SAE J1939協(xié)議解讀

在乘用車領(lǐng)域比較熟知的是CAN(FD)、LIN、FlexRay、Ethernet等通信協(xié)議，但對于J1939往往所知甚少。其實(shí)在CAN總線協(xié)議誕生之初，J1939協(xié)議便隨之誕生，并且始終在商用車、工程機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。而在乘用車領(lǐng)域，隨著新能源汽車的發(fā)展，為了保證電動汽車與充電基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，我國在2015年發(fā)布了GB/T 27930-《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》，其使用的也正是J1939協(xié)議。因此，本期將對J1939協(xié)議做個基礎(chǔ)介紹，方便大家快速了解J1939協(xié)議包含的內(nèi)容。

什么是J1939J1939是由美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，簡稱SAE）開發(fā)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，其目的是使不同制造商的車輛和設(shè)備能夠在同一個網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)作。J1939是基于CAN總線技術(shù)的，主要的通信速率是250Kbps或500Kbps，通常采用廣播通信的方式，同時也支持點(diǎn)對點(diǎn)通信。J1939誕生的背景在20世紀(jì)后半葉，隨著商用車輛、重型機(jī)械設(shè)備等對多功能化和電子化的需求急劇增加，其內(nèi)部不同子系統(tǒng)之間需要進(jìn)行高效的通信和協(xié)作來實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的控制和監(jiān)控功能。同時，為了在不同制造商和設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互操作性來確保不同系統(tǒng)之間的通信能夠無縫進(jìn)行，制定一套標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議變得尤為重要。而此時CAN總線技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)時、可靠且高速的通信提供了可能。在此背景下，一直倡導(dǎo)在汽車和機(jī)械領(lǐng)域制定標(biāo)準(zhǔn)的美國汽車工程師學(xué)會（SAE）組織開發(fā)了J1939協(xié)議的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該工作于1994年左右開始，并在1998年正式發(fā)布了J1939協(xié)議，成為了商用車輛和重型機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域中通信和控制的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。
J1939分層結(jié)構(gòu)
J1939采用分層通信結(jié)構(gòu)，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中CAN提供了基本的“物理層”和“數(shù)據(jù)鏈路層”。這種分層結(jié)構(gòu)有助于管理復(fù)雜的通信系統(tǒng)，使不同層次的功能分開，同時有助于確保J1939協(xié)議在不同的商用車輛和重型機(jī)械設(shè)備應(yīng)用中具有靈活性和可擴(kuò)展性。圖1. J1939分層結(jié)構(gòu) J1939的標(biāo)準(zhǔn)文檔構(gòu)成
J1939協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)文檔構(gòu)成通常包括一系列文件，這些文件共同定義了協(xié)議的規(guī)范、特性和實(shí)施細(xì)節(jié)。
1)SAE J1939: Serial Control and Communications Heavy Duty Vehicle Network。通常被稱為J1939協(xié)議的頂級文檔，主要包括了關(guān)于J1939協(xié)議的概述、基本原則和總體架構(gòu)，以及對其他相關(guān)J1939標(biāo)準(zhǔn)和文檔的引用，當(dāng)前最新版本于2023年發(fā)布。
2)SAE J1939-01: On-Highway Equipment Control and Communication Network。定義了公路設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制和通信網(wǎng)絡(luò)所需J1939協(xié)議文件的最小子集，當(dāng)前最新版本于2021年發(fā)布。
