CAN總線的特點及J1939協(xié)議通信原理、內(nèi)容和應(yīng)用

www.187004.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：jiaer.qx 類別：汽車構(gòu)造維修時間：2008-06-11

眾多國際知名汽車公司早在20世紀80年代就積極致力于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用。迄今已有多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如專門用于貨車和客車上的SAE的J1939、德國大眾的ABUS、博世的CAN、美國商用機器的AutoCAN、ISO的VAN、馬自達的PALMNET等。

    在我國的轎車中已基本具有電子控制和網(wǎng)絡(luò)功能，排放和其他指標(biāo)達到了一定的要求。但貨車和客車在這方面卻遠未能滿足排放法規(guī)的要求。計劃到2006年，北京地區(qū)的貨車和客車的排放要滿足歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)，載貨車和客車中也必須引入計算機及控制技術(shù)。采用控制器局域網(wǎng)和國際公認標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議J1939來搭建網(wǎng)絡(luò)，并完成數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)汽車內(nèi)部電子單元的網(wǎng)絡(luò)化是一種迫切的需要也是必然的發(fā)展趨勢。

1 CAN總線特點及其發(fā)展

 控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是德國Robert bosch公司在20世紀80年代初為汽車業(yè)開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN是一種很高保密性，有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本底多線路網(wǎng)絡(luò)。在自動化電子領(lǐng)域、發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，CAN的位速率可高達1Mbps。同時，它可以廉價地用于交通運載工具電氣系統(tǒng)中，如燈光聚束、電氣窗口等，可以替代所需要的硬件連接。它采用線性總線結(jié)構(gòu)，每個子系統(tǒng)對總線有相同的權(quán)利，即為多主工作方式。CAN網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點可在任何時候向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主從。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可分為不通優(yōu)先級，滿足不同的實時要求。采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(即子系統(tǒng))同時向網(wǎng)絡(luò)上傳遞信息時，優(yōu)先級低的停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。具有點對點、一點對多點及全局廣播接收傳送數(shù)據(jù)的功能。

    隨著CAN在各種領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，對其通信格式的標(biāo)準(zhǔn)化提出了要求。1991年9月Philips Semiconductors制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范(Versio 2.0)。該技術(shù)包括A和B兩部分。2.OA給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.OB給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。1993年11月ISO頒布了道路交通運輸工具-數(shù)據(jù)信息交換-高速通信局域網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，為控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化鋪平了道路。美國的汽車工程學(xué)會SAE于2000年提出的J1939，成為貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。

2.J1939協(xié)議通信原理及內(nèi)容

(1)J1939與CAN

J1939是一種支持閉環(huán)控制的在多個ECU之間高速通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議岡。主要運用于載貨車和客車上。它是以CAN2.0為網(wǎng)絡(luò)核心。表1介紹了CAN2.0的標(biāo)準(zhǔn)和擴展格式，及J1939協(xié)議所定義的格式。表2則給出了J1939年的一個協(xié)議報文單元的具體格式�？梢钥闯�，J1939標(biāo)識符包括:PRIORTY(優(yōu)先權(quán)位)；R(保留位)；DP(數(shù)據(jù)頁位)；PDU FORMAAT(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)；PDU SPECIFIC(擴展單元)和SOURCE ADDRESS(源地址)。而報文單元還包括64位的數(shù)據(jù)場。

表1  CAN2.0的標(biāo)準(zhǔn)和擴展格式及J1939協(xié)議所定義的格式

CAN擴展幀格式
SOF
11位標(biāo)識符
SRR
IDE
18位擴展標(biāo)識符

J1939幀格式
幀起始位
優(yōu)先權(quán)3位
R位（保）
數(shù)據(jù)頁DP
PF格式6位
SRR位
擴展標(biāo)識
PF
PS格式（8位）
源地址（8位）

