AutoSar 通信服务架构，CAN通信诊断详解
文章目录
- Com（通信服务模块）
- PDU的定义和结构
- PDU的分类
- IPDU Mux 模块
- PDU R 模块（路由）
- Bus TP 模块
- BUS Interface
- CanIf模块
- LinIf模块
- 发送数据示例（CAN报文）
- 接收数据示例（CAN报文）
- 通信过程中路由选择的细节
- CAN诊断网络分层
- CAN诊断通信过程
- CAN TP 组帧和拆帧过程
- 举个栗子
AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）通信服务是为了简化车内ECU（电子控制单元）之间的通信而设计的。它基于多种汽车通信协议（如CAN、LIN、FlexRay等），并定义了一系列模块来组成通信协议栈。
- Com（通信服务模块）
- 功能：管理和协调应用层之间的数据交换，处理信号的发送和接收。
- 特点：支持周期性和事件驱动的通信，能够与多种底层协议（如 CAN、LIN、Ethernet）集成。
- PduR（PDU 路由器）
- 功能：负责将 PDU（协议数据单元）从一个模块路由到另一个模块。
- 特点：提供多路复用和选择功能，将输入 PDU 分配给适当的接收方，以优化数据流。
- CanIf（CAN 接口模块）
- 功能：作为 CAN 网络的接口，管理 CAN 帧的发送和接收。
- 特点：支持 CAN 设备的初始化、数据传输和错误处理，同时与其他通信模块协同工作。
- LinIf（LIN 接口模块）
- 功能：提供与 LIN 网络的接口，处理 LIN 帧的发送和接收。
- 特点：支持 LIN 网络的多种功能，包括主从模式的管理和错误检测。
最底层MCAL：提供了底层通信的驱动，比如CAN发送接收驱动，Lin发送接收驱动
Com（通信服务模块）
AUTOSAR中的通信服务模块（Com模块）是AUTOSAR架构中非常重要的一部分。它主要负责在不同速率的总线网络之间进行数据交换，并为汽车控制单元（ECU）应用软件提供统一的通信环境。
以下是Com模块的一些关键功能和特点：
- 功能
- 数据交换：支持不同模块之间的数据交换，包括传感器数据、控制命令等。
- 信号处理：管理信号的发送和接收，包括信号的格式转换和处理。
- 信号调度：根据系统需求调度信号的发送，优化数据传输的时间和频率。
- 通信模式
- 发送和接收：支持周期性和事件驱动的通信模式，允许模块根据需要发送和接收数据。
- 数据变化通知：当信号值发生变化时，Com 模块可以通知相关的接收方，以实现即时更新。
- 支持的协议
- 多协议支持：Com 模块可以与多种底层通信协议集成，例如 CAN、LIN、FlexRay 和 Ethernet。
- 多路复用和选择：支持输入 PDU 多路复用（IPDU Mux），可以选择合适的信号源进行数据处理。
- 配置和可扩展性
- 可配置性：Com 模块的行为和参数在 AUTOSAR 系统描述文件（.arxml 文件）中配置，支持灵活的信号和通信管理。
- 模块化设计：通过模块化设计，可以根据具体应用需求进行定制和扩展。
- 错误处理
- 错误检测和管理：Com 模块可以检测通信错误，并提供相应的错误管理策略，以确保系统的可靠性。
- 接口
- 标准化接口：Com 模块提供标准化的接口，以便于与其他 AUTOSAR 模块（如 PduR、CanIf 等）进行交互和集成。
在AUTOSAR架构中，协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）是用于在不同层级之间传递数据的基本单位。PDU在AUTOSAR通信模型中负责封装和传递应用层数据，使得不同的模块和设备能够互相交换信息。
通信栈完整流程：
PDU的定义和结构
- 定义：PDU是在通信网络中传输的数据单元，包含了消息的有效载荷以及额外的控制信息¹²。
- 结构：PDU通常由两个主要部分组成：头部（Header）和有效载荷（Payload）。头部用于描述PDU的属性和参数，而有效载荷则携带了实际的数据内容²。
PDU的分类
根据功能和通信模式的不同，PDU可以分为以下几种类型：
-
L-PDU（Link Layer PDU）：