3)SAE J1939-02: Agricultural and Forestry Off-Road Machinery Control and Communication Network。定義了農(nóng)林非道路機(jī)械實(shí)現(xiàn)控制和通信網(wǎng)絡(luò)所需J1939協(xié)議文件的最小子集，當(dāng)前最新版本于2019年發(fā)布。
4)SAE J1939-03: On-Board Diagnostics Implementation Guide。介紹了J1939協(xié)議中診斷功能的基本概念，提供了關(guān)于如何實(shí)施診斷功能的指導(dǎo)，當(dāng)前最新版本于2021年發(fā)布。
5)SAE J1939-05: Marine Stern Drive and Inboard Spark-Ignition Engine On-Board Diagnostics Implementation Guide。提供了關(guān)于如何在船舶引擎和尾驅(qū)系統(tǒng)上實(shí)施診斷功能的指導(dǎo)，當(dāng)前最新版本于2012年發(fā)布。
6)SAE J1939-11: Physical Layer, 250 Kbps, Twisted Shielded Pair。主要關(guān)注針對250 Kbps通信速率和使用屏蔽雙絞線情況下的物理層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2016年發(fā)布。
7)SAE J1939-13: Off-Board Diagnostic Connector。主要定義離線診斷設(shè)備連接器的要求，當(dāng)前最新版本于2016年發(fā)布。
8)SAE J1939-14: Physical Layer, 500 kbit/s。主要定義500Kbps通信速率下的物理層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2022年發(fā)布。
9)SAE J1939-15: Physical Layer, 250 Kbps, Un-Shielded Twisted Pair (UTP) 。主要關(guān)注針對250 Kbps通信速率和使用非屏蔽雙絞線情況下的物理層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2018年發(fā)布。
10)SAE J1939-21: Data Link Layer。主要關(guān)注數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2022年發(fā)布。
11)SAE J1939-22: CANFD Data Link Layer。主要關(guān)注基于CANFD的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2022年發(fā)布。
12)SAE J1939-31: Network Layer。主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2023年發(fā)布。
13)SAE J1939-71: Vehicle Application Layer。主要關(guān)注應(yīng)用層規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2022年發(fā)布。
14)SAE J1939-73: Application Layer - Diagnostics。主要關(guān)注應(yīng)用層診斷規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2022年發(fā)布。
15)SAE J1939-74: Application - Configurable Messaging。主要定義應(yīng)用層的可配置消息規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2021年發(fā)布。
16)SAE J1939-75: Application Layer - Generator Sets and Industrial。主要關(guān)注J1939協(xié)議發(fā)電機(jī)組和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)前最新版本于2021年發(fā)布。
17)SAE J1939-81: Network Management。主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范，當(dāng)前最新版本于2017年發(fā)布。
18)SAE J1939-82: Compliance - Truck and Bus。主要關(guān)注卡車和公共汽車領(lǐng)域的合規(guī)性要求，當(dāng)前最新版本于2015年發(fā)布。
19)SAE J1939-84: OBD Communications Compliance Test Cases for Heavy Duty Components and Vehicles。主要關(guān)注OBD通信的合規(guī)性測試，當(dāng)前最新版本于2017年發(fā)布。

