协议，数据长度如果大于4个字节并小于等于60个字节，可以通过一条CANFD的单帧报文进行响应，如果数据长度大于60个字节的通过CANFD协议的首帧、连续帧、流控帧进行响应。如果上位机只请求一个DID的数据，可以参考如图7和图8所示CAN和CANFD的报文流程。

图7 基于CAN读取0xF191报文

图8 基于CANFD读取0xF191报文

同是23字节的故障诊断数据的传输，传统CAN需要6条报文，CANFD只需要2条报文。如果同时申请2个DID，传统CAN需要使用0x22服务分别请求，如图9所示，需要分别使用单帧发送请求，数据字节大于4个字节，通过首帧、流控帧、连续帧完成数据传输。

图9 基于CAN读取2个DID的报文

基于CANFD的数据长度最大可以支持64字节的优势，基于CANFD的数据流读取可以进行优化，可以同时发送2个DID的请求命令，响应格式为DID+长度+数据，如图10所示，发送的请求报文为服务（0x22）+DID1（0xF191）+DID2（0xF192）共5个有效字节。响应报文的格式为正响应（0x62）+DID1（0xF191）+DID1长度（0x17）+DID1数据（0x01，0x02…0x17）+DID1（0xF192）+DID2长 度（0x1B）+DID2数 据（0x01，0x02…0x1B），后面的第60~64字节为填充字节。

图10 基于CANFD读取2个DID的报文

基于CANFD的数据长度优势可以一次读取多个DID，原则是尽量使用单帧，避免多帧的交互。如果CANFD的数据段波特率再提升，传输的效率非常明显。

3 结论

基于CANFD协议可以提升数据段波特率和数据传输长度的两大优势，可以很好地提升故障系统的诊断效率，同时还可以降低负载率。故障码、冻结帧的诊断中会有大批量的故障数据需要传输，基于CANFD协议的故障诊断系统中可以大大减少连续帧和流控帧的交互，提升故障诊断数据的传输效率。