基于SAE J1939 CAN接口實現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計

作者：謝俊紅，林軼，陳三鑒，黃土琛

引言

隨著車輛電子化和自動化程度的提高，車輛上的ECU日益增多。為了提高信號的利用率，要求在不同的ECU間，大量的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息能夠?qū)崿F(xiàn)共享，大量的控制信號能夠?qū)崟r交換。這樣，傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。

CAN總線及基于CAN的車輛網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供了解決上述問題的途徑。SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）在CAN2．0B協(xié)議基礎(chǔ)上制定的重型貨車和客車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是目前汽車電子網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議之一。該協(xié)議使用多路復(fù)用技術(shù)為車輛各傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化高速網(wǎng)絡(luò)連接，在不同的ECU間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，以有效減少線束數(shù)量并提高車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性。

目前，車輛的ECU產(chǎn)品大都帶有SAE J1939 CAN接口。針對具有SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品（如發(fā)動機、變速器及其緩速器和ABS等ECU），自定義若干ECU，集成實現(xiàn)基于SAE J1939協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)，完成自定義ECU的信息采集和各ECU間的信息交換。

1 車輛網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

具有SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品接上儀表板連成網(wǎng)絡(luò)后，已基本滿足車輛駕駛的要求。為了使自定義ECU對外通信盡量不影響ECU產(chǎn)品間的通信，整個網(wǎng)絡(luò)分為兩個網(wǎng)段，必要時可合并成一個網(wǎng)段。網(wǎng)段A包含信息交互ECU，發(fā)動機ECU，變速器及其緩速器ECU，ABS ECU；網(wǎng)段B包括信息交互ECU，發(fā)動機外圍、I橋及II橋ECU，分動器ECU，III橋及IV橋ECU。信息交互ECU用兩個CAN端口分別與兩個網(wǎng)段連接，具有報文轉(zhuǎn)發(fā)功能。車輛網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車輛網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

按照SAE J1939協(xié)議，車輛網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計包括以下幾方面內(nèi)容：

◆物理層與SAEJI939-11兼容；

◆數(shù)據(jù)鏈路層與SAE J1939-21兼容；

◆網(wǎng)絡(luò)層與SAE J1939-31兼容；

◆應(yīng)用層與SAE J1939-71兼容；

◆應(yīng)用層診斷與SAE J1939-73兼容；

◆網(wǎng)絡(luò)管理層與SAE J1939-81兼容。

2．1 物理層

物理層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上所有ECU的電氣連接。物理介質(zhì)采用特征阻抗為120 Ω的屏蔽雙絞線，CAN_H為黃色、CAN_L為綠色。網(wǎng)段盡可能使用線性拓撲結(jié)構(gòu)，其波特率為250 kbps。網(wǎng)段干線兩端均以120 Ω電阻做終端匹配。ECU使用短支線與網(wǎng)段干線連接，在網(wǎng)段中采用不相等布置以防止產(chǎn)生駐波。

位時間內(nèi)實現(xiàn)同步、網(wǎng)絡(luò)延時補償及采樣點位置確定等總線管理功能，其段組成如圖2所示。同步是相位緩沖段1加長或相位緩沖段2縮短，其上限為同步跳轉(zhuǎn)帶寬 （SJW）。采樣點盡量位于（但不超過）位時間的7／8，能實現(xiàn)傳播延遲和時鐘誤差最佳折中。時鐘頻率為16 MHz時，推薦分頻因子=4、SJw=ltq、TSEGl=13tq、TSEG2=2tq（tq為時鐘周期）。

2．2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層在物理層之上提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了應(yīng)用層報文的數(shù)據(jù)交換。通過數(shù)據(jù)鏈路層的組織，實現(xiàn)了發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制等功能。