SAE J1939主要協(xié)議解讀
SAE J1939物理層
J1939物理層的協(xié)議主要有J1939-11，J1939-13，J1939-14，J1939-15等。以J1939-11為例，主要包含以下內(nèi)容：

1)通信速率：規(guī)定了通信速率為250Kbps。

2)連接器：包括類型、引腳分配和電氣特性等內(nèi)容。

3)傳輸線路：描述了適用于250Kbps通信速率的電纜和傳輸線路特性，如采用屏蔽雙絞線，總線阻抗為120Ω。

4)總線拓?fù)?/strong>：最大線纜長度為40m，最大支線長度為1m，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為30個。

5)一致性測試：規(guī)范中定義的參數(shù)（如總線電平）應(yīng)如何測試驗(yàn)證。

6)故障：定義了不同故障情況下的通信行為。

SAE J1939 數(shù)據(jù)鏈路層
J1939數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議主要有J1939-21，J1939-22等。其中J1939-21主要是針對CAN數(shù)據(jù)鏈路層，J1939-22則主要是針對CANFD數(shù)據(jù)鏈路層。以J1939-21為例，其基于CAN2.0B規(guī)范定義了J1939報文的報文格式、報文類型和傳輸協(xié)議等，在物理層之上提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層報文的數(shù)據(jù)交換，接下來將針對J1939-21中的定義展開介紹。
| 報文格式
1)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit, PDU)J1939報文使用的基于CAN2.0B的拓展幀格式定義了一個完整的標(biāo)準(zhǔn)化通訊策略，通過PDU定義了一個框架，用來組織數(shù)據(jù)幀中J1939協(xié)議相關(guān)的信息。PDU由數(shù)據(jù)幀中的ID和數(shù)據(jù)場組成，數(shù)據(jù)幀和PDU的對應(yīng)關(guān)系如下圖所示。圖2. CAN2.0B幀格式與J1939PDU的對應(yīng)關(guān)系
P(Priority)，優(yōu)先級字段，用于在仲裁過程中控制報文優(yōu)先級。EDP(Extended Data Page)，為擴(kuò)展數(shù)據(jù)頁位，在J1939中固定取值為0。P(Data Page)，數(shù)據(jù)頁位，可用來擴(kuò)展參數(shù)組的數(shù)量。PF(PDU Format)，為PDU格式字段，通過不同的取值來確定參數(shù)組編號(Parameter Group Number, PGN)是按照PDU1格式還是PDU2格式。PS(PDU Specific)，特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元字段，當(dāng)PF的值為0-239時PS表示目標(biāo)地址（PDU1格式），當(dāng)PF的值為240-255時PS字段表示組擴(kuò)展（PDU2格式），且報文只能廣播。SA(Source Address)，源地址字段，整個網(wǎng)絡(luò)中SA的值必須是唯一的。Data Field，數(shù)據(jù)場，對于Classic CAN來說是8個字節(jié)，而CANFD則最多有64個字節(jié)數(shù)據(jù)。如果需要傳輸更多的數(shù)據(jù)，則需要借助J1939的傳輸協(xié)議。2)參數(shù)組編號(PGN)參數(shù)組是應(yīng)用層中定義的與某個ECU相關(guān)的具有相同控制功能的若干個參數(shù)的組合，而PGN是用于唯一標(biāo)識參數(shù)組的號碼，在應(yīng)用層中定義。PGN由三個字節(jié)組成，從最高位開始的前6個比特默認(rèn)值為0，然后是EDP位和DP位，接下來兩個字節(jié)分別是PF和PS。
圖3. PDU與PGN的對應(yīng)關(guān)系
3)可疑參數(shù)編號(Suspect Parameter Number, SPN)某個特定PDU對應(yīng)的PGN是由一系列參數(shù)組成的，而SPN則是指明該P(yáng)GN數(shù)據(jù)場中各個字節(jié)對應(yīng)的是哪些具體的參數(shù)。下圖為PGN 65262這個參數(shù)組的示例，包含發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、燃油溫度、發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度等參數(shù)，不同的參數(shù)由不同的SPN區(qū)分。
圖4. PGN與SPN的對應(yīng)關(guān)系示例
| 報文類型SAE J1939目前支持五種報文類型。
1)命令從某個源地址向特定目標(biāo)地址或全局目標(biāo)地址發(fā)送命令類型的參數(shù)組。目標(biāo)地址接收到命令類型的報文后，應(yīng)根據(jù)接收到的報文采取具體的動作。PDU1 格式（PS為目標(biāo)地址）和PDU2 格式（PS為組擴(kuò)展）都能用作命令。命令類型的消息可能包括傳動控制、地址請求、扭矩/速度控制等等。2)請求請求類型的報文提供了從全局范圍或從特定目標(biāo)地址獲取信息的能力。請求 PGN能定向到特定目標(biāo)地址的ECU來檢查是否支持特定參數(shù)組（即被請求的目標(biāo)地址能否傳送特定PGN）。對請求的響應(yīng)取決于該P(yáng)GN是否被支持，若是被支持，響應(yīng)設(shè)備會發(fā)送被請求的信息，若該P(yáng)GN不被支持，響應(yīng)的設(shè)備會發(fā)送確認(rèn)PGN來作為否定消息。

