汽車道路性能測試系統(tǒng)CAN總線通信協(xié)議

張儀棟 ， 謝東坡

（1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

0 引 言

汽車道路性能測試是汽車新產(chǎn)品進(jìn)入市場前質(zhì)量檢驗的最后一環(huán)，非常關(guān)鍵。由于其涉及參數(shù)多、參數(shù)異質(zhì)化較大、參數(shù)實時性要求高，需不同類型的數(shù)據(jù)采集單元協(xié)調(diào)完成。數(shù)采單元間數(shù)據(jù)交換，需通信總線支撐，控制器局域網(wǎng) （controller area network，CAN）是目前應(yīng)用于汽車ECU中最廣泛的總線，考慮到汽車道路性能測試與車載ECU的數(shù)據(jù)交換，CAN總線成為汽車道路性能測試系統(tǒng)最理想的選擇[1]。

在各種CAN應(yīng)用層協(xié)議中，美國電氣工程師協(xié)會（SAE）制定了適用于卡車和客車的J1939協(xié)議，它是一種支持閉環(huán)控制的在多個ECU之間高速通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并得到了廣泛的應(yīng)用。雖然汽車道路性能測試的數(shù)采單元需要與車載ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但數(shù)采單元間通信又有其特殊性要求，所以不能完全照搬J1939協(xié)議[2]。

本文按照制定通信協(xié)議的基本原則，在設(shè)計汽車道路性能測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，基于J1939制定了適用于汽車道路性能測試系統(tǒng)的通用應(yīng)用層協(xié)議。

1 制定通信協(xié)議的基本原則

CAN協(xié)議的制定一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3個方面。目前物理層及數(shù)據(jù)鏈路層在相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中都進(jìn)行了完整地定義，因此CAN通信協(xié)議的制定主要集中在應(yīng)用層。

應(yīng)用層完成標(biāo)識符分配、多報文數(shù)據(jù)包的傳輸?shù)裙δ?。本文的?yīng)用層協(xié)議遵循J1939規(guī)范，充分考慮客車道路性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，給每個節(jié)點都分配固定的標(biāo)識地址；同時在充分考慮各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸實時性要求、數(shù)據(jù)的相對重要程度、控制算法對節(jié)點處理速度的要求等因素后完成標(biāo)識符（identifier，ID）分配、定義消息周期以及確定信號與消息的映射關(guān)系等[3-4]。

圖1 J1939協(xié)議與CAN協(xié)議ID比較圖

J1939協(xié)議與CAN協(xié)議的29位ID對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

制定應(yīng)用層協(xié)議的基本規(guī)則如下：

（1）節(jié)點源地址（source address，SA）。網(wǎng)絡(luò)中的一個數(shù)采板對應(yīng)唯一一個SA，在選擇節(jié)點地址時按照節(jié)點重要性來排序，重要性越高的節(jié)點地址越小。地址定義使用208～231這段屬于公路用車的預(yù)留地址[5]。

（2）參數(shù)組定義及編碼。對數(shù)采板節(jié)點的參數(shù)組定義時，盡量將功能相似、刷新率相同或相近的參放在同一個參數(shù)組中，這樣可以減少報文的數(shù)量、降低總線負(fù)載；參數(shù)組既要能夠充分利用8個字節(jié)的數(shù)據(jù)寬度，又要考慮擴(kuò)展性，預(yù)留一部分字節(jié)或位，以便將來進(jìn)行修改。參數(shù)組編碼（parameter group number，PGN）由協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式（protocal data unit format，PF）和協(xié)議數(shù)據(jù)單元特定域（protocal data unit specific，PS）2個字節(jié)數(shù)據(jù)編碼而成，按照參數(shù)組的重要程度及傳輸方式（廣播或一對一傳輸）不同分配不同的PGN號[6-7]。

（3）優(yōu)先級（priority，P）。優(yōu)先級共有 8 級，最高級0，最低級7。報文優(yōu)先級可以設(shè)置，所有從控制源發(fā)出的報文缺省優(yōu)先級為2，所有信息的、專用的、請求和應(yīng)答報文的缺省優(yōu)先級為5，根據(jù)報文實時性的要求可適當(dāng)修改優(yōu)先級，產(chǎn)品序列信息使用最低優(yōu)先級7。

2 汽車道路性能測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

汽車道路性能測試涉及的信號可歸結(jié)為6類，見表1。這些不同類型的信號通過相應(yīng)的板卡采集，板卡經(jīng)過同步時鐘信號同步后作為節(jié)點接入CAN網(wǎng)絡(luò)。圖2給出了汽車道路性能測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可掛載18個節(jié)點（圖中給出了6個），包括模擬量采集板、數(shù)字量采集板等6個類別，節(jié)點源地址SA采用J1939協(xié)議中預(yù)留碼段，實時性要求高的節(jié)點SA最??；總線兩端各加120Ω的終端匹配抑制信號反射，提高系統(tǒng)可靠性[9]；波特率為500kb/s。