數(shù)據(jù)鏈路層通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）組織數(shù)據(jù)幀中的協(xié)議相關(guān)信息。PDU由數(shù)據(jù)幀中29位ID和O～8字節(jié)數(shù)據(jù)場組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。P場決定報文優(yōu)先級；R位保留；DP位是數(shù)據(jù)頁位；PF場決定PDU格式（PDUl或PDU2）；PS場為PDU細節(jié)，由PF場決定是目標(biāo)地址DA還是對PF、的組擴展GE；SA為源地址。

數(shù)據(jù)鏈路層提供的報文有命令報文、請求報文、廣播／響應(yīng)報文、應(yīng)答報文及組功能報文。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還實現(xiàn)了傳輸協(xié)議功能，用于將大于8字節(jié)報文進行打包重組、連接管理，分為廣播公告的BAM協(xié)議和點對點會話的RTS／CTS協(xié)議。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層定義了為不同網(wǎng)段間提供互聯(lián)功能的設(shè)備需求和服務(wù)。當(dāng)多個網(wǎng)段存在時需要網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)ECU，其功能包括報文轉(zhuǎn)發(fā)、報文過濾、報文地址轉(zhuǎn)換、報文重組及數(shù)據(jù)庫管理。網(wǎng)絡(luò)層功能對于特定ECU來說是可選的，網(wǎng)絡(luò)中僅信息交互ECU用到網(wǎng)絡(luò)層功能。

2．4 應(yīng)用層

應(yīng)用層定義了針對車輛應(yīng)用的信號（參數(shù)）和報文（參數(shù)組）。應(yīng)用層通過參數(shù)描述信號，給每個參數(shù)分配了一個19位的可疑參數(shù)編號（SPN）；通過參數(shù)組描述報文，給每個參數(shù)組分配了一個24位的參數(shù)組編號（PGN）。SPN用來標(biāo)識與ECU相關(guān)的故障診斷元素、部件或參數(shù)組中參數(shù)；PGN用來唯一標(biāo)識一個特定參數(shù)組。除已分配的參數(shù)和參數(shù)組外，用戶還可通過分配未使用的SPN給自定義參數(shù)和定義專有報文對應(yīng)用層進行補充。

2．5 應(yīng)用層診斷

應(yīng)用層診斷定義了診斷報文DMl-19，其作用如表1所列。這19種報文在網(wǎng)絡(luò)中并不都可用。目前，網(wǎng)絡(luò)中僅用到報文DMl、DM2、DM3及DMll。

表l中的診斷故障代碼（DTC）為4字節(jié)，由19位可疑參數(shù)編號（SPN）、5位故障失效模式（FMI）、7位故障發(fā)生次數(shù)（OC）以及1位SPN轉(zhuǎn)換方式（CM）組成，如圖4所示。

2．6 網(wǎng)絡(luò)管理層

網(wǎng)絡(luò)管理層通過提供地址分配管理和網(wǎng)絡(luò)錯誤管理的定義和過程描述，來唯一識別網(wǎng)絡(luò)上的控制器。其功能包括：請求網(wǎng)絡(luò)上控制器的地址和名字、為控制器聲明一個地址、公告不能聲明的地址和命令其他控制器使用新的地址等。

3 車輛網(wǎng)絡(luò)信息交互設(shè)計

車輛網(wǎng)絡(luò)信息交互選用的液晶顯示器為8寸、640×480像素、RS-232通信，具有6個無源P9接口薄膜按鍵，其顯示布局如圖5所示。圖中左半部分：上部為紅色信號指示燈及其報警提示，其下為其他顏色信號指示燈：中部為儀表模擬模式下表盤指針或數(shù)字模式下數(shù)字，其下為小儀表報警提示；下部為組成員數(shù)據(jù)及各組報警提示。圖中右半部分：上部為日期時間、環(huán)溫／氣壓、單／全里程，其下為診斷指示燈及DMl來源、菜單；下部為信息分頁，包括基本信息、各ECU 產(chǎn)品未處理的信息、DMl及DM2內(nèi)容、DMl及DM2下載應(yīng)答、DM3應(yīng)答、DMll應(yīng)答、單里程清零應(yīng)答和日期時間交互修改等。

