基于SAE J1939協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)集成方法

摘要 電控單元(ECU)是車輛內(nèi)部系統(tǒng)控制模塊的代名詞。本文介紹如何集成自定義ECU和具有SAEJI939CAN接口的ECU產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)基于SAE JI939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。該網(wǎng)絡(luò)使用雙核單片機(jī)和μC／OS-II操作系統(tǒng)，通過液晶顯示器和按鍵實(shí)現(xiàn)信息交互，解決了車輛儀表盤信息量較少和故障診斷實(shí)時(shí)性不足等問題。該方法可推廣應(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。
關(guān)鍵詞 SAE JI939協(xié)議 車輛網(wǎng)絡(luò) 集成方法 電控單元 CAN

引 言
    隨著車輛電子化和自動(dòng)化程度的提高，車輛上的ECU日益增多。為了提高信號(hào)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(hào)能夠?qū)崟r(shí)交換。這樣，傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)(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(shí)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(duì)具有SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品(如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及其緩速器和ABS等ECU)，自定義若干ECU，集成實(shí)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?fù)浣Y(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(duì)外通信盡量不影響ECU產(chǎn)品間的通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)網(wǎng)段，必要時(shí)可合并成一個(gè)網(wǎng)段。網(wǎng)段A包含信息交互ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)外圍、I橋及II橋ECU，分動(dòng)器ECU，III橋及IV橋ECU。信息交互ECU用兩個(gè)CAN端口分別與兩個(gè)網(wǎng)段連接，具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能。車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車輛網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)
    按照SAE J1939協(xié)議，車輛網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)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(shí)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?fù)浣Y(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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償及采樣點(diǎn)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(diǎn)盡量位于(但不超過)位時(shí)間的7／8，能實(shí)現(xiàn)傳播延遲和時(shí)鐘誤差最佳折中。時(shí)鐘頻率為16 MHz時(shí)，推薦分頻因子=4、SJw=ltq、TSEGl=13tq、TSEG2=2tq(tq為時(shí)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(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層報(bào)文的數(shù)據(jù)交換。通過數(shù)據(jù)鏈路層的組織，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯(cuò)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(chǎng)組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。P場(chǎng)決定報(bào)文優(yōu)先級(jí)；R位保留；DP位是數(shù)據(jù)頁位；PF場(chǎng)決定PDU格式(PDUl或PDU2)；PS場(chǎng)為PDU細(xì)節(jié)，由PF場(chǎng)決定是目標(biāo)地址DA還是對(duì)PF、的組擴(kuò)展GE；SA為源地址。

    數(shù)據(jù)鏈路層提供的報(bào)文有命令報(bào)文、請(qǐng)求報(bào)文、廣播／響應(yīng)報(bào)文、應(yīng)答報(bào)文及組功能報(bào)文。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還實(shí)現(xiàn)了傳輸協(xié)議功能，用于將大于8字節(jié)報(bào)文進(jìn)行打包重組、連接管理，分為廣播公告的BAM協(xié)議和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)會(huì)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(gè)網(wǎng)段存在時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)ECU，其功能包括報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)文過濾、報(bào)文地址轉(zhuǎn)換、報(bào)文重組及數(shù)據(jù)庫管理。網(wǎng)絡(luò)層功能對(duì)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(duì)車輛應(yīng)用的信號(hào)(參數(shù))和報(bào)文(參數(shù)組)。應(yīng)用層通過參數(shù)描述信號(hào)，給每個(gè)參數(shù)分配了一個(gè)19位的可疑參數(shù)編號(hào)(SPN)；通過參數(shù)組描述報(bào)文，給每個(gè)參數(shù)組分配了一個(gè)24位的參數(shù)組編號(hào)(PGN)。SPN用來標(biāo)識(shí)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(shí)一個(gè)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(bào)文對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行補(bǔ)充。
2．5 應(yīng)用層診斷
    應(yīng)用層診斷定義了診斷報(bào)文DMl-19，其作用如表1所列。這19種報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中并不都可用。目前，網(wǎng)絡(luò)中僅用到報(bào)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(hào)(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(cuò)誤管理的定義和過程描述，來唯一識(shí)別網(wǎng)絡(luò)上的控制器。其功能包括：請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)上控制器的地址和名字、為控制器聲明一個(gè)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(jì)
    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(gè)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(hào)指示燈及其報(bào)警提示，其下為其他顏色信號(hào)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(bào)警提示；下部為組成員數(shù)據(jù)及各組報(bào)警提示。圖中右半部分：上部為日期時(shí)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(shí)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(dòng)顯示日期時(shí)間、讀取年月日、讀取時(shí)分秒、設(shè)置日期時(shí)間、顯示／關(guān)閉光標(biāo)、打開／關(guān)閉背光。當(dāng)進(jìn)行不同程度的報(bào)警時(shí)，通過蜂鳴器發(fā)出的緩和或尖銳兩種不同的聲音進(jìn)行提示。

4 車輛網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
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(shí)鐘節(jié)拍中斷并作任務(wù)切換，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，減輕了主CPU的負(fù)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(bào)警蜂鳴器。
    信息交互ECU在μC／0S-II下創(chuàng)建了5個(gè)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(shí)間顯示；指示燈任務(wù)周期性地顯示信號(hào)指示燈及紅色信號(hào)指示燈報(bào)警提示，顯示診斷指示燈及DMl來源，處理報(bào)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(bào)警提示，顯示組成員數(shù)據(jù)及組報(bào)警提示，顯示環(huán)溫／氣壓及單／全里程，并處理報(bào)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(jìn)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(gè)端口的協(xié)議棧進(jìn)行報(bào)文收發(fā)、報(bào)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(duì)請(qǐng)求報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，然后采集數(shù)據(jù)更新報(bào)文。程序采集傳感器信息，周期性地更新應(yīng)用層報(bào)文。程序根據(jù)采集的信號(hào)、數(shù)據(jù)生成DTC，周期性地更新應(yīng)用層診斷報(bào)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(shí)時(shí)更新。

結(jié) 語
    通過對(duì)具備SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品CAN總線功能進(jìn)行分析，自定義若干ECU，集成實(shí)現(xiàn)基于SAE J1939協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)比CAN卡、上車對(duì)比儀表板進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性不足的問題。
    雙核單片機(jī)的從CPU可提高μC／OS-II的實(shí)時(shí)性，降低了主CPU的負(fù)荷。
    此外，SAEJ1939協(xié)議的完備通信策略和成熟的通信機(jī)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。