【一文理解诊断单帧与多帧传输--基于ISO15765-2】

一、术语定义和缩略词

1.UDS (Unified Diagnostic Services)

定义：统一诊断服务，基于ISO 14229-1标准，是汽车诊断的核心应用层协议。

作用：支持诊断会话控制、数据读写、ECU刷写、故障码管理等功能，采用Client/Server模式。

示例：SID 0x22表示读数据请求，SID 0x2E表示写数据请求。

2.ISO 15765

定义：汽车诊断网络层核心协议，定义CAN总线上长报文分帧传输机制。

关键功能：
长报文分帧：将应用层数据（如UDS请求）拆分为多个CAN帧传输。
流控机制：通过BS（块大小）和STmin（最小间隔时间）管理传输速率。
错误处理：检测超时、帧丢失、序列号错误等异常。

3.DoIP (Diagnostic Communication over Internet Protocol)

定义：基于TCP/IP的以太网诊断协议（ISO 13400系列），替代传统CAN诊断。

优势：支持高速远程诊断与编程（如OTA升级），传输速率达100Mbps以上。
应用场景：车辆检测、软件刷写、总装线检测。

4.SF (Single Frame)

定义：单帧，用于传输短数据（≤7字节，CAN FD支持≤64字节）。

结构：通过DLC（数据长度码）声明数据长度，无需分帧。

示例：03 22 F1 90表示读取DID 0xF190的数据。

5.FF (First Frame)

定义：首帧，多帧传输起始帧，声明总数据长度。

结构：前两字节表示总长度（如10 0F表示15字节），后续帧按SN（序列号）顺序发送。

作用：标识数据传输开始，并告知接收方总数据量。

6.CF (Consecutive Frame)

定义：连续帧，携带实际数据，每帧包含6-7字节有效负载。

序列号（SN）：每帧递增（0-15循环），确保数据按序重组。

示例：21 [数据块1]表示序列号为1的连续帧。

7.FC (Flow Control)

定义：流控帧，接收方通过BS和STmin控制发送速率。

参数：
BS：允许发送的连续帧数量（如BS=8表示发送8帧后需等待）。
STmin：连续帧间最小间隔时间（单位ms，0表示无限制）。

8.流控状态码（FS）：

0：继续发送
1：等待（接收方需处理数据）
2：溢出（数据量超出接收能力）

9.BS (Block Size)

定义：流控帧中定义，允许发送方连续发送的CF帧数量。

作用：防止接收方缓冲区溢出，高负载场景需限制BS值（如BS=4）。

10.STmin

定义：流控帧中定义，连续帧间最小间隔时间。

示例：STmin=10ms表示连续帧间隔至少10ms，STmin=0表示全速发送。

11. SN (Sequence Number)

定义：连续帧序列号，每帧递增，接收方按SN重组数据。

范围：0-15(0x0F)循环，确保数据顺序正确。

12.SA (Source Address)

定义：源地址，标识发送方ECU或诊断仪。

示例：诊断仪发送ID为0x7E0，ECU回复ID为0x7E8。

13.TA (Target Address)

定义：目标地址，标识接收方ECU。

扩展格式：29位CAN ID，如0x18DAA0F1（诊断仪地址0xF1，ECU地址0xA0）。

14.SID (Service Identifier)

定义：服务标识符，定义诊断服务类型。

常见服务：
0x10：诊断会话控制
0x22：读数据
0x2E：写数据
0x27：安全访问
0x19：读DTC。

15.DID (Data Identifier)

定义：数据标识符，标识ECU内部数据（如0xF190表示特定参数）。
应用：读写ECU配置、状态信息。

16.DTC (Diagnostic Trouble Code)

定义：故障码，记录ECU检测到的故障信息。
结构：由SPN（可疑参数群）、故障模式等组成（如P0301表示气缸1失火）。

二、单帧和多帧格式报文格式介绍

1.四种帧格式概览

2.单帧、首帧、流控帧和连续帧的区分

3.各种帧类型举例

单帧传输示例

场景：读取车辆诊断ID（DID）0x010A的数据（假设数据长度为2字节）。

数据发送：02 10 03 55 55 55 55 55
02：首字节前4位为0（单帧标识），后4位0010表示数据长度为2字节。
10 03：有效数据（如DID值或状态信息）。
55 55…：填充位（无实际意义）。
应用：车辆诊断中快速获取短数据，如当前车速、发动机状态等。

多帧传输示例

场景：ECU固件刷写，需传输100字节数据。

首帧（FF）：10 64 00 01 02 03 04 05

10：首字节前4位为1（首帧标识），后12位0001 0000表示总数据长度为100字节（0x64）。
00 01 02…：前6字节数据（示例数据）。

流控帧（FC）：30 00 0A AA AA AA AA AA

30：首字节前4位为3（流控帧标识）。
00：流控状态（FS=0，允许继续发送）。
0A：块大小（BS=10，允许发送方连续发送10帧）。
STmin=10ms：连续帧间最小间隔。