- 数据链路层PDU：用于数据链路层的通信，包含ID、数据长度和数据¹。
-
N-PDU（Network Layer PDU）：
- 网络层PDU：在网络层传输，包含网络层地址信息（N_AI）和协议控制信息（N_PCI），如单帧、首帧、连续帧和流控帧¹²。
-
I-PDU（Interaction Layer PDU）：
- 交互层PDU：用于不同进程之间的数据传输，可以是周期性的或事件触发的²。
IPDU Mux 模块
在 AUTOSAR 中，IPDU Mux（Input Protocol Data Unit Multiplexer）模块用于管理和路由多种输入 PDU（协议数据单元）的接收和传输。它的主要作用是处理不同的信号和数据流，尤其是在具有多个信号源或多种数据格式的情况下
- 功能
- 信号选择：根据特定条件或标志，从多个输入 PDU 中选择一个进行处理。这个条件可以是消息的 ID、数据内容或其他控制信号。
- 路由管理：将接收到的输入 PDU 路由到相应的接收模块或应用层，以便进行进一步处理。
- 数据转换
- 数据格式转换：IPDU Mux 模块可以处理不同数据格式的输入 PDU，并将其转换为统一格式，以便于上层模块处理。
- 多路复用
- 资源优化：通过多路复用输入 PDU，可以有效利用网络带宽和资源，减少数据传输的冗余。
- 配置
- 可配置性：IPDU Mux 模块的配置通常在 AUTOSAR 系统描述文件（如 .arxml 文件）中定义，支持灵活的信号处理和路由策略。
- 应用场景
- 多种信号源：在车辆电子系统中，可能有多个传感器或控制单元发送相似或相关的数据。IPDU Mux 模块可以根据需要选择合适的信号进行处理。
PDU R 模块（路由）
PDU Router（PduR）模块是AUTOSAR架构中的关键组件，负责在不同通信网络之间传输和处理数据。它确保数据能够准确、高效地到达目的地。以下是PduR模块的一些主要功能和特点：
- 数据路由：
- 上层到下层：PduR模块将来自上层模块（如COM、DCM）的I-PDU传输到下层通信接口模块（如CanIf、LinIf）。
- 下层到上层：它也将来自下层模块的I-PDU传递到上层模块。
- 网关功能：
- PduR模块可以作为网关，将I-PDU从一个通信接口模块传输到另一个通信接口模块。
- 静态路由配置：
- I-PDU的路由是基于静态定义的I-PDU标识符执行的，路由路径在预编译阶段配置。
- 多播和单播：
- PduR支持I-PDU的单播（1:1）和多播（1:n）传输。
- 模块解耦：
- 通过PduR模块，上下层模块之间实现了解耦，增强了系统的灵活性和可维护性。
PduR模块在汽车通信架构中起到了桥梁作用，确保了不同模块之间的有效通信。
- 通过PduR模块，上下层模块之间实现了解耦，增强了系统的灵活性和可维护性。
Bus TP 模块
在AUTOSAR架构中，Bus Transport Protocol（Bus TP）模块主要负责在不同通信总线（如CAN、LIN、FlexRay等）上传输大于单帧容量的数据。以下是Bus TP模块的一些关键功能和特点：
- 多帧传输：
- 分段传输：当数据长度超过单帧容量时，Bus TP模块将数据分段为多个帧进行传输
- 重组数据：接收端的Bus TP模块负责将分段的帧重新组装成完整的数据包
- 流控制：
- 流控帧：Bus TP模块使用流控帧（Flow Control Frame）来管理数据传输的流量，确保发送端不会超出接收端的处理能力
- 错误检测和恢复：
- 错误检测：Bus TP模块能够检测传输过程中的错误，如帧丢失或顺序错误
- 错误恢复：在检测到错误时，Bus TP模块会触发重传机制，以确保数据的完整性
- 协议支持：
- ISO 15765-2：Bus TP模块通常基于ISO 15765-2标准，用于CAN总线的诊断通信
- 其他协议：也支持其他通信协议，如LIN和FlexRay
- 与其他模块的交互：
- PduR模块：Bus TP模块与PduR模块协作，确保数据能够正确路由到目标模块
- CanIf、LinIf等接口模块：Bus TP模块通过这些接口模块与物理总线进行通信
通过这些功能，Bus TP模块在确保大数据量可靠传输方面发挥了重要作用。
BUS Interface
