寧 濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)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(duì)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(huì)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(shí)也加大了布線的難度?，F(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(chǎng)總線，是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)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(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（SAE）發(fā)布的，是一類專門用于卡車、大客車、農(nóng)業(yè)機(jī)械等的CAN 總線通信協(xié)議［1］。

1 CAN總線簡(jiǎn)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?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有一個(gè)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(jì)新的串行總線，參加研究的還有Mercedes-Benz公司、Intel公司，還有德國(guó)兩所大學(xué)的教授。1986年，Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會(huì)）大會(huì)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(gè)部分。1993年，CAN的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布，從此CAN協(xié)議被廣泛的用于各類自動(dòng)化控制領(lǐng)域。1994年美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)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(diǎn)［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(shí)時(shí)性。其特點(diǎn)如下：

（1）CAN總線是目前為止唯一有國(guó)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(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致沖突，此時(shí)優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間。

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

（4）CAN的節(jié)點(diǎn)只需對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(yuǎn)距離可達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，此時(shí)的通信最長(zhǎng)距離為40 m。

（6）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；在標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文標(biāo)識(shí)符有11位，而在擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符（29位）的個(gè)數(shù)幾乎不受限制。

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

（8）CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)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(xiàng)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(dá)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(cuò)誤的檢測(cè)以及處理，對(duì)CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符重新分組定義，使得報(bào)文的標(biāo)識(shí)符能夠描述報(bào)文的全部特征。CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符與J1939協(xié)議定義的29位標(biāo)識(shí)符定義關(guān)系如圖1所示。

2.2 J1939協(xié)議報(bào)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(gè)部分組成，分別是報(bào)文的優(yōu)先級(jí)、保留位、數(shù)據(jù)頁(yè)、PDU格式、特殊PDU、源地址和數(shù)據(jù)場(chǎng)等，如圖2所示。每一個(gè)CAN數(shù)據(jù)只能有一個(gè)PDU。其中優(yōu)先級(jí)P有3位，決定報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，其值越小優(yōu)先級(jí)越高；R為保留位，以備以后開發(fā)使用；數(shù)據(jù)頁(yè)DP是選擇參數(shù)群描述的輔助頁(yè)；PDU格式PF的8位是確定數(shù)據(jù)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的參數(shù)群編號(hào)的場(chǎng)；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(shí)，PS的值表示目標(biāo)地址，報(bào)文為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送到目的地址；當(dāng)PF的值在 240～255 之間時(shí)，報(bào)文向全局地址發(fā)送［4］，PS 表示的是群擴(kuò)展值；源地址（SA）定義發(fā)送該報(bào)文的設(shè)備地址，一個(gè)源地址只能匹配一個(gè)設(shè)備；數(shù)據(jù)場(chǎng)為該條報(bào)文所攜帶的數(shù)據(jù)，最多有8個(gè)字節(jié)長(zhǎng)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(dòng)機(jī)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(diǎn)通過CAN總線連接起來。由于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)、變速器節(jié)點(diǎn)以及ABS節(jié)點(diǎn)等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、共享的實(shí)時(shí)性要求比較高，速率達(dá)到500 kb/s，這些節(jié)點(diǎn)通過高速CAN總線連接起來；而車身等節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，使用的是低速CAN連接各節(jié)點(diǎn)，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(bào)文的中轉(zhuǎn)站，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)方，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享?？蛙嚳刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(hào)的描述可疑參數(shù)編號(hào)（SPN）和參數(shù)群編號(hào)（PGN）。SPN 為信號(hào)參數(shù)，PGN為報(bào)文參數(shù)［6］。其中PGN包括29位標(biāo)識(shí)符中的保留位、數(shù)據(jù)頁(yè)、PDU格式PF和群擴(kuò)展場(chǎng)。圖3列出了客車控制系統(tǒng)當(dāng)中主要的控制節(jié)點(diǎn)，本文就以發(fā)動(dòng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)的主要報(bào)文內(nèi)容說明SAE J1939應(yīng)用層協(xié)議的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)主要采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、燃油溫度、冷卻液溫度、冷卻液壓力以及機(jī)油壓力信息。由于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)是比較重要的節(jié)點(diǎn)，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(jí)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到整車控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理計(jì)算，整車控制器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的節(jié)點(diǎn)，如儀表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行顯示。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，發(fā)送周期20 ms，數(shù)據(jù)頁(yè)為0，PDU格式PF值240，為群擴(kuò)展格式；特定PDU（PS）為 3，優(yōu)先級(jí)為 3，參數(shù)群編號(hào)為 61 443（0xF003）。具體報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容定義如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元報(bào)文數(shù)據(jù)域定義

3 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)汽車應(yīng)用到的各類參數(shù)都進(jìn)行了定義。將來J1939協(xié)議在汽車上會(huì)有很廣闊的應(yīng)用前景［6］。

本文通過J1939協(xié)議，對(duì)客車各控制節(jié)點(diǎn)報(bào)文具體參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的定義，各節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)崟r(shí)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，實(shí)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(jì)性和操作的穩(wěn)定性。

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