连续帧（CF）：21 06 07 08 09 0A 0B 0C

21：首字节前4位为2（连续帧标识），后4位0001表示序列号（SN=1）。
06 07…：后续6字节数据（示例数据）。
后续帧：SN依次递增（2,3,…），每帧携带6字节数据，直至传输完成。

3.帧的应用

对于单帧而言，它的SF_DL(单帧数据长度)仅占第一个字节的低半个字节，可以表示的数据范围为0x00~0x0F，但是由于CAN标准帧总长度8的限制，帧类型和帧长度共占一个字节，留给传输有效数据的余量只有7个字节，所以SF_DL的取值范围为1 <= SF_DL <=7,即意味着一帧单帧只能传递1-7个有效数据，

对于传输数据量在此范围内的情况，选择用单帧进行传输，例如请求进入拓展会话：

reuqest :02 10 03 00 00 00 00 00
response:06 50 03 00 32 01 F4 CC

这里请求报文是单帧，有效数据长度为2，后面跟着的10 03是有效数据，5个 00是填充字节，解析的时候可以忽略。

响应报文也是单帧，有效数据长度为6 ,有效数据为 50 03 00 32 01 F4，CC是填充字节，解析的时候可以忽略。

当需要传输的数据量大于7时，我们选择使用多帧进行传输，首先需要发送首帧，首帧的第一个字节的高半个字节表示帧类型，是1则表表示是一个首帧。首帧的第一个字节的低半个字节以及整个第2个字节（共1个半字节）表示接下来要传输的有效数据长度，FF_DL（首帧数据长度）的取值范围是0x008 <= FF_DL <=0xFFF（4095），首帧的第3个字节及后面的字节可以表示一部分有效数据。

Receiver收到首帧之后需要发送一帧流控帧，用以表示Receiver接收数据的能力。其中包括几个参数：

• 帧类型在第一个字节的高半个字节，是3则表示这是一帧流控帧

• 低半个字节是FS，表示流控制状态，一般是0，继续发送
  

• 第2个字节是BS, 表示块大小，是几就允许接下来Sender发几帧续帧，一般该值为0x00, 表示允许Sender 把剩余的数据用续帧一下子发完
  

• 第3个字节是STmin,表示允许接下来Sender发送续帧之间的最小帧间隔时间
  
  Sender 在收到流控帧之后，需要根据流控帧的指示把要传输的有效数据继续传输下去，续帧的第一个字节的高半个字节是2，表示这是一个续帧，低半个字节表示帧序号，它的范围是0x00-0x0F，后面的7个字节用来传输有效数据。

续帧会把除首帧之外的有效数据按顺序进行拆包，除最后一帧外，每一帧都搭载7个字节的有效数据，帧序号则表示传输序列，正常的传输过程如下(第一帧总是从21开始)：
21 xx xx xx xx xx xx xx
22 xx xx xx xx xx xx xx
…
2F xx xx xx xx xx xx xx
20 xx xx xx xx xx xx xx
21 xx xx xx xx xx xx xx
22 xx xx xx 00 00 00 00

4.多帧传输完整报文示例

Sender:10 14 00 01 02 03 04 05
Receiver:30 00 0A AA AA AA AA AA
Sender:21 06 07 08 09 0A 0B 0C
Sender:22 0D 0E 0F 10 11 12 13

接收方根据连续帧的SN字段（1, 2, 3,…）按顺序重组数据，最终得到完整数据：
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 12 13

三、网络层时间参数

四、非预期帧处理

在汽车诊断（如UDS协议）及工业通信领域，非预期帧处理是确保数据传输可靠性和安全性的核心机制。它指接收方对不符合当前通信状态或协议规范的帧（如错误类型、乱序序列号、超时未响应帧等）进行识别、处理并恢复通信的能力。

1.非预期帧的分类与识别

2.非预期帧处理机制

（1）错误检测与帧丢弃

校验机制：通过CRC校验、帧计数器（FCN）验证、N_PCI字段合法性检查识别非预期帧。

丢弃策略：
-立即丢弃非法帧，不发送确认信号。
-记录错误日志（如DTC码0x1234表示“非预期帧接收”）。

（2） 超时重传与会话恢复

首帧超时（N_As）：
发送方等待流控帧超时后，触发重传首帧（最多重试3次）。
仍失败则终止会话，报错N_TIMEOUT_A。

连续帧超时（N_Cr）：
接收方等待连续帧超时后，发送流控帧（FS=1，等待状态）。
发送方收到等待状态后，暂停传输并等待新流控帧。

（3） 序列号（SN）管理与重组

缓冲机制：接收方维护16位序列号缓冲区，检测SN断续（如收到SN=3后直接收到SN=5）。

重组策略：
SN断续时，发送流控帧（FS=1）请求重传丢失帧。
累计3次SN错误则终止会话，清空缓冲区。

（4） 流控状态（FS）动态调整

溢出处理（FS=2）：
接收方检测到数据长度超过缓冲区容量时，发送流控帧（FS=2）。
发送方立即终止传输，报错N_BUFFER_OVFLW。

等待状态（FS=1）：
接收方处理高负载时，发送流控帧（FS=1，BS=0）。
发送方暂停传输，直至收到新流控帧（FS=0）。

3.关键参数配置与影响