是的，在AUTOSAR架构中，BUS Interface主要包括CAN Interface（CanIf）和LIN Interface（LinIf）模块。以下是这两个模块的详细介绍：
CanIf模块
- 位置和作用：
- CanIf模块位于底层CAN驱动（CanDrv）、CAN收发器（CanTrcv）和上层通信服务层（如PduR、CanNm、CanTp）之间
- 它提供了一个硬件独立的接口，用于管理不同的CAN硬件，如CAN控制器和CAN收发器
- 主要功能：
- 数据发送和接收：CanIf模块负责将上层模块的I-PDU传输到CAN总线，并接收来自CAN总线的I-PDU
- 控制器模式管理：CanIf模块可以控制CAN控制器的启动、停止和模式切换
- 错误处理和通知：CanIf模块能够处理CAN总线上的错误，并向上层模块发送错误通知
LinIf模块
- 位置和作用：
- LinIf模块作为硬件抽象接口层，屏蔽了下层LIN驱动的具体实现
- 它位于LIN驱动（LinDrv）和上层通信服务层（如PduR、LinTp）之间
- 主要功能：
- 数据传输：LinIf模块负责将上层模块的I-PDU传输到LIN总线，并接收来自LIN总线的I-PDU
- 诊断和唤醒：LinIf模块支持LIN总线的诊断功能和休眠唤醒机制
- 错误处理：LinIf模块能够检测和处理LIN总线上的错误，并向上层模块发送错误通知
发送数据示例（CAN报文）
在 AUTOSAR 通信服务中，发送 CAN 报文的具体流程可以概括为以下几个步骤：
- 准备数据
- 应用层准备数据：应用层或上层模块准备要发送的数据，并调用相应的接口进行发送。
- 填充 PDU：将数据填充到 PDU 中，包括必要的控制信息和数据有效载荷。
- 调用 PDU Router (PduR)
- 发送请求：应用层通过 PduR 调用发送接口（如
PduR_Send()），请求发送数据。 - 路由选择：PduR 确定数据的目标（例如，CAN 或 LIN），并决定相应的传输协议（如 CanTp）。
- 调用 CanTp（如果需要）
- 分段处理：如果数据超过 CAN 帧的最大长度，PduR 将数据传递给 CanTp 进行分段处理。
- 发送分段 PDU：CanTp 将数据分段并发送每个数据块，控制每个块的传输状态和确认。
- 通过 CanIf 模块
- 调用 CanIf：PduR 或 CanTp 完成分段后，将每个数据段传递给 CanIf 模块。
- CAN 帧封装：CanIf 封装数据到 CAN 帧中，包括消息 ID 和其他控制信息。
- 通过 CAN 驱动发送
- 调用 CAN 驱动：CanIf 调用底层 CAN 驱动接口（如
CanIf_Transmit()），将封装好的 CAN 帧发送到硬件。 - 硬件发送：底层驱动将 CAN 帧发送到 CAN 总线。
- 确认与反馈
- 接收确认：接收端的 CAN 控制器收到 CAN 帧后，发送确认信号，表明成功接收。
- 处理反馈：发送端的 CAN 驱动接收到确认后，通知 CanIf 模块，更新传输状态，并可以选择进行后续的处理（如发送下一个数据段）。
- 完成
- 通知应用层：一旦所有数据成功发送和确认，PduR 或相应的模块将返回结果给应用层，表明发送完成。
接收数据示例（CAN报文）
在 AUTOSAR 通信服务中，接收 CAN 报文的具体流程可以分为以下几个步骤：
- CAN 硬件接收
- 接收数据：CAN 控制器监测 CAN 总线，接收到一个完整的 CAN 帧。
- 存储数据：接收到的 CAN 帧数据被存储在硬件缓冲区中，等待处理。
- 调用 CAN 驱动
- 通知 CanIf：CAN 控制器通过中断或轮询方式通知 CAN 驱动（如 CanIf 模块）有新数据可用。
- 提取数据：CAN 驱动从硬件缓冲区提取接收到的 CAN 帧，并准备将其传递给上层模块。
- 通过 CanIf 处理
- 转发报文：CanIf 将接收到的 CAN 帧转发给 PduR 模块。
- 解封装 PDU：CanIf 解封装 CAN 帧，提取出有效载荷和其他控制信息。
- 调用 PDU Router (PduR)
- 路由选择：PduR 根据目标 PDU ID 和配置，确定数据的目的地，并将数据转发给相应的接收模块（如 CanTp 或应用层）。