表1 汽車道路性能測試信號分類

圖2 客車道路性能測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 汽車道路性能測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線通信協(xié)議

J1939協(xié)議的典型參數(shù)組定義如表2所示。

表2 J1939規(guī)定的6個典型參數(shù)信息

該協(xié)議為了擴(kuò)展方便，參數(shù)組的PDU的PF值從242開始，全部采用PDU2格式（廣播傳輸），PS從0至5開始依次分配給模擬量采集板、數(shù)字量采集板、微波采集板、開關(guān)量采集板、溫度采集板、通信板。CAN報文接收時通過對屏蔽器和過濾器進(jìn)行設(shè)置，每個數(shù)采板即可接收到所需參數(shù)。當(dāng)?shù)玫侥硞€參數(shù)組幀以后，就可以根據(jù)參數(shù)所在數(shù)據(jù)域的字節(jié)位置提取其對應(yīng)的原始數(shù)，再根據(jù)該參數(shù)對應(yīng)的分辨率和偏移量得到參數(shù)值，其計算公式為：參數(shù)值=參數(shù)原始數(shù)×分辨率+偏移量。參數(shù)組的各數(shù)據(jù)字節(jié)都定義為8個字節(jié)，并統(tǒng)一將最后一個字節(jié)保留，用于傳輸故障診斷信息[5-6]。

表3 典型參數(shù)組定義

限于篇幅，表3僅列出了模擬量板的參數(shù)組信息。模擬量板參數(shù)組用于將數(shù)采端口定義信息（電壓極性、偏移、增益等）、AD采樣值、故障代碼等信息向全局廣播。

4 通信協(xié)議的驗證

該協(xié)議目前已經(jīng)成功應(yīng)用在GCM06plus型機(jī)動車道路性能綜合測試儀上。該儀器的CAN網(wǎng)絡(luò)中一共有9個節(jié)點，包括：2個模擬量節(jié)點、2個數(shù)字量節(jié)點、1個GPS信號節(jié)點、1個開關(guān)量節(jié)點、1個溫度節(jié)點、2個通信節(jié)點。以汽車制動性能測試為例，各節(jié)點將采集的制動踏板力、管路壓力、車速、制動觸發(fā)標(biāo)記等信號及從車載ECU報文解析出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力等信號以廣播的方式在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布，最后通過以太網(wǎng)通信節(jié)點進(jìn)行綜合處理。圖3為測試曲線及結(jié)果，從圖中可以看出，各類參數(shù)均能按照本協(xié)議正常傳輸并滿足實時性要求。

圖3 汽車制動測試速度曲線及結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對比分析了汽車道路性能測試特點及J1939協(xié)議的適用性。在借鑒J1939協(xié)議的基礎(chǔ)上，制定了汽車道路性能測試系統(tǒng)CAN總線應(yīng)用層通信協(xié)議應(yīng)遵循的基本原則。并設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了通信協(xié)議的具體定義，協(xié)議有效性在GCM06型機(jī)動車道路性能綜合測試儀中得到驗證。

[1]夏繼強(qiáng)，李曉君.SAE J1939協(xié)議棧設(shè)計及 μC/OS-II系統(tǒng)下的開發(fā)平臺的研究 [J].汽車工程，2008，30（12）：1069-1074.

[2]郭川生，潘明.基于汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的嵌入式CAN網(wǎng)橋設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（1）：45-47.

[3]韓偉偉，王建.基于SAE J1939協(xié)議的發(fā)動機(jī)虛擬儀表系統(tǒng)的開發(fā)[J].汽車科技，2009（3）：24-26.

[4]夏繼強(qiáng)，孫進(jìn)，曹磊，等.基于SAE J1939的汽車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車工程，2007，29（6）：528-532.

[5]李芳，張俊智.電動汽車動力總成系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信協(xié)議[J].機(jī)械工程學(xué)報，2008，44（5）：102-107.

[6]劉和平.dsPIC通用數(shù)字信號處理控制器原理及應(yīng)用-基于dsPIC30F系統(tǒng)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

[7]王錦堅，洪添勝.基于SAE J1939協(xié)議的客車CAN總線發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2009，22（4）：82-84.

[8]蔡志偉，魏春光.基于SAE J1939協(xié)議的柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機(jī)車，2009（5）：23-25.

[9]王明文.基于SAE J1939的汽車網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)設(shè)計[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（1）：48-51.