SAE J1939協(xié)議在客車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

寧 濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展以及人們對汽車舒適性、安全性、功能性等要求的不斷提高，汽車上的電子控制單元也越來越多。若仍采用傳統(tǒng)的通信方式，會使汽車上的線束越來越多，這不僅增加了整車的重量，增加了生產(chǎn)的成本，同時也加大了布線的難度。現(xiàn)在越來越多的汽車上采用CAN總線，CAN總線又稱作汽車總線，其全稱為“控制器局域網(wǎng)（CAN-Controller Area Network）”。 CAN 總線是一種現(xiàn)場總線，是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線可以將汽車上的電子控制單元連接成一個網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)各個控制節(jié)點的數(shù)據(jù)共享，增強控制功能，提高汽車的安全性，降低燃油的消耗以及生產(chǎn)成本。SAE J1939協(xié)議是基于CAN總線通信協(xié)議制定的車輛應(yīng)用層通訊協(xié)議。它是由美國汽車工程學(xué)會（SAE）發(fā)布的，是一類專門用于卡車、大客車、農(nóng)業(yè)機械等的CAN 總線通信協(xié)議［1］。

1 CAN總線簡介

1.1 CAN總線的發(fā)展

早在20世紀(jì)80年代，Bosch的工程人員開始研究用于汽車的串行總線系統(tǒng)，因為當(dāng)時還沒有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能完全滿足汽車工程的要求。1983年，UweKiencke開始設(shè)計新的串行總線，參加研究的還有Mercedes-Benz公司、Intel公司，還有德國兩所大學(xué)的教授。1986年，Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會）大會上第一次提出了CAN。1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片—82526；隨后Philips半導(dǎo)體推出了82C200。1991年9月Bosch公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（version 2.0），該規(guī)范包括A和B兩個部分。1993年，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布，從此CAN協(xié)議被廣泛的用于各類自動化控制領(lǐng)域。1994年美國汽車工程師協(xié)會以CAN為基礎(chǔ)制定了SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)，用于卡車和巴士控制以及通信網(wǎng)絡(luò)。發(fā)展到今天，幾乎每一輛歐洲生產(chǎn)的轎車上都有CAN。

1.2 CAN 總線的特點［2］

CAN總線與一般的總線相比具有突出的可靠性、靈活性和實時性。其特點如下：

（1）CAN總線是目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的總線。

（2）CAN總線采用非破壞的仲裁技術(shù)。多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，就會導(dǎo)致沖突，此時優(yōu)先級較低的節(jié)點主動退出發(fā)送，優(yōu)先級較高的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，這就節(jié)省了總線沖突仲裁的時間。

（3）CAN為多主的方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可以在任何時刻向總線發(fā)送信息。

（4）CAN的節(jié)點只需對報文的標(biāo)識符濾波就可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

（5）CAN總線直接通信在速率5 kbps的最遠距離可達10 km，通信速率最高可達1 Mbps，此時的通信最長距離為40 m。

（6）CAN總線上的節(jié)點數(shù)目主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；在標(biāo)準(zhǔn)幀報文標(biāo)識符有11位，而在擴展幀的標(biāo)識符（29位）的個數(shù)幾乎不受限制。

（7）報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；CAN的每幀信息都有CRC校驗以及其他的檢驗措施，具有極好的檢錯效果。

（8）CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

2 J1939協(xié)議在客車上的應(yīng)用

2.1 J1939協(xié)議與CAN的關(guān)系

CAN總線協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，要將CAN總線應(yīng)用于工程項目和產(chǎn)品中必須制定上層的應(yīng)用層協(xié)議。SAE J1939協(xié)議是目前在大型汽車中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議，速率可達到 250 Kbps［3］。SAE J1939 協(xié)議是以 CAN 2.0B 為基礎(chǔ)的，它不僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，還定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議。它的數(shù)據(jù)鏈路層定義了信息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼規(guī)則，包括通信優(yōu)先權(quán)、傳輸?shù)姆绞?、通信要求、總線的仲裁、錯誤的檢測以及處理，對CAN擴展幀的29位標(biāo)識符重新分組定義，使得報文的標(biāo)識符能夠描述報文的全部特征。CAN擴展幀的29位標(biāo)識符與J1939協(xié)議定義的29位標(biāo)識符定義關(guān)系如圖1所示。