液晶顯示器的功能有：在指定位置顯示8×16英文字符，在指定位置畫線，在指定位置顯示預(yù)置位圖，在指定位置按指定方式自動顯示日期時間、讀取年月日、讀取時分秒、設(shè)置日期時間、顯示／關(guān)閉光標(biāo)、打開／關(guān)閉背光。當(dāng)進行不同程度的報警時，通過蜂鳴器發(fā)出的緩和或尖銳兩種不同的聲音進行提示。

4 車輛網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

4．1 信息交互ECU

信息交互ECU選用Freescale公司S12X系列中的MC；9S12XDP512作為主芯片，使用了嵌入式操作系統(tǒng)uC／（）S-II。S12X的從CPU——中斷協(xié)處理器XGate，處理μC／OS-II時鐘節(jié)拍中斷并作任務(wù)切換，提高了系統(tǒng)的實時性，減輕了主CPU的負荷。XGate還用于處理與液晶顯示器串口通信、與PC串口通信、查詢鍵盤的有效輸入，并管理報警蜂鳴器。

信息交互ECU在μC／0S-II下創(chuàng)建了5個任務(wù)：系統(tǒng)初始任務(wù)、指示燈任務(wù)、儀表數(shù)據(jù)任務(wù)、鍵盤相關(guān)任務(wù)、J1939處理任務(wù)。系統(tǒng)初始任務(wù)打開 RTI中斷，上電自檢，打開日期時間顯示；指示燈任務(wù)周期性地顯示信號指示燈及紅色信號指示燈報警提示，顯示診斷指示燈及DMl來源，處理報警事件；儀表數(shù)據(jù)任務(wù)周期性地按選定模式顯示儀表及小儀表報警提示，顯示組成員數(shù)據(jù)及組報警提示，顯示環(huán)溫／氣壓及單／全里程，并處理報警事件；鍵盤相關(guān)任務(wù)在有效輸入下根據(jù)按鍵及菜單進行分頁顯示切換、系統(tǒng)設(shè)置修改等；JI939處理任務(wù)周期性地遍歷兩個端口的協(xié)議棧進行報文收發(fā)、報文轉(zhuǎn)發(fā)和提取應(yīng)答等。

4．2 其余自制ECU

其余自制ECU選用Freescale公司S12系列中的M（29S12DGl28作為ECU主芯片。上電初始化后，在無限循環(huán)下先遍歷協(xié)議棧，對請求報文進行響應(yīng)，然后采集數(shù)據(jù)更新報文。程序采集傳感器信息，周期性地更新應(yīng)用層報文。程序根據(jù)采集的信號、數(shù)據(jù)生成DTC，周期性地更新應(yīng)用層診斷報文，根據(jù)DTC數(shù)目決定是否發(fā)送及是否用傳輸協(xié)議。程序半固定數(shù)據(jù)如DTC信息、里程信息等均保存在EEPROM中，每次上電導(dǎo)入，發(fā)生變化后實時更新。

結(jié)語

通過對具備SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品CAN總線功能進行分析，自定義若干ECU，集成實現(xiàn)基于SAE J1939協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)。在實驗室對比CAN卡、上車對比儀表板進行試驗研究的結(jié)果表明，所集成的車輛網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定、信息量豐富、能實時反映故障診斷信息，解決了車輛儀表盤信息量較少和故障診斷實時性不足的問題。

雙核單片機的從CPU可提高μC／OS-II的實時性，降低了主CPU的負荷。此外，SAEJ1939協(xié)議的完備通信策略和成熟的通信機制，使得協(xié)議完全可以在修改應(yīng)用層和應(yīng)用層診斷相關(guān)定義之后，推廣應(yīng)用到其他工業(yè)環(huán)境類似的CAN通信領(lǐng)域，如列車控制、工廠控制等。

責(zé)任編輯：gt