3)廣播/響應(yīng)設(shè)備主動提供的報文通常通過廣播報文發(fā)出來，如發(fā)動機(jī)周期性發(fā)往全局地址的水溫、油溫、油壓參數(shù)組報文。而收到命令或請求后則是通過響應(yīng)報文進(jìn)行回復(fù)，如變速器接收到發(fā)動機(jī)控制命令后返回響應(yīng)。

4)應(yīng)答對于特定命令、請求需要進(jìn)行應(yīng)答，包含肯定應(yīng)答、否定應(yīng)答、拒絕訪問和無法應(yīng)答。需要注意應(yīng)答報文必須被發(fā)送到全局地址。5)組功能報文組功能報文是完成某項任務(wù)（如專用功能、網(wǎng)絡(luò)管理、多包傳輸功能）的若干子功能的集合，通過請求對應(yīng)組功能的PGN可以探查是否支持該組功能。
|傳輸協(xié)議
當(dāng)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大于8字節(jié)（對于CANFD則是大于64字節(jié)），需要使用傳輸協(xié)議對參數(shù)組進(jìn)行拆包與重組和連接管理，實(shí)現(xiàn)多包傳輸。

1)拆包與重組當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域無法用一個單獨(dú)的CAN數(shù)據(jù)幀完全裝載時（數(shù)據(jù)長度大于8個字節(jié)），例如一個PDU的數(shù)據(jù)域包含18個字節(jié)，就需要將數(shù)據(jù)域拆分。在拆包和重組過程中，使用數(shù)據(jù)場的第一個字節(jié)作為序列號為拆包進(jìn)行排序，接收方則根據(jù)這個序列號對接收到的多個包進(jìn)行排序重組。第一個J1939報文的數(shù)據(jù)場包含序列號1和數(shù)據(jù)域的前1-7個字節(jié)，第二個J1939報文的數(shù)據(jù)場包含序列號2和數(shù)據(jù)域的其后的8-14個字節(jié)，最后一個J1939報文的數(shù)據(jù)場就包含序列號3和數(shù)據(jù)域最后的四個字節(jié)，數(shù)據(jù)場剩下未使用的字節(jié)全部填充為0xFF。

2)連接管理連接管理指的是傳輸單個較大參數(shù)組的雙方之間建立虛擬連接過程中涉及的建立連接、使用連接傳輸數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接三個過程。連接管理使用的是PGN 60416，相關(guān)的報文稱為Transport Protocol?Connection Management(TP.CM)，包含Connection Mode Request to Send(TP.CM_RTS), Connection Mode Clear to Send(TP.CM_CTS), End of Message Acknowledgment(TP.CM_EndOfMsgACK), Connection Abort(TP.Conn_Abort), Data Transfer Message (TP.DT), Broadcast Announce Message(TP.CM_BAM)。點(diǎn)對點(diǎn)通信的連接管理過程如下所示：

建立連接

當(dāng)某個發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要傳輸超過8個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送TP.CM_RTS報文，并且攜帶了需要傳輸數(shù)據(jù)的總長度。接收節(jié)點(diǎn)收到TP.CM_RTS之后，可以通過發(fā)送TP.CM_CTS報文表示可以發(fā)送，連接建立成功，其中TP.CM_CTS報文中攜帶了發(fā)送方允許發(fā)送報文的數(shù)量信息。

數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到TP.CM_CTS報文后開始通過TP.DT報文發(fā)送拆包后的數(shù)據(jù)，根據(jù)TP.CM_CTS報文中的數(shù)量信息發(fā)送特定數(shù)量后需等待下一個TP.CM_CTS報文才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