- 分段处理：如果数据是通过 CanTp 进行的分段传输，PduR 会将数据传递给 CanTp 进行重组。
- 通过 CanTp（如果适用）
- 重组数据：CanTp 将接收到的分段数据进行重组，确保完整性。
- 发送到上层：完成重组后，CanTp 将完整的数据传递给 PduR。
- 通知应用层
- 调用应用接口：PduR 将最终的数据传递给应用层或上层模块，调用相应的接口（如
PduR_Receive()）。 - 处理数据：应用层处理接收到的数据，执行相应的业务逻辑。
- 确认与反馈
- 发送确认：根据需要，应用层可以发送确认信息或反馈，确保数据已被成功处理。
通信过程中路由选择的细节
在 AUTOSAR 通信过程中，路由选择主要通过 PDU Router (PduR) 模块进行，具体步骤如下：
- PDU 定义
- 每个 PDU 在配置文件中定义，包括其 ID、数据长度和目标模块等信息。
- 接收报文
- 当接收到 CAN 报文时，CanIf 模块将其转发给 PduR。
- 查找路由表
- PduR 内部维护一个路由表，记录每个 PDU ID 和其对应的目标模块。
- PduR 使用接收到的 PDU ID 在路由表中查找，确定数据的接收目标。
- 转发数据
- 根据路由表中的配置，PduR 将数据转发给相应的接收模块（如应用层、CanTp 或其他通信模块）。
- 如果需要，PduR 还会处理数据的转换（例如，格式转换或数据分段）。
- 处理确认
- PduR 可能还会根据配置向发送方或其他模块发送确认信息，确保数据传输的可靠性。
CAN诊断网络分层
CAN 诊断的网络分层通常遵循 OSI 模型的分层结构，具体包括以下几个层次：
- 物理层
- 功能：负责数据的物理传输，包括电气信号的发送和接收。
- 实现：定义电缆类型、连接器和电气特性，确保信号在 CAN 总线上的稳定传输。
- 数据链路层
- 功能：负责帧的组装、传输和错误检测。
- 实现：使用 CAN 协议，定义帧格式、优先级、仲裁和错误处理机制。
- 网络层
- 功能：处理数据包的路由和传输，但在 CAN 网络中通常不明显。
- 实现：一般通过诊断会话管理和数据传输来实现，例如，UDS（统一诊断服务）通过网络层协议传输诊断消息。
- 传输层
- 功能：提供可靠的数据传输，确保数据的完整性和顺序。
- 实现：在诊断中，CAN 诊断服务（如 UDS）可以通过分段和重组功能来实现大数据块的传输。其中CAN Tp模块便是这个起作用。
- CanTp 处理以下内容：
- 数据分段：将较大的 PDU 分割成多个小的 CAN 帧进行传输。
- 数据重组：在接收端将分段的 CAN 帧重新组合为完整的数据块。
- 可靠性控制：实现数据传输的确认机制，确保数据的可靠接收。
- 会话层
- 功能：管理和控制会话的建立、维护和结束。
- 实现：通过会话管理服务（如启动会话、停止会话）来控制诊断服务的状态。
- 表示层
- 功能：负责数据格式化和转换，确保不同系统之间的数据能够理解。
- 实现：在诊断服务中，数据的编码和解码通常在此层进行。
- 应用层
- 功能：提供最终用户的接口，定义具体的诊断服务。
- 实现：实现具体的诊断功能，如故障代码读取、数据流监控、程序下载等。
在 AUTOSAR 中，通信报文和诊断报文的处理有所不同：
- 诊断报文
- 经过 CanTp：诊断报文（如 UDS 报文）通常会经过 CAN Transport Protocol (CanTp) 模块。由于诊断报文可能需要传输较大的数据块，CanTp 的分段和重组功能确保能够在 CAN 网络中可靠地传输这些数据。
- 通信报文
- 通常不经过 CanTp：常规的通信报文（例如，传感器数据、控制命令等）通常不需要分段，因此可以直接通过 CAN 控制器发送。通信报文的大小一般在 CAN 帧的限制范围内，不需要 CanTp 的处理。
- 例外情况：如果某些通信报文的数据量较大并需要分段，那么它们也可能经过 CanTp。
CAN诊断通信过程
在 AUTOSAR 和 CAN 诊断中，诊断请求帧和应答帧是用于实现诊断服务的基本消息类型。
发送方（通常是诊断工具或测试设备）向 ECU（电子控制单元）发送的请求消息。
请求特定的诊断服务或数据，例如读取故障码、执行诊断测试或请求实时数据流。
内容：
- 服务标识符 (Service ID)：指示请求的具体服务类型。