2.2 J1939協(xié)議報文格式定義

SAE J1939應(yīng)用層協(xié)議定義了協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），它用來定義CAN數(shù)據(jù)幀的消息的意義。SAE J1939協(xié)議數(shù)據(jù)單元有七個部分組成，分別是報文的優(yōu)先級、保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式、特殊PDU、源地址和數(shù)據(jù)場等，如圖2所示。每一個CAN數(shù)據(jù)只能有一個PDU。其中優(yōu)先級P有3位，決定報文的優(yōu)先級，其值越小優(yōu)先級越高；R為保留位，以備以后開發(fā)使用；數(shù)據(jù)頁DP是選擇參數(shù)群描述的輔助頁；PDU格式PF的8位是確定數(shù)據(jù)場對應(yīng)的參數(shù)群編號的場；特定PDU（PS）的定義取決于PF的定義，當(dāng)PF的值在0～239之間時，PS的值表示目標(biāo)地址，報文為點對點發(fā)送到目的地址；當(dāng)PF的值在 240～255 之間時，報文向全局地址發(fā)送［4］，PS 表示的是群擴展值；源地址（SA）定義發(fā)送該報文的設(shè)備地址，一個源地址只能匹配一個設(shè)備；數(shù)據(jù)場為該條報文所攜帶的數(shù)據(jù)，最多有8個字節(jié)長度。

2.3 客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客車上電子控制系統(tǒng)主要包括發(fā)動機電子控制單元、變速器電子控制單元、車身控制單元、儀表控制單元、行車記錄儀控制單元、ABS控制單元等［6］。各控制節(jié)點通過CAN總線連接起來。由于發(fā)動機節(jié)點、變速器節(jié)點以及ABS節(jié)點等對數(shù)據(jù)傳輸、共享的實時性要求比較高，速率達到500 kb/s，這些節(jié)點通過高速CAN總線連接起來；而車身等節(jié)點對實時性要求不高，使用的是低速CAN連接各節(jié)點，速率是100 kb/s。由于低速CAN與高速CAN之間的傳輸速率不同，需要經(jīng)過整車控制器（網(wǎng)關(guān)）作為接收兩邊報文的中轉(zhuǎn)站，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到對方，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享?？蛙嚳刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 J1939協(xié)議在客車控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

SAE J1939協(xié)議的應(yīng)用層規(guī)定了車輛控制與通信用到的各種參數(shù)，包括信號的描述可疑參數(shù)編號（SPN）和參數(shù)群編號（PGN）。SPN 為信號參數(shù)，PGN為報文參數(shù)［6］。其中PGN包括29位標(biāo)識符中的保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式PF和群擴展場。圖3列出了客車控制系統(tǒng)當(dāng)中主要的控制節(jié)點，本文就以發(fā)動機控制節(jié)點的主要報文內(nèi)容說明SAE J1939應(yīng)用層協(xié)議的應(yīng)用。發(fā)動機控制節(jié)點主要采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、燃油溫度、冷卻液溫度、冷卻液壓力以及機油壓力信息。由于發(fā)動機節(jié)點是比較重要的節(jié)點，將其地址設(shè)置為0［7］，發(fā)送的數(shù)據(jù)也有較高的優(yōu)先級。發(fā)動機控制節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到整車控制器進行相應(yīng)的處理計算，整車控制器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的節(jié)點，如儀表節(jié)點進行顯示。發(fā)動機節(jié)點發(fā)送報文的數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)，發(fā)送周期20 ms，數(shù)據(jù)頁為0，PDU格式PF值240，為群擴展格式；特定PDU（PS）為 3，優(yōu)先級為 3，參數(shù)群編號為 61 443（0xF003）。具體報文數(shù)據(jù)內(nèi)容定義如表1所示。

表1 發(fā)動機控制單元報文數(shù)據(jù)域定義

3 結(jié)束語

CAN總線是目前在汽車上應(yīng)用最廣泛，也是最有前途的總線，其不僅通信速率高，通信可靠性也高。SAE J1939協(xié)議是基于CAN總線的在汽車上應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議，對汽車應(yīng)用到的各類參數(shù)都進行了定義。將來J1939協(xié)議在汽車上會有很廣闊的應(yīng)用前景［6］。

本文通過J1939協(xié)議，對客車各控制節(jié)點報文具體參數(shù)進行了詳細的定義，各節(jié)點之間能夠?qū)崟r發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不僅提高了客車控制效率和整體性能，而且還提高了安全性、燃油經(jīng)濟性和操作的穩(wěn)定性。

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