關(guān)閉連接

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收最后一個數(shù)據(jù)包后，向發(fā)送接節(jié)點(diǎn)發(fā)送TP.CM_EndOfMsgACK報文表示數(shù)據(jù)接收完畢關(guān)閉連接。

圖5. 點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送的連接管理過程
對于廣播發(fā)送大數(shù)據(jù)包時的連接管理則比較簡單，不需要建立連接和關(guān)閉連接，只需要發(fā)送方通過TP.CM_BAM報文通知接收方即將會發(fā)送大包數(shù)據(jù)。
圖6. 廣播數(shù)據(jù)發(fā)送過程SAE J1939網(wǎng)絡(luò)層
SAE J1939網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議主要有J1939-31等，主要描述了J1939不同網(wǎng)段之間進(jìn)行通信需要的服務(wù)和功能。介紹了四種為不同網(wǎng)段之間實(shí)現(xiàn)互連提供功能的ECU類型：轉(zhuǎn)發(fā)器（實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能）、網(wǎng)橋（實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和過濾功能）、路由器（實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、過濾和地址轉(zhuǎn)換功能）和網(wǎng)關(guān)（實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、過濾、地址轉(zhuǎn)換和報文重組功能）。
SAE J1939 應(yīng)用層
SAE J1939應(yīng)用層的協(xié)議主要有J1939-71，J1939-73等。
| J1939-71
J1939-71定義了針對車輛應(yīng)用的信號（即SPN）和報文（即PGN）。下圖分別是該規(guī)范中發(fā)動機(jī)燃?xì)饬髁縋GN 61450參數(shù)組的定義和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量SPN 132的定義。
圖7. PGN 61450定義
圖8.SPN 132定義
| J1939-73
J1939-73定義了診斷報文的類型，常用的有：

?DM1 - Diagnostic Message 1：DM1報文用于報告當(dāng)前故障和相關(guān)的故障信息，它提供了有關(guān)車輛或設(shè)備上發(fā)生的故障的詳細(xì)信息，包括故障代碼、故障位置、嚴(yán)重性等。DM1報文的PGN是65226，該報文是法規(guī)強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)的，通常是以廣播形式周期性發(fā)送。

?DM2 - Diagnostic Message 2：DM2報文用于報告歷史故障和相關(guān)的故障信息，其PGN是65227。

?DM3 - Diagnostic Message 3：DM3報文用于清除記錄的診斷故障碼，其PGN是65228。

另外在J1939-73中還定義了DTC(Diagnostic Trouble Code)的格式，長度為4個字節(jié)，如下表所示。此處SPN主要用于識別診斷信息所關(guān)聯(lián)的對象，F(xiàn)MI定義了SPN的故障模式，OC表示故障發(fā)生的次數(shù)，CM位目前協(xié)議規(guī)定其值應(yīng)為0，其取值為1主要是為了兼容早期版本，此時對應(yīng)的SPN還需要經(jīng)過換算才能得到真實(shí)的SPN值。表1. DTC的組成
J1939 網(wǎng)絡(luò)管理
J1939的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議主要是J1939-81，需要注意的是此處的網(wǎng)絡(luò)管理不是用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)休眠喚醒的，而是對節(jié)點(diǎn)地址的配置和管理。一般情況下地址都是提前分配好的，因此針對這部分本文不再展開介紹。

總結(jié)J1939協(xié)議由各個層級的多個規(guī)范組成，本文介紹了當(dāng)前J1939包含的協(xié)議并針對部分常見協(xié)議做了介紹。協(xié)議的規(guī)范以及版本眾多給不同節(jié)點(diǎn)之間的互操作性帶來了挑戰(zhàn)，因此針對J1939的測試驗(yàn)證是不可缺少的重要一環(huán)。北匯信息專注于汽車電子測試、與眾多OEM合作，在針對J1939的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層的測試開發(fā)和測試實(shí)施有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，也歡迎大家共同探討。