CAN
1
2~4
5
6
7~12
13
14
15 16
17~24
25~32

幀位置

28~26
25
24
23~18


17 16
15~8
7~0

表2  J1939協(xié)議報文單元的具體格式

一個J1939協(xié)議報文單元

PRIORITY
R
DP
PDU FORMAT
PDU SPECIFIC
SOURCE ADDRESS
DATA FIELD

3
1
1
8
8
8
0~64

（2）數(shù)據(jù)傳轉(zhuǎn)協(xié)議

    J1939通信中的核心是負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攨f(xié)議。它的功能分為兩部分:

    (1)數(shù)據(jù)的拆分打包和重組。一個J1939的報文單元只有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)場。因此如果所要發(fā)送的數(shù)據(jù)超過了8字節(jié)，就應(yīng)該分成幾個小的數(shù)據(jù)包分批發(fā)送。數(shù)據(jù)場的第一個字節(jié)從1開始作為報文的序號，后7個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)。所以可以發(fā)送255×7=1785個字節(jié)的數(shù)據(jù)。報文被接收以后按序號重新組合成原來的數(shù)據(jù)。

    (2)連接管理。主要對節(jié)點之間連接的建立和關(guān)閉，數(shù)據(jù)的傳送進行管理。其中定義了5種幀結(jié)構(gòu):發(fā)送請求幀、發(fā)送清除幀、結(jié)束應(yīng)答幀、連接失敗幀以及用來全局接收的廣播幀。節(jié)點之間的連接通過一個節(jié)點向目的地址發(fā)送一個發(fā)送請求幀而建立。在接收發(fā)送請求幀以后，節(jié)點如果有足夠的空間來接收數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)有效，則發(fā)送一個發(fā)送清除幀，開始數(shù)據(jù)的傳送。如果存儲空間不夠或者數(shù)據(jù)無效等原因，節(jié)點需要拒絕連接，則發(fā)送連接失敗幀，連接關(guān)閉。如果數(shù)據(jù)接收全部完成。則節(jié)點發(fā)送一個結(jié)束應(yīng)答幀，連接關(guān)閉。

（3）J1939的參數(shù)格式

    J1939中還定義了參數(shù)的具體格式，如標(biāo)識符、優(yōu)先級、數(shù)據(jù)長度、參數(shù)的范圍等。參數(shù)又劃分為狀態(tài)參數(shù)和測量參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)表示具有多態(tài)信號的某一種狀態(tài)，如發(fā)動機剎車使能/禁能、巡航控制激活/關(guān)閉，扭矩/速度控制超載模式、錯誤代碼等。而測量參數(shù)則表示所接收到的信號的值的具體大小，如缸內(nèi)爆發(fā)壓力、最大巡航速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。

3．J1939協(xié)議的應(yīng)用

（1）J1939應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

    J1939網(wǎng)絡(luò)層中定義了如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)及連接的功能。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括數(shù)據(jù)的過濾、重新打包和轉(zhuǎn)發(fā)。分別由以下各部分實現(xiàn)。

    a.中繼器�？梢栽鰪姅�(shù)據(jù)信號，使數(shù)據(jù)傳輸更遠的距離。

    b.網(wǎng)橋。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。它可以把網(wǎng)絡(luò)拆解成網(wǎng)絡(luò)分支、分割網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，隔離分支中發(fā)生的故障，這樣就可以減少每個網(wǎng)絡(luò)分支的數(shù)據(jù)信息流量而使每個網(wǎng)絡(luò)更有效，提高整個網(wǎng)絡(luò)效率。

    c.路由�？梢允咕W(wǎng)絡(luò)段具有獨立的地址空間不同的數(shù)據(jù)傳輸率和媒介。

    d.網(wǎng)關(guān)�？梢栽诓煌膮f(xié)議和數(shù)據(jù)設(shè)置的網(wǎng)段之間傳送數(shù)據(jù)。圖1為典型的汽車網(wǎng)絡(luò)連接。

