CAN總線的特點及J1939協議通信原理、內容和應用

m.guilinhy.com 來源：互聯網作者：jiaer.qx 類別：汽車構造維修時間：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絡技術的研究及應用。迄今已有多種網絡標準，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絡功能，排放和其他指標達到了一定的要求。但貨車和客車在這方面卻遠未能滿足排放法規的要求。計劃到2006年，北京地區的貨車和客車的排放要滿足歐Ⅲ標準。因此，為了滿足日益嚴格的排放法規，載貨車和客車中也必須引入計算機及控制技術。采用控制器局域網和國際公認標準協議J1939來搭建網絡，并完成數據傳輸，以實現汽車內部電子單元的網絡化是一種迫切的需要也是必然的發展趨勢。

1 CAN總線特點及其發展

 控制器局域網絡(CAN)是德國Robert bosch公司在20世紀80年代初為汽車業開發的一種串行數據通信總線。CAN是一種很高保密性，有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN的應用范圍遍及從高速網絡到低成本底多線路網絡。在自動化電子領域、發動機控制部件、傳感器、抗滑系統等應用中，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。它采用線性總線結構，每個子系統對總線有相同的權利，即為多主工作方式。CAN網絡上任意一個節點可在任何時候向網絡上的其他節點發送信息而不分主從。網絡上的節點可分為不通優先級，滿足不同的實時要求。采用非破壞性總線裁決技術，當兩個節點(即子系統)同時向網絡上傳遞信息時，優先級低的停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳送數據。具有點對點、一點對多點及全局廣播接收傳送數據的功能。

    隨著CAN在各種領域的應用和推廣，對其通信格式的標準化提出了要求。1991年9月Philips Semiconductors制定并發布了CAN技術規范(Versio 2.0)。該技術包括A和B兩部分。2.OA給出了CAN報文標準格式，而2.OB給出了標準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-數據信息交換-高速通信局域網(CAN)國際標準ISO11898，為控制局域網的標準化和規范化鋪平了道路。美國的汽車工程學會SAE于2000年提出的J1939，成為貨車和客車中控制器局域網的通用標準。

2.J1939協議通信原理及內容

(1)J1939與CAN

J1939是一種支持閉環控制的在多個ECU之間高速通信的網絡協議岡。主要運用于載貨車和客車上。它是以CAN2.0為網絡核心。表1介紹了CAN2.0的標準和擴展格式，及J1939協議所定義的格式。表2則給出了J1939年的一個協議報文單元的具體格式。可以看出，J1939標識符包括:PRIORTY(優先權位)；R(保留位)；DP(數據頁位)；PDU FORMAAT(協議數據單元)；PDU SPECIFIC(擴展單元)和SOURCE ADDRESS(源地址)。而報文單元還包括64位的數據場。

表1  CAN2.0的標準和擴展格式及J1939協議所定義的格式

CAN擴展幀格式
SOF
11位標識符
SRR
IDE
18位擴展標識符

J1939幀格式
幀起始位
優先權3位
R位（保）
數據頁DP
PF格式6位
SRR位
擴展標識
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協議報文單元的具體格式

一個J1939協議報文單元

PRIORITY
R
DP
PDU FORMAT
PDU SPECIFIC
SOURCE ADDRESS
DATA FIELD

3
1
1
8
8
8
0~64

（2）數據傳轉協議

    J1939通信中的核心是負責數據傳輸的傳輸協議。它的功能分為兩部分:

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

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

（3）J1939的參數格式

    J1939中還定義了參數的具體格式，如標識符、優先級、數據長度、參數的范圍等。參數又劃分為狀態參數和測量參數。狀態參數表示具有多態信號的某一種狀態，如發動機剎車使能/禁能、巡航控制激活/關閉，扭矩/速度控制超載模式、錯誤代碼等。而測量參數則表示所接收到的信號的值的具體大小，如缸內爆發壓力、最大巡航速度、發動機轉速等。

3．J1939協議的應用

（1）J1939應用于網絡構建

    J1939網絡層中定義了如何構建網絡及連接的功能。網絡層的功能包括數據的過濾、重新打包和轉發。分別由以下各部分實現。

    a.中繼器。可以增強數據信號，使數據傳輸更遠的距離。

    b.網橋。數據的轉發和過濾。它可以把網絡拆解成網絡分支、分割網絡數據流，隔離分支中發生的故障，這樣就可以減少每個網絡分支的數據信息流量而使每個網絡更有效，提高整個網絡效率。

    c.路由。可以使網絡段具有獨立的地址空間不同的數據傳輸率和媒介。

    d.網關。可以在不同的協議和數據設置的網段之間傳送數據。圖1為典型的汽車網絡連接。

（2）J1939應用于故障診斷

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

    a.安全。在數據鏈路層上定義一個安全的框架，使得符合工業標準的開發工具執行必要的診斷任務。包括獲取診斷信息，獲取節點配置信息，標定控制模式。但對非開放型的數據加密。

    b.連接。建立J1939網絡節點與開發工具之間的連接。連接器的設計也必須符合J1939協議。

    c.診斷狀態數據支持。提供一系列的數據格式。包括讀取出錯數據、清除錯誤數據、監測通信參數、獲取節點的配置以及其他的一些信息。

d.診斷測試支持。可以使開發工具把各種控制節點放到具體的測試模式中以正確設計子網體系。診斷工具通過連接器與其他節點進行通信以獲取診斷數據。因此所有的控制節點都應該具備以下功能: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及所在的節點等主要信息。

駕駛室監視儀

網橋

傳動系統

發動機系統

制動系統

制動器

路由

拖車機構

網橋

到下一拖車系統

250 K

拖車子網

軸/懸掛系統

制動

照明

牽引動力總線

　

圖1  典型汽車網絡連接

4．節點設計及數據通信

    最小化節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。

為了構建CAN總線局域網絡，采用了研華公司生產的雙端口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□，相當于四個獨立的節點，用數據線連接起來，就組成了基本的CAN局域網。如圖2所示。

節點1

節點2

節點3

節點4

PC機

CAN總線

　

圖2  CAN局域網

    軟件的編寫主要包括對寄存器的配置、硬件初始化、中斷調用、數據通信幾大模塊。中斷調用中包括數據中的中斷接收、中斷發送，以及錯誤處理、報警等模塊。通信模塊又分為數據的發送、接收、請求等。

    綜上所述，J1939通信協議解決了如下問題。

    (I)優先權問題。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動軸的低扭矩。根據重要程度，則應確定換擋優先，協議能定義各個子系統的優先權順序。

    (2)靈活性問題。因為各個子系統都是不同類型的控制系統，網絡應具備將各個子系統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時，不需要對基本系統作修改。

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

    (5)為滿足不同控制系統的要求，應具有高的數據傳輸速率帶寬，具有通用的故障診斷接口診斷協議。

(6)車輛狀態共享。如發動機轉速、車速、輪速等數據必須各子系統共享，數據的傳輸及刷新時間取決于各個子系統的特性，并由此決定優先權