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引言 隨著(zhù)車(chē)輛電子化和自動(dòng)化程度的提高，車(chē)輛上的ECU日益增多。為了提高信號的利用率，要求在不同的ECU間，大量的數據狀態(tài)信息能夠實(shí)現共享，大量的控制信號能夠實(shí)時(shí)交換。這樣，傳統線(xiàn)束已遠遠不能滿(mǎn)足這種需求。 CAN總線(xiàn)及基于CAN的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議提供了解決上述問(wèn)題的途徑。SAE J1939協(xié)議是美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE)在CAN2．0B協(xié)議基礎上制定的重型貨車(chē)和客車(chē)網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，是目前汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )中應用最廣泛的應用層協(xié)議之一。該協(xié)議使用多路復用技術(shù)為車(chē)輛各傳感器、執行器和控制器提供建立在CAN總線(xiàn)基礎上的標準化高速網(wǎng)絡(luò )連接，在不同的ECU間實(shí)現高速數據共享，以有效減少線(xiàn)束數量并提高車(chē)輛電子控制系統的靈活性、可靠性、可維修性。 目前，車(chē)輛的ECU產(chǎn)品大都帶有SAE J1939 CAN接口。針對具有SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品(如發(fā)動(dòng)機、變速器及其緩速器和ABS等ECU)，自定義若干ECU，集成實(shí)現基于SAE J1939協(xié)議的車(chē)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(chē)輛網(wǎng)絡(luò )拓撲結構 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(mǎn)足車(chē)輛駕駛的要求。為了使自定義ECU對外通信盡量不影響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，具有報文轉發(fā)功能。車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。 
2 車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )通信設計 按照SAE J1939協(xié)議，車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )通信設計包括以下幾方面內容： ◆物理層與SAEJI939-11兼容； ◆數據鏈路層與SAE J1939-21兼容； ◆網(wǎng)絡(luò )層與SAE J1939-31兼容； ◆應用層與SAE J1939-71兼容； ◆應用層診斷與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(xiàn)，CAN_H為黃色、CAN_L為綠色。網(wǎng)段盡可能使用線(xiàn)性拓撲結構，其波特率為250 kbps。網(wǎng)段干線(xiàn)兩端均以120 Ω電阻做終端匹配。ECU使用短支線(xiàn)與網(wǎng)段干線(xiàn)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)間內實(shí)現同步、網(wǎng)絡(luò )延時(shí)補償及采樣點(diǎn)位置確定等總線(xiàn)管理功能，其段組成如圖2所示。同步是相位緩沖段1加長(cháng)或相位緩沖段2縮短，其上限為同步跳轉帶寬 (SJW)。采樣點(diǎn)盡量位于(但不超過(guò))位時(shí)間的7／8，能實(shí)現傳播延遲和時(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 數據鏈路層 數據鏈路層在物理層之上提供了可靠的數據傳輸功能，實(shí)現了應用層報文的數據交換。通過(guò)數據鏈路層的組織，實(shí)現了發(fā)送數據幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制等功能。 數據鏈路層通過(guò)協(xié)議數據單元(PDU)組織數據幀中的協(xié)議相關(guān)信息。PDU由數據幀中29位ID和O～8字節數據場(chǎng)組成，其數據結構如圖3所示。P場(chǎng)決定報文優(yōu)先級；R位保留；DP位是數據頁(yè)位；PF場(chǎng)決定PDU格式(PDUl或PDU2)；PS場(chǎng)為PDU細節，由PF場(chǎng)決定是目標地址DA還是對PF、的組擴展GE；SA為源地址。
數據鏈路層提供的報文有命令報文、請求報文、廣播／響應報文、應答報文及組功能報文。此外，數據鏈路層還實(shí)現了傳輸協(xié)議功能，用于將大于8字節報文進(jìn)行打包重組、連接管理，分為廣播公告的BAM協(xié)議和點(diǎn)對點(diǎn)會(huì )話(huà)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)功能的設備需求和服務(wù)。當多個(gè)網(wǎng)段存在時(shí)需要網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)ECU，其功能包括報文轉發(fā)、報文過(guò)濾、報文地址轉換、報文重組及數據庫管理。網(wǎng)絡(luò )層功能對于特定ECU來(lái)說(shuō)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 應用層 應用層定義了針對車(chē)輛應用的信號(參數)和報文(參數組)。應用層通過(guò)參數描述信號，給每個(gè)參數分配了一個(gè)19位的可疑參數編號(SPN)；通過(guò)參數組描述報文，給每個(gè)參數組分配了一個(gè)24位的參數組編號(PGN)。SPN用來(lái)標識與ECU相關(guān)的故障診斷元素、部件或參數組中參數；PGN用來(lái)唯一標識一個(gè)特定參數組。除已分配的參數和參數組外，用戶(hù)還可通過(guò)分配未使用的SPN給自定義參數和定義專(zhuān)有報文對應用層進(jìn)行補充。 2．5 應用層診斷 應用層診斷定義了診斷報文DMl-19，其作用如表1所列。這19種報文在網(wǎng)絡(luò )中并不都可用。目前，網(wǎng)絡(luò )中僅用到報文DMl、DM2、DM3及DMll。