（2）J1939應(yīng)用于故障診斷

    J1939包括在線故障診斷功能，由診斷應(yīng)用層定義。診斷應(yīng)用層面向以下幾方面。

    a.安全。在數(shù)據(jù)鏈路層上定義一個安全的框架，使得符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具執(zhí)行必要的診斷任務(wù)。包括獲取診斷信息，獲取節(jié)點配置信息，標(biāo)定控制模式。但對非開放型的數(shù)據(jù)加密。

    b.連接。建立J1939網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與開發(fā)工具之間的連接。連接器的設(shè)計也必須符合J1939協(xié)議。

    c.診斷狀態(tài)數(shù)據(jù)支持。提供一系列的數(shù)據(jù)格式。包括讀取出錯數(shù)據(jù)、清除錯誤數(shù)據(jù)、監(jiān)測通信參數(shù)、獲取節(jié)點的配置以及其他的一些信息。

d.診斷測試支持�？梢允归_發(fā)工具把各種控制節(jié)點放到具體的測試模式中以正確設(shè)計子網(wǎng)體系。診斷工具通過連接器與其他節(jié)點進行通信以獲取診斷數(shù)據(jù)。因此所有的控制節(jié)點都應(yīng)該具備以下功能:讀取診斷故障代碼、清除診斷故障代碼、獲取實時信息。而診斷故障代碼記載了出錯的參數(shù)及所在的節(jié)點等主要信息。

駕駛室監(jiān)視儀

網(wǎng)橋

傳動系統(tǒng)

發(fā)動機系統(tǒng)

制動系統(tǒng)

制動器

路由

拖車機構(gòu)

網(wǎng)橋

到下一拖車系統(tǒng)

250 K

拖車子網(wǎng)

軸/懸掛系統(tǒng)

制動

照明

牽引動力總線

　

圖1  典型汽車網(wǎng)絡(luò)連接

4．節(jié)點設(shè)計及數(shù)據(jù)通信

    最小化節(jié)點的主控制芯片采用51系列的單片機，控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，控制器接口采用82c250。

為了構(gòu)建CAN總線局域網(wǎng)絡(luò)，采用了研華公司生產(chǎn)的雙端口CAAN控制卡PCL-841，每塊PCL-841卡集成了兩塊PHILIPS的SJA1000控制器和82c250控制器接口。這樣兩塊控制卡就有四個端□，相當(dāng)于四個獨立的節(jié)點，用數(shù)據(jù)線連接起來，就組成了基本的CAN局域網(wǎng)。如圖2所示。

節(jié)點1

節(jié)點2

節(jié)點3

節(jié)點4

PC機

CAN總線

　

圖2  CAN局域網(wǎng)

    軟件的編寫主要包括對寄存器的配置、硬件初始化、中斷調(diào)用、數(shù)據(jù)通信幾大模塊。中斷調(diào)用中包括數(shù)據(jù)中的中斷接收、中斷發(fā)送，以及錯誤處理、報警等模塊。通信模塊又分為數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、請求等。

    綜上所述，J1939通信協(xié)議解決了如下問題。

    (I)優(yōu)先權(quán)問題。如自動換擋要求減油門，巡航控制同時要求增油，而ASR則要求減油門以維持驅(qū)動軸的低扭矩。根據(jù)重要程度，則應(yīng)確定換擋優(yōu)先，協(xié)議能定義各個子系統(tǒng)的優(yōu)先權(quán)順序。

    (2)靈活性問題。因為各個子系統(tǒng)都是不同類型的控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備將各個子系統(tǒng)有機地融合在一起的能力。

    (3)可擴展性。即需要增加新的子系統(tǒng)時，不需要對基本系統(tǒng)作修改。

    (4)獨立性。每個子系統(tǒng)都可以獨立工作，某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時并不影響其他系統(tǒng)的正工作。

    (5)為滿足不同控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)具有高的數(shù)據(jù)傳輸速率帶寬，具有通用的故障診斷接口診斷協(xié)議。

(6)車輛狀態(tài)共享。如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、輪速等數(shù)據(jù)必須各子系統(tǒng)共享，數(shù)據(jù)的傳輸及刷新時間取決于各個子系統(tǒng)的特性，并由此決定優(yōu)先權(quán)