- 数据字段：包含服务所需的参数和数据。
接收方（ECU）对诊断请求帧的回应消息。
提供请求中所要求的数据或服务的结果，例如返回读取到的故障码或执行结果。
内容：
- 服务标识符 (Service ID)：与请求帧中的服务 ID 一致，表示这是对特定请求的回应。
- 数据字段：包含请求的结果、错误码或状态信息。
通过这两种帧，诊断工具与 ECU 之间能够实现有效的双向通信，从而获取故障信息和进行各种诊断服务。
CAN TP 组帧和拆帧过程
CAN诊断由发送端的请求和接收端的响应构成，诊断即为发送端与接收端数数据往来。有的诊断一条信息完成， 有的诊断信息需要多条信息完成。毕竟在诊断中，一条CAN消息只包含八个字节，对于一条CAN诊断信息的分段发送问题，就是网络层需要讨论的内容。
在 CANTP层，传输报文主要分为以下几类：
- 单帧报文 (Single Frame)
- 定义：用于传输较小的数据，整个数据在一个帧中发送。
- 特点：适用于数据长度在 CAN 帧大小限制内的情况，简单快速。
- 第一帧 (First Frame)
- 定义：用于开始传输较大数据块的第一部分。
- 特点：包含数据的长度信息和序列号，指示接下来会有多帧数据传输。
- 数据帧 (Data Frame)
- 定义：紧随第一帧后传输的数据部分。
- 特点：用于传输第一帧所指定的数据块的剩余部分，多个数据帧可以连续发送。
- 最后一帧 (Flow Control Frame)
- 定义：用于接收方控制数据流，告知发送方可以继续发送的状态。
- 特点：用于流量控制，指示发送方是否需要暂停或继续发送数据。
在 PCI（Protocol Control Information）中，包含 PDU 单元类型和消息字节长度，这两个字段对于 CAN Transport Protocol (CanTp) 的数据传输至关重要。具体理解如下：
- PDU 单元类型
- 定义：PDU 单元类型指示当前传输的消息的类型，通常包括不同的报文类型，如单帧报文、第一帧、数据帧或流控制帧。
- 功能：通过这一字段，接收方可以确定如何处理接收到的消息。例如：
- 如果是单帧报文，接收方直接读取数据。
- 如果是第一帧，接收方将准备接收后续的数据帧。
- 消息字节长度
- 定义：消息字节长度字段指示当前 PDU 中数据的有效字节数。
- 功能：接收方使用这一字段来了解需要处理的数据量。这对于后续的帧解析和数据重组非常重要，尤其是在处理多帧传输时，接收方需要根据字节长度来确保数据的完整性。
举个栗子
假设我们需要传输一个数据块，总长度为 150 字节。由于 CAN 帧的最大有效负载为 8 字节，CanTp 需要将这个数据块分成多帧进行传输。
数据块：0x01, 0x02, 0x03, ..., 0x96 // 共 150 字节
1.首先发送第一帧：
内容：
- PDU 单元类型：第一帧
- 数据长度：150 字节（0x96）
- 数据部分：0x01, 0x02, 0x03, …, 0x08 // 包含前 8 字节的数据
[PDU Type: First Frame | Length: 150 | Data: 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08]
2.发送后续数据帧
CanTp 会发送多个数据帧。每个数据帧将包含 8 字节数据。
数据帧 1（第二帧）：
[PDU Type: Data Frame | Data: 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10]
数据帧 2（第三帧）：
[PDU Type: Data Frame | Data: 0x11, 0x12, 0x13, 0x14, 0x15, 0x16, 0x17, 0x18]
数据帧 18（最后一帧）：
[PDU Type: Data Frame | Data: 0x96]
3.发送流控制帧（可选）
在数据传输过程中，接收方可以发送流控制帧以控制数据流。例如，如果接收方需要处理时间，可以发送“暂停”指令。
4.重组数据
接收方在收到所有相关的数据帧后，会将它们重组为完整的数据块：
重组的数据块：0x01, 0x02, 0x03, ..., 0x96