表l中的診斷故障代碼(DTC)為4字節，由19位可疑參數編號(SPN)、5位故障失效模式(FMI)、7位故障發(fā)生次數(OC)以及1位SPN轉換方式(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(guò)提供地址分配管理和網(wǎng)絡(luò )錯誤管理的定義和過(guò)程描述，來(lái)唯一識別網(wǎng)絡(luò )上的控制器。其功能包括：請求網(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(chē)輛網(wǎng)絡(luò )信息交互設計 車(chē)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(wú)源P9接口薄膜按鍵，其顯示布局如圖5所示。圖中左半部分：上部為紅色信號指示燈及其報警提示，其下為其他顏色信號指示燈：中部為儀表模擬模式下表盤(pán)指針或數字模式下數字，其下為小儀表報警提示；下部為組成員數據及各組報警提示。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(lái)源、菜單；下部為信息分頁(yè)，包括基本信息、各ECU 產(chǎn)品未處理的信息、DMl及DM2內容、DMl及DM2下載應答、DM3應答、DMll應答、單里程清零應答和日期時(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(huà)線(xiàn)，在指定位置顯示預置位圖，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、設置日期時(shí)間、顯示／關(guān)閉光標、打開(kāi)／關(guān)閉背光。當進(jìn)行不同程度的報警時(shí)，通過(guò)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(chē)輛網(wǎng)絡(luò )軟件設計 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uC／()S-II。S12X的從CPU——中斷協(xié)處理器XGate，處理μC／OS-II時(shí)鐘節拍中斷并作任務(wù)切換，提高了系統的實(shí)時(shí)性，減輕了主CPU的負荷。XGate還用于處理與液晶顯示器串口通信、與PC串口通信、查詢(xún)鍵盤(pán)的有效輸入，并管理報警蜂鳴器。 信息交互ECU在μC／0S-II下創(chuàng )建了5個(gè)任務(wù)：系統初始任務(wù)、指示燈任務(wù)、儀表數據任務(wù)、鍵盤(pán)相關(guān)任務(wù)、J1939處理任務(wù)。系統初始任務(wù)打開(kāi) RTI中斷，上電自檢，打開(kāi)日期時(shí)間顯示；指示燈任務(wù)周期性地顯示信號指示燈及紅色信號指示燈報警提示，顯示診斷指示燈及DMl來(lái)源，處理報警事件；儀表數據任務(wù)周期性地按選定模式顯示儀表及小儀表報警提示，顯示組成員數據及組報警提示，顯示環(huán)溫／氣壓及單／全里程，并處理報警事件；鍵盤(pán)相關(guān)任務(wù)在有效輸入下根據按鍵及菜單進(jìn)行分頁(yè)顯示切換、系統設置修改等；JI939處理任務(wù)周期性地遍歷兩個(gè)端口的協(xié)議棧進(jìn)行報文收發(fā)、報文轉發(fā)和提取應答等。 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(wú)限循環(huán)下先遍歷協(xié)議棧，對請求報文進(jìn)行響應，然后采集數據更新報文。程序采集傳感器信息，周期性地更新應用層報文。程序根據采集的信號、數據生成DTC，周期性地更新應用層診斷報文，根據DTC數目決定是否發(fā)送及是否用傳輸協(xié)議。程序半固定數據如DTC信息、里程信息等均保存在EEPROM中，每次上電導入，發(fā)生變化后實(shí)時(shí)更新。 結語(yǔ) 通過(guò)對具備SAE J1939 CAN接口的ECU產(chǎn)品CAN總線(xiàn)功能進(jìn)行分析，自定義若干ECU，集成實(shí)現基于SAE J1939協(xié)議的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )。在實(shí)驗室對比CAN卡、上車(chē)對比儀表板進(jìn)行試驗研究的結果表明，所集成的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )工作穩定、信息量豐富、能實(shí)時(shí)反映故障診斷信息，解決了車(chē)輛儀表盤(pán)信息量較少和故障診斷實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題。 雙核單片機的從CPU可提高μC／OS-II的實(shí)時(shí)性，降低了主CPU的負荷。此外，SAEJ1939協(xié)議的完備通信策略和成熟的通信機制，使得協(xié)議完全可以在修改應用層和應用層診斷相關(guān)定義之后，推廣應用到其他工業(yè)環(huán)境類(lèi)似的CAN通信領(lǐng)域，如列車(chē)控制、工廠(chǎng)控制等。 參考文獻 1. Labrosse Jean J.邵貝貝 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II 2003 2. 邵貝貝.宮輝 嵌入式系統中的雙核技術(shù) 2008 3. SAE J 1939.Recommended Practice for a Serial Control and Communication Vehicle Network 4. SAE J 1939-2001.Recommended Practice for Control and Communication Network for On-Highway Equipment 5. SAE J 1939-1911.Physical Layer,250K Bit/s,Shielded Twisted Pair 6. SAE J 1939-1921.Data Link Layer 7. SAE J 1939-1931.Network Layer 8. SAE J 1939-1971.Vehicle Application Layer 作者：清華大學(xué) 謝俊紅 林軼 陳三鑒 黃土琛 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009（5） |
